医用钛合金切削过程有限元仿真与试验研究

论文摘要

钛合金TC4是一种综合性能优异的新型材料,在医疗、航空等领域的应用越来越广泛,但同时钛合金TC4也是一种难切削的金属材料,研究其切削过程对实际生产有着重要的现实意义。本文围绕医用钛合金（TC4）切削过程的有限元仿真和切削参数优化,主要作了以下几个方面的研究工作：1.分析了金属切削过程切削层变形理论及材料非线性、几何非线性变形理论,研究了弹塑性大变形有限元求解过程,为进行TC4切削过程有限元仿真分析奠定了基础。2.建立了基于Deform-3D有限元软件平台的TC4切削过程有限元仿真模型,对金属切削过程有限元仿真关键技术进行了研究。3.通过仿真,研究了TC4切削过程中不同切削参数对切削力、切削温度的影响规律。4.进行了TC4切削试验,分析了切削速度、每齿进给量与表面粗糙度之间的关系。5.优化了TC4切削加工工艺参数,并通过了实际生产验证。本文的研究对提高医用钛合金零件加工效率和加工质量,实现其高效精密铣削加工,促进医用钛合金材料的推广应用具有重要的意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景与研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 金属切削实验研究方法现状
• 1.2.2 有限元仿真方法研究现状
• 1.2.3 医用钛合金切削加工研究现状
• 1.3 本课题的研究内容
• 2 金属切削过程及其有限元仿真基础理论
• 2.1 切削层变形理论
• 2.2 材料非线性本构关系
• 2.2.1 屈服准则
• 2.2.2 强化准则
• 2.2.3 自由直角切削变形问题的求解
• 2.2.4 大变形条件下的弹塑性本构方程
• 2.2.5 温度对本构关系的影响
• 2.3 几何非线性问题的求解
• 2.3.1 更新的拉格朗日（U.L）格式
• 2.3.2 平衡方程的线性化
• 2.4 非线性问题的有限元求解方法
• 2.4.1 增量步迭代算法
• 2.4.2 收敛准则
• 2.5 本章小结
• 3 TC4切削加工有限元模拟分析
• 3.1 有限元分析方法概述
• 3.2 DEFORM有限元仿真系统的组成
• 3.2.1 前置处理
• 3.2.2 求解运算
• 3.2.3 后置处理
• 3.3 TC4切削过程有限元模型的建立
• 3.3.1 几何模型的建立
• 3.3.2 材料模型的建立
• 3.3.3 有限元网格的划分
• 3.3.4 分离准则
• 3.3.5 施加载荷边界条件
• 3.3.6 摩擦模型的建立
• 3.3.7 热传导模型的建立
• 3.3.8 非线性有限元的求解
• 3.4 TC4切削过程的有限元仿真
• 3.5 切削实验验证有限元模型
• 3.6 切削仿真结果的数据分析
• 3.6.1 切削参数对切削力的影响
• 3.6.2 切削参数对切削温度的影响
• 3.7 本章小结
• 4 医用钛合金切削加工试验研究
• 4.1 钛合金的切削特点及加工表面粗糙度成因
• 4.2 切削实验设备和实验方案
• 4.2.1 实验设备及测试系统
• 4.2.2 实验方案
• 4.3 实验结果与分析
• 4.3.1 切削条件
• 4.3.2 测量结果
• 4.3.3 结果分析
• 4.4 切削参数的选择
• 4.4.1 按表面粗糙度要求初步优选
• 4.4.2 按刀具耐用度要求进一步优选
• 4.5 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献