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TC4钛合金切削过程的有限元模拟钛合金是一种具有优良性能的金属材料，广泛应用于航空航天、船舶制造、医疗器械等领域。
然而，由于其高强度和难切削的特性，钛合金切削过程中常常面临着刀具磨损、切削力过大、表面质量差等问题。
因此，利用有限元模拟方法对钛合金切削过程进行研究具有重要意义。
钛合金切削过程的有限元模拟可以分为三个主要步骤：建立模型、定义材料属性和切削条件、进行仿真分析。
首先，建立模型是有限元模拟的首要任务。
通常情况下，可以采用三维固体模型来描述钛合金工件。
在建立模型时，需要考虑切削区域的几何形状和切削刀具的位置。
此外，还需要注意钛合金的非线性行为和切削过程中材料去除的位置、方向等因素。
其次，定义材料属性和切削条件是模拟分析的基础。
钛合金的材料属性包括弹性模量、屈服强度、切削硬化指数等。
这些参数需要通过实验或文献数据进行获取，并在模型中进行设定。
切削条件包括切削速度、切削深度和进给率等，这些参数直接影响切削力和刀具磨损。
最后，进行仿真分析是利用有限元模拟方法得出钛合金切削过程中的关键信息。
主要包括切削力、温度分布和变形等。
切削力是评估切削过程中刀具负荷的重要指标，可以用来评估加工性能和刀具寿命。
温度分布可以用来评估加工过程中材料热变形、刀具磨损和冷却效果等。
变形分析可以提供切削过程中工件形状和表面质量的信息。
在实际应用中，钛合金切削过程的有限元模拟可以帮助优化刀具设计、切削参数选择和冷却系统设计。
通过调整切削条件和改进刀具形状，可以降低切削力、提高表面质量，从而提高加工效率和降低成本。
总之，钛合金切削过程的有限元模拟是一种有效的工具，可以帮助优化加工过程和提高产品质量。
随着材料科学、数值计算和计算机技术的不断进步，钛合金切削过程的有限元模拟将在未来发挥更大的作用。
TC4钛合金切削过程的有限元模拟钛合金作为一种重要的工程材料，在航空、航天、医疗和汽车等领域具有广泛的应用。
在加工过程中，钛合金具有高硬度、高耐热性和高切削难度等特点，给加工过程带来了一定的挑战。
因此，采用有限元模拟方法来研究钛合金切削过程的机理和优化切削参数，可以提高加工效率和质量。
钛合金切削过程的有限元模拟主要包括建立切削模型、材料热力学模型、切削力模型和刀具磨损模型等几个方面。
首先，在钛合金切削过程的有限元模拟中，需要建立一个完整的切削模型，包括被加工工件、刀具和夹持装置等。
通过二维或三维建模软件，将实际的切削过程转化为数值模拟的切削过程。
同时，针对钛合金的特点，还需要考虑材料的非线性、蠕变和热膨胀等因素。
其次，钛合金切削过程中温度场和应力场的分析对于提高加工效率和减少刀具磨损至关重要。
通过建立材料的热力学模型，模拟切削过程中的热源和热辐射等因素。
同时，考虑切削过程中的塑性变形和应力分布，可以预测材料的变形和切削力。
此外，钛合金切削过程中的切削力是评价切削性能的重要指标。
通过建立切削力模型，可以预测切削力大小和方向的分布。
切削力模型中需要考虑切削速度、进给速度和切削深度等对切削力的影响，并得出最佳的切削参数，以提高切削效率和保证刀具寿命。
最后，钛合金切削过程中刀具磨损对于加工质量和成本控制有着重要的影响。
通过建立刀具磨损模型，可以预测刀具的磨损情况和寿命。
刀具磨损模型中需要考虑切削速度、进给速度和切削深度等因素对刀具寿命的影响，并提出最佳的刀具选择和切削参数，以延长刀具的使用寿命，减少更换次数和成本。
综上所述，钛合金切削过程的有限元模拟可以帮助研究钛合金切削机理和优化切削参数，提高加工效率和质量。
通过建立切削模型、材料热力学模型、切削力模型和刀具磨损模型等，可以预测温度场、应力场、切削力和刀具磨损等关键参数，为钛合金切削的优化和控制提供科学依据。
金属切削理论大作业2017年04月1基于ANSYS金属切削过程的有限元仿真付振彪，2016201064天津大学机械工程专业2016级研究生机械一班摘要：本文基于材料变形的弹塑性理论，建立了材料的应变硬化模型，采用有限元仿真技术，利用有限元软件ANSYS，对二维正交金属切削过程中剪切层及切屑的形成进行仿真。
从计算结果中提取应力应变云图显示了工件及刀具的应力应变分布情况，以此对切削过程中应力应变的变化进行了分析。
关键词：有限元模型；切削力；数学模型；二维模型；ANSYS1 绪论1.1金属切削的有限元仿真简介在当今世界，以计算机技术为基础，对于实际的工程问题应用商业有限元分析软件进行模拟，已经成为了在工程技术领域的热门研究方向，这也是科学技术发展所导致的必然结果。
研究金属切削的核心是研究切屑的形成过程及其机理，有限元法就是通过对金属切屑的形成机理进行模拟仿真，从而达到优化切削过程的目的并且可用于对刀具的研发。
有限元法对切屑形成机理的研究与传统的方法相比，虽然都是对金属切削的模拟，但是用有限元法获得的结果是用计算机系统得到的，而不是使用仪器设备测得的。
有限元法模拟的是一种虚拟的加工过程，能够提高研究效率，并能节约大量的成本。
