置氫鈦合金高效切削仿真及刀具磨損預(yù)測(cè)研究

航空航天大學(xué)博鈦合金以其優(yōu)越的綜合性能日益廣泛的應(yīng)用于航空航天及民用工業(yè)，然而鈦合金高效切削時(shí)刀具的快速磨損制約了它進(jìn)一步的推廣應(yīng)用，因此，如何改善和提高鈦合金的切削加工性一直是鈦合金切削加工研究的熱點(diǎn)。鈦合金的置氫處理技術(shù)是通過置氫的方式改變鈦合金的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)而改善其切削加工性的一種新工藝，為鈦合金的高效加工提供了一種新途徑。本文在國(guó)家自然科學(xué)基金(077511)資助下，借助有限元并結(jié)合相關(guān)實(shí)驗(yàn)，建立了置氫鈦合金高效切削仿真模型及刀具磨損模型，探討了高效切削下置氫鈦合金的切削加工性，分析了置氫對(duì)鈦合金切削加工性的影響規(guī)律，研究了置氫量對(duì)刀具耐用度的影響規(guī)律及作用機(jī)理。主要研究?jī)?nèi)容如下：對(duì)置氫鈦合金切削仿真中所涉及的進(jìn)行了研究。Ov卸eOyle探討了切削置氫鈦合金時(shí)刀具的磨損形態(tài)及磨損機(jī)理。借助光學(xué)顯微鏡、SM及等儀器，分析了切削(車、銑)刀具的磨損形態(tài)，研究了切削置氫鈦合金時(shí)刀具的磨損機(jī)理，分析了置氫對(duì)鈦合金切削加工性的改善作用。建立了新的刀具磨損率模型。根據(jù)刀具的磨損機(jī)理，該模型充分反映切削置氫鈦合金時(shí)刀具的磨粒、粘結(jié)及擴(kuò)散磨損。通過采取增大刀．屑間傳熱系數(shù)、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)及邊界光滑處理等方磨損仿真有限元模型，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過建立的刀具磨損有限元模型，對(duì)置氫鈦合金高效切削時(shí)刀具的磨損情。對(duì)切削過不同磨損機(jī)理所占進(jìn)行了定量分析，確定了主要的磨損機(jī)理及其隨切置氫鈦合金高效切削仿真及刀具磨 研過研究切削參數(shù)對(duì)刀具磨損的影響規(guī)律，給出了高效切削置氫鈦合金切削參數(shù)的合理選擇范圍。航空航天大學(xué)博TitaIliumalloywidelyusedinaeronauticsaIld∞r(nóng)ospaceiIldus仃y’跚dciVilapplic撕嘰s弱wenoiI培toitsexcellentmechaIlicalpropertiesHoweVer't11ep00rmcllinabilit)，andtlleiIlducedrapidtoolwearduriIlgcuttiIlgh弱limitstllefhrmerwideapplicationoftitaIliumalloy．Therefore，howtoiInproveⅡlemachiIlabilit)roftit枷umalloyh弱beendmwnmuchatt％tion．hlrecentye甄tllennohydrogen訛舳enttecllIliqueh觴pm、，idedpotentialwaytorealizemelliglIe伍cuttillgoftitaIli啪alloybecausethisSpecialtechniquecouldchgetlleIIlicroslctIlreof缸taIlialloy．SllpportedbyNationalNatIlralScienceFoundationofChiIla(507751l5)，mehigh．e伍cuningmechaIlism柏d廿letoolwearbehaviorare證vestigatedusillg吐lef．miteelementmetllods．Pamculally，ⅡleInacMnabil時(shí)ofhydrogenated石talli啪alloyisstIldied姐derlligh_e伍ciencycuningcirc啪s切l(wèi)llce．TheiIlnuenceofⅡlehydrogencontentonⅡletitaIliumalloymacllimlbili哆arldlllet001weardiscussed．Tlllem旬orfesearchworkis雒Severalkeyf．a(chǎn)ctorSi11fiIliteelementsimul撕onofmecuttillgprocessoft11etitaIliumalloya他ThestaticanddyIlallliccoIIlpressionexperimentsofhydrog伽【atedtitaIli啪alloysout麗吐1meInaterialtes婦gmacllineaIldSplitH0pk硫onpressureb缸(SHPB)．Tlle妣ss—s衄0bta沁datlligllte即eml佗andhi曲s倆nrate．nemodifiedJohIlson-Cook(J—constitIltiVerelationsofhydrogenatedtitaIliumalloyd喇Theducme觸cturecriterion，Ⅵ恤chissuitabletolllecuttiIlgprocessisstudied．Fourcommonductile6actllrecriterionsconlparedeacho吐lerd印endiIlgnon-lillearFEMsoftwareaIldcompressiontestsoftitalli啪alloy．TheresultsreVealtllatⅡleOyanectil．erionb弱edoncrack廿leo叮issuita_blet0describe廿lecuttillgprocessofhydrogenatedtitai啪alloy．Fu吡conStantp甜鋤ete娼i11oyanecritedonofallhydrogenatedtitalliuma110yScalculated．TheareprowmValidiIlⅡlecuttingThectionlawsbetweencuttiIlgtoolandhydrogenatedtitalliumalloyareyzedTheforceplatfomisdesi弘edand印pliedtosiInulate也eslidiofZoreV’s銜ctionmodel．TheslidiIlg銜ctionefficientisme勰uredaJldcoml)ared眥derdi彘rentloads，tempe刪[IlreaIldslidillgveloci何T11esliding銜ctionlawsare廿lereforeTheFEMmodelsofmecuttiIlgprocessof廿lehydrogenatedtitaIli啪alloysiIImlatedcuttingforce，cuttingtemperature孤d出pmorph0109ycoⅡ甲aredwimtlle置氫鈦合金高效切削仿真及刀具磨 研0nes．FumlenTlore，meFEMmodelsutilizedtosimulatemeh訕e伍ciencycu仳i119processhydrogenatedtitaIliumThetoolwearmechaIIismisstudiedduringcuttingt11ehydrogenatedtitani啪alloywitllIIlicroscopealldscamliIlgelec缸．0nmicroscope．Att11es鋤etime，t王lerelationshipbe錒eentoollifeaIldcuttingparameters、張reinVesdgated．TheresultSshowmattllehydrogenationcouldiIllproVeTllcwearratcmodelsconcemiIlgdi丘．erentwearmechaIlismbuilt孔cordingtomemodeloftoolwearsilImladonispres鋤ted．SeVeralproblemsoftoolwearsirImlation，i．e．predictionofteInperatulledistribution，tlleupdatiIlgoft001geomet叮andtIlesmoOmingofwearboundaDroftoolpresented鋤ddiscussed．ThereaSonablepredictionofmet001wearispr0Venfe嬲ibleiIlcutting5.Thetoolwearbellaviorissimulated(1u血gcuttiIlghydrogenatcdtitaIli啪b弱ed嘰es切blishedfilliteelementmodel．Thee臟ctofcuningp砌瑚etersontoolwearisexactprop硎onofdi伍淝ntwearmechallismisdeternlinedaccordingto廿1esimulationresults．，Thedcnatewearmechallismandlllecon℃SpondiIlgchangmgtendencyi111ecuttillgprocessisa11a1)，zed．Moreover，b硒edonⅡleeXperimenta11ds婦ulationresultS，廿lemechaIlism llproviIlgtitallium’snncllinabilit)，isdiscussed．There髂ona_ble啪geof吐lecuttillgpammeterSdunllglli曲e伍ciencycuttiIlghydrogemtedtitalli啪alloyispm、rided．FiIlalIy’廿leiIlfluenceoft001wearcllipmorphology'cuttiIlgtemperatllre，cuttillgforceaIldt00ls仃essareiIlVestigated．KeⅣords：Titalli啪Alloy'The肌ohydrogenm她ent，F(xiàn)iIliteEl鋤entMe廿lod，T001We甌HE伍ciency置氫鈦合金高效切削仿真及刀具磨 研圖 刀具的磨損形貌???????????????????????????????10圖1．2 刀具磨損過程曲線的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比?????????????????11圖1．3工具磨損研究方法的發(fā)展趨 的研究思路圖圖27圖28圖29圖211圖213圖2圖圖2圖2圖圖2圖

