第一章緒論1.1課題研究背景及意義衡量零件好壞的一個(gè)主要指標(biāo)就是殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力對(duì)零件的使用壽命、精度、穩(wěn)定性以及抵抗沖擊能力等都在不同程度有一定的影響。因此國(guó)內(nèi)外有許多學(xué)者針對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行了不同方法的研究。在他們的研究中，大多采用實(shí)驗(yàn)方法研究殘余應(yīng)力，這種方法還是比較準(zhǔn)確的，但主要問題是成本有點(diǎn)太高。還有不少學(xué)者采用解析法研究殘余應(yīng)力，但其中有眾多因素導(dǎo)致其偏差過大，可信度大大降低。近些年隨著技術(shù)與科技發(fā)展，有限元分析逐漸完善，使銑削加工在仿真軟件上進(jìn)行成為可能，這樣不但節(jié)省了資源、財(cái)力，同時(shí)還大大的提高了速度，并且使結(jié)果可以直接的呈現(xiàn)出來。但是只使用軟件進(jìn)行有限元分析，還是有不少人對(duì)其過程中的參數(shù)設(shè)定、各種假設(shè)、結(jié)果可信度提出了質(zhì)疑。因此，本文采用實(shí)驗(yàn)與有限元法同時(shí)進(jìn)行研究，構(gòu)建球頭刀銑削過程中殘余應(yīng)力的預(yù)測(cè)模型，在減少物力的同時(shí)增加分析結(jié)果的可信度，得出鈦合金銑削加工過程中的各種物理現(xiàn)象，并對(duì)其各種參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終改善殘余應(yīng)力對(duì)零件在精度、壽命、性能方面的影響。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外對(duì)殘余應(yīng)力的研究步伐從未停止，伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的提高和各種實(shí)驗(yàn)技術(shù)、設(shè)備的發(fā)展，殘余應(yīng)力的分析方法也日益趨于多樣，如今大多數(shù)使用的方法為：實(shí)驗(yàn)法、有限元法、解析法。1.2.1國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀大多數(shù)研究人員都采用銑削實(shí)驗(yàn)，并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來分析殘余應(yīng)力的分布規(guī)律，因?yàn)檫@種方法可信度高，被更多的人認(rèn)可。Liang[3]等人通過做大量的實(shí)驗(yàn)，將銑削實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，建立了殘余應(yīng)力分布的數(shù)學(xué)模型，其擬合程度非常接近。張宇[4]等人通過采用化銑削剝層法，對(duì)TC4鈦合金零件在不同的銑削用量條件下，觀察零件表面殘余應(yīng)力的分布機(jī)理。研究表明：沿層深方向分析，殘余應(yīng)力逐漸由壓轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力；在此基礎(chǔ)上，經(jīng)向切深增加的同時(shí)，殘余應(yīng)力值跟著增加；而隨著進(jìn)給量的提高與切削速度的增加，殘余應(yīng)力值不增加反而相應(yīng)下降。解析法分析也比較常見。存在的問題是：在分析過程中影響因素眾多，可能導(dǎo)致結(jié)果偏差過大。西北工業(yè)大學(xué)的葉翔宇[5]提出了三維斜角切削加載應(yīng)力場(chǎng)模型，是在二維直角的基礎(chǔ)上建立的，得出一種銑削表面殘余應(yīng)力的解析模型。隨著科學(xué)技術(shù)的提高，有限元法被更多的學(xué)者所接受，用有限元法軟件模擬切削加工過程，是一種比較有說服力的方法。目前有限元軟件眾多：DEFORM、ABAQUS、ANSYS等。哈爾濱理工大學(xué)岳彩旭[6]等人使用ABAQUS軟件，工件為鈦合金薄壁件，在軟件中進(jìn)行仿真，主要研究加工過程中的力與溫度。采用正交法和單因素進(jìn)行分析，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。仿真表明；前角、后角都對(duì)銑削力和溫度有影響。前角與后角增大時(shí)，銑削力都是減小，而銑削溫度影響不同，前角的影響下，溫度起伏變化，后角使溫度先減少后增大。最后分析結(jié)果得出最優(yōu)水平組合。葛可可[7]等人采用有限元軟件，主要研究對(duì)象是鈦合金焊接接頭處，對(duì)其溫度與應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行模擬，記錄數(shù)值，分析焊接處殘余應(yīng)力的分布情況。研究表面：隨著距離焊縫距離的不斷增加，焊接殘余應(yīng)力在降低。得出在防止零件失效問題上，優(yōu)先采取消除應(yīng)力處理的方法。山東建筑大學(xué)李同[8]利用ANSYS進(jìn)行三維模型，對(duì)薄壁件進(jìn)行分析，主要研究在不同銑刀位置和不同切削參數(shù)時(shí)的影響情況。1.2.2國(guó)外研究現(xiàn)狀早在1970年有限元法就已經(jīng)被用來預(yù)測(cè)分析殘余應(yīng)力。Mamedov[9]在有限元方法的基礎(chǔ)上，對(duì)鈦合金銑削進(jìn)行仿真，得到刀具在銑削鈦合金的過程中，殘余應(yīng)力研究過程中溫度場(chǎng)規(guī)律。