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1、天津职业技术师范大学毕 业 设 计 开 题 报 告钛合金薄壁结构件磨削加工残余应力有限元仿真系 别： 机械工程学院 班 级： 机自0901 学生姓名： 韩捷 指导教师： 霍文国 2013 年 1 月 7 日毕业设计开题报告课题题目钛合金薄壁结构件磨削加工残余应力有限元仿真课题性质A B C D E 课题来源A B C D 成果形式A B C D E 同组同学一、 研究目的、意义随着大量新材料的出现和应用以及科学技术发展所带来的对零件精度、质量的新要求，磨削加工应用的增长幅度远超过其他传统加工方法。磨削加工往往作为零件的终加工工序，其加工的表面质量往往决定了零件的最终质量。而钛合金在如航空航天等
2、重要场合的广泛应用对其加工过程提出了更高的要求。现阶段能有效提高零件加工精度的手段是磨削，而磨削后零件表面的残余应力又决定着零件的使用寿命和性能，因此通过控制磨削过程和磨削条件从而获得低应力的加工表面就具有重要的研究价值。在磨削加工过程中，工件产生残余应力，构件中的残余应力对零件的表面质量有很大影响：如使构件的强度降低、降低工件疲劳极限、造成应力腐蚀和脆性断裂，由于残余应力的松弛，使构件产生变形，影响了构件的尺寸精度。因此降低和消除构件的残余应力，就显得十分必要。而残余应力的控制不当会成为如飞机失事，火车出轨等重大事故的影响因素或决定性因素。因此，从涉及人身安全这一角度看，控制和降低甚至在某种
3、条件下消除残余应力就显得刻不容缓。将钛合金作为研究残余应力的切入点主要是因为钛及钛合金具有重量轻、强度大、耐腐蚀等许多特性。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。60年代中期，钛及其合金已在一般工业中应用，用于制作电解工业的电极，发电站的冷凝器，石油精炼和海水淡化的加热器以及环境污染控制装置等。钛及其合金已成为一种耐蚀结构材料。此外还用于生产贮氢材料和形状记忆合金等9。因此研究钛合金及其加工就具有长远的经济价值。现阶段残余应力的检测较繁琐，需要精密昂贵的检测仪器和对零件一定程度的破坏。而有限元法是现今金属切削加工理论研究的重要数值分析手段之一 ,它能够综合
4、考虑工件与刀具的材料、加工方法、加工条件等多种因素 ,定量和定性分析残余应力，广泛吸收现代数学、力学理论，并借助计算机找到工程需要的数值解。因此仿真的应用不论是在技术还是经济层面都具有重要的意义。 综上，对于钛合金磨削加工后残余应力数值模拟的仿真，是进一步提高钛合金产品性能和寿命的有力研究途径。二、研究内容（一）钛合金材料1、钛合金的性能 图1 钛合金 图2 钛合金 钛的一个显著特点是耐腐蚀性强，这是钛对氧的亲合力特别大，能在其表面生成一层致密的氧化膜，可保护钛不受介质腐蚀。金属钛在大多数水溶液中，都能在表面生成钝化氧化膜。因此，钛在酸性、碱性、中性盐水溶液中和氧化性介质中具有很好的稳定性。钛
5、合金以此特性在化学工业、化肥工业、电力工业、造纸和纺织工业中都有着广泛的应用。钛是化学工业中优良的抗腐蚀材料；是化肥工业中取代不锈钢材料盛放尿素、胺、胺基胛酸胺等高温高压混合液的新材料；是电力工业中用作为热交换器的冷却管的材料；是海水淡化装置和造船工业的理想材料；是纺织印染工业中漂白设备的重要材料；还是医疗和制药部门用作人造肢体和器官的材料。钛合金的密度一般在4.5g/cm3左右，仅为钢的60，纯钛的强度接近普通钢的强度，一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。因此钛合金的比强度(强度/密度)远大于其他金属结构材料，可制出单位强度高、刚性好、质轻的零、部件。在飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、
6、紧固件及起落架等都使用钛合金。使用温度比铝合金高几百度，在中等温度下仍能保持所要求的强度，可在450-500的温度下长期工作这两类钛合金在150-500范围内仍有很高的比强度，而铝合金在150时比强度明显下降。钛合金的工作温度可达500，铝合金则在200以下。钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作，其抗蚀性远优于不锈钢；对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强；对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力。但钛对具有还原性氧及铬盐介质的抗蚀性差。钛合金在低温和超低温下，仍能保持其力学性能。低温性能好，间隙元素极低的钛合金，如TA7,在-253下还能保持一定的塑性。因此，钛合金也是一种重要