不同實(shí)驗(yàn)方法下的應(yīng)變率及應(yīng)變圖???????????????????????6不同變形溫度下置氫鈦合金流變應(yīng)力的變化???????????????????17分離式Hopkinson壓桿裝置示意圖???????????????????????1加熱裝置圖????????????????????????????????? 室溫、準(zhǔn)靜態(tài)下鈦合金的應(yīng)力應(yīng)變曲線?????????????????????19沖擊后樣件實(shí)物圖??????????????????????????????20室溫下置氫鈦合金屈服強(qiáng)度與應(yīng)變率的關(guān)???????????????????20?????????????????21應(yīng)變0．1時(shí)合金的流變應(yīng)力．溫度曲線2置氫鈦合金的溫度敏感系數(shù)隨溫度的變化曲線??????????????????22置氫鈦合金流變應(yīng)力隨應(yīng)變率的變化曲線????????????????????23不同溫度變應(yīng)力與置氫量的關(guān)系 800℃置氫后TC4合金的光學(xué)顯微組織 ??????????????????????．．26置氫鈦合金TEM組織????????????????????????????．27本構(gòu)關(guān)系計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較???????????????????????30改進(jìn)J．C模型值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較?????????????????????30zorev前刀面應(yīng)力31恒力加載刀具摩擦磨損實(shí)驗(yàn)裝不同載荷下鈦合金的摩擦溫度隨速度的變化曲線?????????????????34測(cè)力信號(hào)?????????????????????????????????35摩擦系數(shù)與摩擦?xí)r間的關(guān)系??????????????????????????35航空航天大學(xué)博圖圖34圖35圖圖圖圖

90l】幽nill下摩擦系數(shù)與載荷的關(guān)系???????????????????????．37摩擦系數(shù)與置氫量的關(guān)???????????????????????????37?????????????????????38???????????????????39不同斷裂準(zhǔn)則下切屑?jí)嚎s有限元模型???????????????????????????????42在有限元模擬下，各斷裂準(zhǔn)則值在試樣截面上的理論分布?????????????42樣件壓縮至可見裂紋?????????????????????????????44鈦合金斷裂準(zhǔn)則常數(shù)值的計(jì)算?????????????????????????44不同壓縮速度下鈦合金試樣的I積分圖?????????????????????．45斷裂準(zhǔn)則使用前后切屑形態(tài)的對(duì)比置氫量對(duì)鈦合金物理性能的影響????????????????????????48正交切削有限元模型?????????????????????????????49銑削幾何模型????????????????????????????????50鋸齒形切屑的形成過程????????????????????????????52鋸齒形切屑形成過的切削力????????????????????????52鋸齒形切屑上的溫度分布不同置氫量TC4的切削力???????????????????????????53切削仿真結(jié)果刀具模型的離散化及節(jié) ?????????????????????????54節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化曲??????????????????????????55一個(gè)銑削周期內(nèi)刀具的溫度分布????????????????????????56銑削力隨時(shí)間的變化曲線???????????????????????????56切削置氫鈦合金時(shí)切屑溫度分布及切削力????????????????????58切削力、切削溫度隨置氫的變化趨勢(shì)?????????????????????59正切削試驗(yàn)系統(tǒng)?????????????????????????????59切削力及??????????????????????????60削溫度原始信l銑削力與銑削溫度典型信號(hào)l銑削力實(shí)驗(yàn)值與仿真值的比較2仿真獲取的切屑形貌與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較?????????????????????63200n婦[1in時(shí)切屑的不同變量分布云圖Ⅸ置氫鈦合金高效切削仿真及刀具磨 研圖圖圖圖圖圖X

～～～～～～～一～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～一～～～～～～酪高不不速同同切速速削度度時(shí)下下切車銑屑削削形溫溫狀度度及與及切切銑削削削力力力～～～||～||～～～～||～～～一～～～～～～～一～～的刀具磨損實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖及切削現(xiàn)場(chǎng)圖?????????????????????67銑削試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)???????????????????????????????68???????????????????????68車削時(shí)前刀面月牙洼磨損形貌車刀前后磨損面相連時(shí)的磨損形貌???????????????????????69銑削時(shí)刀具的磨損形 ．72貫 前 刀 的 裂 ???????????????????????????73銑削時(shí)刀具的彈性變形????????????????????????????74?????????????????????????????75車削刀具前刀面上磨損分??????????????????????????76后刀面上附著物的元素能譜分析????????????????????????76切屑粘附于前刀面??????????????????????????????76刀具粘結(jié)及 情況?????????????????????????????77車刀的剖面形貌???????????????????????????????77前、后刀面上元素的擴(kuò)散曲線?????????????????????????78CWCo元素沿掃描線的79磨粒磨損簡(jiǎn)化模型??????????????????????????????80粘結(jié)磨損簡(jiǎn)化模型??????????????????????????????81刀具前刀面三維形貌圖 ?????????????????????????????85磨損率公式中常數(shù)4、E的擬合???????????????????????。87刀具磨損計(jì)算流程?????????????????????????????87刀具上三點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化?????????????????????????88節(jié)點(diǎn)移動(dòng)方向示意圖航空航天大學(xué)博

刀具后刀面磨損計(jì)算模型???????????????????????????90網(wǎng)格重劃分后刀具形貌的對(duì)?????????????????????????91??????????????????92刀具表面正應(yīng)力、溫度分布??????????????????????????93不同時(shí)刻刀具的磨損形貌及磨損率???????????????????????94不同時(shí)刻刀具磨損形貌 ???????????????????????????96不同磨損階段的刀具磨損??????????????????????????97刀具磨 值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)????????????????????????98刀具前刀面磨損形貌的仿真與驗(yàn)證???????????????????????98刀具耐用度隨置氫量變化 與驗(yàn)?????????????????????99銑削時(shí)后刀面磨損實(shí)驗(yàn)與仿真值的對(duì)比????????????????????～100銑削時(shí)刀具磨損的驗(yàn)證及刀具耐用度隨置氫量的變化??????????????～100200ll】／min下銑削刀具的磨損過程???????????????????????．10l置氫量對(duì)刀具耐用度的影響曲???????????????????????．．101銑削時(shí)刀具應(yīng)力隨置氫量的變化刀具磨損曲線圖??????????????????????????????．．105切削參數(shù)對(duì)刀具耐用度的影響 107jM???????????????????????一108109切削置氫0．3％鈦合金各磨損機(jī)理所占???????????????????．1190I】蛐下各磨損機(jī)理引起的磨損量隨時(shí)間的變化曲線200nlin不同磨損機(jī)理引起的磨損量112刀具的粘結(jié)磨??????????????????????????????．．112刀具磨損對(duì)接觸狀態(tài)的影響?????????????????????????．．113刀具磨損 的切屑形切削未置氫鈦合金時(shí)主切削力隨磨損量的變化?????????????????一115切削未置氫鈦合金時(shí)刀具溫度分布??????????????????????．．16刀具溫度隨磨損的變化趨勢(shì)．．11603置氫鈦合金高效切削仿真及刀具磨 研圖5．17刀具所受應(yīng)力隨置氫量的變化????????????????????????～1表 常用的刀 模型表2．1常用加工方式的應(yīng)變、應(yīng)變率及溫升??????????????????????15表2．2TC4棒料化學(xué)成??????????????????????????????19表2． 置氫鈦合金的本構(gòu)常表 25????????????????????????????????3326??????????????????????????????38表2． 置氫鈦合金斷裂準(zhǔn)則參數(shù) 表4．1磨損率模型中的參數(shù)值????????????????????????????83表 刀具磨損隨時(shí)間的變表 切削仿真切削參數(shù)航空航天大學(xué)博鑰y廠正e

