钛合金切削毕业论文

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1、摘 要本文对钛合金的性能进行了介绍。钛合金在切削过程中变形系数小，切削温度高，是一种典型的难加工材料。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。在金属的切削过程中切削力和切屑控制是反映材料切削加工性的主要指标。本文利用有限元软件DEFORM-3D仿真TC4钛合金的车削过程，得到了切削力与切削温度的变化曲线，并知道切削过程中切削力是先波动再周期性稳定的。借用正交试验法获得多组仿真数据，分析得出了切削力的经验公式。通过研究切削力与切削参数的变化规律发现切削过程中切削力是随着切削速度的增大而减小，随着切削深度和进给量的增大而增大的。本文建立的切削过程有限元模型可以用来预报切削力，为钛合

2、金切削研究提供相关参考。因此，它具有重大而深远的意义。关键词：钛合金；高速切削；切削力；DEFROM-3DAbstractThe paper introduce the properties of Titanium alloys. Because of the natures of small coefficient of deformation and high tempreture of cutting in the cutting process, Titanium alloys named a typical material that is difficult to process

3、. Therefore, its of great significance to study machinability of titanium alloys for improve the processing efficiency.Cutting forces and chip control are the major indexes reflecting cutting process. The paper uses finite element software DEFORM-3D to emulate TC4 Titanium alloys turning process and

4、 abtains the changing curve of cutting forces and temperatures, and know that cutting forces are undulate before steady. Getting several groups of emulate figures with the help of orthogonal experiment ways. By studying the changing regular pattern of cutting forces and cutting parameter, finding wh

5、en cutting speed raises, cutting processes reduces .When depth of cutting changes deeper and feed of cutting changes bigger, it becomes bigger.The papers finite element model that developed in the cutting processes can be used to preforcast cutting forces, and provides some related reference to Tita

6、nium alloy cutting research . So , it has important and lasting significance.Keywords: Titanium alloys; High-speed cutting ;cutting forces;DEFROM-3D 目 录摘 要IAbstractII目 录III1 绪论11.1 课题背景和意义11.2 国内外研究现状31.3 钛合金的性能特点41.3.1 钛及钛合金41.3.2 钛合金分类51.3.3 钛合金特性61.3.4 钛合金的切削特点61.3.5 钛合金的热处理71.3.6 钛合金Ti-6Al-4V的物理

7、性能81.4 本课题的研究内容和方法91.5 本章小结102 有限元软件DEFORM介绍112.1 有限元仿真软件种类112.2 DEFORM的适用范围和对象112.3 DEFORM的特色功能与价值122.3.1 DEFORM的特色功能122.3.2 DEFORM的价值122.4 DEFORM的功能模块122.4.1 DEFORM2D模块122.4.2 DEFORM3D模块132.4.3 DEFORMF2模块132.4.4 DEFORMF3模块132.4.5 DEFORMHT模块132.4.6 DEFORM TOOL142.5 DEFORM3D软件基本操作142.5.1 前处理操作142.5.

8、2 仿真操作142.5.3 后处理操作152.6 DEFORM3D网格划分原则及方法162.6.1 网格划分的原则162.6.2 网格划分的方法172.7 本章小结183 有限元与切削力理论193.1有限元理论193.1.1 有限元法介绍193.1.2 刚塑性有限元法213.2 切削力理论223.2.1 切削力分析及切削功率223.2.2 影响切削力的因素243.3 本章小结264 有限元仿真切削模型274.1 几何模型的建立274.2 摩擦模型的建立284.3 切屑分离标准设定294.4 材料模型的建立314.5 断裂准则模型324.6 本章小结335 仿真分析345.1 概述345.2 不

9、同切削条件下切削力的仿真345.2.1 仿真过程中的切削力345.2.2 正交试验的设计375.3切削力的回归分析385.4 切削力与切削用量的关系405.4.1 切削力与切削速度的关系405.4.2 切削力与切削深度和进给量的关系425.5 本章小结436 总结与展望446.1 论文总结446.2 工作展望44致 谢45参考文献46附录A 英文原文48附录B 汉语翻译581 绪论1.1 课题背景和意义钛合金在军事方面的应用：钛最早的应用,就是为军事航空工业提供高性能材料。随着各国军事工业的发展，钛的应用领域被不断拓宽。至今，钛已在航空航天、核能、舰船、兵器等诸多领域获得越来越多的应用，成为重

10、要的战略金属材料。其应用水平也成为衡量一个国家武器装备的先进程度，反映一个国家的军事水平和军事实力的重要指标14。钛合金在生物医学方面的应用：生物医用材料是材料科学的一个重要分支，是用于诊断、治疗或替代人体组织、器官或增进其功能、具有高技术含量和高经济价值的新型载体材料，是材料科学技术中一个正在发展的新领域。钛无毒、质轻、强度高且具有优良的生物相容性，是非常理想的医用金属材料。钛及其合金凭借优良的综合性能，成为人工关节（髋、膝、肩、踝、肘、腕、指关节等）、骨创伤用品（髓内钉、托板、螺钉等）、脊柱矫形内固定系统、牙种植体、牙托、牙矫形丝、人工心脏瓣膜、介入性心血管支架等医用内植入产品的首选材料。