切削加工優(yōu)化技術(shù)方面的研究，Li[10]等使用遺傳算法，以低能耗、低碳、高效目標(biāo)函數(shù)下，對(duì)材料銑削加工的過程中，刀具運(yùn)動(dòng)的軌跡進(jìn)行優(yōu)化。AlexandreMondelin[11]等提出了一種預(yù)測(cè)15-5PH馬氏體不銹鋼精加工過程中殘余應(yīng)力的混合模型。M.Calamaz[12]等采用有限元模型對(duì)高速切削難熔鈦合金時(shí)的切屑形貌和絕熱剪切帶定位過程進(jìn)行了模擬，并分析了材料特性(應(yīng)變軟化、熱軟化等)和加工參數(shù)對(duì)切削力和切屑形貌的影響。S.M.Afazov[13]根據(jù)不同微銑削參數(shù)(刀具半徑、進(jìn)給速度、主軸角速度和槽數(shù))下刀具的軌跡，有限元建模時(shí)，利用直角切削來預(yù)測(cè)不同軌跡下進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速對(duì)切削力的影響規(guī)律。綜上所述：許多學(xué)者都對(duì)銑削殘余應(yīng)力進(jìn)行了深入研究，研究方法也是不斷被改進(jìn)，從實(shí)驗(yàn)、解析法到有限元法再到有限元與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法。但還是存在一些問題：1.從閱讀的各文獻(xiàn)來看，以平底銑刀為研究對(duì)象的銑削模型為主，而對(duì)于球頭銑刀為研究對(duì)象的比較少。2.從殘余應(yīng)力的分析來看，許多文獻(xiàn)分析參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響時(shí)，采用定性的分析，而基于有限元分析殘余應(yīng)力比較少。1.3課題主要研究?jī)?nèi)容仿真出銑削力、銑削熱以及殘余應(yīng)力，開展銑削TC4鈦合金實(shí)驗(yàn)，采用x射線衍射法測(cè)量殘余應(yīng)力，將仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較，驗(yàn)證仿真模型。全文框架見下圖1.2。圖1.2銑削殘余應(yīng)力有限元分析框架1.4本章小結(jié) 本章剛開始介紹了本篇論文所要研究的背景和意義，指出航空發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)該使用鈦合金加強(qiáng)緣來抵抗外界的撞擊，從而引出殘余應(yīng)力。得出使用有限元法分析殘余應(yīng)力，可以減少人力與物力的消耗，并且結(jié)果可信度并不會(huì)降低。接著總結(jié)了國(guó)內(nèi)外對(duì)于銑削殘余應(yīng)力的研究現(xiàn)狀，為后文的分析仿真結(jié)果做鋪墊，最后對(duì)課題內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)，以框圖形式呈現(xiàn)出來。

第二章鈦合金TC4多軸銑削力-熱有限元仿真2.1引言現(xiàn)階段，在有限元仿真方面，許多學(xué)者建立的依然是二維模型，三維模型比較少，一般都進(jìn)行了簡(jiǎn)化。本章先進(jìn)行三維模型，對(duì)建模過程進(jìn)行描述，主要研究銑削力與溫度。介紹了其提取方法，然后仿真得出結(jié)果并分析。2.2切削過程有限元仿真概述有限元，是將復(fù)雜的東西分為有限多個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的部分，一部分與一部分之間有固定的連接方式，從而用有限的未知量去解決無(wú)限未知量的問題，逼近的程度與劃分的次數(shù)有關(guān)，是一個(gè)由繁到簡(jiǎn)再到繁的過程。有限元法在上個(gè)世紀(jì)六十年代就開始使用，隨著科技的進(jìn)步和不斷在完善，有限元分析的準(zhǔn)確度也在不斷提升。有限元仿真基本上都是按照三個(gè)步驟進(jìn)行的：先處理、求解計(jì)算、后處理。先進(jìn)行處理就是建模、確定材料的屬性、條件設(shè)定、網(wǎng)格劃分等準(zhǔn)備過程；求解計(jì)算就是模型、數(shù)據(jù)的計(jì)算過程；后處理就是結(jié)果的輸出，通過實(shí)驗(yàn)或仿真得到的數(shù)據(jù)。2.3銑削過程有限元建模本篇論文使用ABAQUS軟件來進(jìn)行三維銑削建模，先處理中的各種操作、數(shù)據(jù)和關(guān)鍵步驟決定仿真的成敗，應(yīng)力的結(jié)果由材料的力學(xué)本構(gòu)方程決定，切削能否正確生成由損傷模型決定，仿真結(jié)果的準(zhǔn)確度由網(wǎng)格的劃分決定。2.3.1幾何模型構(gòu)建本文使用四刃球頭銑刀，由于銑刀刀頭比較復(fù)雜，所以決定先在UG軟件進(jìn)行三維建模，然后導(dǎo)入ABAQUS軟件中，直徑為Φ5。如圖2.1所示，為UG中的球頭銑刀三維建模。螺旋角30°，法后角15°，法前15°。這三樣參數(shù)比較重要，對(duì)結(jié)果有一定影響。圖2.1球頭銑刀本文采用5mm×5mm×5mm的正方體工件，為模擬穩(wěn)定切削階段，對(duì)原始模擬的正方體工件進(jìn)行修改，在ABAQUS軟件上建立切削后的工件。工件如圖2.2所示。圖2.2工件夾具同樣也在UG中建模，采用同軸夾具進(jìn)行裝夾，最后仿真時(shí)的工件為此工件中的一小部分，如圖2.3所示。圖2.3夾具2.3.2材料本構(gòu)模型材料的本構(gòu)模型是仿真的關(guān)鍵因素，在有限元軟件中，材料本構(gòu)模型有Bodner-Partom、Johnson-Cook等，本文采用ABAQUS里面的Johnson-Cook本構(gòu)，方程的表達(dá)式見式（2-1）。σ=A+Bεn1+CLnεε01?其中，A材料初始屈服應(yīng)力；B為硬化模量；σ為等效塑性應(yīng)力；ε為等效塑性應(yīng)變； m為熱軟化系數(shù)；C為應(yīng)變率變化系數(shù)；ε