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溫置氫鈦合金高效切削仿真及刀具磨 研 口 口 ． ^

切向載月牙洼寬Cm五刀．屑間導(dǎo)熱HGRQ碌加工溫度與的比航空航天大學(xué)博第一高效切削作為代切削工的主流術(shù)，具有闊的市應(yīng)前景。高效切技術(shù)具的高生產(chǎn)效率、加工精度、表面質(zhì)量和低生產(chǎn)成本等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、模具等領(lǐng)域得到越來越廣的用尤是高材去率航薄件桁構(gòu)，能現(xiàn)其特勢(shì)。些年來，高速切削加工技術(shù)因其突出的優(yōu)點(diǎn)在國(guó)內(nèi)外得到了極為迅速的推廣【l。5】。但是高速、高效切削技術(shù)在用于鈦金的切削，仍 切削效低、刀具 短加工成高等問題，因此如何實(shí)現(xiàn)鈦合金的高效切削加工成為研究的熱點(diǎn)【6’7】。鈦合金的置氫處理工藝為實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)提供了一種新的思路與方法。本章主要闡明課題的研究背景與意義，綜述國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀， 存的題不，此礎(chǔ)介紹 的究及要究容。鈦合金具有很高的比強(qiáng)度、較寬的工作溫度范圍、優(yōu)異的腐蝕抗力，在航空、宇航、原子能以及民用工業(yè)中得以廣泛應(yīng)用。鈦合金應(yīng)用最多的場(chǎng)合為航空渦扇噴氣發(fā) ，目前先進(jìn)的壓氣機(jī)盤、壓氣機(jī)葉片、風(fēng)扇葉片以及機(jī)匣等均由鈦合金制造，即實(shí)現(xiàn)壓氣機(jī)全鈦化方案。在和民用飛機(jī)上，鈦合金也獲得大量應(yīng)用，如第四代戰(zhàn)斗機(jī)F-22，鈦合金零件的總重量占飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的比例已達(dá)41％，F(xiàn)5達(dá)2％；波音的C7和B77的鈦合金用量也達(dá)到了9％和7％；俄羅斯Su2的鈦合金用量為15％【8’1o的77客機(jī)，鈦合金使用比例達(dá)5％；歐洲空客公司的的使用比例也高達(dá)9％。在民用工業(yè)中，鈦合金主要用于制造行業(yè)的反應(yīng)塔、海水淡化裝置的蒸發(fā)器傳熱管、體育器械、食鹽電解工業(yè)的陽(yáng)極、核電站的冷凝器以及放射性廢料的貯藏罐等。由于鈦和組織具有很好的相容性，鈦合金在醫(yī)療領(lǐng)域內(nèi)主要用于人造骨骼、心臟起 2)切屑與前刀面接觸面積小，刀尖應(yīng)力大。鈦切屑與前刀面接觸面積小，只有45 置氫鈦合金高效切削仿真及刀具磨 研刀具前刀面摩擦系數(shù)高。鈦合金與刀具材料間的摩擦系數(shù)遠(yuǎn)大于碳鋼與刀具材料間的摩擦系數(shù)。由于鈦合金切屑變形系數(shù)遠(yuǎn)較其他金屬材料小，因而切屑沿前刀面流出的摩擦速度較高。因此摩擦功大，摩擦界面溫度高，加劇了刀具磨損。彈性模量小，屈服比大。彈性模量小就意味著切削加工零件產(chǎn)生較大的變形，彈性模量小和屈服比大又會(huì)使已加工表面產(chǎn)生較大的回彈。從而一方面容易引起加工零件的尺寸超差，1低(約10．20％)，鈦合金的加工成本已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過原材料成本。鈦合金材料以其優(yōu)異的綜合機(jī)械性能已成為航空航天工業(yè)以及民用工業(yè)中應(yīng)用前景極其廣泛的材料，然而由于其切削加工性差，內(nèi)的又一。20世紀(jì)80年代以來，各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家陸續(xù)投入到高速切削加工技術(shù)的研究、開發(fā)與應(yīng)用中來，高速切削技術(shù)取得了重大的進(jìn)展。目前，高速切削技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，可加工材料非常多，主要涉及到鋼、鑄鐵、鋁、鎂合金、超級(jí)合金(鎳基、鐵基和鈦基合金)等，其中以鑄鐵和鋁合金的高速切削應(yīng)用最為成功，生產(chǎn)效率得到了明顯的提升。但對(duì)于鈦合金加工而言，由于其本身的物理特性及切削理論及工藝的缺乏，許多年來鈦合金的切削加工效率仍然很低，使得高速機(jī)床和高性能刀具性能不能充分發(fā)揮，生產(chǎn)制造成本大，嚴(yán)重影響了高速切削技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。上世紀(jì)80年代，高速切削技術(shù)開始大量應(yīng)用于鋁合金的加工，因此加工效率得到了大幅度的提升，與之形成鮮明對(duì)比的是，鈦合金加工效率上升幅度非 2航空航天大學(xué)博趙威等【18】的研究結(jié)果表明，氮?dú)饨橘|(zhì)下刀具的較空氣中會(huì)提高10．100％。為了提高刀具的耐用度，大量的新涂層刀具及超硬刀具開始應(yīng)用，KuljaIlic【l9】等使用PCD切削TC4鈦合金11蛐in切削速度下刀具可達(dá)281mill。 w抽一2∞11等人使用BcBN刀具高(300400m／m蛐切削TC4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與PCD刀具相比，BCBN更適合切削鈦合金。Hen“ckNieII】ann【22】等采用非涂層及不同涂層的硬質(zhì)合金刀具高速(250m／mjn)切削鈦合金，結(jié)果表明，高速下涂層并沒用顯著提高刀具的耐用度，與非涂層刀具基本相似。通過改善切削條件，鈦合金的切削加工性得到了一定的改善，效率得到了較大的提升。第二類即通過熱處理或其它方式，改變鈦合金的微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)而影響其物理性能，從而根本改善材料的切削加工性。目前多數(shù)的研究集中在第一類方法上，而對(duì)第二類方法研究相對(duì)較少。鈦合金的置氫處理技術(shù)也稱氫處理或氫工藝，就屬于第二類方法。它是利用氫致相變以改變鈦合金組織結(jié)構(gòu)及物理性能近而改善材料加工性的法。該技術(shù)是鈦合金金相學(xué)和工藝學(xué)的一個(gè)新的研究方向，利用該技術(shù)可以達(dá)到改善鈦合金的加工性能、降低鈦產(chǎn)品的制造成本、提高鈦合金的加工效率的目的，具有很高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和良好的應(yīng)用前景。1959年原西德學(xué)者Z、Ⅳiecker和Scllleich盯發(fā)現(xiàn)，在鈦合金Ti28Al，陀lOAl，Ti213Al1記8A123hl鑄錠加入適量的氫，可以明顯改善合金的熱加工性能，據(jù)此提出了氫增塑觀點(diǎn)并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了證【231上世紀(jì)7年，俄斯、 等開始量用鈦金開始注鈦合金的氫致改性，研究證明了氫能夠改善鈦合金的結(jié)構(gòu)組織、力學(xué)性能、壓力加工、擴(kuò)散加工等，并且證明氫對(duì)鈦合金切削加工性有很大的影響。氫處理是鈦合金的一種特有的熱處理方式，它包括三個(gè)主要部分：置氫、加工及除氫。首先使鈦合金中置氫量達(dá)到規(guī)定濃度促使鈦合金組織構(gòu)生化然再行削工加結(jié)后用退降置量達(dá)標(biāo)值，免發(fā)生氫，氫處可用于善鈦合成品半成品生產(chǎn)工24】。俄羅斯 國(guó)的研者主要有部的Eylon【25】、脅es【26l、Vo垂【271等，H傭，111e￡發(fā)公司的s111icl【】e)r【281，麥司的hderich【29】等人主要研究冶金鈦粉的制作、鈦及鈦合金的組織改性等，另外也將氫處理工藝用于鈦鋁，極大改善了鈦鋁的力學(xué)性能。 的研究者主要有 鋼鐵公司的Ⅺmura、Yoshjmura【30’311等，他們的研究以改善鈦合金組織為主，并研制了相關(guān)的氫處理設(shè)備。置氫鈦合金高效切削仿真及刀具磨 研上世紀(jì)0年始，前學(xué)者對(duì)氫致鈦合金的高溫及室溫增塑進(jìn)行了廣泛的研究，并取得了一系列的研究成果。研究結(jié)果表明，置氫可顯著改善鈦合金的加工性能：降低流變應(yīng)力并提高其塑性，此項(xiàng)成果極大促進(jìn)了鈦合金的應(yīng)用范圍。置氫可使變形溫度降低50～150℃，流變應(yīng)力降低30％以上。研究還顯示，置氫量的大小對(duì)增塑效果有非常大的影響，當(dāng)變形溫度一定的條件下，置氫鈦合金的流變應(yīng)力隨置氫量的增加呈現(xiàn)先降低再增大的趨勢(shì)，而且變形溫度將影響最低流變應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的置氫量。我國(guó)置氫工藝的研究起步較晚，宮波、等【32】較早研究了置氫工藝對(duì)口+∥型鈦合金的組織、拉伸性能和斷裂韌性的影響。結(jié)果表明：幾種TCP工藝對(duì)TC4合金的魏氏組織和Ti5A12．5Fe合金的鍛造組織均有顯著的細(xì)化作用，明顯提高合金的屈服強(qiáng)度。、奚正平、趙永慶等【33，4Tc21組織細(xì)化的機(jī)理。韓明臣等【35】綜述了鈦合金置氫處理的基本原理和工藝以及置氫處理對(duì)鈦合金、宗瑩瑩【3洲H等使用OM、Ⅺ①和TEM，研究了置氫工藝及置氫量等鈦合金的增塑機(jī)理及高溫變形規(guī)律，并研究了固態(tài)置氫后Tc4合金的微觀組織變化，解釋了置氫鈦合金的高溫增塑原理及真空除氫后鈦合金的組織結(jié)構(gòu)。航空制造工程的、李志強(qiáng)等【2習(xí)力學(xué)性能和加工性能的作用，簡(jiǎn)要分析了其改性機(jī)理，展望了鈦合金置氫處理技術(shù)的應(yīng)用前景。