11、目前，还没有比钛合金更好的金属材料用于临床。发达国家和世界知名体内植入物产品供应商都非常重视钛合金的研发工作，推出了一系列新的医用钛合金材料，包括具有生物活性的钛合金仿生材料，在医用钛合金材料的表面处理方面也做了很多专利性的设计与开发，赋予医用钛合金材料更好的生物活性以满足人体的生理需要，从而达到使患者早日康复的目的。钛合金在民用领域方面的应用：钛合金在自行车行业、汽车行业及体育行业都有广泛的应用。作为制作高档自行车架的材料应具有较高的强度和硬度，钛合金将是一种极好的选择。不仅其质量仅为钢的50%，且强度质量比比铬钼钢高28.4%。钛合金同时具备很好的抗疲劳性能，疲劳极限是钢的两倍。钛制品应用

12、势头发展迅猛的另一行业是汽车业。目前，汽车发动机气门、连杆、曲轴、排气管、悬簧、消音器、车体和紧固件等，都用上了钛或钛合金。钛在体育用品中的应用，从最早的网球拍、羽毛球拍到最近几年广泛使用的高尔夫球头、杆以及赛车等，使人们对钛的认识提高了一大步。此外钛制体育用品还有：击剑防护面罩、宝剑、冰刀、钓鱼杆、钓鱼用绕线架、赛艇用零部件、滑雪杖、雪铲、登山冰杖、登山钉、田径跑鞋用的注射成型Ti-Fe系鞋底钉等等。高速切削加工作为制造中最为重要的一项先进制造技术，是集高效、优质、低耗于一身的先进制造技术。在常规切削加工中备受困扰的一系列问题，通过高速切削加工的应用得到了解决。其切削速度、进给速度相对于传统

13、的切削加工，以级数级提高，切削机理也发生了根本的变化。与传统切削加工相比，高速切削加工发生了本质性的飞跃，其单位功率的金属切除率提高了30%40%， 切削力降低了30%，刀具的切削寿命提高了70%，留于工件的切削热大幅度降低，低阶切削振动几乎消失。 随着切削速度的提高，单位时间毛坯材料的去除率增加，切削时间减少，加工效率提高，从而缩短了产品的制造周期，提高了产品的市场竞争力。同时，高速切削加工的小量快进使切削力减小，切屑的高速排除，减小了工件的切削力和热应力变形，提高了刚性差和薄壁零件切削加工的可能性。由于切削力的降低，转速的提高使切削系统的工作频率远离机床的低阶固有频率，而工件的表面粗糙度对

14、低阶频率最为敏感，由此降低了表面粗糙度。金属切削过程中会出现各种物理现象，如切削变形、切削力、切削热与温度、刀具磨损与破损以及加工表面完整性等。切削力和其他各种现象之间无不存在密切的关系，研究切屑形成过程是切削力的基础，切削力又与切削热的产生有关。切削力是切削加工中的基本参数，其动态变化直接影响加工过程中刀具与工件的相对位移、刀具磨损和表面加工质量等，大量研究表明，随着刀具磨损的增加将导致切削力增大，切削速度v、进给量f、切削深度的变化都会影响切削力的大小。同时，切削力的大小也随工件材料、刀具材料等具体切削加工环境的不同而不同。在生产中，切削力是计算切削功率、设计与使用机床、刀具和夹具的重要依

15、据。研究切削力的变化规律对实际生产有重要意义。因此对切削力仿真建模是进行加工过程物理仿真研究的基础。DEFORM-3D是一套基于工艺模拟系统的有限元系统（FEM），专门用于设计分析各种金属成形过程中的三维流动，在一个集成环境内综合建模、成形、热传导和成形设备特性进行模拟仿真分析。适用于热、冷、温成形，包括锻造、挤压、徽粗、轧制、自由锻、弯曲、机械加工和其它成形加工手段。提供极有价值的工艺分析数据，如：材料流动、切削应力、模具填充、锻造负荷、模具应力、晶粒流、金属微结构和缺陷产生发展情况等。DEFORM-3D是模拟3D材料流动的理想工具，而且易于使用。系统中集成了在任何必要时能够自行触发自动网格

16、重划生成器，生成优化的网格系统。在要求精度较高的区域，可以划分较细密的网格，从而降低题目的规模，并显著提高计算效率。具体的来说，DEFORM具有以下的典型特点1：（1）不需要人工干预，全自动网格再剖分。（2）前处理中自动生成边界条件，确保数据准备快速可靠。（3）DEFORM-3D模型来自CAD系统的面或实体造型（STL/SLA）格式。（4）材料模型有弹性、刚塑性、热弹塑性、热刚粘塑性、粉末材料、刚性材料及自定义类型。（5）实体之间或实体内部的热交换分析既可以单独求解，也可以藕合在成形模拟中进行分析。（6）单步模具应力分析方便快捷，适用于多个变形体、组合模具、带有预应力环时的成形过程分析。（7）

17、具有FLOWNET和点迹示踪、变形、云图、矢量图、力行程曲线等后处理功能。（8）具有2D切片功能，可以显示工件或模具剖面结果。（9）自定义过程可用于计算流动应力、冲压系统响应、断裂判据和一些特别的处理要求，如：金属微结构，冷却速率、机械性能等。DEFORM-3D图形界面，既强大又灵活，为用户准备输入数据和观察结果数据提供了有效工具。DEFORM-3D还提供了3D几何操纵修正工具，这对于3D过程模拟极为重要。DEFORM-3D延续了DEFORM系统几十年来一贯秉承的力保计算准确可靠的优点。在最近的国际范围复杂零件成形模拟招标演算中，DEFORM-3D的计算精度和结果可靠性，被国际成形模拟领域公认