ε0 T為材料動(dòng)態(tài)溫度； T0為室溫； Tm為材料熔化溫度； n為加工硬化指數(shù)。本文工件材料采用TC4鈦合金，查閱文獻(xiàn)[14]11可得表2.1中的J-C本構(gòu)參數(shù)。其中第五組較為常用。表2.1TC4鈦合金J-C本構(gòu)參數(shù)編號(hào)ABCnm熔化溫度Tm[℃]轉(zhuǎn)變溫度T0[℃]參考應(yīng)變率18757930.010.3860.71168020128623310.0120.340.8168020138606830.0350.47116402014120012000.0140.221.116502515109810920.0140.931.11680201對(duì)于工件和刀具的基本物理性能參數(shù)，查閱文獻(xiàn)[15]得到表2.2。表2.2基本物理性能參數(shù)工件（Ti-6AL-4V）刀具（硬質(zhì)合金）傳導(dǎo)率[Wm-1℃-1]6.80（20℃）40.15（100℃）7.40（100℃）48.55（300℃）9.80（300℃）56.95（500℃）11.80（500℃）63.35（700℃）密度[Ton/mm3]4.43×10-911.90×10-9彈性模量[Mpa]109000（50℃）65000091000（250℃）75000（450℃）泊松比0.340.22熱膨脹[℃-1]9.1×10-65.7×10-6比熱[MJTon-1℃-1]611000000（20℃）346000000（100℃）624000000（100℃）370000000（300℃）674000000（300℃）394000000（500℃）703000000（500℃）418000000（700℃）非彈性熱份額切削分離準(zhǔn)則金屬切削模擬中的損傷包含兩個(gè)方向：物理分離準(zhǔn)則和幾何分離準(zhǔn)則。本文采用物理分離準(zhǔn)則，使用ABAQUS中的Johnson-Cook損傷準(zhǔn)則，失效參數(shù)為ω，如果ω大于1，材料失效，網(wǎng)絡(luò)刪除。ω的表達(dá)式如式（2-2）：ω=ε0其中，ε0?εεfpl單元失效應(yīng)變值，表達(dá)式為式（2εfpl=d1+其中，d1、p靜水壓應(yīng)力；ε0TmeltT0為轉(zhuǎn)變溫度（室溫）；T為瞬時(shí)溫度值；q為Mises應(yīng)力；d4εed5查閱文獻(xiàn)[15]33可得具體參數(shù)如表2.3。圖中的失效位移為單元特征長(zhǎng)度與損傷始末應(yīng)變的成績(jī)。表2.3J-C損傷參數(shù)d1d2d3d4d5熔化溫度Tm[℃]轉(zhuǎn)變溫度T0[℃]參考應(yīng)變率失效位移-0.0143.8716802010.0152.3.4接觸及熱分配切削金屬的過程中，摩擦現(xiàn)象是必不可少的因素，并且影響還比較大，不僅影響材料的變形，還影響切削過程中力的大小，刀具前、后刀面與工件的摩擦都影響切削過程中的溫度，不同部分溫度差異還比較大。摩擦系數(shù)還受外部因素的影響，比如切削液。不同區(qū)域摩擦計(jì)算的方法也有所差異。本文將對(duì)摩擦進(jìn)行簡(jiǎn)化。2.3.5網(wǎng)格劃分策略有限元仿真的關(guān)鍵之一是網(wǎng)格劃分，它決定著仿真最終結(jié)果的可信度，所以劃分網(wǎng)格的過程中必須保證精準(zhǔn)、精確，否則會(huì)造成許多麻煩。本篇論文將銑刀分成刀頭、刀尾兩個(gè)部分。如圖2.4所示。刀具在切削過程中變形比較少，在加上本文主要是對(duì)溫度進(jìn)行研究，因此此處忽略不計(jì)。刀頭部分進(jìn)行剛性約束，運(yùn)動(dòng)的參考點(diǎn)取在刀尖部分，刀桿部分進(jìn)行顯示體約束，就是不進(jìn)行網(wǎng)格劃分、不進(jìn)行計(jì)算。只對(duì)刀頭部分進(jìn)行劃分，可以減少網(wǎng)格數(shù)量，從而減少仿真時(shí)間，提高效率。本文只對(duì)球頭刀的刀頭部分進(jìn)行劃分，由于刀頭形狀不規(guī)則，因此選擇從刀刃進(jìn)行局部布種，單元類型選擇溫度-位移耦合的四面體單元，按上述方法劃分結(jié)果如圖2.5。圖2.4刀具幾何劃分圖2.5刀頭網(wǎng)格劃分工件為正方體形狀，可以采用用溫度-位移耦合六面體網(wǎng)格劃分。對(duì)工件要進(jìn)行切削的地方進(jìn)行幾何劃分，對(duì)要銑削的部分進(jìn)一步細(xì)化。如圖2.6。（a）幾何劃分（b）劃分網(wǎng)格圖2.6銑削仿真模型圖2.4仿真結(jié)果提取2.4.1銑削力的提取銑削力的產(chǎn)生是因?yàn)閺椥曰蛩苄宰冃我鸬?。切削力一般在三個(gè)方向上研究：沿主軸方向、沿進(jìn)給方向、垂直方向。最大方向?yàn)檫M(jìn)給方向，最小方向?yàn)橹鬏S方向。本文提取垂直于工件表面切深方向（RF2）的銑削力，還有行距方向和進(jìn)給方向（RF3、RF1）的切削力。在實(shí)際的切削過程中，銑刀在剛接觸工件表面和離開工件表面時(shí)都有較大的瞬時(shí)載荷，因此在不斷的切入、切出過程中，載荷在不斷變化，所以切削力也是在波峰、波谷之間不斷變化。本文的提取方式是選取10個(gè)左右的峰值，然后求取平均值，得到結(jié)果為銑削力的數(shù)值。如圖2.7，該圖為105m·min-1的切削速度，傾斜角為53°，0.055mm·z-1的每齒進(jìn)給量所對(duì)應(yīng)的行距方向的切削力變化示意圖，平均切削力為23.46N，力的范圍在0N到40N之間波動(dòng)，由于銑削過程中刀具不斷的切出與切入，在這個(gè)過程中瞬間受力較大，因此圖像在波峰、波谷中不斷變化。