钛合金椭圆超声振动切削有限元仿真研究

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钛合金作为航空航天领域的一种重要材料,在航空航天飞行器结构件中所占的比例越来越高。但由于钛合金具有热导率小、变形系数小、切削力大、切削温度高、化学活性高、弹性模量小、易产生锯齿形切屑等特点,在机械制造中加工性能较差,是一种典型的难加工材料。超声振动切削技术是一种在刀具某方向上施加高频振动进行切削的机加工方法,属于断续切削,能够有效的降低钛合金切削过程中的切削力和切削温度,延缓刀具磨损。而在钛合金超声振动切削领域的研究中,由于存在设备昂贵、效率低和不易获得结果参数等难点,随着计算机和有限元技术的发展,利用有限元的方法研究钛合金超声振动切削成为了热点问题。本文针对钛合金椭圆超声振动切削有限元问题,利用AdvantEdge FEM有限元软件对椭圆超声振动切削进行了研究。论文的主要内容如下:(1)对国内外钛合金切削和钛合金超声振动切削的研究现状进行了分析。超声振动切削技术理论上能有效改善钛合金的加工性能,如降低切削力和切削温度、不易产生毛刺、延长刀具寿命等。(2)结合金属切削理论、热弹塑性有限元法、超声切削理论和AdvantEdge FEM有限元软件,建立了二维钛合金椭圆超声振动切削有限元模型。对建模过程进行了详尽的说明,包括几何模型建立、网格划分、钛合金材料本构模型、刀-屑摩擦模型、自适应网格划分和超声振动参数设定。(3)通过有限元仿真研究加工参数对于钛合金椭圆超声振动切削切削力和温度的影响。与相对应切削参数的传统切削对比,采用单因素变量法研究了切削速度、进给量和切削深度对于切削力和切削温度的影响。建立了一维超声振动有限元模型,并与其它学者的实验结果进行了对比验证。(4)通过有限元仿真研究加工参数对于钛合金椭圆超声振动切削加工表面残余应力的影响。与相对应切削参数的传统切削对比,采用单因素变量法研究切削速度和切削深度对于加工表面残余应力的影响。(5)在(3)和(4)的基础上,研究了椭圆超声振动参数(振动频率、横向振幅和纵向振幅)对于切削的影响。针对某一组切削参数,采用单因素变量法分析了超声振动频率、振幅对于钛合金椭圆超声振动切削中切削力、切削温度和加工表面残余应力的影响。
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