18、为第一。由此我们可以知道，采用DEFORM-3D软件对高速切削钛合金过程中切削力的仿真具有重要的理论和现实意义。1.2 国内外研究现状早在20 世纪五六十年代，美国、英国、日本等发达国家就开始围绕钛合金加工的刀具寿命、切屑形成、切削温度、切削力等开展了大量的研究工作。Lockheed 公司早在1951 年就进行了钛合金铣削试验。Komanduri最早系统地研究了正交切削钛合金时的切屑变形，并提出了锯齿状切屑的突变剪切失稳理论。Jawaid 等研究了钛合金Ti-6246 的刀具磨损试验，研究表明细晶粒刀具和经过研磨的刀具具有较好的耐磨性能。Hong 和Markus等用液氮来加工钛合金，对液氮浇注

19、方法进行了研究，采用微型喷嘴并直接安装在刀具表面和断屑台之间，液氮直接喷在了刀尖部位，避免了浪费，有效地延长了刀具耐用度。Nouari 和Iordanoff 用离散元法分析了钛合金切削的刀具磨损，研究表明运用离散元法可有效帮助控制刀屑接触。由于世界主要发达国家都有自己的切削数据库（如美国的Cutdata、德国的Infos、瑞典的Coromant 切削数据库），所以对钛合金的切削加工性研究都比较系统6。我国对钛合金的研究起始于1954 年北京有色金属研究总院。50多年来，我国不少单位和科研院校对钛合金的切削加工性进行了大量研究，取得了一定成果。耿国盛通过对铣刀磨损的正交试验和对铣削力的测量，完成

20、了对21s 钛合金的铣削加工性的考察评估，并通过试验获得了经过优化的铣削加工参数。齐德新对铣削钛合金BT20 时的切屑形态、切削力、刀具磨损、破损形态及机理进行了研究，对刀具材料、合理几何参数、最佳切削用量进行优选，在此基础上研制出适用该材料的新型端面铣削刀具。满忠雷、何宁等基于绿色切削的理念，用硬质合金刀具进行了高速铣削钛合金的单因素试验，得出了径向切深、轴向切深、每齿进给量和铣削速度对铣削力的影响规律；并比较分析了干铣削、氮气油雾和空气油雾介质下铣削力的变化特点。山东大学的石磊从化学、物理和力学性能3 个方面对刀具材料与钛合金性能匹配进行了研究，并通过Ti-6Al-4V钛合金的铣削试验加以

21、验证，建立了钛合金切削刀具选择系统模型。总体来讲，我国对钛合金切削加工性的研究与欧美发达国家相比仍有不小的差距，制约钛合金应用和发展的加工质量、效率、刀具磨损等问题仍有待进一步的研究。1.3 钛合金的性能特点1.3.1 钛及钛合金钛是银白色金属，密度约为4.5g/cm3，熔点为1668，钛有两种同素异构体，密排六方晶格的钛和体心立方晶格的钛。钛的质量轻、强度高、耐热性好，同时它的化学活性高，易与空气中的氮、氧、氢化合。钛及钛合金具有耐腐蚀、比强度高等突出优点而被称作“太空金属”或“海洋金属”，目前的金属工业产量上，铁达到7亿吨，铝约1万吨，铜和不锈钢各为1000万吨，钛产量却不足1万吨，所以说

22、钛是一种尚未成熟的年轻金属，它很有希望成为继铁、铝之后的第三种实用金属，开发利用前景十分广阔。我国钛资源非常丰富，TiO2总储量达9亿吨，储量世界第一，中国必将成为钛金属的世界生产大国。1.3.2 钛合金分类钛是同素异构体，熔点为1668，在低于882时呈密排六方晶格结构，称为钛；在882以上呈体心立方晶格结构，称为钛。利用钛的上述两种结构的不同特点，添加适当的合金元素，使其相变温度及相分含量逐渐改变而得到不同组织的钛合金（Titanium alloys）。室温下，钛合金有三种基体组织，钛合金也就分为以下三类：合金,(+)合金和合金。中国分别以TA、TC、TB表示。钛合金它是相固溶体组成的单相

23、合金，不论是在一般温度下还是在较高的实际应用温度下，均是相，组织稳定，耐磨性高于纯钛，抗氧化能力强。在500600的温度下，仍保持其强度和抗蠕变性能，但不能进行热处理强化，室温强度不高。 钛合金它是相固溶体组成的单相合金，未热处理即具有较高的强度，淬火、时效后合金得到进一步强化，室温强度可达13721666 MPa；但热稳定性较差，不宜在高温下使用。 +钛合金它是双相合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良好的韧性、塑性和高温变形性能，能较好地进行热压力加工，能进行淬火、时效使合金强化。热处理后的强度约比退火状态提高50100；高温强度高，可在400500的温度下长期工作，其热稳定性次于钛

24、合金。 三种钛合金中最常用的是钛合金和+钛合金；钛合金的切削加工性最好，+钛合金次之，钛合金最差。钛合金代号为TA，钛合金代号为TB，+钛合金代号为TC。钛合金按用途可分为耐热合金、高强合金、耐蚀合金（钛-钼，钛-钯合金等）、低温合金以及特殊功能合金（钛-铁贮氢材料和钛-镍记忆合金）等。钛合金通过调整热处理工艺可以获得不同的相组成和组织。一般认为细小等轴组织具有较好的塑性、热稳定性和疲劳强度；针状组织具有较高的持久强度、蠕变强度和断裂韧性；等轴和针状混合组织具有较好的综合性能。1.3.3 钛合金特性钛合金具有许多优良特性，主要表现在7：（1）热强度高钛合金热稳定性好、高温强度高。在300500