7、的低温结构材料。钛的化学活性大，与大气中O、N、H、CO、CO2、水蒸气、氨气等产生强烈的化学反应。含碳量大于0.2时，会在钛合金中形成硬质TiC；温度较高时，与N作用也会形成TiN硬质表层；在600以上时，钛吸收氧形成硬度很高的硬化层；氢含量上升，也会形成脆化层。吸收气体而产生的硬脆表层深度可达0.1-0.15mm，硬化程度为2030。钛的化学亲和性也大，易与摩擦表面产生粘附现象。2、钛合金切削特点 图3 钛合金 钛合金的硬度大于HB350时切削加工特别困难，小于HB300时则容易出现粘刀现象，也难于切削1。但钛合金的硬度只是难于切削加工的一个方面，关键在于钛合金本身化学、物理、力学性能间的
8、综合对其切削加工性的影响。钛合金有如下切削特点：(1)变形系数小：这是钛合金切削加工的显著特点，变形系数小于或接近于1。切屑在前刀面上滑动摩擦的路程大大增大，加速刀具磨损。(2)切削温度高：由于钛合金的导热系数很小(只相当于45号钢的1/51/7)，切屑与前刀面的接触长度极短，切削时产生的热不易传出，集中在切削区和切削刃附近的较小范围内，切削温度很高。在相同的切削条件下，切削温度可比切削45号钢时高出一倍以上。(3)单位面积上的切削力大：主切削力比切钢时约小20，由于切屑与前刀面的接触长度极短，单位接触面积上的切削力大大增加，容易造成崩刃8。同时，由于钛合金的弹性模量小，加工时在径向力作用下容
9、易产生弯曲变形，引起振动，加大刀具磨损并影响零件的精度。因此，要求工艺系统应具有较好的刚性。(4)冷硬现象严重：由于钛的化学活性大，在高的切削温度下，很容易吸收空气中的氧和氮形成硬而脆的外皮；同时切削过程中的塑性变形也会造成表面硬化。冷硬现象不仅会降低零件的疲劳强度，而且能加剧刀具磨损11，是切削钛合金时的一个很重要特点。(5)刀具易磨损：毛坯经过冲压、锻造、热轧等方法加工后，形成硬而脆的不均匀外皮，极易造成崩刃现象，使得切除硬皮成为钛合金加工中最困难的工序。另外，由于钛合金对刀具材料的化学亲和性强，在切削温度高和单位面积上切削力大的条件下，刀具很容易产生粘结磨损15。（二）磨削加工图4 磨削
10、加工磨削加工是利用高速旋转的砂轮等磨具加工工件表面的切削加工。磨削用于加工各种工件的内外圆柱面、圆锥面和平面,以及螺纹、齿轮和花键等特殊、复杂的成形表面。由于磨粒的硬度很高,磨具具有自锐性,磨削可以用于加工各种材料，包括淬硬钢、高强度合金钢、硬质合金、玻璃、陶瓷和大理石等高硬度金属和非金属材料。（三）残余应力1、残余应力的分类按产生原因可分为：热应力、相变应力、收缩应力(亦叫机械阻碍应力)。按照残余应力平衡范围的不同，通常可分为三种：第一类内应力，又称宏观残余应力，它是由工件不同部分的宏观变形不均匀性引起的，故其应力平衡范围包括整个工件。例如，将金属棒施以弯曲载荷，则上边受拉而伸长，下边受到压
11、缩；第二类内应力，又称微观残余应力，它是由晶粒或亚晶粒之间的变形不均匀性产生的。第三类内应力，又称点阵畸变。其作用范围是几十至几百纳米，它是由于工件在塑性变形中形成的大量点阵缺陷（如空位、间隙原子、位错等）引起的。2、应力检测原理是基于著名的布拉格方程2dsin=n：即一定波长的X射线照射到晶体材料上，相邻两个原子面衍射时的X射线光程差正好是波长的整数倍。通过测量衍射角变化从而得到晶格间距变化d，根据胡克定律和弹性力学原理，计算出材料的残余应力。三、研究现状国内外研究表明，有限元作为一种有效的数值解法已较成功的应用于磨削加工残余应力的计算10-13。湖南大学高效磨削工程研究中心的邓朝晖教授等人
12、利用ANSYS平台对金刚石砂轮精密平面磨削纳米结构WC_12Co涂层的磨削表面进行了残余应力有限元模拟与试验，忽略相变影响14。经过与实验数据对照验证了相应有限元模型的正确性。湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心郭力，在磨削工艺实验的基础上，运用有限元方法对钛合金超高速磨削湿式温度场进行了仿真,分析计算了超高速磨削状态下钛合金磨削区的磨削热分配率。从而得出了钛合金主要磨削参数对湿式磨削温度场的影响趋势15。南京航空航天大学机电学院程泽采用有限元模拟技术对钛合金 TC4材料的单颗磨粒磨屑形成过程进行了仿真研究。研究表明:钛合金 TC4在单颗磨粒磨削过程中发生绝热剪切,形成锯齿状磨屑； 磨削过程中