置氫鈦合金高效切削加工目前與置氫鈦合金切削的文獻(xiàn)有限，多為俄羅斯學(xué)者多年前的相關(guān)研究成果，1996年俄羅斯莫斯科國(guó)立航空技術(shù)大學(xué)Kblchev等【4卜431了切削實(shí)驗(yàn)，研究了氫對(duì)切削力、切削區(qū)溫度及刀具的影響。結(jié)果顯示，置氫處理能夠顯著改善鈦合金的切削加工性，切削溫度可降低5¨150℃，切削力降低了23％、，33％，而刀具壽命提高了2~10倍。l(olachev等同時(shí)：(1)氫對(duì)鈦合金切削性能的有益影響存在一個(gè)最佳置氫范圍，研究發(fā)現(xiàn)，不同鈦合金對(duì)應(yīng)的最佳置氫量并不相同，VT8置氫O．65~o．7％，VT3．1置氫O．3％如．5％之間時(shí)，刀具 最長(zhǎng)(2)置氫后，切削鈦合金時(shí)刀具的磨損形式會(huì)發(fā)生變化。切削未置氫合金時(shí)，刀具的前后種置氫鈦合金均存在一最佳切削用量范圍。4航空航天大學(xué)博Egorova掣刪研究了組織結(jié)構(gòu)對(duì)鈦合金切削加工性的影響，結(jié)果顯示，置氫而引起鈦合金內(nèi)口相晶粒的細(xì)化是改善鈦合金切削加工性的主要原因。并，微觀組織結(jié)構(gòu)并非影響鈦合素，隨著置氫量的增加，侈相也會(huì)增加直至飽和而析出氫化物，置氫量很高時(shí)會(huì)形成近∥結(jié)構(gòu)，此時(shí)氫起固溶強(qiáng)化作用，反而引起材料切削加工性的降低 用引起人們的高度關(guān)注，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者及研究單位針對(duì)氫增塑、氫擴(kuò)散加工、氫致超塑性等方面進(jìn)行了大量的研究，其中， 航空航天大學(xué)與 航空制造 對(duì)氫改善鈦合金切削加工性進(jìn)行大量的礎(chǔ)性研工作。 徐九華傅玉燦【45‘刀研究果表明對(duì)1℃4鈦合金，其最置氫工為800℃氫后隨爐卻，置氫過0．5％時(shí)切性能下；切削置氫鈦合金刀具的磨損機(jī)理表明，硬質(zhì)合金刀具的磨損是磨粒磨損、粘結(jié)磨損及擴(kuò)散磨損的共同作用，但氫的加入導(dǎo)致刀具磨損機(jī)制在主次程度上有所差異：未置氫試件對(duì)應(yīng)刀具的磨損機(jī)制以結(jié)擴(kuò)磨為，置鈦金件應(yīng)具磨制磨磨為，有散結(jié)氧磨。具用實(shí)表，具用隨氫加現(xiàn)降后加趨。速為90／m、30／mj時(shí)與置相，具耐度別加了．倍和倍，最佳置氫量在O．3％左右。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表，切削速度越低，置氫對(duì)改善鈦合的切削加工性的效果越明顯，當(dāng)切削速度超過130m／min后，置氫的效果逐漸在減弱。并 ，置氫能夠?qū)е骡伜辖鸾M織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化并進(jìn)而引起其物理性能的改善，這是置氫改善鈦合金切削加工性的主要影響因素。李紅等[48，刪 ，置氫將直接影響到鈦合金的切屑形態(tài)，并改變鋸齒形切屑的形成機(jī)理。金屬切削是一個(gè)復(fù)雜的彈塑性大變形動(dòng)態(tài)過程，具有高應(yīng)變率、高應(yīng)變及高溫的特點(diǎn)，摩擦條件非常復(fù)雜，不但涉及固體力學(xué)、彈塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)、熱力學(xué)、摩擦學(xué)，還涉及材料等諸多的學(xué)科和領(lǐng)域。利用傳統(tǒng)的解析方法很難對(duì)切削機(jī)理尤其是三維切削進(jìn)行定量的分析和研究。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，很多學(xué)者將有限元技術(shù)引入到切削加工領(lǐng)域，近年來，有限元方法已成為金屬切削過程模擬的主要工具，與其他傳統(tǒng)方法相比，它可以顯著5置氫鈦合金高效切削仿真及刀具磨 研的物理現(xiàn)象，如被加工材料因塑性變形而產(chǎn)生熱量，被切除材料在刀具前刀面形成切屑后被排出，以及由刀刃切除材料而在工件上形成已加工表面等，并將這一系列切削過程通過計(jì)算機(jī)模擬出來。根據(jù)有限元解析的結(jié)果，還可將切屑形成過程的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、應(yīng)變速率等物理量實(shí)現(xiàn)可視化。仿真結(jié)果形象、直觀，對(duì)實(shí)踐有著很高的指導(dǎo)價(jià)值。在刀具設(shè)計(jì)、切削參究置氫鈦合金的切削機(jī)理是一種有效的方法。有限元方法在切削加工中的有限元模擬切削加工過程涉及到高溫、高應(yīng)變、高應(yīng)變率下材料流變應(yīng)力的確定，刀一屑接觸面的摩擦、切屑的分離標(biāo)準(zhǔn)以及切屑的控制，采用的材料模型涉及到彈、塑、黏性或其中的兩兩組合。國(guó)內(nèi)行了大量的切削加工的數(shù)值模擬方面的研究，以二維正交切削為主要研究對(duì)象：研究的切削方式以車削為主；受到計(jì)算能力及建模規(guī)模的限制，銑削過程的研究則少得多。目前，有限元在研究材料的切削機(jī)理、切削工藝的優(yōu)化及刀具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面都有所涉及，尤其以對(duì)切削力、切削溫度、切屑的形成機(jī)理等方面的研究居多，而刀具磨損、表面粗糙度、工件表面殘余應(yīng)力等方面的內(nèi)容則較少。曾攀、方剛【50】等曾經(jīng)，目前，有限元技術(shù)雖然已經(jīng)在學(xué)術(shù)上取得了一定的進(jìn)展，但還沒有大量應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)際，而三維切削、切屑斷為了更好的探討仿真在切削加工過程的應(yīng)用并對(duì)加工后的工件指標(biāo)進(jìn)行 ，195CⅡ沖一STC成立了“ModellIlgfMachiIiIlgOpemtions”研究小組，其中，有限元的切削建模是重要的一個(gè)部分。小組定期開展相關(guān)會(huì)議，至今已經(jīng)舉行了13屆，已 了大量的關(guān)于切削仿真建模的文獻(xiàn)，匯集了近十幾年來有限元在切削加工中的應(yīng)用實(shí)例，為有限元在切削加工中的應(yīng)用提供很的研平臺(tái)511。最早將有限元技術(shù)應(yīng)用于切削過程的 Illinois大學(xué)的B．E．Ⅺ鋤eck【521，他系統(tǒng)地研了金屬切削加工中的切屑形成的原理；1982年usui和shiral(aLs場(chǎng)【53】為了建立穩(wěn)態(tài)正交切削模型，第一次提出刀面角、切屑幾何形狀和流線等， 了應(yīng)力應(yīng)變和溫度等參數(shù)。184年，1waa【54建立一個(gè)剛塑性有限元模型，模擬計(jì)算了切屑的厚度、卷曲形狀及構(gòu)件 應(yīng)力、應(yīng)變的分布等，并且 了材料性質(zhì)及摩擦模型對(duì)工件 應(yīng)力、應(yīng)變的影響，仿真結(jié)果與驗(yàn)證試驗(yàn)值吻合很好。當(dāng)時(shí)所用的有限元 均為 ，通用性較差；后來隨著通用大型有限元 的興起，多數(shù)研究者開始使用通用 進(jìn)行切削加工的仿真。目前，用于切削加工仿真的 主要有DEFOM，Abaqs／Explcit，Adv孤tdge及MSC．Mrc等。金切屑易纏繞的難題，因此鋸齒切屑的形成機(jī)理是研究鈦合金切削機(jī)理研究的重點(diǎn)。相對(duì)于6航空航天大學(xué)博統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法，有限元方法在研究鋸齒形切屑的形成方面有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。1993年，0bil【aw釓相似之處，而且切削力及其振幅與實(shí)驗(yàn)相符。Xie【56】等通過更新的拉格朗日算法，預(yù)設(shè)了切屑從工件表面分離的滑移線，但并未仿真出完整的鋸齒形切屑；后來Bakd57l等人采用預(yù)先定義分離線的切屑離幾何則，出現(xiàn)中剪切變時(shí)，采節(jié)重新分配和局加密網(wǎng)等方法仿真出連續(xù)鋸齒狀切屑。 、何寧、 【8】等人使用切屑分離準(zhǔn)則，利用實(shí)驗(yàn)獲取Jollllson．cook本構(gòu)模型，模擬了高速切削TC4鈦合金時(shí)鋸齒形切屑的形成。分析了鋸齒狀節(jié)塊形成過 切削力、切削溫度等物理量的變化，解釋了鋸齒狀切屑的形成機(jī)理。吳紅兵、賈志欣【59】等建立了TC4鈦合金高速正交切削的有限元模型，并研究了單元?jiǎng)h除及切屑分離準(zhǔn)則仿真切屑與實(shí)際加工切屑有較好的吻合度。 、 【刪等人通過專業(yè)切削有限元Adv鋤也dge，對(duì)TC4鈦合金高速銑削進(jìn)行了二維模擬仿真，研究了銑削速度對(duì)切削溫度的影響規(guī)律，并基于仿真結(jié)果，分析了切削速度對(duì)表面完整性的影響機(jī)理。結(jié)果表明，銑削速度對(duì)切削溫度影響顯著。機(jī)理是不合適的。而微元單位為原子的分子動(dòng)力學(xué)則成為分析微納米切削過程十分有效的工具。國(guó)外一些學(xué)者如hlamu功、Kbmnd戚、zhallg、Shmda等學(xué)者已開始進(jìn)行有益的相關(guān)的研究工作，并取得了一些有益的研究成果。20世紀(jì)80年代末，勞倫斯模擬應(yīng)用于加工領(lǐng)域，，Hoover等人首先利用分子動(dòng)力學(xué)模擬單晶銅加工表面的微摩擦問題【61’62】，后來，Belal【和Sowers以單晶銅為研究對(duì)象，進(jìn)行了壓痕和切削過程的分子動(dòng)力學(xué)模擬。R—K0mand嘶等【玨66】采用Morse勢(shì)函數(shù)，基于分子動(dòng)力學(xué)研究了晶體晶向和切削方向，67'醯】對(duì)單晶鋁的拉伸破壞進(jìn)行了分子動(dòng)力學(xué)的模擬。唐玉蘭，梁迎春【69】等人采用分子動(dòng)力學(xué)三維模型研究單晶硅納米切削機(jī)理。