1、基于基于Abaqus的鈦合金切削仿真的鈦合金切削仿真 姓名：劉洋 學(xué)號：13721381 指導(dǎo)老師：戴春祥目錄目錄 鈦合金切削研究背景鈦合金切削研究背景1 abaqus軟件介紹軟件介紹2 基于基于abaqus的鈦合金切削案例的鈦合金切削案例3小結(jié)小結(jié)4一一 鈦合金切削研究背景鈦合金切削研究背景鈦及其合金具有密度小、強(qiáng)度高、耐腐蝕與抗疲勞和焊接性能良好等優(yōu)良特性。目前鈦總產(chǎn)量的70%左右用于航空航天和軍事工業(yè)，包括軍用飛機(jī)、民用飛機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、航天器、人造衛(wèi)星殼體連結(jié)座、高強(qiáng)螺栓、燃料箱、導(dǎo)彈尾翼、彈頭殼體等1 。 鈦合金主要應(yīng)用一一 鈦合金切削研究背景鈦合金切削研究背景研究鈦合金的切削性能很

2、有意義，因?yàn)椋?鈦合金被廣泛的應(yīng)用在航空航天等領(lǐng)域，而金屬切削加工是機(jī)械制造的重要基礎(chǔ)2。鈦合金被劃分為硬加工，因?yàn)樗母邚?qiáng)度，韌性好，切削加工困難3。導(dǎo)熱系數(shù)低，切削時(shí)，被加工表面溫度高從而發(fā)生軟化，可能會(huì)粘刀。 化學(xué)性能活躍，與大氣中O、N、H、CO、CO2、水蒸氣、氨氣等產(chǎn)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)，如溫度較高時(shí)與N作用也會(huì)形成TiN硬質(zhì)表層；在600以上時(shí)，鈦吸收氧形成硬度很高的硬化層4。1234二二 Abaqus軟件介紹軟件介紹1978年，法國SIMULIA公司推出一款功能強(qiáng)大的有限元分析軟件Abaqus，它可以完成簡單的有限元分析和模擬非常龐大復(fù)雜的模型，尤其是解決工程中大型模型的高度非線性

3、問題4：ABAQUS 主要分析模塊ABAQUS/CAE 建立幾何模型、定義材料特性、邊界條件、載荷等模型參數(shù)ABAQUS/Standard 靜態(tài)分析、動(dòng)力分析、結(jié)構(gòu)熱響應(yīng)分析、非線性耦合物理場的分析ABAQUS/Explicit 解決高度非線性問題、適用于模擬短暫、瞬時(shí)的動(dòng)態(tài)事件如碰撞沖擊問題ABAQUS/CFD 流體仿真模塊ABAQUS/View與后處理有關(guān)ABAQUS/Design設(shè)計(jì)敏感度分析ABAQUS/Aqua主要用于海洋工程，模擬近海結(jié)構(gòu)、海上石油平臺導(dǎo)管與立架二二 Abaqus軟件介紹軟件介紹生成部件定義材料參數(shù)裝配零件定義分析步建立接觸關(guān)系定義載荷、邊界條件劃分網(wǎng)格提交計(jì)算、獲

4、得結(jié)果二二 Abaqus軟件介紹軟件介紹ABAQUS/Explicit（顯示非線性動(dòng)態(tài)分析）適用的問題類型： 問題類型載荷增加導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度劇烈變化的問題混凝土開裂鍛造、滾壓成型等本質(zhì)上是靜態(tài)的問題高速動(dòng)力學(xué)事件復(fù)雜的接觸問題材料的退化和實(shí)效問題復(fù)雜的后屈曲問題高度非線性的準(zhǔn)靜態(tài)問題三三 基于基于abaqus的鈦合金切削案例的鈦合金切削案例3.1 金屬切削過程金屬切削過程是指刀具與工件相互作用形成切削的過程5。圖3-1 切削過程示意圖3.2 ABAQUS切削仿真3.2.1建立模型圖3-2 仿真模型圖速度載荷邊界條件網(wǎng)格劃分三三 基于基于abaqus的金屬切削案例的金屬切削案例鐵合金和刀具的材料參

5、數(shù)表3-1 工件和刀具的物理參數(shù)三三 基于基于abaqus的金屬切削案例的金屬切削案例鐵合金和刀具的材料參數(shù)表3-2 JohnsonCook（彈塑性模型） 材料參數(shù)圖3-3 金屬試樣典型的單軸向應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系切削分離準(zhǔn)則：Johnson-cook剪切失效模型是基于單元積分點(diǎn)的等效塑性應(yīng)變，當(dāng)材料實(shí)效參數(shù)超過1時(shí)，則假定為材料實(shí)效。如果在所有積分點(diǎn)材料發(fā)生失效，則該單元從網(wǎng)格中刪除。失效參數(shù)定義為78：po i=等效塑性應(yīng)變增量（與每一個(gè)Load 增量對應(yīng)）p開始發(fā)生破壞時(shí)的等效塑性應(yīng)變oi三三 基于基于abaqus的鈦合金切削案例的鈦合金切削案例4um6um8um10um網(wǎng)格相對大一些，可以節(jié)省

