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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钛合金高速切削的表面粗糙度与切削力实验研
究的开题报告
一、选题背景和意义
随着制造业的飞速发展，对于零部件加工的要求也越来越高，特别
是高速铣削领域，锻钢、不锈钢的加工难度越来越大，同时对于加工质
量的要求也越来越高，因此，寻找一种合适的加工材料成为了制造业中
的一项重要研究课题。
而TC4钛合金因其具有良好的耐热、耐腐蚀性能
和高强度等优点，已成为制造业中的重要材料之一。
然而，由于TC4钛合金的高硬度和低导热性，使其加工难度和对刀
具的磨损也相应增加，因此，需要探究其切削力和表面粗糙度的规律，
深入研究TC4钛合金的加工特性，为提高其加工质量和效率提供科学依据。
二、研究内容和方法
本文旨在研究TC4钛合金高速切削时的切削力和表面粗糙度的规律，并对其影响因素进行探究。
具体包括以下几个方面：
（1）收集相关文献，对TC4钛合金的加工特性、高速切削的切削力和表面粗糙度的研究现状进行综述。
（2）设计高速切削实验方案，选取不同的切削速度、进给量和切削深度等参数，测量和分析切削力和表面粗糙度。
（3）将实验数据进行处理和分析，绘制切削力和表面粗糙度随加工参数变化的曲线，并对其规律进行解释。
（4）利用SPSS等统计分析软件进行回归分析，建立TC4钛合金高速切削的切削力和表面粗糙度的数学模型，预测其加工性能。
三、预期结果和应用价值
通过对TC4钛合金高速切削的实验研究和分析，本研究将得到该材料加工特性的详细描述和规律，为制造业提供科学可靠的加工参数和工艺流程，提高加工质量和效率，降低生产成本。
同时，本研究还可拓宽TC4钛合金的应用范围和领域，促进其在制造业中的广泛应用。
摘要自20世纪50年代以来，钛及钛合金经历了半个多世纪的发展，种类从最初的Ti-6AI-4V发展到数百种，我国列入国家标准的钛及钛合金牌号就达24种。
由于它强度小、耐热性好、抗腐蚀性优良，它在航空航天、军事、体育器械、医疗器械、照相器材等领域得到了广泛的应用。
但钛合金制造工艺复杂，所以如何改进钛合金的加工工艺，就成为钛合金应用的研究课题。
在钛金的切削加工方面，一些发达国家走在了世界的前列。
为此，研究钛合金的切削加工十分必要，对我国在这方面的发展具有重要的意义。
本文从钛合金的性能、切削特点和车削加工理论出发，分析了TC4车削加工时刀具选择、切削用量、刀具角度选择以及切削力，并从设计试验方案出发，利用切削力测试系统对TC4进行车削力测定，研究切削力曲线特征，建立TC4的切削力经验公式。
关键词：钛合金；刀具选择；切削加工型；正交试验法；经验公式AbstractSince the 1950s, the development of titanium and titanium alloy already experience more than half a century of course, titanium alloy types already from Ti-6AI -4V development to hundreds of kinds, our country listed in the national standard grades of titanium and titanium alloy formule 24. Because of its high strength, low density, good heat resistance, corrosion resistance, excellent in aerospace and military, sports equipment, medical equipment, photographic equipment, etc widely used. Although the broad application of titanium alloys, but the complexity of manufacturing process, so how to improve the processing of titanium alloys , titanium alloys have become the application of research. Machining in titanium alloys, the number of developed countries have been at the forefront of world. To this end, the study of machining titanium alloys is essential to our development in this area is of great significance.In this paper, the performance of titanium alloy, the cutting characteristics and turning theory, and analysis tool TC4 choice when turning, cutting, cutting tool selection and cutting force angle, and the design of orthogonal pilot program, the use of cutting force testing system to TC4 determination of cutting force to study the characteristics of the cutting force curve, the establishment of TC4 empirical formula of force.Keywords: Titanium alloy; tools selection; cutting workability; orthogonal experiment; experience formula1 钛合金概述钛在地球蕴藏着的元素中含量排名第九，其蕴藏量占0.44%到0.57%，1795年德国化学家M.H.克拉普鲁斯发现了该元素并以希腊神Titans命名。
