钛合金铣削加工过程参量建模及刀具磨损状态预测

【摘要】钛合金因其优良的综合性能在航空航天领域有着广泛的应用,被誉为一种使人类走向空间时代的战略金属材料。然而,由于具有导热系数低、弹性模量小和高温化学活性高等特点,钛合金又是一种典型的难加工材料。在切削过程中,容易产生很高的切削温度,导致刀具磨损加快、表面质量难以控制。同时,由于钛合金的结构件特点,大量的材料需要从整块坯料中去除,进一步增加了加工困难。硬质合金因其优良的性能而广泛应用于钛合金材料的加工。然而,硬质合金刀具的磨损是个突出的问题。严重的刀具磨损不仅对加工效率和质量有较大的影响,而且也关系到加工成本,且目前尚缺乏钛合金加工用刀具寿命预测的有效模型和方法。因此,研究钛合金加工用刀具的磨损模型,预测刀具磨损量,监测刀具磨损状态,已成为钛合金加工研究领域值得关注的课题。本文采用航空用钛合金Ti6A14V作为研究材料,研究硬质合金刀具切削钛合金Ti6A14V过程中,在热力耦合作用下的磨损特征与规律。首先从理论和实验两方面对铣削‘Ti6A14V时考虑刀具磨损影响的切削力进行了研究；基于切削力与切削温度的密切相关性,利用经典传热学理论提出了铣削钛合金Ti6A14V时铣削温度的理论预测模型,并且借助半人工热电偶法测量采集了铣削过程中的铣削温度；考虑刀具在铣削过程中受到的热力耦合作用,揭示了基于温度效应的刀具失效机理,构建了硬质合金刀具磨损模型；最后利用有限元软件AdvantEdg的二次开发技术,进行了刀具磨损的预测研究。切削力是反映切削过程本质的一个重要参量,切削力的大小将直接影响切削功率、切削热、刀具磨损和加工变形等,同时不断变化的刀具磨损也会导致切削力的变化,切削加工过程就是切削力与刀具磨损彼此相互激励、相互作用的过程。本文从理论和实验两方面对整体硬质合金立铣刀铣削钛合金Ti6A14V时考虑刀具磨损影响的切削力进行了研究。首先基于经典剪切角理论以及Armarego经典斜角切削理论分别建立了直角、斜角切削力模型；考虑到刀具磨损的影响,建立了考虑刀具前、后刀面磨损的切削力模型；进而借助于整体刀具离散化建模思想构建了复杂结构整体立铣刀磨损状态下的三维切削力预测模型；最后通过钛合金Ti6A14V铣削实验,对比分析了切削力的理论预测值与实验测量值,验证了切削力预测模型的准确性。切削温度是反映切削过程本质的另一个重要参量,尤其对于铣削加工而言,其特殊的断续切削性使得铣削加工过程较普通车削加工过程更加复杂,加工环境更加恶劣,加工过程中产生的高温高压是刀具发生磨损的原因。本文基于经典传热学理论建立了考虑刀具磨损影响的斜角车削过程切削区温度场的传热模型,用热源法对剪切热源、刀／屑和刀／工摩擦热源的温度场进行了理论计算,得到三者共同作用下刀具、切屑以及工件的温度场预测模型；进而借助于离散化思想把建立的斜角车削温度场预测模型转化为铣削过程中考虑刀具磨损影响的温度场预测模型；最后在对钛合金Ti6A14V-康铜非标准热电偶进行标定的基础上,利用半人工热电偶法测量采集了铣削温度,研究了加工参数对铣削温度的影响规律,并将切削温度预测模型计算结果与实验测量结果进行对比分析,验证了切削温度预测模型的可靠性。铣削钛合金过程中,在切削力和切削热的耦合作用下,刀具很容易出现磨损。