2.4.2銑削溫度的提取銑削熱的主要來源如下：1.前刀面摩擦產(chǎn)生熱。2.后刀面摩擦產(chǎn)生熱。3.刀具微弱變形產(chǎn)生熱。4.工件微弱變形產(chǎn)生熱。圖2.7切削力在真正的切削過程中，很難控制刀具工作過程中的溫度分布及工件的準(zhǔn)確測(cè)量。使用仿真軟件的話，這些問題就迎刃而解了，但是也存在問題，仿真軟件模擬的溫度一般比實(shí)際溫度低。本文選取工件中單元的最高溫度為銑削溫度的數(shù)值。本文選取工件上的53899單元為銑削過程中進(jìn)行數(shù)據(jù)提取的單元。如圖2.8所呈現(xiàn)的，選取參數(shù)每齒進(jìn)給量為0.055mm·z-1、切削速度為150m·min-1、傾斜角為53°所對(duì)應(yīng)的銑削溫度，其數(shù)值為112.7℃，銑削溫度在20℃到120℃之間變化，圖像為先緩慢上升，在0.03s附近銑削溫度迅速上升，接著迅速下降，然后再緩慢下降。圖2.8銑削溫度圖像2.5結(jié)果分析2.5.1銑削力根據(jù)銑削力的提取方法，每組仿真過程中的三個(gè)方向的銑削力如表2.4，求出合力，計(jì)算方式如式（2-4）。RF=2RF1表2.4切削力仿真結(jié)果編號(hào)仿真參數(shù)切削力切削速度Vc[m·min-1]每齒進(jìn)給量fz[mm·z-1]側(cè)傾角θ[°]RF1[N]RF2[N]RF3[N]RF[N]1600.055636.2136.5642.3556.2921050.055537.0220.0523.4631.6531500.055634.3335.1537.2151.37由表格可知，三個(gè)方向的力都在4N至45N之間，其中，沿行距方向的力最大，沿進(jìn)給方向的力最小，切深方向的力居中。并且編號(hào)為1的參數(shù)下的合力最大，為56.29N。編號(hào)為2的最小，為31.65N。2.5.2銑削溫度根據(jù)銑削溫度的提取方法，將每組數(shù)據(jù)的溫度記錄如下表2.5：表2.5銑削溫度仿真結(jié)果編號(hào)仿真參數(shù)切削速度Vc[m·min-1]每齒進(jìn)給量fz[mm·z-1]側(cè)傾角θ[°]銑削溫度[℃]1600.05563177.621050.05553112.731500.05563167.9由表格可知，銑削溫度都在100℃到200℃之間，其中，編號(hào)為1的參數(shù)下的銑削溫度最高，為177.6℃。編號(hào)為2的最小，為112.7℃。2.6本章小結(jié)本章的主要內(nèi)容為建立了球頭刀三維銑削有限元模型，在建立有限元模型的過程中，對(duì)幾何模型構(gòu)建、材料本構(gòu)模型、切削準(zhǔn)則和網(wǎng)格劃分過程進(jìn)行較為詳細(xì)的描述。然后描述了銑削力和銑削溫度的提取方法。最后用仿真軟件對(duì)銑削力和溫度進(jìn)行仿真，最終提取仿真結(jié)果，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行了分析。1.由銑削力的仿真結(jié)果可知，每齒進(jìn)給量相同的條件下，傾側(cè)角對(duì)銑削力的影響較大，切削速度影響較小。2.由銑削溫度的仿真結(jié)果可知，每齒進(jìn)給量與傾側(cè)角相同的條件下，切削速度對(duì)銑削溫度影響不是太大。

第三章鈦合金TC4多軸銑削殘余應(yīng)力有限元仿真3.1引言殘余應(yīng)力，從宏觀方面來講，就是指所要研究的物體，沒有受到外部力，物體內(nèi)部依然可以平衡時(shí)所產(chǎn)生的力。目前在銑削殘余應(yīng)力方面，許多學(xué)者都進(jìn)行過研究，但他們大多都是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，此方法準(zhǔn)確的高，但研究成本較高。本章將在上一章模型的基礎(chǔ)上，提取殘余應(yīng)力的仿真結(jié)果，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行梯度分布分析。3.2切削殘余應(yīng)力仿真過程在加工工件過程中，應(yīng)力的分布會(huì)受到其他因素的影響。如：參數(shù)的設(shè)定、切削刀具的磨損程度等。在軟件上進(jìn)行仿真時(shí)，可以將殘余應(yīng)力分四個(gè)階段進(jìn)行：切削階段、卸載階段、轉(zhuǎn)化階段、降溫階段[15]45。1.切削階段。刀具按照設(shè)定好的切削速度、每齒進(jìn)給量和傾側(cè)角沿設(shè)定好的加工路線進(jìn)行銑削加工，去除掉多余材料，直到切削進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。2.卸載階段。切削進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)之后，刀具在無(wú)接觸的情況下進(jìn)行卸載，從而達(dá)到所加的力不會(huì)對(duì)工件內(nèi)部的應(yīng)力產(chǎn)生影響，為后續(xù)進(jìn)行殘余應(yīng)力分析奠定基礎(chǔ)。3.轉(zhuǎn)化階段。去掉加工過程中邊界條件及工件加工工程中的位移，并對(duì)工件進(jìn)行三點(diǎn)約束，使工件在約束條件下可以進(jìn)行自由變形。4.降溫階段。通過對(duì)溫度進(jìn)行處理，使工件溫度降至室溫左右，這樣可以除去熱量對(duì)工件應(yīng)力的影響，從而得到加工過程中所要的殘余應(yīng)力。