《钛合金TC4高速切削加工性试验研究》一、引言随着现代工业的快速发展，钛合金因其优良的力学性能和耐腐蚀性能，在航空、航天、医疗及汽车制造等领域得到广泛应用。
其中，钛合金TC4因其优异的综合性能而备受关注。
然而，由于钛合金的高硬度和低导热性等特点，其切削加工过程往往面临诸多挑战。
因此，对钛合金TC4的高速切削加工性进行试验研究，对于提高其加工效率、降低生产成本具有重要意义。
二、试验材料与方法1. 试验材料本试验选用钛合金TC4作为研究对象，其具有优良的力学性能和良好的加工性能。
试验中使用的切削工具为硬质合金刀具。
2. 试验方法（1）切削参数设计：根据实际生产需求，设计不同的切削速度、进给量和切削深度，进行多组切削试验。
（2）切削过程：采用高速切削机床进行切削加工，记录各组试验的切削力、切削温度等数据。
（3）切削质量评价：对加工后的工件进行表面质量、尺寸精度和形位公差等指标的评价。
三、试验结果与分析1. 切削力分析试验结果表明，随着切削速度的增加，切削力呈现先减小后增大的趋势。
在一定的切削速度范围内，切削力的减小有利于降低切削过程中的热量产生，从而降低切削温度。
然而，过高的切削速度可能导致切削力的增大，增加切削过程中的振动和工件表面损伤。
2. 切削温度分析切削温度是评价高速切削加工性能的重要指标。
试验发现，切削温度随着切削速度的增加而升高。
在一定的进给量和切削深度下，合理的选择切削速度对于控制切削温度、提高工件表面质量具有重要意义。
3. 表面质量与尺寸精度通过对加工后的工件进行表面质量、尺寸精度和形位公差等指标的评价，发现合理的切削参数组合能够获得较好的工件表面质量和尺寸精度。
同时，采用合理的刀具和切削液能够进一步降低工件表面粗糙度，提高形位公差。
四、结论通过对钛合金TC4的高速切削加工性试验研究，得出以下结论：1. 合理的切削参数组合能够降低切削力、切削温度和工件表面粗糙度，提高工件表面质量和尺寸精度。
《钛合金TC4高速切削加工性试验研究》摘要：本文通过对钛合金TC4材料的高速切削加工性进行实验研究，分析了不同切削参数对切削力、切削温度以及表面质量的影响，并探讨了其加工性能的优化策略。
通过实验数据及结果分析，为钛合金TC4的高速切削加工提供理论依据和实际指导。
一、引言钛合金因其优良的力学性能和耐腐蚀性能，在航空、航天、医疗及汽车制造等领域得到广泛应用。
TC4作为钛合金中的一种，其切削加工性能的研究对于提高产品质量、降低生产成本具有重要意义。
本文旨在通过高速切削加工性试验，探究TC4的切削行为及优化加工参数。
二、材料与实验方法1. 材料选择：选用钛合金TC4作为研究对象，其具有较高的强度和良好的塑性。
2. 实验设备：采用高速数控铣床进行切削实验，配备高精度测力仪和热像仪以监测切削力和切削温度。
3. 实验方法：设计不同切削速度、进给量和切削深度的组合，进行正交切削实验。
记录切削力、切削温度以及工件表面质量等数据。
三、实验结果与分析1. 切削力分析：随着切削速度的增加，切削力呈现先减小后增大的趋势；进给量的增加会导致切削力的增大；而切削深度的增加对切削力的影响相对较小。
2. 切削温度分析：切削温度随切削速度的增加而升高，进给量和切削深度对切削温度也有影响，但影响程度较小。
3. 表面质量分析：合适的切削参数能获得较好的表面质量，表面粗糙度随切削速度的增加先降低后增加，而进给量和切削深度对表面粗糙度的影响较大。
四、优化策略与讨论1. 优化切削参数：根据实验结果，可得出最优的切削参数组合，以降低切削力和切削温度，提高工件表面质量。
2. 刀具选择与维护：选用合适的刀具材料和涂层，保持刀具的锋利度，可有效提高切削效率和工件质量。
3. 工艺路线优化：通过合理安排工艺流程，如预处理、热处理等，可改善TC4的加工性能。
4. 考虑工艺参数的交互作用：在实际生产中，应综合考虑各工艺参数的交互作用，以获得最佳的加工效果。
钛合金超声振动车削数值模拟庞宇;马原;许超;冯平法【摘要】钛合金作为一种轻型优质的结构材料,被广泛应用在航天航空等领域.同时,钛合金也是一种难加工材料,传统切削工艺难以实现钛合金高质高效加工.超声振动辅助加工是将超声信号转换为机械振动,使工件与刀具周期性分离,从而实现加工的方法.以TC4钛合金为研究对象,建立了Abaqus二维车削有限元模型,开展了普通车削与超声振动车削钛合金的数值模拟对比研究.仿真结果表明:超声振动车削钛合金可以有效减小加工过程中的平均切削力以及刀尖切削温度,且在设定的参数范围内,振幅越大,改善效果越明显.【期刊名称】《金刚石与磨料磨具工程》【年(卷),期】2019(039)002【总页数】6页(P83-88)【关键词】钛合金;超声振动加工;数值模拟;切削力;切削温度【作者】庞宇;马原;许超;冯平法【作者单位】清华大学深圳研究生院,广东深圳518055;清华大学深圳研究生院,广东深圳518055;清华大学深圳研究生院,广东深圳518055;清华大学深圳研究生院,广东深圳518055【正文语种】中文【中图分类】TG663;TG58钛合金具有比强度(强度/密度)大，热强度高，低温性能好，抗腐蚀性能强等优点。