1.2研究背景及国内外现状最早研究金属切削机理的分析模型是由Merchant [1][2]，Piispanen[3]，Lee and Shaffer[4]等人提出的。
1945 年Merchant 建立了金属切削的剪切角模型，并确定了剪切角与前角之间的对应关系这是首次有成效地把切削过程放在解析基础上的研究，成功地用数学公式来表达切削模型，而且只用几何学和应力-应变条件来解析。
但是材料的变形实际上是在一定厚度剪切区发生的，而且它假设产生的是条形切屑，所以该理论的切削模型和实际相比具有很大的误差。
1951 年，Lee and Shaffer 利用滑移线场(Slip Line Field)的概念分析正交切削的问题。
基于有限元模拟的金属切削力分析金属切削力是在工业中广泛应用的一个重要参数，它对于刀具寿命、加工精度和机床刚度等方面都有着重要的影响。
为了准确地分析金属切削过程中的切削力，有限元模拟成为一种常见而有效的方法。
本文将基于有限元模拟来分析金属切削力，并探讨其在实际应用中的意义与挑战。
金属切削力分析是通过模拟金属切削过程中力的产生和传递来实现的。
有限元模拟是一种数值计算方法，将复杂的连续体问题离散化成有限个简单区域，通过数学方法求解区域内的物理方程，从而得到问题的解。
在金属切削力分析中，有限元模拟可以将工件、切削刀具和切削过程中的载荷等要素简化为有限个简单区域，通过建立适当的数学模型，计算得到切削力的分布和变化规律。
金属切削过程中的切削力主要包括切削力和法向力，它们受到多种因素的影响，如工件材料的力学性质、刀具材料和几何形状、进给速度和切削深度等。
有限元模拟可以模拟这些力的产生和传递过程，并通过仿真分析来评估不同工艺参数对切削力的影响。
在实际应用中，准确地预测金属切削力可以为工业生产提供重要的参考，比如在刀具选择、切削参数优化和切削质量控制等方面发挥重要作用。
然而，金属切削力的有限元模拟也面临着一些挑战。
首先，精确地建立金属切削力的数学模型是关键。
模型的建立需要考虑到金属切削过程中的热、力和位移等多重因素的相互作用，并综合考虑金属材料的非线性变形和切削效应等。
其次，有限元模拟需要准确地描述金属切削过程中的边界条件。
切削力的分析需要确定工件和刀具的接触情况、切削刃的磨损和热耗散等。
最后，有限元模拟还需要考虑到计算效率和准确性的问题。
随着计算资源的提升和算法的改进，有限元模拟在金属切削力分析中的应用也取得了不断的发展与完善。
在金属切削力分析的实际应用中，有限元模拟可以通过优化切削参数和改进工艺流程来降低切削力的大小，从而提高加工效率和零件质量。
同时，有限元模拟还可以为刀具设计提供科学依据，减轻刀具磨损和延长刀具寿命。
江苏大学硕士学位论文金属切削加工过程的有限元建模与仿真姓名：吴勃申请学位级别：硕士专业：计算机科学与应用指导教师：蔡兰20060301４．２切屑形成过程的仿真模型的构造大部分国内的切屑形成过程的有限元仿真都采用的是２．Ｄ模型‘蚓脚’，２．Ｄ有限元模型仅仅适合于萨交切削的仿真，在研究车削、刨削等切削加工时，必须对切削情况进行限定和简化，不仅视觉效果差，更重要的是仿真的范围受到极大的限制，因此，有必要发展３．Ｄ有限元模型来仿真切屑形成过程。
本部分主要采用３．Ｄ有限元模型仿真在正交切削和制刃切削条件下的切屑形成过程，为进一步对各种切削加工方法进行有效的有限元仿真奠定基础。
４．２．１几何模型的建立与网格划分本章主要研究刀具切入工件丌始到稳态切削这段过程的仿真。
采用三维有限元模型进行模拟，所建立的几何模型如图４．６所示。
网格划分可采用三维六面体网格，也可以采用三维四面体网格。
幽４６网格划分图４．２．２材料属性的定义金属材料非线性的本构关系主要分为以下四种类型，即弹塑性、刚塑性、弹粘塑性、刚粘塑性。
有限元模拟的准确性很大程度上取决于本构关系能否真实反映材料的真实特性。
在金属切削有限元仿真中，采用弹塑性材料模型时，既有塑性变形又有弹性变形，较为符合会属切削过程的真实情况。
本课题中，为了保证仿真结果的更接近于实际情况，工件材料选用弹塑性模型，而刀具属性定义为刚性。
为了与实验结果进行比较，工件材利根掘需要选择相应材料。
与实验加工的材料相对应，输入丁Ｆ交材料属性（杨氏模量、泊松比、材料密度等），以及ＪｏｈｎｓｏｎａｎｄＣｏｏｋ的经验模型公式中的参数Ａ、Ｂ、ｎ、Ｃ和ｍ。
江苏人学硕十学何论文４．２．３施加约束与载荷假定工件在切削过程中为无限长。
而在仿真模型中的工件不可能很长，否则计算效率会很低，必须用长、高都不大的工件代替，用必要的约束来模拟真实工件的边界条件。
当研究切屑形成过程中的现象时。
女ｎＸ，ｊ应力、应变、应变率和温度进行研究，以及对切屑卷曲现象进行研究时。
金属切削过程模拟的有限元仿真摘要: 本文在建立车削三维有限元模拟基础上，运用有限元对车削过程中车削的变形系数，工件与刀具的温度分布，切削力进行了模拟，并对结果进行了分析讨论。
该模拟的结果对实际工作有重要的现实作用。
关键词：切削 有限元 模拟1 绪 论1.1本课题的研究背景1.1.1微电子等领域突出的散热问题在现代工业领域，有很多专门用途的设备，它们的工作性能和工作效率取决于关键零件的结构和性能，如空气冷却器，热交换器的散热管，激光器热辐射表面，环保设备的过滤表面，螺纹表面等等。