3.3多軸銑削殘余應(yīng)力有限元建模工件在使用過程中，殘余應(yīng)力是個(gè)重要影響因素，會(huì)引起工件變形、壽命變短等，因此，殘余應(yīng)力的影響必須受到重視，可能造成嚴(yán)重后果。接下來通過仿真殘余應(yīng)力，對(duì)殘余應(yīng)力進(jìn)行分析，從而達(dá)到降低殘余應(yīng)力的影響。3.3.1殘余應(yīng)力仿真分析建立材料關(guān)于彈性本構(gòu)關(guān)系時(shí)，本構(gòu)模型需要滿足以下條件[15]42:1.在彈性方面，由泊松比和彈性模量來進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變的計(jì)算。2.在塑性方面，采用塑性本構(gòu)模型，需要滿足屈服準(zhǔn)則：fσ=|σ|?工件材料經(jīng)過切削階段、卸載階段、轉(zhuǎn)化階段、降溫階段四個(gè)步驟后，最終可得到工件表面的殘余應(yīng)力。3.3.2仿真方案設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案一般有多種選擇，比如：正交實(shí)驗(yàn)、全因子實(shí)驗(yàn)等[14]。全因子實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是可以得到更多有用的信息，準(zhǔn)確度更高，并且可以減少實(shí)驗(yàn)在儀器和環(huán)境方面的影響，從而減少實(shí)驗(yàn)誤差。缺點(diǎn)就是實(shí)驗(yàn)次數(shù)比較多，這就意味著在人力、物力方面消耗較大。正交實(shí)驗(yàn)的根本目的就是在全因子實(shí)驗(yàn)中選出具有代表的方法，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)起代表性作用。從中可以減少實(shí)驗(yàn)量。因此，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，就應(yīng)該將時(shí)間消耗、財(cái)力、物力、實(shí)驗(yàn)過程的難易程度考慮進(jìn)去，最終決定選擇響應(yīng)曲面法中的Box-Behnken方案，共3組數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，如表3.1。其中切寬為0.21mm，切深為0.2mm。其中各參數(shù)值根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)加工取定。表3.1仿真方案編號(hào)仿真參數(shù)切削速度Vc[m·min-1]每齒進(jìn)給量fz[mm·z-1]側(cè)傾角θ[°]1600.0556321050.0555331500.055633.4殘余應(yīng)力仿真結(jié)果提取經(jīng)過切削、卸載、轉(zhuǎn)化、降溫四步之后，工件表面上的應(yīng)力即為最終要分析的殘余應(yīng)力，本文提取的殘余應(yīng)力為進(jìn)給方向和行距方向上的殘余應(yīng)力。提取方法如下所示：1.在已加工表面選擇一個(gè)較穩(wěn)定的區(qū)域，在此區(qū)域上選擇幾個(gè)結(jié)點(diǎn)。2.以這些結(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ)，待工件冷卻到室溫左右時(shí)，輸出冷卻工件在S11和S22的應(yīng)力值，對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到數(shù)據(jù)表格。3.求取這些結(jié)點(diǎn)應(yīng)力的均值即為仿真所要獲得殘余應(yīng)力值的殘余應(yīng)力。記錄仿真中的殘余應(yīng)力，如下表3.2。表3.2殘余應(yīng)力仿真結(jié)果編號(hào)行距方向S11[Mpa]進(jìn)給方向S33[Mpa]1-115.32-130.652-90.36-152.953-105.45-145.65由結(jié)果可知，表層殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力，并且行距方向上的殘余應(yīng)力小于進(jìn)給方向上的殘余應(yīng)力。由上面三組數(shù)據(jù)可知，在行距方向S11，殘余壓應(yīng)力最大值為115.32Mpa,最小值為90.36Mpa。在進(jìn)給方向S33，殘余壓應(yīng)力最大值為152.95Mpa,最小值為130.65Mpa。在銑削時(shí)，選取參數(shù)為每齒進(jìn)給量為0.055mm/z、傾側(cè)角63°、切削速度為150m/min的數(shù)據(jù)的工件的表面部分殘余應(yīng)力的云圖。如圖3.1所示。圖3.1云圖3.5殘余應(yīng)力梯度分布分析對(duì)于殘余應(yīng)力的梯度分布，本文選擇已經(jīng)加工過的表面建立三條路徑，每條路徑包括3個(gè)結(jié)點(diǎn)，等待工件第四步降溫完成之后，輸出行距方向與進(jìn)給方向的應(yīng)力值，然后求取每一層的平均值作為該銑削仿真殘余應(yīng)力的梯度分布數(shù)據(jù)。由于在深度方向上由更多的結(jié)點(diǎn)提取殘余應(yīng)力，因此需要更加細(xì)化網(wǎng)格，會(huì)使仿真時(shí)間大大增加，因此在一組仿真中記錄在深度方向上的分布。選取參數(shù)為每齒進(jìn)給量為0.055mm/z、切削速度為150m/min、傾側(cè)角63°為的數(shù)據(jù)的工件，在行距方向與進(jìn)給方向上的殘余應(yīng)力梯度分布如下表3.3所示。