本文通过观察大量实验现象,分析了在热力耦合作用下硬质合金刀具的磨损形貌,阐述了硬质合金刀具磨损机理；基于磨损刀具的微观组织、化学成分以及物理性能变化的检测,讨论了元素扩散对硬质合金刀具物理性能的影响；利用Fick扩散定律对硬质合金刀具材料与钛合金Ti6A14V之间的扩散现象进行理论分析与计算；基于以上工作,分析了温度效应对于硬质合金刀具磨损机理的影响,构建了基于温度效应的硬质合金刀具磨损模型；并且利用有限元软件AdvantEdge的二次开发技术把利用FORTRAN编制的刀具磨损子程序嵌入到有限元软件中：确定了钛合金Ti6A14V材料本构关系模型、材料失效模型以及刀／屑摩擦模型；进而结合刀具寿命实验,通过对比分析仿真结果与实验结果,验证了硬质合金刀具磨损模型的有效性。
【作者】孙玉晶；
【导师】孙杰；
【作者基本信息】山东大学，机械制造及其自动化，2014，博士
【关键词】钛合金；铣削加工；切削力；切削温度；硬质合金；刀具磨损；

【参考文献】
[1]席裕庚,黄维,李晓丽.具有状态预测器的多智能体系统一致性研究[J].控制与决策,2010,05:769-772.
[2]李鹏伟.精炼铝工艺中阳极合金渣除铁硅的研究[D].沈阳理工大学,材料物理与化学,2012,硕士.
[3]闫续.释碳材料的制备及作为曝气生物滤池填料的脱氮研究[D].南京大学,环境工程,2013,硕士.
[4]崔基泰.VSP三分量资料合成的新方法[J].石油地球物理勘探,1994,03:368-375+398.
[5]岳自恒.西安市人工水体富营养化研究[D].长安大学,环境工程,2014,硕士.
[6]王梓.无公害农产品质量安全监管制度研究[D].南京农业大学,经济法学,2012,硕士.
[7]李明娟.微电网中并网逆变器控制研究[D].北京交通大学,2009.
[8]郭修瑞.浙江莲都农村合作银行信贷风险管理研究[D].天津大学,高级工商管理,2013,硕士.
[9]褚永刚,杨义先,胡正名.基于代理技术的LD-IDS任务分派机制研究[J].计算机应用研究,2005,10:122-123+130.
[10]梁炎明,苏芳,李琦,刘丁.基于支持向量机回归的T-S模糊模型自组织算法及应用[J].自动化学报,2013,12:2143-2149.
[11]杨洁.多元化、外部融资约束和内部资本市场效率关系研究[D].浙江财经学院,会计学,2013,硕士.
[12]邓集祥,叶静,郎斌斌,王俊胜.计及二阶非线性特性的PSS配置[J].电力系统自动化,2008,12:27-31+88.
[13]孙宝兰.CAPP信息建模与工艺决策的研究[D].燕山大学,2001.
[14]黄达明,吴其飞,管国强,陆建明.固态发酵蛋白饲料工艺生产线的研究[J].饲料工业.2003(10)
[15]龚元军.语音压缩编码G.723.1标准的研究和DSP实现设计[D].华中师范大学,电子与通信工程,2013,硕士.
[16]范婷婷.荷叶生物碱类物质降脂减肥活性研究[D].浙江大学,2013.
[17]张志跃,巩秀花,蔡文博.舰船大功率柴油机数值数据库检索系统研究[J].舰船科学技术.1993(05)
[18]张小勤.模糊数学在网络自动答疑系统中的应用[D].东南大学,2004.
[19]姜华.试论徐特立学校德育思想及现实启示[D].延安大学,思想政治教育,2014,硕士.
[20]贾俊如.鄂尔多斯市东胜区中小学安全教育的现状与问题对策[D].内蒙古师范大学,教育（专业学位）,2013,硕士.
[21]吴琼.以技术共同体为视角的“通钢”研究[D].沈阳师范大学,社会学,2013,硕士.
[22]周慧林.可视化网站内容管理系统的设计[D].中国地质大学（北京）,信息与通信工程,2013,硕士.