我们把这类起特定作用的表面统称为“功能表面”。
这些表面大多数采用组装式结构（套装、镶嵌、钎焊、高频焊）、切削、滚压等方法加工。
早在19世纪中期，Jone 就提出在管内插入螺旋线以强化蒸汽的冷凝过程，从此人们就开始了在传热管等传热材料上进行翅加工技术的研究。
70年代出现能源危机，研究翅化管的加工技术及其强化传热机理有了进一步的发展，随着加工制造技术的不断进步，近20年来对强化换热元件的研究在化工、能源、制冷、航空、电子等工业部门有了很大的进展，各式各样的强化换热元件层出不穷，为提高传热效率作出了重要的贡献。
但是随着微电子及化工等领域，尤其是微电子领域对产品性能的无限追求，芯片集成度不断提高，带来致命的高热流密度，电子器件的冷却问题越来越突出。
英特尔公司负责芯片设计的首席执行官帕特-盖尔欣格指出，如果芯片耗能和散热的问题得不到解决，到2005年芯片上集成了2亿个晶体管时，就会热得象“核反应堆”，2010年时会达到火箭发射时高温气体喷射的水平，而到2015年就会与太阳的表面一样热。
目前芯片发热区域（cm cm 5.15.1 ）上的功耗已超过105W ，且未来有快速增加的趋势。
芯片产生的这些热量如果不能及时散出，将使芯片温度升高而影响到电子器件的寿命及工作的可靠性，因而电子器件的有效散热方式已成为获得新一代电子产品的关键科学问题之一。
两种典型金属高速切削过程有限元模拟与分析的开题报告题目：两种典型金属高速切削过程有限元模拟与分析的研究一、研究背景金属加工是现代工业生产的重要组成部分，其中高速切削技术是一种重要的金属加工技术。
通过高速旋转的刀具对金属进行切削，可以快速地制造出各种形状的金属零件。
然而，在高速切削过程中，由于切削力、热量等因素的影响，会导致切削质量下降、加工精度降低、设备寿命缩短等问题，因此需要进行优化和控制。
有限元模拟是一种重要的工程仿真方法，已经广泛应用于金属加工领域。
通过建立相应的有限元模型，可以对金属加工过程中的力、温度、应变等参数进行预测和分析，为工艺的优化和控制提供理论依据。
因此，对于金属高速切削过程的有限元模拟和分析研究，具有重要的理论和实际意义。
二、研究内容本研究将以两种典型的金属高速切削过程——铣削和车削为研究对象，开展有限元模拟与分析研究，探讨切削参数对加工质量的影响，为优化和控制金属高速切削过程提供参考。
1. 铣削过程有限元模拟与分析铣削是一种常见的金属加工技术，其加工过程包括切入、切削和切出三个阶段。
在铣削过程中，切入阶段和切出阶段的切削角度较小，切削阶段的切削角度较大，因此这三个阶段对应的切削力和切削温度分布规律也不同。
本研究将建立铣削过程有限元模型，对切入、切削和切出三个过程的切削力、切削温度等参数进行模拟和分析，揭示不同切削参数对切削力和切削温度的影响规律。
2. 车削过程有限元模拟与分析车削是一种高效的金属加工技术，可以用于加工圆形、柱形等各种形状的零件。
在车削过程中，刀具切入工件后，与之接触的区域产生高温，导致金属发生塑性变形。
本研究将建立车削过程有限元模型，对切削力、切削温度等参数进行模拟和分析，揭示不同切削参数对加工质量的影响规律。
三、研究意义通过本研究，可以深入了解金属高速切削过程中的力学、热学和材料学等基本规律，为优化和控制切削过程提供理论依据。
此外，通过对不同切削参数对切削力、切削温度等参数的影响规律的分析，可以为金属加工工艺的优化和改进提供实用的建议和方法。
金属切削原理中切削力效果的仿真模拟研究随着工业技术的快速发展，金属切削加工在各个领域中都扮演着重要的角色。
而在金属切削加工过程中，切削力效果的研究对于提高切削加工的效率和质量具有重要的影响。
本文将以金属切削原理中切削力效果的仿真模拟研究为题，探讨金属切削过程中切削力的影响因素以及仿真模拟的方法。
首先，我们需要了解金属切削加工中切削力的概念和作用。
切削力是指在金属切削过程中刀具对工件产生的力。
它是通过与工件表面接触形成的摩擦力和切削力的合力，用于克服金属材料的强度和硬度，从而将金属材料切削成预定形状和尺寸的零件。
切削力直接影响着切削加工的效率、切削工具的寿命以及加工表面质量等方面。
在金属切削过程中，切削力的大小和方向受到多种因素的影响。
首先是刀具的几何形状和刀具材料的选择。
刀具的刃角、刃宽以及刀具材料的硬度和耐磨性等因素都会直接影响切削力的大小。
其次是被切削材料的性质。
材料的硬度、塑性和热导率等特性都会对切削力产生影响。
此外，切削速度、进给量和切削深度等工艺参数也会对切削力产生影响。
因此，研究这些影响因素对切削力的影响是非常必要的。
为了研究金属切削过程中切削力效果，研究人员常常采用仿真模拟的方法。
仿真模拟可以通过建立切削力的数学模型和计算机模拟技术，准确预测切削过程中的切削力大小和方向，并分析各种影响因素对切削力的影响。
其中，有限元法是一种常用的仿真模拟方法。
有限元法是一种数值计算方法，广泛应用于工程领域中的结构力学和材料力学问题。
在金属切削过程中，有限元法可以通过将切削区域划分成许多小块，建立小块上的切削力模型，并通过求解数学方程组来计算切削力的大小和方向。
