论文开题：基于数值仿真的车刀几何角度设计方法研究

大学本科毕业论文(设计)开题报告
学院：机电及自动化学院　　　　　　　　专业班级：机械制造及自动化2班

课题名称 基于数值仿真的车刀几何角度设计方法研究

1、本课题的的研究目的和意义：
钛是一种稀有金属，其合金具有很高的比强度，很好的耐腐蚀性和高温力学性能。钛合金零件具有质量轻、强度高、减震、减噪、寿命长等特点。钛合金最初应用在航空航天领域，随着工业技术的发展和工业化规模的扩大，钛工业发展迅速，逐渐扩大到化工、电力、冶金、兵器、汽车等行业。钛合金的科研技术水平衡量航空航天的先进程度，同时也提高其他工业装备的性能。世界上许多国家都认识到钛合金材料的重要性，相继对其进行研究开发，并得到了实际应用。20世纪50～60年代，主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金，70年代开发出一批耐蚀钛合金，80年代以来，耐蚀钛合金和高强钛合金得到进一步发展。钛合金主要用于制作飞机发动机压气机部件，其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件。目前，世界上已研制出的钛合金有数百种，钛合金加工材年产量已达4万余吨,钛合金牌号近30种。使用最广泛的钛合金是Ti-6Al-4V(TC4),Ti-5Al-2.5Sn(TA7)和工业纯钛（TA1、TA2和TA3）。
航空
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认为切削速度对刀具耐用度的影响最大，进给量次之，背吃刀量影响最小。黄泽喜认为：切削钛合金时圆柱度误差十分显著，应限制切削速度及采用适当的刀具主偏角，以减小切削抗力。吴红兵等从刀具几何角度对TC4切削加工的影响出发进行了研究，分析了刀具的前角、后角、刀尖圆弧半径对切削力的影响。Zhi*in Liu等利用人工神经网络建模方法对高速加工钛合金的表面粗糙度进行了研究。魏树国等、许文祥等均对钛合金的切削加工性进行了研究，提出了对钛合金切削加工参数选择的研究成果。沈良冀对医用钛合金零件进行了数控加工工艺优化研究，提出了具体的切削参数优化方案，建立了粗糙度模型与加工效率模型，得到有效的参数优化。王怀峰等采用有限元分析软件AdvantEdgeFEM和DEFORM-3D进行了三维仿真，研究了钛合金的车削加工过程切削热的整体分布情况和刀具、切屑及工件切削温度的分布规律。姜峰建立了基于Power-Law模型的材料本构关系和基于裂纹扩展的材料失效模型，并进行了不同冷却润滑条件下的切削仿真，研究了不同冷却润滑条件下钛合金高速加工机理，分析了刀具磨损对已加工表面、切屑形貌和铣削力的影响。朱文明研究了高速切削TI6AL4V时的锯齿状切屑形成机理并进行了仿真模拟。于谭继研究了TC4的热处理工艺对车削加工性能的影响。
3、 本课题的主要研究内容（提纲）和成果形式：
 钛合金的切削加工性分析
1) 钛合金材料的性质
钛在固态存在着同素异构体。在882 ℃产生同素异构转变，低于882℃，钛为密排六方结构，称之为“α-Ti”。这种晶体结构具备各向异性，对间隙元素的污染敏感，在低温下塑形逐渐降低。高于882℃时，钛为体心立方结构，称之为“β-Ti”。这种类型的结构具有高的成形性能，在高温下的蠕变抗力较低，并有“塑形—脆性转变”的特性。在钛中加入合金元素，根据其对钛的同素异构转变影响的不同，钛合金可分为3类：α相钛合金，β钛合金，（α+β）相钛合金。
TC4（Ti6Al4V）合金属于（α+β）相钛合金，其成分为Ti-6Al-4V。TC4在退火状态就具有较高的强度和良好的塑性，经淬火（930℃加热）和时效处理（540℃、2H）后，其 可达1274MPa， 为1176MPa，并有较高的蠕变抗力、低温韧性和耐蚀性良好。TC4合金适用于制造400℃以下和低温下工作的零件，如火箭发动机外壳、火箭和导弹的液氢燃料箱等部件，应用最广泛，用量最大。
在高温下（550℃左右）下，钛合金仍保持其力学性能；在低温下，钛合金强度反而比常温时增加，且具有良好的韧性。钛对氧有较大的亲和力，在含氧的环境中能形成坚固的氧化物保护膜，而且有优异的耐腐蚀性能。
由于钛合金性能的特殊性，使钛合金的切削加工比较困难。
2) 钛合金切削加工性差的原因
切削加工性是一个相对性的概念。衡量切削加工性的指标主要有：刀具耐用度，加工质量和断屑性能。钛合金硬度及强度按α相、（α+β）相、β相的次序增加，而切削加工性按这个次序下降。钛合金切削加工性差的原因主要有：
导热系数小，切削温度高。钛合金的热扩散率分别是铁、铝的1/4和1/6。钛合金的导热系数比不锈钢、高温合金的导热系数还低，加工时几乎所有的热量都集中在切削刃上，因此，切削过程中的切削温度非常高。
切屑与前刀面的接触长度短，刀尖应力大。相同切削条件下，钛合金的切削力虽然比45号钢小很多，但钛切屑与前刀面的接触面积却更小，所以，单位切削刃上承受的应力就很大，是钢的1.3~1.5倍。由于刀尖附近应力集中，刀尖或切削刃容易磨损，甚至损伤。
钛合金的强度高、硬度大、冲击韧性大，加工硬化非常严重，所以切削时刀具磨损也非常严重。工件加工时产生的不良应力，破坏了加工零件的精度。加工时要求加工设备功率大，刀具应具有较高的强度和硬度。
摩擦系数大，摩擦速度高。钛合金与刀具材料间的摩擦系数大于碳钢与刀具材料间的摩擦系数。而钛合金的切屑变形系数远比其他金属材料小，因而钛合金切屑沿前刀面的摩擦速度高，结果是摩擦功大，摩擦界面温度高，切削热集中在刀刃上，易粘结，刀具易磨损、寿命低。
钛和钛合金在高温时化学活性高，能与空气中的氢、氧和氮起化学反应，形成脆性层，降低塑形，并且切屑与前刀面的接触长度减小，刀具磨损加剧。
弹性模量小。钛合金的弹性模量约为钢的一半，切削加工时产生更大的变形，且变形后易弹回，使切削时刀具的实际后角减小，则后刀面与零件的摩擦将增大。 ……（未完，全文共6807字，当前仅显示2390字，请阅读下面提示信息。收藏《论文开题：基于数值仿真的车刀几何角度设计方法研究》）