13、单颗磨粒磨削力成周期变化；磨粒负前角增大,锯齿化程度加深；磨削速度提高,磨屑剪切带宽度减小；仿真分析得到的磨屑形态与实验结果相一致16。浙江大学吴红兵等三维斜角切削有限元模型对钛合金Ti6Al4V 的高速切削加工过程进行了.模拟拟结果表明 ,切削速度对工件已加工表面层残余应力有重要影响 ,而切削深度的影响较小.已加工表面层残余应力沿厚度方向由残余拉应力向残余压应力过渡 ,且残余应力值随着切削速度的增加而增加 ,而随切削深度的增加并无明显变化。切削速度和切削深度对残余应力层的厚度均无明显影响13。四、研究内容利用达索ABAQUS有限元数值分析软件对薄壁钛合金零件的磨削加工进行仿真。要求建立相应的
14、零件表层模型，建立有代表性的砂轮整体模型或部分模型，考虑计算量对分析过程的影响可简化建立切削刃的对应模型，先通过单颗或多颗磨粒的仿真定性分析钛合金的磨削加工过程，再细化、调整、优化相应刀具参数（如：磨粒的形状、大小、磨削前角、后角、刀尖角等），磨削加工参数（如：刀具转速、纵向进给量、横向进给量、刀具移动路径等），工作条件(如：加工温度，加工湿度，震动等)，从而由定性分析达到定量分析。 图5 Abaqus二维有限元切削模型采用材料失效和单元删除模型实现切削过程的数值仿真，并通过沙漏控制和网格自适应技术对网格畸变进行控制，模拟出切屑形成和切削过程中的切削力、应力场、应变的变化情况。力图找到残余应力
15、在磨削过程中的产生原因，并通过改变切削参数，工件形状等加工要素着力提高工件表面磨削质量，增加工件使用寿命和可靠性。最终找出磨削薄壁钛合金件时控制残余应力的有效方法，并形成相关理论或经验，以期为真实切削过程参考，并提高实践效率。五、研究路线图定义载荷、边界条件生成有限元模型建立几何实体模型 控制生成的网格求解后处理数据、表格 得出实验结论撰写实验说明书 六、课题的准备情况及进度计划时间安排（周次）工作内容早期进入阶段根据设计要求，收集相关资料，制定设计方案；第1-3周软件系统调试，完成实体和刀具的建模；第4-6周对磨削过程进行有限元分析，调试，优化；第7-13周编写仿真结论报告，分析结果，答辩。
16、七、参考文献1王清，李中华，孙东立等.TC4钛合金的热变形行为及其影响因素 J .材料热处理学报，2005,26(4):56-59.2秦龙.钛合金切削加工中刀具寿命和刀具磨损的研究J.航空制造技术2006,13(2):6-7.3Ti6AI4V钛合金的激光弯曲成形特性 李俐群，陈彦宾，张立文。中国有色金属学报，2005，15(6):842-848.4任敬心.难加工材料的磨削.北京：国防工业出版社，1999.5薄宵.磨工实用技术手册.北京：化学工业出版社，2000.6李登万.钛合金加工切削力试验研究J.航空制造技术,2009,7.7罗国珍.Ti基复合材料的研究与发展J.稀有金属材料，1997，26
17、(2)：1-7.8杨雷.钛合金切削摩擦磨损的试验研究J2003,30(5)：34-36.9张京英,于启勋.PCBN刀具切削力及摩擦系数试验研究J. 航空制造技术,2009,12.10天禧龙.陶瓷磨削表面J.材料加工技术,2002,129(3):451-453.11张龙.磨削中的应用力学J.切削刀具与加工,1998,38(10):1289-1304.12李申龙，李良. ADINA有限元磨削过程分析J.电脑与结构,1995,56(2):313-320.13万志伟. 磨削残余应力有限元分析J.材料加工技术,1999,94(1):13-22.14邓朝晖,荆琦等. 纳米结构WC12Co涂层精密平面磨削表
18、面残余应力有限元模拟与试验.机械工程学报，2008，44（7）：59-61.15郭力. 钛合金材料超高速磨削湿式温度场的有限元仿真. 湖南文理学院学报,2008,20(4):56.16程泽，徐九华等.单颗磨粒磨削钛合金TC4成屑过程仿真研究.金刚石与磨料磨具工程,2011,31(182):18-19. 指导教师意见（课题难度是否适中、工作量是否饱满、进度安排是否合理、工作条件是否具备等）指导教师签名： 年 月 日专家组及学院意见（选题是否适宜、各项内容是否达到毕业设计（论文）大纲要求、整改意见等）专家组成员签字： 教学主任（签章）： 年 月 日 毕业设计开题报告课题题目钛合金薄壁结构件磨削加工残余应力有限元仿真课题性质A B C D E 课题来源A B C D 成果形式A B C D E 同组同学开题报告内容（可另附页）指导教师意见指导教师签名： 年 月 日专家组及学院意见专家组成员签字： 教学院长（签章）： 年 月 日
【毕业设计】钛合金薄壁结构件磨削加工残余应力有限元仿真 开题报告