表3.3殘余應(yīng)力梯度分布深度h[μm]行距方向S11[Mpa]進(jìn)給方向S33[Mpa]0.0-93.38-156.3910.8-75.04-123.5320.6-40.23-60.3230.6-3.52-40.6240.510.56-20.65根據(jù)上表可知，工件表層的殘余應(yīng)力數(shù)值為負(fù)數(shù)，可知其為壓應(yīng)力。分析來看，隨著深度增加，壓應(yīng)力在減小，行距方向和進(jìn)給方向變化規(guī)律相同，行距方向的殘余應(yīng)力在20μm左右殘余壓應(yīng)力減小至0。進(jìn)給方向的殘余應(yīng)力減少的比較緩慢。3.6本章小結(jié)本章也是進(jìn)行仿真，在上一章建立的模型的基礎(chǔ)上，本章要仿真的是工件的殘余應(yīng)力。本章先介紹了切削殘余應(yīng)力仿真過程，然后選取了比較恰當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)方案，然后對(duì)殘余應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取。建立表格填入數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析。

第四章鈦合金TC4多軸銑削實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證4.1引言軟件有限元仿真銑削力、溫度和殘余應(yīng)力大大減少了難度，但主要問題是使用軟件有限元仿真時(shí)，都對(duì)切削加工過程進(jìn)行了簡(jiǎn)化和假設(shè)。比如：假設(shè)刀具為剛體、加工過程中只考慮工件與刀具之間是摩擦作用等等。使仿真所得與實(shí)驗(yàn)所得有偏離。本章將進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)，與上一章仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。從而使結(jié)果更加準(zhǔn)確、科學(xué)。4.2鈦合金TC4多軸銑削實(shí)驗(yàn)4.2.1實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)用到的機(jī)床型號(hào)為JDGR200-A10SH，如圖4.1。機(jī)床在X、Y、Z方向的工作行程為500mm×260mm×290mm，機(jī)床最高轉(zhuǎn)速為28000rpm。圖4.1實(shí)驗(yàn)機(jī)床實(shí)驗(yàn)的工件材料與仿真時(shí)工件所有材料相同，都為TC4鈦合金，其化學(xué)成分[15]48如表4.1。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先對(duì)毛配件進(jìn)行處理，然后采用電火花工藝對(duì)工件進(jìn)行切削，得到所要的工件形狀，最后對(duì)工件進(jìn)行粗加工。工件如圖4.2。表4.1鈦合金材料化學(xué)成分元素ALVFeCNHOTiTC46.264.090.0910.0170.0340.0020.2余量圖4.2鈦合金工件本次實(shí)驗(yàn)同樣使用球頭銑刀，刀具材料為硬質(zhì)合金，如圖4.3所示。圖4.3球頭銑刀測(cè)力儀的型號(hào)為KISTLER-9257B，如圖4.4所示。圖4.4測(cè)力儀4.2.2實(shí)驗(yàn)方案實(shí)驗(yàn)過程所采用方案與仿真中的方案相同，通過實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果可以對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行糾正。實(shí)驗(yàn)方案數(shù)據(jù)如下表4.2。表4.2實(shí)驗(yàn)方案編號(hào)實(shí)驗(yàn)方案切削速度Vc[m·min-1]每齒進(jìn)給量fz[mm·z-1]側(cè)傾角θ[°]1600.0556321050.0555331500.05563上面表格中的參數(shù)與仿真中的參數(shù)相同，目的就是將兩個(gè)不同方案得出的結(jié)果比較，得出比較客觀的結(jié)論。切削力測(cè)試方案測(cè)力儀安裝時(shí)就可能在工作臺(tái)中間，機(jī)床坐標(biāo)系與力的方向保持一致，因?yàn)榇嬖诠ぜc刀具的摩擦，摩擦就會(huì)有力的產(chǎn)生，測(cè)力儀可以收集加工過程中力的信號(hào)，然后放大器放大，將采集到的數(shù)據(jù)傳給計(jì)算機(jī)就行處理并得出結(jié)果。在加工過程中，刀具磨損、老化是常見的現(xiàn)象。就會(huì)對(duì)切削力、殘余應(yīng)力造成影響。因此換刀具就成為每次加工的必然操作。加工結(jié)束讓其室溫冷卻。殘余應(yīng)力測(cè)試方案殘余應(yīng)力的測(cè)試過程中，基本參數(shù)的設(shè)置如下表4.3[14]34。表4.3殘余應(yīng)力測(cè)試參數(shù)靶材準(zhǔn)直管直徑[mm]晶面衍射角2θ[°]彈性模量[Gpa]泊松比曝光次數(shù)CuKα3mm2131431090.3410殘余應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)采用PROTOLXRD-MG2000這個(gè)型號(hào)的系統(tǒng)，如圖4.5。殘余應(yīng)力測(cè)力儀使用電解拋光儀，如圖4.6。