通过调整模型中的参数，如刀具几何形状、工件材料特性、切削速度等，可以得到不同情况下的切削力效果。
此外，还可以使用商业仿真软件来进行金属切削过程中切削力效果的仿真模拟研究。
这些软件通过提供各种切削过程的模型和计算工具，能够更加方便地进行切削力的预测和分析。
正交金属切削过程的有限元分析Chandrakanth Shet,Xiaomin Deng机械工程系，南卡罗来纳州大学，哥伦比亚,SC 29208部，美国1999年4月8日收到摘要在本文中，正交金属切削过程是在平面应变条件下用有限元法分析的。
修改过的库伦摩擦定律模拟了刀-屑接触面的摩擦作用，切屑的分离是基于临界应力准则，并且是利用节点释放过程模拟切屑的分离。
对温度、应力、应变、应变率的领域的有限元法已经获得了一系列的刀具前角和摩擦系数值。
结果显示到-屑接触面的摩擦如何影响场分布的是新的，并添加到现有的知识基础中。
本文还报告了程序和特定的建模技术，他们用于使用通用的有限元计算机代码模拟正交金属切削过程。
本文的研究结果对于理解和改善正交金属切削过程提供了有益的启示。
©2000 Elsevier科学S.A.公司保留所有权利。
关键词：有限元法；正交金属切削；热机械领域1. 引言在金属切削过程中，不需要的材料从工件中以切屑的形式移除来制造所需要的尺寸和精度的成品部件。
金属切削是一个高度非线性的并且热耦合的过程，在这个过程中机械工作是把在切屑的形成过程中和刀具、切屑和工件之间的摩擦工作所涉及的塑性变形转换成热能。
在这样的热机械热量转换中，向上的温度上升到1000℃已经在文献中报道[1,2]。
在金属切削中深入了解材料去除工艺对选择刀具材料和刀具的设计是必不可少的，以及在确保成品的一致尺寸精度和表面完整性。
最早解释金属切削机械的分析模型是由Merchant[3,4]，Piispanen[5]和Lee and Shaffer[6]提出。
这些模型被称为剪切角模型；他们确定了剪切角和刀具前角之间的对应关系。
Kudo[7]提出了弯曲剪切并解释了弯曲切屑和直刀面之间的控制联系。
这些模型完美的假设材料为刚塑性材料。
Palmer[8]和Oxley[9]等提出的分析模型考虑了构件硬化和应变率的影响。
沿着刀具和切屑接触面的摩擦都由Doyle[10]等人纳入了这些粘塑性模型。
切削加工有限元仿真教学设计与研究随着信息技术和机械加工技术的迅猛发展，切削加工工艺已经成为机械加工行业的重要组成部分，在产品加工质量的提高以及节能减排的要求下，切削加工的计算机仿真技术扮演着越来越重要的角色。
有限元仿真是切削加工仿真技术中非常关键的一种,基于有限元原理，通过设计有限元模型，建立适当的加工工艺参数，计算得出各种模型的加工结果，完成切削加工仿真的计算过程。
有限元仿真的教学设计要从教学内容、教学形式及教学方法等全面考虑。
首先，教师要教授学生基础的有限元理论，包括几何形态的建模，材料的选择，单元的设定，局部分析及总体分析等方面，教学形式则要通过课堂讲授，报告讲解，模拟训练，实验操作等多种方式来完成，教学方法则要结合理论教学和实验实践，把理论与实践紧密结合起来，有效地提高学生的学习效果。
有限元仿真的研究也非常重要，它与诸如机床控制、切削工艺设计以及计算机辅助设计等多个方面息息相关。
将有限元仿真与机床控制结合起来，研究出一种适应常规切削加工的全过程智能控制系统，可以有效改善切削过程的加工质量；切削工艺设计方面，研究出一种基于有限元仿真分析的试验积累法，可以极大地提高切削加工的过程控制水平；计算机辅助设计则可以通过有限元加工仿真来实现，使得产品的质量得到改善，生产周期得到缩短。
在现代工业自动化中，有限元仿真在机械加工行业中具有十分重要的作用，因此教师在教学中应该采用多种教学方法和教学形式，使学生充分了解到有限元仿真的重要性；研究方面也要联系实际，研究出一系列先进的方法，以提高切削加工的加工质量和效率。
本文从教学和研究的角度，讨论了有限元仿真的重要性及其在切削加工中的应用，给出了一些实用的建议，以帮助技术人员和学生在切削加工领域更好地应用有限元仿真仿真技术，促进了机械加工行业的发展和切削加工仿真技术的普及应用。
车削加工钛合金过程的有限元模拟摘要改革开放以来，由于生产技术的不断提高，各种材料得到了充分利用，特别是钛合金的开发利用，正越来越多的应用在生产生活的各个方面。
但由于其特殊的材料性能使其加工效率比较低下，加工成本较大。
因此研究钛合金的切削性能，提高加工效率具有重要的意义。
本文对钛合金的切削性能进行了研究。
金属切削过程是一个十分复杂的过程，切削工艺主要是通过刀具在材料表面切除多余的材料层来获得理想的工件形状、尺寸以及表面光洁度的机械加工方法。
切削过程的建模和仿真在改进切削刀具的设计和优化切削参数方面有很大的发展潜力。
有限元法逐渐成为切削过程的研究和仿真的一种有效手段。
本文的目的之一就是建立一个切削过程仿真的有限元模型，预报切削力和切削温度。
在预先收集工件流动应力数据和在高应变率和高温下的摩擦系数的基础上，利用有限元软件DEFORM-3D仿真切削过程。
分析了切削过程中切削温度的变化规律。