分子動(dòng)力學(xué)所建模型單元數(shù)量很多，計(jì)算效率較低，受到目前計(jì)算能力的限制，目前在微、納米級(jí)切削過程的應(yīng)用居多，而在常規(guī)切削過的應(yīng)用非常少。金屬切削過，刀具在切除金屬的同時(shí)，其本身也逐漸被磨損，是切削過象。當(dāng)磨損發(fā)展到一定程度時(shí)，刀具便失去了繼續(xù)切削的能力。刀具磨損的快慢，在一定程度上可以用耐用度這一指標(biāo)來衡量。刀具磨損過快，必然會(huì)增加刀具消耗，影響加工質(zhì)量，降低生產(chǎn)率，并且使加工成本提高。分析并刀具的磨損情況，既能夠降低刀具消耗、提高加工7置氫鈦合金高效切削仿真及刀具磨 研該類公式給出了刀具與主要切削參數(shù)或切削過程變量之間的關(guān)系。其中，Talor描述了刀具與切削速度之間的指數(shù)關(guān)系，而Hasing刀具耐用度公式則描述了切削溫度對(duì)刀具耐用度的重要影響。但是這些刀具耐用度公式的應(yīng)用范圍有限，如果切削系統(tǒng)中的某些條件(如刀具幾何參數(shù)、加工材料、切削環(huán)境等)發(fā)生變化，則公式中的系數(shù)就不再適用，必須通過大量切削試驗(yàn)重新確定，難于適應(yīng)目前高速切削技術(shù)及新材料的快速發(fā)展。而且，該公式僅能刀具的，無法刀具的磨損過程、刀具的磨損形式及刀具的磨損機(jī)理等其它信息，而這些信息對(duì)于刀具設(shè)計(jì)者來說是非常有用的。近些年來，隨著計(jì)算能力的提高及數(shù)值計(jì)算的發(fā)展，數(shù)值計(jì)算方法例(FEM)，有限差分方法(F【)M)以及人工智能(AI)等廣泛應(yīng)用于切削加工。目前，已有學(xué)者使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法來刀具的磨損【72】，并取得了一定的成果，但此種方法仍需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。目前，F(xiàn)EM的應(yīng)用越來越廣泛，與已有的經(jīng)驗(yàn)及理論計(jì)算模型相比較，減為達(dá)到準(zhǔn)確、及時(shí)貌，建立刀具磨損量與切削參數(shù)、刀具幾何尺寸的關(guān)系。例如Kall．millg73】建立了后刀面磨損的磨損率方程；MoliImi【74】通過Fick擴(kuò)散基本理論，推導(dǎo)建立了擴(kuò)散磨損率模型并了硬質(zhì)合金刀具的磨損；而YHu鋤975。明則建立了cBN刀具車削軸承鋼時(shí)前后刀面磨損的數(shù)學(xué)模型，并綜合考慮了影響磨損的多方面因素，為CBN刀具的選擇及切削工藝的優(yōu)化提供了依據(jù)；山東大學(xué)的、艾興【78】等建立了熱一力耦合作用下切削TC4鈦合金時(shí)硬質(zhì)合金刀具磨損的解析模型，綜合分析了切削用量對(duì)磨損機(jī)理所占比例的影響，類則是建立型。其中包括Rabino麗cz及、7lrilliams【79】磨粒磨損模型，Archard，shaw'＆matey-Asibu及Usui【80】 粘結(jié)磨損模型，Cook，Hanmg，＆岫atey．Asibu 擴(kuò)散磨損模型蛔gawa【81，82】等人研究發(fā)現(xiàn)，Usui方程可發(fā)現(xiàn)，Usui及1酞eyam這兩個(gè)模8航空航天大學(xué)博實(shí)際切削鈦合金過用主其．表1．1常用的刀具9置氫鈦合金高效切削仿真及刀具磨 研近些年來，意大利的學(xué)者cre、AttallaSio871，法國(guó)的uInbello。Fili【88，891， T．A1鋤，Ⅵmg—Ch鋤gYe【如，91】等開展了許多刀具磨損的 工作。Yung．ChaIlgYc使用Def0肌2D有限元軟件，模擬了切削AISI．04鋼時(shí)硬質(zhì)合金刀具的磨損況，果表明，以粘結(jié)磨損為機(jī)理建立臼井模型能夠較好 刀具的磨損，但是刀 值(后刀面磨損弘曰)較實(shí)驗(yàn)值要低。Filice等【8叫認(rèn)為刀具磨損的有限元是非常有性的，它需要有一個(gè)穩(wěn)定的溫度場(chǎng)以及 盎——喃r—盛∥—盛∥k嗜產(chǎn)—_葛鏟—-?！豧=一萄r—巔—’簪(a)v=155n婦lin，f卸．1肼I此(b)v=235“nlill，f=O．075砌毗(c)v=200n婦嶇閉．18111n圖1．1刀具的磨損形航空航天大學(xué)博AttaIl舔io等使用Defo衄3d有限元，應(yīng)用改進(jìn)的1址eyarm&Murata模型過程刀具磨損進(jìn)行仿真分析，使用Abaqus仿真，對(duì)連續(xù)切屑成型進(jìn)行仿真，仿真分為三步：初始切屑成型，切屑長(zhǎng)大和穩(wěn)定切屑成型，獲得切屑形狀、切削力和熱傳導(dǎo)率，引入熱傳遞分后，可以得到穩(wěn)定的溫度場(chǎng)，然后使用Pytllon語(yǔ)言編程計(jì)算刀具磨損量。文章以硬質(zhì)切削趟s11045材料為例 了硬質(zhì)合金刀具因磨損而發(fā)生的輪廓變化，并測(cè)定了刀具的月 圖1．2刀具磨損過程曲線的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比(、，=300m靦n，f=O．145刪毗ap_2刪圖1．3勢(shì)，圖中數(shù)均為通過在Elsevier中查詢得出。對(duì)比來看，近些年來各研究方法的總量均在增加，其中，實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行磨損研究仍占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，而有限元研究的數(shù)量也在快速上升，2010年時(shí)其數(shù)量為2000年時(shí)的2．5倍；通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法來進(jìn)行研究的數(shù)量也在增加，但其總體數(shù)量較其余兩種要小，因此，有限元方法已經(jīng)成為刀具磨損的重要工具之一。圖1．3工具磨損研究方法的置氫鈦合金高效切削仿真及刀具磨 研缺乏高溫、高應(yīng)變率下材料的本構(gòu)方程。置氫后鈦合金的物理及力學(xué)性能較母材發(fā)生環(huán)，目前對(duì)斷裂準(zhǔn)則的采用及系數(shù)的確定仍需進(jìn)一步的探討。置氫鈦合金切削有限元模型的準(zhǔn)確性。目前用于刀具磨損的磨損率模型并不適用于鈦合金切削刀具的仿真。早期切削的的對(duì)象以碳鋼為主，主要使用P類硬質(zhì)合金，這與切削鈦合金時(shí)使用的K類硬質(zhì)不符，已經(jīng)不適用于現(xiàn)在的新刀具與新材料，需要重新計(jì)算模型中的常數(shù)。已有的磨損率模型以粘結(jié)磨損為主，這與切削鈦合金時(shí)刀具是多種磨損機(jī)理共同作用的結(jié)果不相符。因此需要建立包括各磨損切削置氫鈦合金時(shí)，刀具磨損的形式及磨損機(jī)理的研究已經(jīng)開展，并取得了一定的研究成果，但不能確定各磨損機(jī)理在磨損中所占，無法定量了解置氫改善刀具磨損的主要方向，而這些數(shù)據(jù)對(duì)于改進(jìn)刀具材料及結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)等都有非常重要的意義。目前，刀具磨損對(duì)切削、削度影研目涉的少這數(shù)對(duì)磨的常要。的研究思路如圖1．4所示，首先將對(duì)切削加工仿真中的進(jìn)行系統(tǒng)研究，建立有限元模型相結(jié)合，通過網(wǎng)格重畫、邊界光滑等措施建立刀具磨損模型，并將對(duì)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?；趯?shí)驗(yàn)及仿真結(jié)果來確定最佳置氫量?；谠撃p模型對(duì)最佳置氫鈦合金高效切削加工刀具的磨損進(jìn)行，并分析不同切削參數(shù)及置氫量對(duì)刀具耐用度的影響規(guī)律及不同磨損機(jī)理所占，從而能夠確定置氫改善鈦合金切削加工性的主要原因。依據(jù)建立的磨損航空航天大學(xué)博置氫鈦合金高效 T切削過程有限元刀具磨損 刀具磨損r實(shí)驗(yàn)研 模置氫鈦合金刀具磨 模型的建0置氫圖 的研究思為能夠深入研究置氫改善鈦合金切削加工性的作用機(jī)理、獲取較好的置氫工藝及切削參數(shù)，為置氫鈦合金的高效加工提供參照依據(jù)，本文將通過實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)合的方法進(jìn)行相關(guān)研究，主要研究?jī)?nèi)容如下：置氫鈦合金切削仿真的研材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能、刀具．切屑間摩擦模型的正確描述、切屑的形成及分離準(zhǔn)則是切削仿真模型建立的關(guān)鍵因素。通過準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)及霍普金森壓桿(SHPB)動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)獲取材料的本構(gòu)關(guān)系；通過彈簧加載的恒力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)Zorev分進(jìn)行研究。測(cè)量和分析載荷及溫度等對(duì)滑動(dòng)摩擦系數(shù)的影響，擬合包含載荷及溫度在內(nèi)的滑在 研究的基礎(chǔ)上建立切削仿真有限元模型，并通過切削實(shí)驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，對(duì)置氫鈦合金的高速切削進(jìn)行仿真計(jì)算。機(jī)理，揭示置氫對(duì)改善鈦合金切削加工性的作用機(jī)理。置氫鈦合金高效切削刀具磨損有限元模型的建立。根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲取的刀具磨損機(jī)理，推導(dǎo)包含磨粒磨損、粘結(jié)磨損及擴(kuò)散磨損機(jī)理在內(nèi)的較全面的磨損率計(jì)算模型。解決切削仿真中穩(wěn)定溫度場(chǎng)、刀具節(jié)點(diǎn)移動(dòng)、網(wǎng)格平滑等問題，通過建立的仿真模型并結(jié)合相關(guān)子程序，對(duì)刀置氫鈦合金高效切削仿真及刀具磨 研 置氫鈦合金高效切削刀具磨損的。