圖4.5PROTOLXRD-MG2000殘余應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)圖4.6電解拋光儀4.3鈦合金TC4多軸銑削仿真對(duì)比4.3.1切削力對(duì)比驗(yàn)證切削力的計(jì)算方法，首先，將非切削時(shí)的力定為F0，再在切削過程中的穩(wěn)定階段選取6個(gè)峰值，分別為F1、F2、F3、F4、F5、F6，最終切削力的計(jì)算方法如下公式4-1。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如下表4.4。F=F1+表4.4切削力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)編號(hào)行距方向FR1[n]切深方向FR2[n]進(jìn)給方向FR3[n]合力FR[n]135.5134.0537.1961.67235.9939.5929.6361.16322.4931.1436.1452.74銑削實(shí)驗(yàn)值與仿真值對(duì)比結(jié)果如下表4.5。表4.5銑削實(shí)驗(yàn)值與仿真值對(duì)比編號(hào)實(shí)驗(yàn)值[N]仿真值[n]相對(duì)誤差161.6756.298.7%261.1631.6548.3%352.7451.372.6%由上表可知，實(shí)驗(yàn)值與仿真值的最大誤差達(dá)到了48.3%，誤差有點(diǎn)偏大，最小誤差為2.6%。除了第二組，其他兩組數(shù)據(jù)的仿真效果還是比較不錯(cuò)的，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較接近。4.3.2表面殘余應(yīng)力對(duì)比驗(yàn)證每個(gè)加工表面進(jìn)行一次殘余應(yīng)力測(cè)量，將銑削殘余應(yīng)力實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄于下表4.6。表4.6殘余應(yīng)力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)編號(hào)行距方向S11[Mpa]進(jìn)給方向S33[Mpa]1-77.5-152.42-66.9-182.13-119.3-170.7由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，鈦合金工件銑削加工所得表面殘余應(yīng)力也均為殘余壓應(yīng)力，與仿真結(jié)果相同。并且沿進(jìn)給方向S33比沿行距方向S11的大。進(jìn)給方向S33的殘余應(yīng)力在-150Mpa到-190Mpa之間，行距方向S11的殘余應(yīng)力在-75Mpa到-120Mpa之間。銑削殘余應(yīng)力實(shí)驗(yàn)值與仿真值對(duì)比結(jié)果如下表4.7。表4.7殘余應(yīng)力實(shí)驗(yàn)值與仿真值對(duì)比編號(hào)實(shí)驗(yàn)值仿真值相對(duì)誤差S11[Mpa]S33[Mpa]S11[Mpa]S33[Mpa]S11S331-77.5-152.4-115.32-130.6548.8%14.3%2-66.9-182.1-90.36-152.9535.1%16.0%3-119.3-170.7-105.45-145.6511.6%14.7%由上表可知，在行距方向上殘余應(yīng)力的相對(duì)最大誤差為48.8%，最小誤差為11.6%。在進(jìn)給方向上殘余應(yīng)力的相對(duì)最大誤差為16.0%，最小誤差為14.3%。產(chǎn)生上面誤差的原因由兩個(gè)方面。一方面是偶然誤差，殘余應(yīng)力在x射線測(cè)量過程中本來就存在少許誤差，實(shí)驗(yàn)時(shí)工件安裝過程中也存在誤差。另一方面是必然誤差，仿真時(shí)對(duì)加工過程進(jìn)行了簡(jiǎn)化，所以殘余應(yīng)力用軟件進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn)銑削過程本質(zhì)上就存在著誤差，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行銑削實(shí)驗(yàn)過程中刀具振動(dòng)等因素都是影響因素。通過下圖4.7來看殘余應(yīng)力仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的變化趨勢(shì)，S33變化趨勢(shì)都是先下降再上升，S11變化趨勢(shì)都是先上升再下降。圖4.7仿真值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比4.3.3殘余應(yīng)力梯度分布對(duì)比驗(yàn)證此外，選取參數(shù)為切削速度為150m/min、傾側(cè)角63°、每齒進(jìn)給量為0.055mm/z的工件，殘余應(yīng)力的梯度分布實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表4.8。表4.8殘余應(yīng)力梯度分布實(shí)驗(yàn)結(jié)果深度h[μm]行距方向S11[Mpa]進(jìn)給方向S33[Mpa]0-97.4-1925-83.0-175.811-46.2-87.219-18.9-57.730-13.2-18.64423.2-2.3殘余應(yīng)力梯度分布仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比?？傻贸?，雖然數(shù)據(jù)差距不小，但數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)相同，大體方向沒有錯(cuò)，有一定的參考價(jià)值。4.4本章小結(jié)本章主要內(nèi)容是進(jìn)行球頭銑刀銑削實(shí)驗(yàn)。