关键词：车削，钛合金，有限元，DEFROM-3DFinite Element Simulation of Turning Titanium AlloyProcessABSTRACTSince the reform and opening, due to production technology unceasing enhancement, All kinds of materials especially the most use of exploitation and utilization of titanium alloy, got fully used, and is increasingly being used in the production of all aspects of life．However，because of its unique material properties，we can not get better processing efficiency and lower processing costs. Therefore，it’s of great significance to study machinability of titanium alloys for improve the processing efficiency．In this paper, the cutting performance of the titanium have been researching. Metal-cutting process is a very complex process. Turning operations are performed to modify shape, dimension, and surface roughness of a workpiece cutting away from it several layers of material. Modeling and simulation of cutting processes have the potential for improving tool designs and selecting optimum conditions．Finite element method is becoming one of method to research and simulate the curing processes．The one objective of this study was to develop a FEM model for simulating the cutting process in turning and predict curing forces and temperatures using finite element analysis．On the basis of pre-data collection of the workpiece flow stress and high strain rate and high temperature friction coefficient, Simulation of cutting process is set up by using of finite element software DEFORM-3D. Analyze the cutting temperature changes of the cutting process.KEY WORDS: Turning , Titanium Alloy, Finite element, DEFROM-3D目录前言 (1)第1章钛合金的性能及应用 (4)1.1 钛合金的化学性能 (4)1.2 钛合金的切削特点 (6)1.3 钛合金的应用现状 (7)第2章车削钛合金实验结果分析 (9)2.1 实验相关材料 (9)2.1.1 工件材料 (9)2.1.2 刀具材料 (9)2.2 实验方案 (9)2.3 实验结果及分析 (10)2.3.1实验结果 (11)2.3.2 结果分析 (12)第3章钛合金车削有限元仿真 (15)3.1 有限元分析方法过程 (15)3.2有限元软件DEFORM-3D介绍 (15)3.3 DEFORM-3D中应用加工向导模块进行车削仿真的基本步骤 (17)3.4 DEFORM-3D中切削加工过程有限元模型建立的主要注意点 (18)3.4.1 网格划分的设置 (18)3.4.2 切屑的分离标准设定 (19)3.4.3 材料模型的建立 (20)3.4.4 速度边界条件的确定 (20)3.4.5 时间步长的确定 (20)第4章仿真分析 (22)4.1 概述 (22)4.2 不同切削条件下的切削力仿真 (22)4.3 不同切削条件下的切削温度仿真 (25)4.4切削力的仿真结果与实验结果的对比 (27)第5章车床主轴箱及夹具设计 (29)5.1 车床主轴箱的设计 (29)5.1.1确定极限转速 (29)5.1.2确定公比 (29)5.1.3求出主轴转速级数 (29)5.1.4确定结构网和结构式 (29)5.1.5绘制转速图 (31)5.1.6确定公比齿轮齿数的确定 (33)5.1.7传动系统图的拟定 (34)5.2 夹具设计 (35)5.2.1 零件分析 (35)5.2.2 定位基准的选择 (36)5.2.3切削力和夹紧力的计算 (36)5.2.4定位误差分析 (37)结论 (38)谢辞 (39)参考文献 (40)外文资料翻译 (42)前言一、钛合金切削研究现状钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。