25、的温度下，其强度约比铝合金高10倍，这也是目前飞机上大量使用钛合金代替铝合金的重要原因之一。（2）比强度高钛合金的密度一般在4.5g/cm3左右，仅为钢的60%。钛合金的强度近于普通钢的强度，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，因此可制出单位强度高、刚性好、质量轻的零部件。（3）抗腐蚀性好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。（4）低温性能好钛合金在低温和超低温下，仍能很好地

26、保持其力学性能，有些钛合金在低温下强度更高。因此，钛合金也是一种重要的低温结构材料。（5）化学活性大钛合金高温化学活性大，易与大气中O2、N2、H2和水蒸气等产生强烈的化学反应，生成氧化钛、氮化钛等物质，在其表面形成一层致密的氧化膜。钛合金开始强烈吸收氢、氧和氮的温度分别为300、500和600。钛的化学亲和性也很大，易与摩擦表面产生粘附现象。钛合金材料还具有其他一些特性，如:导热性差，其导热系数约为Ni的1/4，Fe的1/5，Al的1/14，在切削过程中会致使刀具切削刃的温度大幅上升，刀具磨损加快，使用寿命缩短；弹性模量小，其弹性模量为114GPa，约为钢的1/2，在切削过程中，由于切削力的

27、作用，会使钛合金发生变形，刀具后面与发生回弹的已加工表面产生剧烈摩擦，产生很高的温度。这些特性使钛合金成为一种难加工材料。1.3.4 钛合金的切削特点钛合金的硬度大于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。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

28、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。同时，由于钛合金的弹性模量小，加工时在径向力作用下容易产生弯曲变形，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

29、加剧刀具磨损，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。车削钛合金时，有时前刀面的磨损甚至比后刀面更为严重；进给量f0.2 mm/r时，前刀面将出现磨损。1.3.5 钛合金的热处理常用的热处理方法有退火、固溶和时效处理。退火是为了消除内应力、提高塑性和组织稳定性，以获得较好的综合性能。通常合金和（）合金退火温度选在（）相转变点以下120200；固溶和时效处理是

30、从高温区快冷,以得到马氏体相和亚稳定的相,然后在中温区保温使这些亚稳定相分解，得到相或化合物等细小弥散的第二相质点，达到使合金强化的目的。通常()合金的淬火在()相转变点以下40100进行，亚稳定合金淬火在()相转变点以上4080进行。时效处理温度一般为450550。总结，钛合金的热处理工艺可以归纳为：（1）消除应力退火：目的是为消除或减少加工过程中产生的残余应力。防止在一些腐蚀环境中的化学侵蚀和减少变形。（2）完全退火：目的是为了获得好的韧性，改善加工性能，有利于再加工以及提高尺寸精度和组织的稳定性。（3）固溶处理和时效：目的是为了提高其强度，钛合金和稳定的钛合金不能进行强化热处理，在生产中

31、只进行退火。+钛合金和含有少量相的亚稳钛合金可以通过固溶处理和时效使合金进一步强化。 此外，为了满足工件的特殊要求，工业上还采用双重退火、等温退火、热处理、形变热处理等金属热处理工艺。1.3.6 钛合金Ti-6Al-4V的物理性能 钛合金TC4由多种合金元素组成，并且这些合金元素都有其固定的含量。表1.1即为钛合金TC4的化学成分表。表1.1 TC4化学成份表元素 C Fe N O Al V H Ti含量 0.1 0.3 0.05 0.02 5.5-6.8 3.5-4.5 0.015 余量 材料的强度与硬度等是评定材料机械性能的重要标准，钛合金TC4的机械性能如表1.2所示：表1.2 TC4机

32、械性能表材料 Ti-6AI-4V（TC4）抗拉强度（MPa） 993屈服强度（MPa） 830弹性模量 114硬度（HRC） 36 杨氏模量是钛合金的又一重要物理性能，并且由实际理论可知，杨氏模量是随温度的变化而变化的，钛合金TC4的杨氏模量随温度的变化值如表1.3所示：钛合金的热传导系数与热容相比于其它金属来说是比较小的。因此，这也成为了钛表1.3 杨氏模量随温度变化值温度() 21.1 204.4 426.6 648.9杨氏模量(GMa) 117.2 106.8 95.1 82.7合金难加工的一个重要原因。同杨氏模量一样，钛合金TC4的如传导系数和热容也是温度的函数，其随温度的变化值如表1

33、.4所示： 表1.4 热传导系数、热容随温度变化值温度() -17.8 93.3 204.4 315.6 26.7 537.8 648.9 871.1热传导率J/ms 6.92 7.44 8.65 10.38 11.94 13.67 14.88 17.99热容J/g 0.52 0.540 0.567 0.593 0.631 0.687 0.751 0.9271.4 本课题的研究内容和方法本课题是通过使用DEFORM有限元仿真软件在计算机上模拟高速切削钛合金试验，从而分析切削力的变化规律。进而使用有限元软件DEFORM将钛合金的切削过程进行动态仿真。通过改变单因素切削条件，研究钛合金切削过程中，