这些突出优点使钛合金广泛应用于航空航天领域，制造喷气发动机的压气机、涡轮盘、叶片以及机匣等，且使用需求正在不断增加[1-3]。
但钛合金是典型的难加工材料，加工性能差，其特点如下[4-5]：(1)导热系数小，切削温度高；(2)机械强度高、硬度大；(3)刀尖应力大；(4)弹性模量低，工件回弹大；(5)高温时化学活性很高，刀具磨损严重。
以上缺点使在加工钛合金的过程中存在加工效率低、表面质量差、刀具寿命短等问题。
如何高效高质加工钛合金一直是一个难题。
近些年，超声振动切削技术被国内外学者广泛应用在钛合金的切削加工中。
超声振动辅助切削技术是区别于传统切削的一种新型特种加工方法，它在刀具随主轴进给并高速旋转的同时，辅以超声频振动，实现脉冲式切削。
钛合金高速超声振动车削表面完整性及耐磨损性能试验研究彭振龙;张翔宇;王刚;徐广涛;赵明皞
【期刊名称】《航空制造技术》
【年(卷),期】2024(67)9
【摘要】在可替代性弱且常被用于制造航空发动机关键部件的前提下,钛合金等难加工材料的高效高质切削面临挑战。
针对钛合金Ti-6Al-4V加工表面完整性不佳和使役性能有待提升难题,开展了钛合金Ti-6Al-4V的高速车削试验,分析了高速超声振动切削技术对钛合金Ti-6Al-4V表面完整性和已加工表面耐磨损性能的改善效果,进而为钛合金Ti-6Al-4V的高质量加工提供理论支撑。
结果表明,相比于普通切削,高速超声振动切削有效降低了钛合金Ti-6Al-4V的表面粗糙度,提高了表面强度和表面残余压应力,以及增强了耐磨损性能。
【总页数】8页(P30-36)
【作者】彭振龙;张翔宇;王刚;徐广涛;赵明皞
【作者单位】郑州大学机械与动力工程学院;抗疲劳制造技术河南省工程实验室;郑州大学力学与安全工程学院;清华大学机械工程系精密超精密制造装备及控制北京市重点实验室;清华大学机械工程系高端装备界面科学与技术全国重点实验室【正文语种】中文
【中图分类】TG1
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1.TC4钛合金高速车削温度与车削振动特性的试验研究
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3.6061铝合金径向超声振动车削的表面完整性研究
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5.TB9钛合金车削系统振动特性与表面粗糙度关系的试验研究
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Modeling and Simulation 建模与仿真, 2023, 12(2), 1512-1522 Published Online March 2023 in Hans. https:///journal/mos https:///10.12677/mos.2023.122141基于超声振动辅助车削的建模与仿真研究钱兆峰，王 艳上海理工大学机械工程学院，上海收稿日期：2023年2月13日；录用日期：2023年3月21日；发布日期：2023年3月28日摘要超声振动辅助车削相对于传统车削加工有提高车削效率、提高刀具使用寿命、提高材料加工表面完整性等优点。
本文分析了车削加工中的振动机理，阐述了超声振动对传统车削加工的影响，同时以钛合金(TC4)为研究对象，基于振动学理论，建立了一种表征传统车削振动系统的解析模型，并使用ABAQUS 软件建立了二维车削有限元切削仿真模型，开展了传统车削与超声振动辅助车削两种工艺的TC4切削仿真模拟。
仿真结果表明，当超声振幅在4 μm~12 μm 内时，超声振动辅助车削加工相较于传统车削加工，刀具受到的径向力下降了11.4%~20%，TC4加工表面最大压应力下降了7.8%~19.4%，且加工表面压应力和径向力均随着超声振幅的提高而下降。
关键词车削，钛合金(TC4)，超声振动，ABAQUSModeling and Simulation Research Based on Ultrasonic Vibration Assisted TurningZhaofeng Qian, Yan WangSchool of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, ShanghaiReceived: Feb. 13th , 2023; accepted: Mar. 21st , 2023; published: Mar. 28th , 2023AbstractCompared with traditional turning, ultrasonic vibration assisted turning has the advantages of improving turning efficiency, improving tool life and improving surface integrity of material processing. In this paper, the vibration mechanism in turning is analyzed, and the influence of ul-trasonic vibration on traditional turning is expounded. At the