介紹了銑削實(shí)驗(yàn)所需的實(shí)驗(yàn)機(jī)床和球頭銑刀等，并對(duì)實(shí)驗(yàn)提取方法進(jìn)行闡述，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試了切削力和工件表面的殘余應(yīng)力。與上一章通過仿真提取的切削力和殘余應(yīng)力的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出相應(yīng)結(jié)果。根據(jù)數(shù)據(jù)可得銑削力仿真與實(shí)驗(yàn)誤差效果較好的誤差在10%以內(nèi)。殘余應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)值與仿真值的相對(duì)誤差可得，在進(jìn)給方向S33較小，在行距方向S11較大。最后還對(duì)殘余應(yīng)力梯度分布仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。其走向大致是相同的。第五章總結(jié)與展望5.1總結(jié)本篇論文用鈦合金材料作為工件的材料，所要研究的對(duì)象為銑刀銑削工件過程中所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，本片論文將用到UG與ABAQUS軟件，在ABAQUS中完成仿真，得出相應(yīng)結(jié)果。并對(duì)仿真出的結(jié)果進(jìn)行分析。為了提高準(zhǔn)確度，同時(shí)還對(duì)此進(jìn)行了球頭銑刀的銑削實(shí)驗(yàn)。測(cè)量出銑削實(shí)驗(yàn)過程中銑削力、溫度和殘余應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。主要內(nèi)容如下所述：第一章從航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片前緣應(yīng)進(jìn)行加強(qiáng)出發(fā)，決定采用TC4鈦合金材料。從而引出殘余應(yīng)力，介紹了本篇論文的研究意義與背景，同時(shí)介紹了鈦合金材料的性能與殘余應(yīng)力，并分析了國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)殘余應(yīng)力的研究現(xiàn)狀。指出對(duì)于殘余應(yīng)力的研究還存在一些問題，最后說明了自己本課題的具體研究?jī)?nèi)容，從研究技術(shù)出發(fā)，將有限元仿真與銑削實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。得出殘余應(yīng)力的相關(guān)結(jié)論。第二章建立球頭銑刀三維模型，在ABAQUS進(jìn)行構(gòu)建模型、確定材料屬性、邊界條件和進(jìn)行網(wǎng)格劃分來確定TC4鈦合金材料。通過仿真軟件對(duì)切削加工過程中銑削力和溫度的結(jié)果提取。切削速度、傾側(cè)角和每齒進(jìn)給量三個(gè)因素對(duì)其進(jìn)行研究，對(duì)最終數(shù)據(jù)進(jìn)行研究：在每齒進(jìn)給量相同的條件下，對(duì)力影響程度較大的是傾側(cè)角，影響較小的是切削速度。在每齒進(jìn)給量與傾側(cè)角相同的條件下，切削速度對(duì)溫度影響程度不是太大。第三章在上一章建立的模型基礎(chǔ)上，進(jìn)行切削階段、卸載階段、轉(zhuǎn)化階段、降溫階段四個(gè)階段，提取殘余應(yīng)力結(jié)果，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析：在每齒進(jìn)給量相同的條件下，對(duì)行距方向殘余應(yīng)力影響程度較大的是切削速度，對(duì)進(jìn)給方向殘余應(yīng)力影響程度較大的是傾側(cè)角?？梢詫?duì)零件的使用壽命有所提高，工件抗疲勞性能也有所改善。第四章進(jìn)行銑削實(shí)驗(yàn)。通過機(jī)床對(duì)工件進(jìn)行銑削加工，球頭銑刀的材料為硬質(zhì)合金。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量銑削力并進(jìn)行記錄，采用x射線衍射法測(cè)量了已加工工件表層的殘余應(yīng)力。實(shí)驗(yàn)前先對(duì)工件進(jìn)行處理，還測(cè)量了殘余應(yīng)力梯度分布規(guī)律。這章所得的銑削力、殘余應(yīng)力和殘余應(yīng)力梯度分布的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，與上一章的結(jié)果進(jìn)行比較。雖然誤差不小，還是達(dá)到了一定目的。5.2展望本文建立的是三維銑削模型，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果偏差還是比較大的。這說明還是有很大提升空間的，還是可以不斷提升仿真與實(shí)驗(yàn)精度的。在此對(duì)存在的問題與改進(jìn)進(jìn)行闡述：1.建模不夠完善。許多過程和設(shè)定都進(jìn)行了簡(jiǎn)化，比如：刀具設(shè)為剛體，許多摩擦都忽略不計(jì)。2.雖然實(shí)驗(yàn)值與仿真值誤差較大，但大體上趨勢(shì)還是相同的。說明大的方向上是沒有問題的，這在為后續(xù)的研究確定了方向。只是細(xì)節(jié)上進(jìn)行修正就可以，從而提高仿真有效性。

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