金属微切削过程的有限元仿真及实验研究(一)金属微切削过程的有限元仿真及实验研究研究背景•金属微切削是一种重要的金属加工方法，在现代制造业中得到广泛应用。
•有限元仿真技术可以为金属微切削过程提供可靠的数值模拟方法。
研究目的•通过有限元仿真分析，探究金属微切削过程中的关键参数及影响因素。
•结合实验研究，验证仿真结果的准确性，并提出优化方案。
研究方法1.设计并搭建金属微切削的有限元模型。
2.定义仿真中所需的材料参数、切削参数等。
3.使用商业有限元软件进行仿真分析。
4.对仿真结果进行数据处理、统计及可视化分析。
5.设计并进行实验验证，采集实验数据。
6.对比仿真结果与实验结果，验证仿真模型的准确性。
研究结果与讨论1.通过有限元仿真，得到了金属微切削过程中切削力、切削温度、表面质量等关键参数的变化规律。
2.实验结果与仿真结果一致，验证了有限元仿真模型的准确性和可靠性。
3.对比不同切削参数下的仿真结果与实验结果，发现切削速率、进给量等参数对金属微切削过程有显著影响。
4.提出了优化金属微切削过程的建议，例如调整切削参数，优化刀具设计等。
研究结论•通过有限元仿真及实验研究，我们深入了解了金属微切削过程的相关参数及影响因素。
•我们验证了有限元仿真模型的准确性，并提出了优化金属微切削过程的建议。
•本研究为金属微切削过程的优化与改进提供了重要的理论依据和实验支持。
研究展望•本研究在金属微切削过程的有限元仿真及实验研究方面取得了一定成果，但仍存在一些局限性。
•今后，可以进一步扩大研究样本和范围，优化有限元模型，提高仿真精度。
•进一步研究金属微切削过程中的机理，探索更有效的优化方法。
以上是关于”金属微切削过程的有限元仿真及实验研究”的相关研究报告。
*国务院侨务办公室自然科学基金(基金项目:06QZR06)收稿日期:2008年5月金属切削过程有限元仿真关键技术及应考虑的若干问题*李 涛 顾立志华侨大学摘 要:有限元仿真是研究金属切削的一门有效而重要的技术。
本文介绍在金属切削过程模拟中有限元仿真技术的应用和发展,深入分析和研究工件材料模型、自适应网格划分、切屑分离判别、刀)屑接触面摩擦模型以及刀)屑接触长度确定等五项关键技术;讨论了在实际金属切削过程有限元仿真中的真实性、可操作性、效率等方面应考虑的若干问题。
关键词:有限元, 金属切削, 弹塑性变形, 自适应网格Key Techniques of Finite Element Simulation in MetalCutting Process and Some C onsiderationsLi Tao Gu LizhiAbstract:Fini te element si mulation is an effecti ve and important technology in metal cutting studying.The application and develop ment of fini te element simulation technology in the metal cu tting process is introduced,and the five key technologies includ -ing work -piece material model,adaptive mesh,chip separation criterion,the friction model of too-l chip con tacted surface and too-l chip contacted length determination are researched and analyzed,and some considerations which are authentici ty,operability,eff-i ciency and so on i n fini te element si mulation based on metal cutting process are discussed.Keywords:finite elemen t, metal cutting, elastic -plastic deformation, adaptive mesh1 引言近年来,随着科学和软件技术的进步,已开发了若干可对金属切削过程进行建模、数值模拟仿真的软件(如ANSYS 、DEFORM 、ABAQUS 等),为金属切削过程仿真提供了有效的方法和技术手段。