34、切削速度、进给量、切削深度等对切削力的影响。具体仿真的主要内容包括：钛合金材料的性能分析，高速切削钛合金过程的动态仿真，关键过程的有限元分析，通过仿真结果研究切削力的变化规律。本课题主旨研究高速切削钛合金切削力的变化规律，但因其本身特性，用试验方法需要诸多条件实现较为困难，而通过使用有限元仿真软件在计算机上模拟加工过程不仅准确可靠而且大大的减少了现场试验的成本。本课题使用DEFORM-3D有限元仿真软件。具体内容如下：1、课题准备工作，搜集资料并进行理论研究。2、建立有限元模型，在DEFORM仿真软件中建立仿真需要的切削模型。3、对已建立的模型进行动态仿真。并修改单一影响因素如切削速度，切削深

35、度等以得到不同的切削力的结果。4、将仿真结果与理论知识进行比较以验证其准确性。5、总结仿真结果，得出切削力的变化规律。1.5 本章小结本章先介绍了课题的背景与研究现状，介绍了钛合金的性能与切削特点，从而提出了研究高速切削钛合金切削力的重要意义，最后介绍了本课题研究的主要内容和研究方法。2 有限元软件DEFORM介绍2.1 有限元仿真软件种类目前国内外对于金属切削加工过程的仿真的常用的仿真软件有：MSC/Nastran、MSC/Dytran、MSC/Marc、ANSYS、ADINA、ABAQUS以及本文仿真所用的DEFORM。MSC/Nastran是著名结构分析程序软件，MSC/Dytran是动

36、力学分析程序软件，MSC/Marc是非线性分析软件，ANSYS是通用结构分析软件，ADINA和ABAQUS同样也是非线性分析软件。DEFORM是针对金属成形分析专用的有限元软件，是一套基于工艺模拟系统的有限元仿真(FEM)软件，在一个集成环境中，综合了建模、成形、热传导和成形设备特性进行模拟仿真分析。它具有鲁棒性好、易于使用的特点，其强大的模拟引擎，能够分析金属成形过程中多个关联对象耦合作用的大变形和热特性8。所以本文采用DEFORM软件来进行高速切削TC4钛合金的车削仿真。2.2 DEFORM的适用范围和对象20世纪70年代后期，位于美国加州伯克利的加利福尼亚大学小林研究室在美国军方的支持下

37、开发出有限元软件ALPID，20世纪90年代在这一基础上开发出DEFORM2D软件。该软件的开发者独立出来成立了SFTC公司，并推出了DEFORM软件。DEFORM3D处理的对象为复杂的三维零件、模具等。DEFORM是对在一个集成环境内综合建模、成形、热传导和成形设备特性，基于工艺模拟系统的有限元仿真分析软件。它专门用于各种金属成形工艺和热处理工艺的模拟仿真分析，可模拟自由锻、模锻、挤压、拉拔、轧制、摆辗、辗锻（辊锻）等多种塑性成形工艺过程，包括冷、温、热塑性成形问题、多工序塑性成形问题、模具应力和弹性变形及破损的模拟分析。可提供极有价值的工艺分析数据；如材料流动、模具填充、锻造负荷、模具应力

38、、晶粒流动、金属微结构的缺陷产生发展情况等。DEFORM适用于刚性、塑性及弹塑性金属材料、粉末烧结体材料、玻璃及聚合物材料等的成形过程。它是一个面向工程、面向用户、与CAD软件无缝连接的商品化有限元分析软件。DEFORM通过在计算机上模拟整个金属成形过程，帮助技术人员设计工模具和产品工艺流程，从而减少了昂贵的现场试验成本；通过提高工模具设计效率，从而降低生产和材料成本，缩短新产品的研究开发周期1。2.3 DEFORM的特色功能与价值2.3.1 DEFORM的特色功能DEFORM具有友好的用户图形界面，操作简单方便。它有高度模块化、集成化的有限元模拟系统，有限元网格自动生成器以及网格重分自动触发

39、系统。具备集成的金属合金材料库、多种成形设备模型和可供用户自定义的子程序。2.3.2 DEFORM的价值DEFORM具有完善的IGES、STL、IDEAS、PATRAN、NASTRAN等CAD和CAE接口，方便用户导入模型。它提供了230多种材料数据库资料，几乎包含了所有常用材料的弹性变形数据、塑性变形数据、热能数据、热交换数据、晶体长大数据、材料硬化数据和破坏数据，方便用户在计算过程中使用。系统集成了在任何必要时能够自行触发的自动网格重划生成器，能生成优化的网格模型。在精度要求较高的区域，还可以划分较为细密的网格，从而降低解析模型，并显著提高计算效率。提供三种迭代计算方法：Newton-Ra

40、phson、Direct INteration和Explicit,用户可根据不同工况、不同材料性能选择不同计算方法。DEFORM采用的多种控制选项和用户子程序使用户在定义和分析问题时有很大的灵活性。DEFORM使用并行求解可显著提高求解速度。利用DEFORM可获得金属成形过程的速度场、静水压力场、应力应变场、温度场结果，以分析型材成形中波浪、扭拧、折叠、裂纹等缺陷。它可帮助技术人员设计工具和产品工艺流程，以减少昂贵的现场试验成本，提高工模具设计效率，降低生产和材料成本，优化模具结构及工艺参数，缩短新产品的研发周期。2.4 DEFORM的功能模块2.4.1 DEFORM2D模块适用于各种常见的U