通過建立的有限元模型削刀具的磨損情況進(jìn)行。對(duì)切削過不同磨損機(jī)理所占進(jìn)行定量分析，確定主要的航空航天大學(xué)博第二章置氫鈦合金高效切削仿 研的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能、刀具．切屑間摩擦模型的正確描述、切屑的形成及分離準(zhǔn)則。本章將通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)及理論推導(dǎo)探討這幾個(gè)關(guān)鍵因素，為置氫鈦合金高效切削有限元模型的準(zhǔn)確建立提供依據(jù)。同影響。因此用于描述材料塑性流變應(yīng)力仃的本構(gòu)方程通常表示為：盯=F(占，疊，丁1。本構(gòu)料在高溫、高應(yīng)變率、大應(yīng)變條件下的力學(xué)性能，一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。TC4是一種典型的鈦合金，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)其本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了深入的研究，并進(jìn)行了相關(guān)總結(jié)。而置氫TC4速切削的應(yīng)變率則要高得多，KhlpakjiaIl嗍與Alex鋤de一9q曾經(jīng)對(duì)幾種常用加工方式中材料的變形情況進(jìn)行了總結(jié)，結(jié)果如表2．1所示。表中數(shù)據(jù)顯示，切削加工時(shí)應(yīng)變率可以到達(dá)103．106s～，遠(yuǎn)表2．1常用加工方式的應(yīng)變、應(yīng)變率及溫升(％=叫‰)這就需要相應(yīng)的材料測(cè)試方法來獲取高應(yīng)變率下材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，圖2．1為常用的測(cè)試方法，可看出大多數(shù)方法都難以同時(shí)符合大應(yīng)變、高應(yīng)變率的要求，而以應(yīng)力波效應(yīng)為基礎(chǔ)的霍普金森壓桿技術(shù)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)易處理、應(yīng)變率高而得到廣泛的應(yīng)用。高速切削條件105S．oxe廣¨能。國(guó)內(nèi) 等【98】利用正交切削實(shí)驗(yàn)獲取了45鋼及25c眥ls鋼的本構(gòu)模型，付秀麗、置氫鈦合金高效切削仿真及刀具磨 研二十世紀(jì)五年代以，金屬材本構(gòu)關(guān)的研究是個(gè)非重要的方向建立了多類金屬本構(gòu)關(guān)系，基本分為三類：(1)半經(jīng)驗(yàn)本構(gòu)關(guān)系，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合得到，較典型的就是JohIlson—00k模型【l冊(cè)】(2)基于熱激活位錯(cuò)機(jī)制并結(jié)合材料微觀結(jié)構(gòu)的本構(gòu)關(guān)系，這些本構(gòu)關(guān)系僅應(yīng)、變溫相，涉到料微結(jié)例晶的小孔的寸。比較典型的有z甜lli．A徹srong【101，1021模型，此本構(gòu)方程與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較好的匹配性，且方 考慮了流變應(yīng)力的熱分量項(xiàng)描述流變應(yīng)與顆粒尺的關(guān)，此方程特別適于面心立結(jié)構(gòu)和體心立方結(jié)的金屬料，而對(duì)含有密排方結(jié)構(gòu)相鈦合金不太合；Follalsbee和Kbcks 力學(xué)閥值(MTS)模型【103】等；(3)基于材料細(xì)觀／微觀組成的細(xì)觀力學(xué)模型，但這類模型包含的參數(shù)較多，在工 使用并不普遍。TC4作為典型的鈦合金，大量應(yīng)用于航空航天及其它工業(yè)，因此其塑性流變性能及本構(gòu)關(guān)系的研究一直引起人們的高度關(guān)注。目前，在切削加工領(lǐng)域，Johnson．C00k模型被廣泛的用于描述TC4鈦合金的本構(gòu)關(guān)系，這個(gè)模型的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)容易獲取，模型中的五個(gè)參數(shù)僅需LeeIdLin1041于19年通過高溫、高應(yīng)變率的霍普金森壓縮實(shí)驗(yàn)獲取了J．C本構(gòu)方程的參數(shù)；同年Meyers與ⅪepoIlis【105】也通過實(shí)驗(yàn)擬合了本構(gòu)關(guān)系中的五個(gè)參數(shù)：在2002年，Dunli仃escu【1蛔等人也獲取了此鈦合金的參數(shù)值。2005年SongwonSeo107TC得了滿意的結(jié)果。Maaliaal硼an刪等人通過對(duì)—C模型中應(yīng)變及溫度相的改進(jìn)，推導(dǎo)出更加與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符的本構(gòu)關(guān)系，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本構(gòu)關(guān)系。國(guó)內(nèi)對(duì)TC4本構(gòu)關(guān)系的研究也非航空航天大學(xué)博常多，羅皎、【l叫等人通過高溫壓縮實(shí)驗(yàn)，研究了鈦合金的高溫變形行為及流變應(yīng)力模型，但獲得的本構(gòu)模型應(yīng)變率較低、溫度較高，適用于鍛壓等生產(chǎn)方式而并不適合于切削過程。由于原材料及實(shí)驗(yàn)設(shè)備的差異，對(duì)比發(fā)現(xiàn)上述研究這獲取的JC本構(gòu)關(guān)系并不相同，UIllbrllo【110】等對(duì)eadL證等獲取的三種本構(gòu)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果顯示每種模型均能較好的與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，此現(xiàn)象說明本構(gòu)關(guān)系是五個(gè)參數(shù)共同決定的，某些參數(shù)的差異并不影響整體氫對(duì)鈦合金TC4合金變形行為引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，Kerr等人認(rèn)為，置氫量0．4％H．糾371，流變應(yīng)力隨置氫量的增加先降低至最低值而后逐漸增加。近些年來，宗瑩瑩 ‘川等人詳細(xì)研究了置氫鈦合金的高溫力學(xué)性能，并獲取了高溫下材料的本構(gòu)關(guān)系，袁寶國(guó)【112究了室溫、準(zhǔn)靜態(tài)下置氫鈦合金的本構(gòu)關(guān)系，此本構(gòu)關(guān)系適用于應(yīng)變率低、溫度高的熱加工過程。不適合于應(yīng)變率較高的切削加工。楊樹寶、徐九華等【113】通過靜、動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)，對(duì)不同置氫量鈦合金的流變行為進(jìn)行了詳盡的研究，并獲取了其J．C本構(gòu)模型。-黿暑耋∞∞∞準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)是在材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的，而動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)是在西北工業(yè)大學(xué)的分離式霍普金森壓桿上進(jìn)行。分離式霍普金森壓桿壓桿(簡(jiǎn)稱sHPB)是目前材料科學(xué)領(lǐng)域中測(cè)量材料在高應(yīng)變率下的力學(xué)性能時(shí)廣泛使用的裝置。圖2．3為壓桿裝置示意圖，裝置主要包括：氣室、子彈、入射桿、透射桿、吸收桿、能量吸收塊、超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、信號(hào)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成。其基本原理是將短試樣置于兩根壓桿之間，由氣室發(fā)射一定速度的，撞擊入射而另一部分則透過工件傳入透射桿。利用粘貼在入射及反射桿上的應(yīng)變片來記錄入射占，(f射顫(f)以及透射吁(f)置氫鈦合金高效切削仿真及刀具磨 研

色一d三d三

曠E

式中，E為桿的彈性模量(GPa)，彳和嗚分別為桿和試樣的橫截面積(m2)，co為桿中的縱速(n以)，工為試樣長(zhǎng)度彈 入射 試 透射 吸收 能量吸收本實(shí)驗(yàn)采用了西北工業(yè)大學(xué)開發(fā)的快速同步系統(tǒng)，降低了冷接觸時(shí)間，避免了導(dǎo)桿溫度局部過高，提高了應(yīng)力波信號(hào)測(cè)量的準(zhǔn)確度【114，1151。圖2．4加熱裝置圖，試樣用測(cè)溫電熱偶絲固定并安裝在一套筒上，此套筒可沿透射桿滑動(dòng)，這樣就可以單獨(dú)加熱試樣，減少了入射及透射桿間的溫差。 航空航天大學(xué)博置氫材料的母材為軋制TC4鈦合金棒材，化學(xué)成分如表2．2所示。棒材直徑為60mm，長(zhǎng)度為100lIⅡn，經(jīng)砂紙打磨除銹后超聲、吹干后置入管式氫處理爐，抽真空至10。3Pa，加熱至800℃后，充入高純氫氣。通過置氫時(shí)間和平衡氫分壓控制置氫量，保溫6h后隨爐冷卻。置氫量利用高精度物理天平通過稱測(cè)定，精密天平精度為0．01mg。按上述工藝置氫量表2．2TC4準(zhǔn)壓縮試樣尺寸為C5nm×5mm，室溫、準(zhǔn)靜態(tài)下置氫TC4的應(yīng)力曲線如圖2．5所示，數(shù)據(jù)顯示，置氫O．1％時(shí)，鈦合金的屈服強(qiáng)度及流變應(yīng)力與未置氫的差別較小，但當(dāng)置氫量超過0．1％后，隨著置氫量的增加，屈服強(qiáng)度及流變應(yīng)力均有所增加；置氫量達(dá)到O．