TC4钛合金切削过程的有限元模拟TC4钛合金因其优异的综合性能，在航空航天、汽车制造等领域得到了广泛应用。
而钛合金的切削加工一直是一个具有挑战性的过程，原因在于其高硬度、高切削温度和高切削力等特性。
为了改进切削过程的效率和品质，有限元模拟成为一种有效的工具。
下面，我们将对TC4钛合金切削过程的有限元模拟进行详细介绍。
有限元模拟是一种基于数值方法的模拟技术，将实际的切削过程转化为数学模型，并利用计算机软件对其进行求解和分析。
通过有限元模拟，我们可以预测切削过程中的切削力、切削温度和切削变形等参数，从而优化切削过程的参数和工艺。
首先，我们需要建立切削过程的有限元模型。
模型的建立需要考虑切削刀具、工件和切削区域的几何形状和材料特性等因素。
在切削模型中，采用实体元素表示切削刀具和工件，并将切削区域离散化为小网格。
对于TC4钛合金的材料特性，我们需要考虑它的塑性变形、热传导和变形硬化等因素。
接下来，我们需要定义切削过程的边界条件。
边界条件包括刀具的加工速度、切削深度和进给速度等参数。
同时，还需要考虑切削液的冷却效果和摩擦系数等因素。
这些参数将直接影响切削过程中的切削力和切削温度。
有限元模拟过程中，我们需要选择合适的切削模型和数值求解方法。
切削模型一般包括切削力模型、切削温度模型和切削变形模型等。
对于TC4钛合金的切削过程，我们可以选择Johnson-Cook模型或者经验公式来描述切削力和切削温度的变化。
数值求解方法一般采用有限元软件进行计算，如ANSYS、ABAQUS等。
最后，我们需要对有限元模拟结果进行验证和分析。
模拟结果包括切削力、切削温度和切削变形等物理量的分布和变化规律。
通过与实际切削加工结果的对比，可以评估模拟的准确性，并进行参数优化和工艺改进。
总结起来，TC4钛合金切削过程的有限元模拟是一种重要的工艺优化工具。
通过模拟，我们可以预测切削过程中的切削力、切削温度和切削变形等参数，从而优化切削过程的参数和工艺。
金属切削变形过程的有限元仿真初探
作者：南昌航空大学陈为国姚坤弟来源：航空制造技术
金属切削加工是一种应用广泛的加工方法之一，是利用比工件硬的刀具在工件表面切除金属获得所需形状、尺寸和表面粗糙度要求的一个工艺过程。
切削加工的实质是工件材料在刀具的剪切挤压作用下，经过弹性变形、塑性变形最后撕裂，将工件待加工表面上多余的金属层与工件本体分离产生切屑并形成工件上已加工表面的过程。
金属的切削变形过程非常复杂，影响因素也较多，金属切削机理的研究一直是国内外学者研究的重点和难点，但限于技术方面的原因，过去的研究主要是基于各种试验而进行的，由于成本技术手段等原因，限制了切削变形过程的研究普及与提高，但是新材料的出现确是层出不穷，如何及时深刻地认识新材料的切削加工性能是迫切需要人们关注的。
近年来，有限元技术在切削变形方面的研究已经开始走向应用。
采用有限元技术具有试验成本较低，获得的数据完整多样等特点，而备受业内人士的关注。
切削变形过程的传统分析方法讨论
传统的研究金属切削变形的方法主要是基于各种试验方法而进行，常见的方法有：侧面变形观察法、高速摄影法、快速落刀法、在线瞬态体视摄影法、扫描电镜显微观察法、光弹性和光塑性试验法等多种方法。
另外，还有各种测量切削力和切削温度等的方法。
由于金属切削的工作条件十分恶劣，物理过程的跟踪观测非常困难，而且观测设备昂贵、试验周期长、人力物力消耗大、综合成本很高，使得其各种试验方法分析的结果往往不够全面，如侧面变形观察法是通过观察材料侧面人工绘制的细小方格变形来推测金属的变形。
高速摄影法虽然能够观察刀实际切削速度下的变形区的变形情况，但成本较高。
快速落刀法落刀的速度对切削变形区信息的准确性有一定的影响，且其切削区的标本要做成金相标本进行观察。
在线瞬态体视摄影法和扫描电镜显微观察法均有试验设备非常昂贵的缺点。
以上几种试验方法，往往不能测量变形区的应力、应变、刀具表面的正压力，温度及其分布规律等。
光弹性和光塑性试验法虽能描述切削区的应力应变等信息，却不能反映材料流动的规律。
以上讨论的方法主要是集中于切削变形，即切削过程中的材料流动规律及其物理定量描述。
事实上，切削变形过程还与切削力和切削温度等有及其密切的联系，将切削变形与切削力和切削热割裂开来分别研究是不可取的，应该作为一个整体进行研究。
传统的切削力的研究结果基本上是通过试验的方法得到经验公式，然后供实际使用。
对于某些实际情况，如果偏离试验条件，则有可能存在误差，甚至无法计算。
切削力的测量主要有电阻应变片式测力仪和压电式测力仪两种，这些测量装置一般均较为贵重。
切削温度的测量主要采用的是自然热电偶和人工热电偶法，前者只是测量切削区的平均温度，但不能准确地反映出温度的分布规律。
而人工热电偶是用于测量切削区某一点的温度，但要获得整个切削区域的温度场却还是非常困难的。
另外，如辐射温度计法和热敏颜料法等测量方法由于设备成本较高而限制了他的应用。
由上所述可知，传统的基于试验的研究方法有较多的难度，而有限元素法则在某种程度上可以克服以上一些缺点，因此逐渐引起研究者的关注。
切削变形过程的有限元仿真分析