same time, taking titanium alloy (TC4) as the research object, an analytical model characterizing the vibration system of traditional turning is established based on the theory of vibration. The two-dimensional turning finite ele-ment cutting simulation model is established by using ABAQUS software, and the TC4 cutting si-钱兆峰，王艳mulation of traditional turning and ultrasonic vibration assisted turning is carried out. The simu-lation results show that when the ultrasonic amplitude is within 4 μm~12 μm, compared with the traditional turning, the radial force of the tool is reduced by 11.4%~20%, and the maximum com-pressive stress of the TC4 machined surface is reduced by 7.8%~19.4%. The surface compressive stress and radial force decrease with the increase of ultrasonic amplitude.KeywordsTurning, Titanium Alloy (TC4), Ultrasonic Vibration, ABAQUSThis work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0)./licenses/by/4.0/1. 引言钛合金(TC4)是一种难加工材料，具有材质较轻、强度硬度高、耐热性强、抗腐蚀性好等优点[1]。
钛合金超声椭圆振动辅助车削实验研究路冬;蔡力钢;程强;吴勇波【摘要】Tests for ultrasonic elliptical vibration-assisted turning (UEVT)of titanium alloy were carried out.The elliptical trajectories of the cutting tool under different power supplying levels were obtained.The variations of the cutting forces in UEVT were analyzed.It was shown that compared with cutting forces in conventional turning (CT),the cutting forces in UEVT decreases obviously.The surface roughness in UEVT was also studied.The results showed that compared with surface roughness in CT,the surface roughness Ra value in UEVT is a little bit larger,while the surface roughness Rz value decreases obviously in UEVT.The effect of feed rate on cutting forces was analyzed.It was shown that the cutting forces increase with increase in the feed rate both in CT and UEVT;for the same feed rate,the cutting forces in UEVT are less than those in CT;the reduction level decreases with increase in the feed rate.The morphologies of a workpiece,surface were observed both in CT and UEVT.It was shown that regular vibration marks along the cutting rate direction on the workpiece surface are found in UEVT.%设计钛合金超声椭圆振动辅助车削实验，获得不同超声波电源电压下刀具近似椭圆运动轨迹。
钛合金TC4超声波振动切削有限元仿真
易俊杰;刘长毅
【期刊名称】《机械设计与制造工程》
【年(卷),期】2008(037)023
【摘要】采用Johnson-Cook材料模型,以任意拉格朗日欧拉网格算法(ALE)实现
切屑分离,建立了热应力耦合二维正交振动切削模型,并进行了钛合金TC4超声波振动稳态切削的有限元仿真,得到了振动切屑形状和切削力、切削温度的变化曲线,同
时将振动切削与普通切削进行了对比分析,分析结果表明,振动切削中切屑变形系数、切削力、切削温度明显降低,剪切角增大.