41、NIX工作站平台（HP，SGI，SUN，DEC，IBM）和Windows-NT微机平台。可以分析平面应变和轴对称等二维模型。它包含了最新的有限元分析技术，既适用于生产设计，又方便科学研究。位精度，以保证扫描高度的准确性。2.4.2 DEFORM3D模块适用于各种常见的UNIX工作站平台（HP，SGI，SUN，DEC，IBM）和Windows-NT微机平台。可以分析复杂的三维材料流动模型。用它来分析那些不能简化为二维模型的问题尤为理想。 2.4.3 DEFORMF2模块相对于DEFORM2D，DEFORMF2更容易使用。它主要用来分析成形过程中平面应变和轴对称等二维材料的流动，对于典型成形过程，

42、具有向导化的操作界面，用户能够很轻松完成前处理设置。2.4.4 DEFORMF3模块相对于DEFORM，DEFORMF3更容易使用。主要用于分析各种复杂金属成形中三维材料的流动情况，对于典型成形过程，具有向导化的操作界面，用户能够很轻松完成前处理设置。2.4.5 DEFORMHT模块该模块附加在DEFORM2D和DEFORM之上，能够分析热处理过程，包括硬度、晶相组织分布、扭曲、残余应力、含碳量等。可模拟复杂的材料流动特性，自动进行网格重划和插值处理，除变形过程模拟外，还能够考虑材料相变、含碳量、体积变化和相变引起的潜热，计算出马氏体体积分数、残留奥氏体百分比、残余应力、热处理变形和硬度等一系

43、列相变引发的参数变量。2.4.6 DEFORM TOOL该模块提供加强性工具，包括报告生成器（可进行动画、文件编辑等，继而生成计算报告）、三维后处理工具（2D计算结果可以显示成3D的方式，并可生成3D动画）、计算任务管理工具（允许用户按一定顺序提交多个计算任务）。此外，DEFORM还有ADDON等其他功能模块。2.5 DEFORM3D软件基本操作2.5.1 前处理操作单击DEFORM主界面右上角即主菜单区域中的“Pre processorDEFORM Pre”选项，则进入前处理界面，该界面是应用菜单栏，下面是分左右两部分，左边是图形显示窗口，右边是对象窗口。在前处理操作中将完成工件材料及刀具等

44、的定义，网格生成与重划分还有切削参数的设置，即生成仿真操作所需的完整的切削模型数据文件。前处理进入界面如图2.1所示。 图2.1 前处理进入界面2.5.2 仿真操作当经过前处理操作生成所需数据文件后，则可以通过仿真操作进行切削过程的动态仿真。仿真步骤是在DEFORM主界面上选择文件所在的磁盘空间，单击主界面上的三角形按钮，如图2.2所示，在仿真过程中可以对仿真过程进行动态监测，其操作方法是选择如图2.3所示的Simulation Graphics按钮。 图2.2 仿真操作界面图2.3 仿真监控与选择界面2.5.3 后处理操作单击DEFORM主界面下角“DEFORM Post”选项，进入后处理界

45、面，选择界面如图2.4所示。后处理具有多种特点和图形功能，使用户可以检查和展示模拟结果。并以有效的方式理解模拟结果。应用菜单包括文件操作、视图操作、模型设置与显示控制、模型显示、分析模拟步骤控制、模拟过程显示控制、环境菜单等命令，这些命令与快捷菜单上相对应的快捷按钮功能相同。在后处理界面上可以查看切削过程中切削力、切削温度、应力及应变等变化曲线，为仿真的结果分析提供可靠的数据。图2.4 后处理进入界面2.6 DEFORM3D网格划分原则及方法2.6.1 网格划分的原则1. 网格数量网格数量的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小。一般来讲，网格数量增加，计算精度会有所提高，但同时计算规模也会

46、增加，所以在确定网格数量时应权衡两个因数综合考虑。 图2.5中的曲线1表示结构中的位移随网格数量收敛的一般曲线，曲线2代表计算时间随网格数量的变化。可以看出，网格较少时增加网格数量可以使计算精度明显提高，而计算时间不会有大的增加。当网格数量增加到一定程度后，再继续增加网格时精度提高甚微，而计算时间却有大幅度增加。所以应注意增加网格的经济性。实际应用时可以比较两种网格划分的计算结果，如果两次计算结果相差较大，可以继续增加网格，相反则停止计算9。 图2.5 位移精度和计算时间随网格数量的变化在决定网格数量时应考虑分析数据的类型。在静力分析时，如果仅仅是计算结构的变形，网格数量可以少一些。如果需要计

47、算应力，则在精度要求相同的情况下应取相对较多的网格。在热分析中，结构内部的温度梯度不大，不需要大量的内部单元，这时可划分较少的网格。2. 网格疏密网格疏密是指在结构不同部位采用大小不同的网格，这是为了适应计算数据的分布特点。在计算数据变化梯度较大的部位(如应力集中处)，为了较好地反映数据变化规律，需要采用比较密集的网格。而在计算数据变化梯度较小的部位，为减小模型规模，则应划分相对稀疏的网格。这样，整个结构便表现出疏密不同的网格划分形式。 图2.6是中心带圆孔方板的四分之一模型，其网格反映了疏密不同的划分原则。小圆孔附近存在应力集中，采用了比较密的网格。板的四周应力梯度较小，网格分得较稀。其中图