5％時(shí)，材料的流變應(yīng)力遠(yuǎn)大于其它置氫量的試樣?？梢钥闯?，室溫下，置氫后鈦合金的流變應(yīng)力較未置氫合金大，其主要原因是氫的固溶強(qiáng)化【16強(qiáng)化將變得非常強(qiáng)烈，當(dāng)置氫量增加到一定程度后，其強(qiáng)化作用將占據(jù)主導(dǎo)；而且，置氫量超過飽和固溶度后，片狀氫化物萬的形成會(huì)強(qiáng)化合金，進(jìn)一步增加材料的流變應(yīng)力【117’118】。動(dòng)態(tài)壓縮試樣為圓柱形，較低應(yīng)變率時(shí)尺寸為c5rnm×5mm(不大于5000sJ)，高應(yīng)變率時(shí)采用較小試樣尺寸為e2mm×2mm，均為線切割加工。為減少壓桿與試樣界面間的摩擦以保證實(shí)驗(yàn)精度，試樣上下端面均須拋光，以保證粗糙度小于Ra0．8pm。實(shí)驗(yàn)溫度分別為293、573、773和973K，目標(biāo)應(yīng)變速率為1000，250，5000，10000，15000s～，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次以減小實(shí)驗(yàn)誤差。采用環(huán)形加熱爐對(duì)試樣加熱，控溫精度士5℃，達(dá)到預(yù)定溫度后保溫5lIlin?？闯?，當(dāng)變形條件相同時(shí)，置氫后鈦合金的試樣更加容易發(fā)生開裂。實(shí)驗(yàn)過也發(fā)現(xiàn)，室置氫鈦合金高效切削仿真及刀具磨 研乎＼籟峰踴圖2．6沖擊后樣件室溫時(shí)，隨著置氫量的增加，同應(yīng)變及應(yīng)變率下T4合金的屈服強(qiáng)度及流變應(yīng)力也在上升，當(dāng)置氫量達(dá)到O．5％時(shí)，其流變應(yīng)力遠(yuǎn)大于未置氫合金，例如2500s一、應(yīng)變?yōu)?．1時(shí)，置氫量0．5％Tc4的應(yīng)力達(dá)到了1600Ma，而未置氫僅為1200MPa，提高了約0％，在其它應(yīng)變率時(shí)也有類似規(guī)律，如圖2．7所示。圖2．7室溫下置氫鈦合金屈服強(qiáng)度與應(yīng)變率的關(guān)圖2．8合金均具有一定應(yīng)變強(qiáng)化效果，而室溫時(shí)效果更明顯。而隨著溫度升高，應(yīng)變強(qiáng)化作用越來越弱，例如15000s．1應(yīng)變率下、700℃時(shí)材料的流變應(yīng)力幾乎不隨應(yīng)變而發(fā)生變化。從圖．()上可以看出，高應(yīng)變率下置氫量0．5％鈦合金的塑性能力較差，發(fā)生10％左右的變形時(shí)試樣即航空航天大學(xué)博發(fā)生破壞。這是由于當(dāng)置氫量較少時(shí)，其作為∥相穩(wěn)定元素的加入增加了T4中塑性較好的∥相的比例，不僅誘發(fā)新的滑移系，而且促進(jìn)位錯(cuò)增殖和增加位錯(cuò)的可動(dòng)性，使的位錯(cuò)開動(dòng)并參與滑移，甚至攀移，增強(qiáng)了材料的塑性流動(dòng)能力；當(dāng)其含量超過O．5％后，隨著馬氏體口。及氫化物的增多，合金的塑性能力開始減弱。而隨著變形溫度的升高，不同置氫量鈦合金的塑性能力間的差異在減小，如圖2．8(d)．(e)所示。隨著溫度及應(yīng)變率的增加，鈦合金的力學(xué)性能較室溫下發(fā)生了較大差異，某些置氫量TC4的流變應(yīng)力較未置氫降低較多，如圖2．8(e0s～、溫度700℃時(shí)，置氫O．3％的流變應(yīng)力較未置氫材料下降很多，應(yīng)變?yōu)?．1時(shí)250MPa30邂置氫鈦合金高效切削仿真及刀具磨 研應(yīng)變?yōu)镺．1時(shí)的TC4鈦合金流變應(yīng)力隨溫度的變化曲線如圖2．9所示。結(jié)果顯示，置氫鈦合金均存在著明顯的熱軟化效應(yīng)，隨著溫度的升高，流變應(yīng)力呈近似直線下降，從室溫上升到973K，四種合金的流變應(yīng)力降幅均超過了0％。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，流變應(yīng)力下降的幅度在減少。這是由于高溫時(shí)，隨著材料的晶格熱振動(dòng)增大，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)克服勢(shì)壘需要的熱激迅速減小，而非熱激是由材料結(jié)構(gòu)本身所決定，與溫度的關(guān)系不大，而流變應(yīng)力圖2．9應(yīng)變O．1時(shí)合金的流變應(yīng)力媼度曲九。=一三靠p：／盯。)／工刀 其中q和％為某一應(yīng)變下對(duì)應(yīng)于溫度五和互的流變應(yīng)力，且五>五，五=23K2．10所示，應(yīng)變率5000對(duì)比來看，同一溫度下置氫0．5％的TC4航空航天大學(xué)博O．5％C材料的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)與材料變形過微觀結(jié)構(gòu)的演化密切聯(lián)系，隨著應(yīng)變率疊的增加，位錯(cuò)克服阻力所用的時(shí)間將減少，需要克服的熱激也會(huì)提高，導(dǎo)致材料在較高加載速率引起的流變應(yīng)力會(huì)提高。圖2．11為合金的塑性流變應(yīng)力隨應(yīng)變率的變化曲線，應(yīng)變?yōu)?．1表明，所有鈦合金均有一定的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)，其強(qiáng)化效果隨溫度及應(yīng)變率而變化。室溫時(shí)強(qiáng)化效果較明顯，而隨著溫度的升高，強(qiáng)化效果變?nèi)?。圖中數(shù)據(jù)顯示973K時(shí)，未置氫及置氫量O．3％的合金的流變應(yīng)力幾乎不隨應(yīng)變率而發(fā)生變化，而置氫量O．5％合金增加的幅度很?。欢诘蜏貢r(shí)，應(yīng)變率強(qiáng)化效果非常顯著，應(yīng)變率由0．001s’1增加到5000s-1時(shí)，三種合金的率強(qiáng)化均超過40％。另外值得注意的是，低應(yīng)變率下的率強(qiáng)化效應(yīng)高于高應(yīng)變率。分析對(duì)比來看，置氫O．5％鈦合金的流變應(yīng)力對(duì)應(yīng)變率最敏感，而其余置氫量合金的應(yīng)變率敏感程度相差不大。應(yīng)變率(s產(chǎn)生會(huì)引起試樣溫升彳r(可根據(jù)功熱轉(zhuǎn)變關(guān)系求出)，從而導(dǎo)致金屬發(fā)生軟化。在低溫時(shí)，由于應(yīng)變率強(qiáng)化作用超過了軟化作用，因此顯示出一定的率強(qiáng)化：而當(dāng)溫度較高時(shí)二者相互抵消甚至軟化作用大于率強(qiáng)化作用時(shí)，在宏觀上就表現(xiàn)為合金對(duì)應(yīng)變率不敏感。因此，對(duì)于所實(shí)驗(yàn)的置氫合金，熱軟化效應(yīng)起主導(dǎo)作用。置氫量對(duì)材料流變應(yīng)力的影 對(duì)照?qǐng)D中數(shù)據(jù)可以看出，應(yīng)變率對(duì)材料有較強(qiáng)的強(qiáng)化作用，隨著應(yīng)變率的升高，圖2．12(a)、置氫鈦合金高效切削仿真及刀具磨 研出，各應(yīng)變率下曲線的趨勢(shì)是一致的。由圖可以看出，室溫條件下隨著置氫量的增加，TC4合金的流變應(yīng)力逐漸增加，而高溫時(shí)流變應(yīng)力不再符合此規(guī)律。高溫下當(dāng)置氫量相同時(shí)，隨著變形溫度的升高，流變應(yīng)力明顯減??；而高溫時(shí)每條曲線都呈“高．低．高”的規(guī)律分布，即隨著置氫量的增加，同一溫度變應(yīng)力呈現(xiàn)先小后大的規(guī)律，從不同應(yīng)變率及溫度所對(duì)應(yīng)的最小應(yīng)力來看，置氫量都在O．3％．0．4％左右。在500．700℃范圍內(nèi)，置氫0．3％試樣的流變應(yīng)力較未置氫的降低了13—30％左右，其中在700℃、15000s。下變形時(shí)，最小流變應(yīng)力為“1h但a，較同條件下未置氫試樣降低了32％。senkov掣118]通過實(shí)驗(yàn)曾經(jīng)，隨著溫度的升高，最小應(yīng)力值所對(duì)應(yīng)的置氫量會(huì)逐漸減o翻薅置氫量 為了揭示置氫后鈦合金流變應(yīng)力的變化規(guī)律，對(duì)其顯微組織進(jìn)行了觀測(cè)，如圖2．13以看出，原材料為典型的雙態(tài)組織，如圖2．13(a)所示；當(dāng)置氫量小于O．2％時(shí)，隨著氫的增加，合體積分?jǐn)?shù)在減少，說明強(qiáng)∥相穩(wěn)定元素氫的加入使一部分口相轉(zhuǎn)變?yōu)椤蜗?。?dāng)充氫量大于0．3％后，顯微組織發(fā)生了較大變化，晶粒明顯細(xì)化，次生片狀口及∥相的體積分?jǐn)?shù)急劇增加，而等軸織，這是由于高溫下氫向固溶度較高的∥相擴(kuò)散并在境界，經(jīng)腐蝕后呈現(xiàn)黑色。充氫量達(dá)到0．4％時(shí)，形成完整粗大的原始∥相晶粒邊界，盧晶內(nèi)為針狀口束，其間為盧相，口束域的位向相同或相互交錯(cuò)呈編織狀；當(dāng)含量達(dá)到0．5％時(shí)，合金幾乎由針狀的斜方馬氏體口’所組成，還包含少量的初生及次生口相。這表明氫的加入可以大大降低馬氏體的臨界冷卻速度，在冷卻速率較慢時(shí)航空航天大學(xué)博仍會(huì)有大量的馬氏體口’生成；而口相的減少說明置氫量O．5％時(shí)，口大量轉(zhuǎn)變?yōu)椤?。因此口?！无D(zhuǎn)變溫度基本在800℃左右，與未置氫相比下大約降了180大的實(shí)際意義，顯然，相變點(diǎn)降低，在熱加工時(shí)就可以選擇更低的加工溫度，從而降低材料的高溫保護(hù)費(fèi)用；有利于工具材料的選擇和制造及工具材料的提高。(a)未置氫，(b)0．1％H，(c)O．2％H，(d)0．3％H，(e)O．4％H，圖2．13800℃置氫后TC4合金的光學(xué)顯微置氫TC4鈦合金的x射線衍射譜腳)如圖2．14所示?？煽闯觯糡C4鈦合金由口置氫鈦合金高效切削仿真及刀具磨 研溫相圖中出現(xiàn)了口。相(對(duì)應(yīng)O．3％H的能譜)，且隨著置氫量的增加，口’相的體積數(shù)也在增加。圖譜顯示，置氫量達(dá)到0．