【总页数】4页(P29-32)
【作者】易俊杰;刘长毅
【作者单位】南京航空航天大学,机电学院,江苏,南京,210016;南京航空航天大学,机电学院,江苏,南京,210016
【正文语种】中文
【中图分类】TG501
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1.超声波振动切削TC4钛合金的残余应力数值分析 [J], 杨万辉;陈雷;杨金发;杨惠
欣
2.TC4钛合金超声波椭圆振动切削仿真研究 [J], 何俊;夏斌
3.钛合金TC4超声波振动切削有限元仿真 [J], 易俊杰;刘长毅
4.TC4钛合金厚板热处理热透时间有限元仿真及验证 [J], 高飞; 雷挺; 高岩; 黄杰;
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《航空用钛合金切削力的试验研究与仿真》一、引言随着航空工业的飞速发展，对轻质、高强度材料的需求愈发强烈。
钛合金作为一种重要的航空结构材料，因其良好的综合性能而被广泛应用于航空器制造中。
在航空零部件的加工过程中，切削力是一个重要的工艺参数，它直接影响到加工效率、加工质量和刀具寿命。
因此，对航空用钛合金切削力的研究具有重要的工程实际意义。
本文旨在通过试验与仿真的方法，深入研究航空用钛合金的切削力特性，为实际加工提供理论依据和指导。
二、试验方法与材料1. 试验材料试验所使用的钛合金为航空常用的TC4钛合金。
TC4钛合金具有高强度、良好的耐腐蚀性和较高的热稳定性，是航空领域广泛使用的材料之一。
2. 试验方法采用单因素变量法，通过改变切削速度、进给量和切削深度等工艺参数，对TC4钛合金进行切削试验。
同时，利用测力仪对切削过程中的切削力进行实时监测和记录。
三、试验结果与分析1. 切削力随工艺参数的变化规律（1）切削速度对切削力的影响：在一定的进给量和切削深度下，随着切削速度的增加，切削力先减小后趋于稳定。
这是由于在较低的切削速度下，钛合金的加工性能较差，切削力较大；随着切削速度的增加，刀具与工件之间的摩擦减小，切削力逐渐减小；当切削速度达到一定值时，切削力趋于稳定。
（2）进给量对切削力的影响：进给量的增加会导致切削力的增大。
进给量越大，单位时间内刀具与工件的接触面积越大，切削力越大。
（3）切削深度对切削力的影响：切削深度的增加也会使切削力增大。
这是因为切削深度的增加会导致工件材料的去除量增大，需要更大的切削力来完成加工。
2. 切削力的仿真分析利用有限元分析软件对钛合金的切削过程进行仿真分析。
通过建立合理的有限元模型，设置合理的材料参数和工艺参数，模拟出切削过程中的应力、应变和切削力等工艺参数的变化规律。
仿真结果与试验结果基本一致，验证了仿真模型的准确性。
四、仿真与试验结果对比分析通过对试验结果和仿真结果的分析对比，可以发现两者在切削力随工艺参数的变化规律上具有较好的一致性。
第6期钛合金是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属,因具有诸多独一无二的特殊性能而被称为“第三金属和全能金属”[1-3]。
钛合金密度小,比强度高,抗蚀性能优异,疲劳强度和抗裂纹扩展能力好,在航空、航天、舰船、能源、建筑等行业具有广泛的应用前景。
因为高强度和耐腐蚀性能等一系列优异性能,TC4钛合金是目前世界上应用最广泛的钛合金。
目前国内外市场上多以热挤压或斜轧穿孔等方法生产的厚壁管为主[4]。
TC4合金常温强度高,冷轧难度高,目前的TC4管材通常采用热轧方式生产。
宁夏东方钽业股份有限公司朱宝辉等人对TC4合金的挤压管坯冷轧加工相关技术进行了可行性研究[5],其研究结果表面,随着冷轧道次增多,管材表面开裂概率增加。
通过有效的过程工艺参数调整和施加涂层材料等方式可以降低加工硬化对后续加工的影响,实现利用冷轧技术对于TC4合金管材的生产。
利用超声波探伤加金相分析技术研究冷轧TC4合金管材常见缺陷类型及分布特征,对技术人员现场调整冷轧和涂层工艺具有重大意义。
本文以企业实际生产中ø63×4m m 规格的TC4钛合金管材为研究对象,重点研究了冷轧TC4管材探伤方法、缺陷的主要类型和分布特征。
1试验设备和试验方案1.1超声波探伤仪本文试验所用的便携式超声波探伤仪为英国声呐公司的M aS380。
最高采样速率320M H z ,最小显示范围2m m ,工作频率范围分1~10M H z ,探伤灵敏度余量96dB 。
1.2超声波换能器(探头)本文试验所用的探头为水浸线聚焦探头。
主要的参数如表1所示。
探伤频率为5M H z ,聚焦方式为线型。
1.3试验方案超声波探伤标准执行G B/T12969.1-2007《钛及钛合金管材超声波探伤方法》要求。
探伤方法采用水浸聚焦法,超声波探头发射的纵波在液固界面产生波形转换形成横波,波长较短的横波以及探头的聚焦作用有助发小更小当量的缺陷。
其原理如图1和图2所示。