6、計(jì)算時(shí)間網(wǎng)格小一些，可以與實(shí)驗(yàn)值相近需要?jiǎng)澐趾侠淼木W(wǎng)格圖3-4 網(wǎng)格劃分原則圖3-5 不同大小的網(wǎng)格劃分圖3-6 不同網(wǎng)格劃分下的切削力與切削時(shí)間的關(guān)系圖圖3-6可以看出，實(shí)驗(yàn)測量的切削力平均值為F，四種網(wǎng)格劃分下計(jì)算的切削力在F上下波動(dòng)，網(wǎng)格4、6、8um模擬出的數(shù)值比較接近實(shí)驗(yàn)值，考慮到網(wǎng)格劃分原則，選取網(wǎng)格大小為8um，進(jìn)行仿真模擬9。三三 基于基于abaqus的鈦合金切削案例的鈦合金切削案例3.2.2 模型計(jì)算及后處理圖3-7scalar stiffness degradation（SDEG）尺寸剛度梯度SDEG大于0.74時(shí)，開始出現(xiàn)斷裂三三 基于基于abaqus的鈦合金切削案例的鈦

7、合金切削案例3.2.2 模型計(jì)算及后處理圖3-8 刀具切削過程中切屑的尺寸剛度梯度三三 基于基于abaqus的鈦合金切削案例的鈦合金切削案例3.2.2 模型計(jì)算及后處理圖3-9 刀具切削過程中，不同切削速度下的切屑的尺寸剛度梯度（刀具與切屑摩擦系數(shù)摩擦系數(shù)u=0.7、進(jìn)給速度f=0.127mm/rev，切削速度Va=60m/min、 Vb=120m/min、 Vc=180m/min ）。結(jié)論：速度越小，越不容易斷屑，從而形成帶狀切屑，此時(shí)切屑過程平穩(wěn)，切削力波動(dòng)小，已加工表面的表面粗糙度值較小。三三 基于基于abaqus的鈦合金切削案例的鈦合金切削案例3.2.2 模型計(jì)算及后處理圖3-11 切

8、削中，不同刀具前角a和進(jìn)給速度下的切屑的溫度分布（V=120m/min、摩擦系數(shù)ua=0.7。（a）a=15 、f=0.06mm/rev （b） a= 6 、f=0.06mm/rev （c）a=15 、f=0.1mm/rev （d） a= 4 、f=0.1mm/rev 結(jié)論：刀具前角越大，進(jìn)給速度越小，越不容易斷屑，從而形成帶狀切屑，此時(shí)切屑過程平穩(wěn)，切削力波動(dòng)小，已加工表面的表面粗糙度值較小。三三 基于基于abaqus的鈦合金切削案例的鈦合金切削案例3.2.2 模型計(jì)算及后處理四四 總結(jié)總結(jié) 1、鈦合金在切削過程中，切削速度越小，進(jìn)給量越小，刀具前角越大，越不容易斷屑，從而形成帶狀切屑，此時(shí)

9、切屑過程平穩(wěn)，切削力波動(dòng)小，已加工表面的表面粗糙度值較小。 2、用ABAQUS軟件可以很好地模擬鈦合金的切削過程，我們可以通過多次改變某一參數(shù)，分析該參數(shù)對切削過程的影響，從而優(yōu)化鈦合金的切削過程。參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1 李梁，孫健科，孟祥軍.鈦合金的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景.鈦工業(yè)進(jìn)展，2004（9）：第21卷.2 魏飛，熊運(yùn)昌.金屬切削加工性能淺析.南陽理工學(xué)院.制造技術(shù)與工藝,2005（7）.3 劉靜安.鈦合金的特性與用途.有色金屬加工.2002（8）.4 J.D.Puerta Velasquez,B.Bolle,P.Chevrier,G.Geandier,A.Tidu, Metallurgica

10、l study on chips obtained by high speed machining of a Ti6 wt%Al4 wt% Valloy. Materials Science and Engineering: A 452453 (2007) 469474.5 張建華,丁磊.ABAQUS基礎(chǔ)入門與案例精通. 電子工業(yè)出版社，2012（6）.6 盧秉恒.機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ).機(jī)械工業(yè)出版社,2007（12）.7 劉加富、張洪才、亓俊紅、任懷偉.基于 ABAQUS的二維金屬切削有限元分析.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造. 2006（10）.8 Don Lesuer. Experimental Investigations of Material Models for Ti-6AL4V and 2024-T3. 1999(5).9 Y.C. Zhang , T. Mabrouki , D. Nelias , Y.D. Gong . Chip formation in orthogonal cutting consid