有限元计算机辅助仿真技术对切削加工过程的研究主要集中于2个方面，一是相关仿真软件的开发，其次是基于专用软件进行的切削加工过程的物理仿真。
前者一般由专业人士进行研究，现有的相关软件有Third WaveSystems公司的“Advant Edge”，Scientific Forming Technologies公司的DEFORM软件，另外还有一些通用的软件，如ABAQUS、ANSYS等。
后者注重于实际应用的研究，本文主要讨论后者的研究结果。
下面通过一个实例进行介绍。
图1所示是一个直角切削的模型，切削速度v=250m/min，切削层厚度ac=0.4mm，工件宽度w=2mm，刀具前角γ0=5°，α0=5°，切削刃钝圆半径rn=0.1mm，刀具- 工件间摩擦系数为0.6，热传导率为40，刀具表面从外到内分别涂覆了10μm 厚的TiN和Al2O3 涂层，刀具本体材料WC硬质合金，工件材料AISI-1045（相当于45# 钢），环境温度取20℃。
金属切削加工过程表现为金属的变形较大，对于这种切削模型的有限元仿真，在有限元网格畸变到一定程度之后，系统必须能够自动重划分网格，图2所示分别为切削前的网格和切削刀步的网格情况。
图2（a）是加工前的网格情况，可以看到加工区域较密。
图（b）是切削到500步时网格自动重划分的情况。
实际上，在仿真过程中，系统会根据网格畸变情况及时自动重划分网格。
切削过程的有限元仿真，其结果较为丰富，包括应力、应变、应变速率、金属流动及流动速
度、刀具表面的法向压力、切削区域的温度场分布，切削力图表、刀具磨损，并且可以像传统的侧面变形观察法一样模拟出金属流动规律。
另外，利用这些结果图示，还能测出相关切削变形描述参数，如剪切角φ和切削厚度变形系数ξa等，分析结果可以用云图、等高线图和动画等形式表示，并可以随时重现，动画过程可以单步或连续演示。
所有这些可视化的结果、切削变形过程的描述较传统试验法有了极大的提高，下面列举几个仿真至500步时的分析结果供参考。
图3为切削加工过程的变形应变图，在图中不仅可以看到切削变形过程3个变形区的应变情况，而且还可以看到切削加工后表面残留的应变情况。
图中第二变形区造成的应变最大，其次是第一变形区产生的应变，第三变形区产生的应变最小。
图4为切削应力图，可以看出在第一变形区的变形应力最大，且变形应力主要发生在刀尖附近及第一变形区。
图5（a）所示为切削变形的应变速率图，应变速率表现为沿第一变形区的剪切应变速率最大，利用这个结果可以分析出剪切角φ ，具体为将该图复制到AutoCAD中，绘出水平线和剪切线就可以测量出剪切角，如图5（b）所示，此例测量的剪切角φ为35°。
当然，利用切削变形的仿真结果，通过测量切屑厚度a ch和工件上的切削厚度a c（前述已知），可以计算出厚度变形系数ξa=a ch /ac =0.64/0.4=1.6。
测量结果如图5（c）所示。
图6（a）是切削过程的材料流动速度局部放大图，该图不仅可以看出材料流动的方向，而且还可以利用云图（图6（b））或等高线图（图6（c））等可视化手段观察出各处材料流动的运动速度。
图7（a）为用云图的形式显示的切削温度图，其实质是温度场图。
也可以用等高线图表示，如图7（b）所示。
如果将切削区域局部放大，可以看的更清楚，如图7（c）所示。
从图中可以看出最高温度偏离刀尖，且切屑上的温度高于刀具前刀面的温度。
最高温度之所以是这种情况是由于温度的升高不仅与切削变形有关，而且还和切屑与前刀面的摩擦有关。
图8是刀具表面正压力等高线放大图，可以看出从刀尖向前后刀面一定的区域都受到了较大的正压力，前刀面受力区域较多。
最大正压力约在0.8MPa以上。
图9所示是切削网格流动模拟图（310步），其模拟的结果非常像传统的侧面变形观察法得到的结果。
图10所示是切削过程中主切削力与切削时间变化图，可以看出刀具切入工件材料的初期切削力增加很快，然后就逐渐趋于稳定。
这里还可以直接显示出切削力的大小，可以看出稳定切削后切削力基本维持在750~850N左右。
以上仅列举了几种切削变形研究中较为感兴趣的几种分析结果，可以看出，有限元仿真后置处理的结果较为丰富完整，对深刻认识切削变形有极大的帮助。
结束语
切削加工是一个复杂的切削变形过程，工作条件非常恶劣，传统的研究方法主要基于试验研究，物理过程跟踪观察困难，且试验成本非常高，如要想获得较多的试验数据，需采用较多
的试验方法，做较多的试验，这样才能使得人们对各种材料的切削性能有较深刻的了解。
然而，运用有限元分析、借助于计算机技术等可以用较低的成本揭示切削加工过程，且在较短的时间内能获得较为丰富的各种数据，这对实际生产有极大的帮助。
当然，由于有限元技术用于切削加工的实践不长，还有许多技术问题值得探讨。
另外，有限元仿真的结果与实际情况还是有一定差异的，分析其原因，笔者认为有2点，一是软件编制时的数学模型忽略了一些次要因素；二是仿真时相关参数的设置与使用软件者的知识水平和实践经验有关，若设置参数偏离较多必然使得仿真结果有一定的差异。
因此，目前来说，将有限的试验与较多的有限元仿真相结合，是一种切实可行的研究方法。
(end)。