5％時(shí)，室溫下TC4合金’相占多數(shù)，這與金相分析相符。置氫后口相衍射峰加寬，是由于材料析出大量的氫化物以及氫的置入引起大量晶格畸變，使材料的晶格常數(shù)增大而造成的，但是本文使用材料的Ⅺ①分析表明，800℃置氫鈦合金并未出現(xiàn)明顯(a)未置氫，(b)O．1％H，(c)O．2％H，(d)O．3％H，(e)O．4％H，(D圖 TC4合金800℃置氫后的Ⅺ王D圖置氫鈦合金更細(xì)微的組織變化由TEM進(jìn)行觀察，采用Pllilips．FEITecIlai(訖F30鏡觀察微觀組織。置氫量為0．2％，O．3％及0．5％的TEM組織如所示。由圖2．15氫后鈦合金初生口相逐漸減少，生成了大量細(xì)小的塊狀組織：而當(dāng)置氫量達(dá)到O．3％形成了層片狀結(jié)構(gòu)口，在層片狀結(jié)構(gòu)上生成了析出物，而在口層片間存有∥，如圖2．15(c)．(D． 航空航天大學(xué)博士O．046位置時(shí)畸變能最小、最有利，因此在體心立方6cc金屬中，氫應(yīng)在四面體間隙位置，在面心立方和密排六方金屬中則處在八面體間隙位置。作為間隙型∥相穩(wěn)定元素，氫在鈦合金∥相中具有高溶解度的特性。研究結(jié)果表明，氫在口相中的溶解度非常小，室溫下僅為O．002一O．007％，但在口相中的溶解度可達(dá)O．4％，而且溶解度將隨著溫度的升高而增大。因此當(dāng)置氫量低于O．3％時(shí)，并未觀測(cè)到明顯的氫化物；同時(shí)，氫化物僅在口相中析出，而口相中并未發(fā)現(xiàn)析出。根據(jù)置氫機(jī)理，分析圖中鈦合金高溫流變應(yīng)力發(fā)生變化的原因：氫是強(qiáng)∥穩(wěn)定元素，它的加入不僅增加了TC4中塑性較好的口相的比例，誘發(fā)新的滑移系，而且促進(jìn)位錯(cuò)增殖和增加位錯(cuò)的可動(dòng)性，增強(qiáng)了材料的塑性流動(dòng)；另一方面，氫的加入降低了置氫TC4合金的∥相轉(zhuǎn)變及再結(jié)晶溫度，促進(jìn)了合金的軟化，因此隨著置氫量的增加合金的流變應(yīng)力在減??；但當(dāng)置氫量超過TC4固溶極限后，氫化物的析出以及口相的固溶強(qiáng)化作用反而會(huì)導(dǎo)致流變應(yīng)力升高。置氫鈦合金高效切削仿真及刀具磨 研文‘12置氫C鈦進(jìn)削，示著的，及切削溫度均呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì)，置氫O．3％左右時(shí)，切削力及切削溫度最小值。分析其可能的原因，適量氫加入能大幅度降高溫流變力，而削會(huì)隨材料高溫變應(yīng)力增大而增‘121因，氫后C鈦因變下致的，切的產(chǎn)；外置后金比容導(dǎo)系會(huì)所加有于削程削的發(fā)，降低了刀具的損，延刀具 即在相同切削溫下以提高切削速，從而高鈦合金速削工。置氫鈦合金J．C描述金屬材料的本構(gòu)模型很多。其中，J0hIlSon．C00k∽o(hù)模型綜合考慮了溫度、應(yīng)變率和應(yīng)叫刪)(叫影旬))f1-{r)m 應(yīng)變率強(qiáng)化及熱軟化效應(yīng)，因此，模型是對(duì)材料在準(zhǔn)靜態(tài)變行為的一種修正，且各項(xiàng)之間丁·=p一乇)／(‰一毛 其中乏是一個(gè)參考溫度，取實(shí)驗(yàn)的最低溫度293K，％是材料的，取為1918K。A，B，n，C和m量的熱來不及傳導(dǎo)會(huì)導(dǎo)致試樣溫升，因此實(shí)際溫度為加熱溫度與絕熱溫升值之和。假定0％的塑性功轉(zhuǎn)化為熱，則試樣的溫升為： 仃：么+曰占 2，B溫下材料的準(zhǔn)靜態(tài)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分別考慮應(yīng)變率強(qiáng)化及熱軟化的作用，從而計(jì)算出C和朋，詳12，12323。航空航天大學(xué)博J—c模型的實(shí)質(zhì)是通過應(yīng)變、應(yīng)變率及溫度進(jìn)行相乘來表示材料的力學(xué)行為。該模型形式非常簡(jiǎn)單，物理解釋也很清楚，非常適合與溫度相關(guān)的金屬。盡管得到了廣泛的應(yīng)用，但模型沒有反映出熱或應(yīng)變率歷史的影響。此模型也存在著不足之處，“孤g，R．Qn24】等曾經(jīng) ，模型對(duì)材料的加工硬化為描述不足，它適合描述工作硬率隨應(yīng)變率增加而下降保持常數(shù)的材料。RuIew．K等也 【125，此模型對(duì)許多韌性材料其屈服強(qiáng)度隨應(yīng)變率的增加而迅速增加述足如能該型應(yīng)項(xiàng)行改則大寬模的用。在實(shí)際擬合過也發(fā)現(xiàn)，如果使用標(biāo)準(zhǔn)的J．C本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行擬合，擬合數(shù)值僅能較好的擬合準(zhǔn)靜態(tài)下材料的流變應(yīng)力，而對(duì)應(yīng)變率強(qiáng)化的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)值吻合不好。林木森【1265A06鋁合金時(shí)也發(fā)現(xiàn)了這種情況，對(duì)J．C本構(gòu)關(guān)系中的應(yīng)變率強(qiáng)化項(xiàng)作了修正，建立了較好的鋁合金的J．C本構(gòu)關(guān)系。和【127】等對(duì)淬硬45鋼的本構(gòu)進(jìn)行擬合時(shí)發(fā)現(xiàn)，J—C本構(gòu)對(duì)溫度效應(yīng)的擬合效果很差，因此對(duì)其中的溫度項(xiàng)進(jìn)行了改進(jìn)，并通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其適用性。本文實(shí)在應(yīng)變率強(qiáng)化項(xiàng)中增加一應(yīng)變率的函數(shù)廠(舌)，更改后的本構(gòu)關(guān)系如下所仃_(觸膽愀印h1(酬肌r 根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合后不同置氫量試件的廠(營(yíng))的表達(dá)式如表2．4所示圖2．16為置氫O．3％時(shí)鈦合金流變應(yīng)力計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，可以看出采用改進(jìn)的應(yīng)置氫鈦合金高效切削仿真及刀具磨 研2171℃4翅 航空航天大學(xué)博f=聊 的真實(shí)分布，因此必須為為非線性的。Zorevll28】較早提出，在刀具和切屑發(fā)生摩擦的前刀面上．18也相應(yīng)較小，并且摩擦應(yīng)力服從庫(kù)侖摩擦定律。粘性摩擦區(qū)域和滑動(dòng)摩擦區(qū)域按如下規(guī)則劃分f(x)2∥吒(x)?‘(r<尼)滑動(dòng)摩擦f(x)=尼?????(f>后)粘結(jié)部

應(yīng)力；f(x)為前刀面上的摩擦應(yīng)力X圖2．18 Zorev摩擦模型得到了一定的試驗(yàn)驗(yàn)證；但是試驗(yàn)證明，Zorev摩擦模型并不滿足所有切削過程。有學(xué)者曾經(jīng)圖2．19存在著剪切應(yīng)力大于屈服應(yīng)力的情況，與實(shí)際不符，因此一些研究者對(duì)zo化v的模型進(jìn)行了改進(jìn)。uSui及shiral(嬲“1291推導(dǎo)出一個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠砻枋瞿Σ翍?yīng)力與正應(yīng)力之間關(guān)系，即

f=七．I1一P·一 f=m出l1一P-(臚唰刎 L．Fillce【1311等人運(yùn)用DEFOI洲-2D模 ，綜合比較了上述5種不同的摩擦模型，仿置氫鈦合金高效切削仿真及刀具磨 研而切削溫度的分布與摩擦模型緊密相關(guān)，這是由于摩擦熱的產(chǎn)生會(huì)影響溫度分布。因此他們指出：只要摩擦模型中參數(shù)設(shè)置得當(dāng)，采用上述任何模型均能較好的模擬切削過程。本文將采用zorev摩擦模型對(duì)切削過程進(jìn)行仿真，因?yàn)榇四Ｐ洼^好的反映了刀屑問的摩擦特性，且形式簡(jiǎn)單，因此在有限元中得到了大量的應(yīng)用。此模型集成在多個(gè)有限元中，對(duì)于粘結(jié)摩擦部分，一般取f，=七=√2％／3，為工件材料屈服強(qiáng)度，有限元程序會(huì)自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算；因此只要一步通過實(shí)驗(yàn)獲取滑動(dòng)部分的摩擦系數(shù)∥，即可較好的描述硬質(zhì)合金刀具與切屑間的摩擦狀況。摩擦系數(shù)與載荷及溫度密切相關(guān)，而目前大部分的文獻(xiàn)均將此模型中的滑動(dòng)摩擦系數(shù)作為實(shí)驗(yàn)方zorev所 摩擦模型分為粘結(jié)摩擦區(qū)及滑動(dòng)摩擦區(qū)兩部分，其中滑動(dòng)摩擦區(qū)可以較好的用 模型來描述。研究表明影響 摩擦系數(shù)的因素很多，包括接觸表面狀態(tài)、接觸面上的單位應(yīng)力、溫度等，是一個(gè)受多因素影響的參數(shù)。針對(duì)傳統(tǒng)的摩擦磨損試驗(yàn)中存在載荷小、轉(zhuǎn)速低、摩擦溫度不易獲取等缺點(diǎn)，本文采用了基于普通機(jī)床的恒力摩擦磨損試驗(yàn)方法，對(duì)影響摩擦系數(shù)的因素進(jìn)行系統(tǒng)的研究。該方法試樣制作簡(jiǎn)單，可同時(shí)獲得摩擦系數(shù)和摩擦溫度。試驗(yàn)在帶有無極調(diào)速的cA6140車進(jìn)行，試驗(yàn)裝置如圖2．20所示。硬質(zhì)合金采用K313①C．6％Co)非涂層刀片加工而成，經(jīng)磨拋加工后，保證與鈦合金試樣間為面接觸。恒力裝置包括提供載荷的彈簧及安裝在滑動(dòng)的導(dǎo)軌上的刀片固定裝置等組成，將此套恒力裝置安裝在Ⅺs1r9265B測(cè)力儀上，然后將裝置固定于車。實(shí)驗(yàn)過，通過改變彈簧的壓縮量調(diào)節(jié)載荷的大小，圖2．20(b)為恒力加載裝置實(shí)驗(yàn)圖。(a)示意 圖2．20恒力加載刀具摩擦磨損實(shí)驗(yàn)裝置置氫鈦合金圓環(huán)外徑為60l】姍，內(nèi)徑40I】m，將圓環(huán)固定