[23]来存良.创建学习型企业走金光大道[J].管理科学文摘.2002(08)
[24]李菲.化浊颗粒改善2型糖尿病大鼠胰岛素抵抗与PI-3K、GLUT4mRNA表达的影响[D].甘肃中医学院,中西医结合临床,2014,硕士.
[25]贺罗瑶璐.意识形态广告对消费者接受的影响[D].广东外语外贸大学,德语语言文学,2013,硕士.
[26]罗茹.宫颈高级别腺上皮内瘤变80例的临床病理及免疫组化研究[D].浙江大学,妇产科学,2013,硕士.
[27]李宇东.《春秋折衷论》辑释（上）[D].华中师范大学,历史文献学,2014,硕士.
[28]李沛.基于图像技术的古代碑文处理及展示研究[D].西安电子科技大学,计算机技术,2012,硕士.
[29]万明.基于预设理论的反事实条件句分析[D].西南大学,逻辑学,2013,硕士.
[30]陈书琴.扬州鹅及其杂交配套组合肉品质的研究[D].扬州大学,动物营养与饲料科学,2011,硕士.
[31]胡威.深圳电视台DSNG车传输系统设计与实施[D].河北工程大学,计算机技术,2012,硕士.
[32]赵冬斌,刘德荣,易建强.基于自适应动态规划的城市交通信号优化控制方法综述[J].自动化学报,2009,06:676-681.
[33]曹健.物联网中拓扑发现方法的研究[D].西安电子科技大学,计算机系统结构,2011,硕士.
[34]张速.在高一思想政治课中培养学生自主学习能力的研究[D].内蒙古师范大学,学科教学（专业学位）,2012,硕士.
[35]陈明强.结构变迁与利益整合[D].吉林大学,社会学,2014,硕士.
[36]黄骞,韩玉萍.英语专业学生学习动机、学习策略与写作成绩的相关性研究[J].浙江工业大学学报(社会科学版),2013,02:201-206.
[37]曾恒富.地裂场地上15层框架—剪力墙结构内力分析[D].长安大学,结构工程,2014,硕士.
[38]李莎.基于环保优先理念的居民区垃圾分类收集模式研究[D].华中科技大学,环境工程,2013,硕士.
[39]陈子阳.涡旋光束的传输与聚焦特性[D].浙江大学,光学,2014,博士.
[40]韩宁.基于体感网的步态分析算法的研究[D].大连理工大学,控制理论与控制工程,2013,硕士.
[41]陈耀盛.网络信息资源管理研究述评[J].图书馆学研究,2005,09:4-8.
[42]沈全荣,严伟,梁乾兵,郑玉平.异步法电流互感器饱和判别新原理及其应用[J].电力系统自动化,2005,16:84-86.
[43]于冲.物流节点能力与通路能力的匹配研究[D].北京交通大学,2014.
[44]邢丹丹.瑕疵股权转让的效力[D].郑州大学,民商法学,2013,硕士.
[45]索米娅.现代远程教育学习支助服务管理问题与对策研究[D].内蒙古师范大学,教育经济与管理,2012,硕士.
[46]徐成.知识产权贸易促进创新型经济发展的路径研究[D].南京师范大学,西方经济学,2012,硕士.
[47]王德欢.SbTRXh1和Sb14-3-3对马铃薯块茎低温糖化的调控机制[D].华中农业大学,蔬菜学,2014,硕士.
[48]MaCuiju.系统符号学视角下的公益广告多模态语篇分析[D].西安外国语大学,外国语言学及应用语言学,2013,硕士.
[49]李茜娴.羊水粪染与绒毛膜羊膜炎对足月新生儿心肌及大脑的影响[D].遵义医学院,妇产科学（专业学位）,2013,硕士.
[50]欧亚.基于纳米材料用于表面增强拉曼光谱的制备和研究[D].华中师范大学,分析化学,2014,硕士.