48、b中网格疏密相差更大，它比图a中的网格少48个，但计算出的孔缘最大应力相差1%，而计算时间却减小了36%。由此可见，采用疏密不同的网格划分，既可以保持相当的计算精度，又可使网格数量减小。因此，网格数量应增加到结构的关键部位，在次要部位增加网格是不必要的，也是不经济的。 划分疏密不同的网格主要用于应力分析(包括静应力和动应力)，在结温度场计算中采用趋于均匀网格。图2.6 带孔方板的四分之一模型2.6.2 网格划分的方法1. 基本网格划分方法在Deform中划分网格方式有两种。一种是相对网格划分方法，一种是绝对网格划分方法。相对网格划分方式：使用相对网格划分方式用户仅需要指定固定单元的数目。无论物

49、体形状多么复杂，单元的数量必须是恒定。绝对网格划分方式：使用绝对网格设置方式，系统决定网格划分总数，随着物体的复杂，单元数也随之增加。无论相对划分网格方式还是绝对网格划分方式，两者都有依靠划分网格权重来分配物体上各部分的单元大小，默认的划分网格权重在Detailed setting-weight factors下面，此权重在大多数模拟中效果很好。相对网格划分方式是系统默认设定，用绝对网格划分方式目的在于增加模拟的正确性，这是因为网格尺寸设定后自始至终不变，随着物体形状越来越复杂，单元数的增加可以更好的描述物体的表面。使用绝对网格划分方式，为了决定网格划分的最小尺寸，需通过测量模具的最小特征尺寸

50、，这个最小特征必须满足的条件是成形过程中它的形状会反映在工件上，也就是非曲直说有工件材料要流过此特征。最小特征的选取是指整个模拟过程的最小特征。Mesh分为两个步骤，先surface mesh，然后再solid mesh。在相对网格划分中，preview是surface mesh,而generate mesh是surface mesh和solid mesh两步。在绝对网格划分中直接分为surface mesh和solid mesh两个命令。2. 局部细化网格方法在一些高梯度地区，即应变，应变速率，温度，几何尺寸等变化比较剧烈的地区，网格需要细化。这里可以设置权重因子，还有一个重要的设置是mes

51、h density windows（网格密度窗口）因子，这个选项与网格密度有关，该操作界面如图2.7所示。图2.7 网格局部细化设定窗口2.7 本章小结本章主要介绍了有限元软件DEFORM的各种功能模块、特点以及在仿真中的优势，重点讲述了DEFORM3D的几个主要操作界面并详细的对其网格划分模块进行了介绍，对网格划分原则和方法做出了较为细致的阐明。3 有限元与切削力理论3.1 有限元理论3.1.1 有限元法介绍有限元法是以计算机为工具的一种现代数值计算方法。目前，该方法不仅能用于工程设计中复杂结构的静态和动力学分析，而且还可以用于复杂的非线性问题（如结构力学、流体力学、热传导、电磁场等）的求解

52、，并能够精确地计算形状复杂零件的应力分布和变形，成为复杂零件强度和刚度计算的有力分析工具。有限元法的基本思想是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象，单元之间通过有限个节点相互连接，然后根据变形协调条件综合求解。通俗地说，有限元法就是一种计算机模拟技术，使人们能够在计算机上用软件模拟一个工程问题的发生过程而无需把东西真的做出来。这项技术带来的好处就是，在图纸设计阶段就能够让人们在计算机上观察到设计出的产品将来在使用中可能会出现什么问题，不用把样机做出来在实验中检验会出现什么问题，可以有效降低产品开发的成本，缩短产品设计的周期2。有限元法也叫有限单元法（finite element

53、 method, FEM），是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种弹性力学问题的数值求解方法。五十年代初，它首先应用于连续体力学领域飞机结构静、动态特性分析中，用以求得结构的变形、应力、固有频率以及振型。由于这种方法的有效性，有限单元法的应用已从线性问题扩展到非线性问题，分析的对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料，从连续体扩展到非连续体。有限元法最初的思想是把一个大的结构划分为有限个称为单元的小区域，在每一个小区域里，假定结构的变形和应力都是简单的，小区域内的变形和应力都容易通过计算机求解出来，进而可以获得整个结构的变形和应力。事实上，当划分的区域足够小，每个区域内的变形和应

54、力总是趋于简单，计算的结果也就越接近真实情况。理论上可以证明，当单元数目足够多时，有限单元解将收敛于问题的精确解，但是计算量相应增大。为此，实际工作中总是要在计算量和计算精度之间找到一个平衡点。有限元法中的相邻的小区域通过边界上的结点联接起来，可以用一个简单的插值函数描述每个小区域内的变形和应力，求解过程只需要计算出结点处的应力或者变形，非结点处的应力或者变形是通过函数插值获得的，换句话说，有限元法并不求解区域内任意一点的变形或者应力。大多数有限元程序都是以结点位移作为基本变量，求出结点位移后再计算单元内的应力，这种方法称为位移法。有限元法本质上是一种微分方程的数值求解方法，认识到这一点以后，

55、从70年代开始，有限元法的应用领域逐渐从固体力学领域扩展到其它需要求解微分方程的领域，如流体力学、传热学、电磁学、声学等。有限元法在工程中最主要的应用形式是结构的优化，如结构形状的最优化，结构强度的分析，振动的分析等等。有限元法在超过五十年的发展历史中，解决了大量的工程实际问题，创造了巨大的经济效益。有限元法的出现，使得传统的基于经验的结构设计趋于理性，设计出的产品越来越精细，尤为突出的一点是，产品设计过程的样机试制次数大为减少，产品的可靠性大为提高。压力容器的结构应力分析和形状优化，机床切削过程中的振动分析及减振，汽车试制过程中的碰撞模拟，发动机设计过程中的减振降噪分析，武器设计过程中爆轰过

56、程的模拟、弹头形状的优化等等，都是目前有限元法在工程中典型的应用10。经过半个多世纪的发展和在工程实际中的应用，有限元法被证明是一种行之有效的工程问题的模拟仿真方法，解决了大量的工程实际问题，为工业技术的进步起到了巨大的推动作用。但是有限元法本身并不是一种万能的分析、计算方法，并不适用于所有的工程问题。对于工程中遇到的实际问题，有限元法的使用取决于如下条件：产品实验或制做样机成本太高，实验无法实现，而有限元计算能够有效地模拟出实验效果、达到实验目的，计算成本也远低于实验成本时，有限元法才成为一种有效的选择。有限元法经过多年的发展，其基本的数值算法都已经固定下来，商业化的软件也超过1000种。在

57、这些大大小小的有限元软件中，其基本的、核心的算法都是一样的，没有太大的不同，甚至很多软件核心部分的代码都是相同的，它们主要的不同表现在以下几个方面11：（1） 计算部分的功能强弱不一样除了基本的线性分析能力之外，大多数软件都开发了针对各种非线性问题的分析能力，如塑性、蠕变、大位移、大变形、接触分析能力，一些特殊材料模式的处理能力，各种物理场之间的耦合能力，最典型的，如热-结构之间的耦合，流体-结构之间的耦合等等，计算功能的强弱就体现在这些方面。（2） 软件易用性上的不同这主要体现在建模上早期的有限元软件都只是一个计算部分，即求解器，模型是通过数据文件的形式提交的，用户的建模工作就是编写数据文件

58、，工作量相当大。现在的软件一般都有相应的图形界面的建模工具，即前处理器，通过图形方式建模，由软件自动生成计算部分所需的数据文件。到目前为止，仍然有超过70%的软件，其前处理跟求解器之间并不是无缝的，求解器需要的数据文件不能完全由前处理部分生成，缺少的部分仍然需要由用户人工修改、添加。最典型的，如PATRAN和NASTRAN，AUI和ADINA，CAE和ABAQUS，这还是求解器跟各自专用的前处理之间的连接情况，其它兼容的前处理跟求解器之间的连接则问题更多。前处理建模功能的强弱，这主要反映在复杂模型的建模效率上。通常情况下，有限元软件的前处理建模能力远低于CAD软件的建模能力，为此都开发有针对不

59、同CAD软件的建模接口。CAD软件对模型的要求与有限元软件对模型的要求不同，模型的导入过程实际是一种转换过程，转换质量的高低，各个软件接口是不同的。接口的多少和转换质量也成为评价建模能力的一个重要标志。（3） 用户的二次开发能力在求解器提供的标准的分析功能之外，允许用户在一定程度上开发适合自己需要的建模、分析功能，如特殊材料模型，特殊的单元类型，专门针对某一类问题的分析等。绝大部分软件用户都不是真正需要这部分功能，这只是对有特殊需要的用户来说是至关重要的，例如某些研究机构。（4）历史的因素主要是行业和商业上的因素。一些软件在发展过程中，在某一行业占有传统的优势，逐渐沿袭下来，成为一种行业习惯和

60、行业工具，乃至成为事实上的行业标准，并不是因为软件本身的原因。例如NASTRAN在全世界的航空领域，SAP2000在建筑行业，ANSYS在中国的铁路机车行业，ABAQUS在中国的汽车行业，都是一些典型的例子。3.1.2 刚塑性有限元法在金属大变形问题中，材料的弹性变形量远远小于塑性变形量，因此弹性变形量可以忽略不计，而将材料的物理模型简化为刚塑性模型。针对这种刚塑性材料建立的有限元法就称为刚塑性有限元法1。刚塑性有限元法每一加载步的计算，都是在前材料累加变形的几何形状和硬化状态的基础上进行的，且每步变形增量较小，因此可以用小变形的计算方法来处理塑性成形的大变形问题。由于刚塑性有限元法计算每一步

61、的应力值时不是靠应力增量逐步叠加求得的，而是直接计算求得，所以没有应力累积误差。因此，计算步长可以相对取大些，故计算时间减少，计算效率较高，且其计算结果较为准确。此外，在刚塑性有限元分析中，通常采用概率方程表示，即列式本身是根据小应变增量建立的，故变形后的构形可通过在离散空间上对速度积分而获得，从而避开几何非线性问题。这些特点使刚塑性有限元法列式比较简单，易于编程实现。由于简单性和效率高，所以刚塑性有限元法应用广泛。刚塑性有限元法是DEFORM软件的核心算法。3.2 切削力理论了解切削力对于计算功率消耗，刀具、机床、夹具的设计，制定合理的切削用量，确定合理的刀具几何参数都有重要的意义。在数控加工过程中，许多数控设备就是通过监测切削力来监控数控加工过程以及加工刀具所处的状态3。3.2.1 切削力分析及切削功率（1）切削力的产生刀具在切削过程中克服加工阻力所需的力，称为切削力。刀具在切削过程中，需克服切屑的塑性变形，切屑和加工表面对刀具的摩擦以及切屑的单性挤压力等，如