毕业设计钛合金薄壁结构件磨削加工残余应力有限元仿真开题报告.docx

1、毕业设计钛合金薄壁结构件磨削加工残余应力有限元仿真开题报告【毕业设计】钛合金薄壁结构件 磨削加工残余应力有限元仿真开题报告天津职业技术师范大学毕业设计开题报告钛合金薄壁结构件磨削加工残余应力有限元仿真2013年1月 7日毕业设计开题报告课题题目钛合金薄壁结构件磨削加工残余应力有限元仿真课题性质A B C D E 课题来源A B C D 成果形式A B C D E 同组同学一、研究目的、意义随着大量新材料的出现和应用以及科学技术发展所带来的对零件精度、质量的 新要求，磨削加工应用的增长幅度远超过其他传统加工方法。磨削加工往往作为零 件的终加工工序，其加工的表面质量往往决定了零件的最终质量。而钛合

2、金在如航 空航天等重要场合的广泛应用对其加工过程提出了更高的要求。现阶段能有效提高 零件加工精度的手段是磨削，而磨削后零件表面的残余应力又决定着零件的使用寿 命和性能，因此通过控制磨削过程和磨削条件从而获得低应力的加工表面就具有重 要的研究价值。在磨削加工过程中，工件产生残余应力，构件中的残余应力对零件的表面质量 有很大影响：如使构件的强度降低、降低工件疲劳极限、造成应力腐蚀和脆性断裂, 由于残余应力的松弛，使构件产生变形，影响了构件的尺寸精度。因此降低和消除 构件的残余应力，就显得十分必要。而残余应力的控制不当会成为如飞机失事，火 车出轨等重大事故的影响因素或决定性因素。因此，从涉及人身安全

3、这一角度看， 控制和降低甚至在某种条件下消除残余应力就显得刻不容缓。将钛合金作为研究残余应力的切入点主要是因为钛及钛合金具有重量轻、强度 大、耐腐蚀等许多特性。钛合金主要用于制作飞机发动机压气机部件，其次为火箭、 导弹和高速飞机的结构件。60年代中期，钛及其合金已在一般工业中应用，用于 制作电解工业的电极，发电站的冷凝器，石油精炼和海水淡化的加热器以及环境污 染控制装置等。钛及其合金已成为一种耐蚀结构材料。此外还用于生产贮氢材料和 形状记忆合金等9。因此研究钛合金及其加工就具有长远的经济价值。现阶段残余应力的检测较繁琐，需要精密昂贵的检测仪器和对零件一定程度的 破坏。而有限元法是现今金属切削加

4、工理论研究的重要数值分析手段之一,它能够综合考虑工件与刀具的材料、加工方法、加工条件等多种因素，定量和定性分析残 余应力，广泛吸收现代数学、力学理论，并借助计算机找到工程需要的数值解。因 此仿真的应用不论是在技术还是经济层面都具有重要的意义。综上，对于钛合金磨削加工后残余应力数值模拟的仿真，是进一步提高钛合 金产品性能和寿命的有力研究途径。二、研究内容（一）钛合金材料1、钛合金的性能钛的一个显著特点是耐腐蚀性强，这是钛对氧的亲合力特别大，能在其表面生 成一层致密的氧化膜，可保护钛不受介质腐蚀。金属钛在大多数水溶液中，都能在 表面生成钝化氧化膜。因此，钛在酸性、碱性、中性盐水溶液中和氧化性介质中

5、具 有很好的稳定性。钛合金以此特性在化学工业、化肥工业、电力工业、造纸和纺织 工业中都有着广泛的应用。钛是化学工业中优良的抗腐蚀材料；是化肥工业中取代 不锈钢材料盛放尿素、胺、胺基胛酸胺等高温高压混合液的新材料；是电力工业中 用作为热交换器的冷却管的材料；是海水淡化装置和造船工业的理想材料；是纺织 印染工业中漂白设备的重要材料；还是医疗和制药部门用作人造肢体和器官的材 料。钛合金的密度一般在4. 5g/cm3左右，仅为钢的60%,纯钛的强度接近普通钢 的强度，一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。因此钛合金的比强度（强 度/密度）远大于其他金属结构材料，可制出单位强度高、刚性好、质轻的零

6、、部件。 在飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等都使用钛合金。使用温度比铝合金高几XX，在中等温度下仍能保持所要求的强度，可在 450-500 *C的温度下长期工作这两类钛合金在150C-500C范围内仍有很高的比强 度，而铝合金在1509时比强度明显下降。钛合金的工作温度可达5009,铝合金则在 200C以下。钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作，其抗蚀性远优于不锈钢；对点蚀、酸 蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强；对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等有优 良的抗腐蚀能力。但钛对具有还原性氧及洛盐介质的抗蚀性差。钛合金在低温和超低温下，仍能保持其力学性能。低温性能好，间隙元素极低 的钛合

7、金，如TA7,在-253-C下还能保持一定的塑性。因此，钛合金也是一种重要 的低温结构材料。钛的化学活性大，与大气中O、N、H、CO、CO2、水蒸气、氨气等产生强烈 的化学反应。含碳量大于0.2%时，会在钛合金中形成硬质TiC；温度校髙时，与N 作用也会形成TiN硬质表层；在600C以上时，钛吸收氧形成硬度很高的硬化层； 氢含量上升，也会形成脆化层。吸收气体而产生的硬脆表层深度可达0. 1 -0. 15mm, 硬化程度为20%30%。钛的化学亲和性也大，易与摩擦表面产生粘附现象。2、钛合金切削特点7- I几种金层材料的性餵比牧褂Up /g 比QI%/10*MP1紹诫钳合仝1S42lOt- 55

8、2耐热钢合金4617-1542.8165Z.553髙就成软介金3131-11n4高厦牧存金I 6d611-761.53662.615応侵It结梅钢1 4212C. 5881782.57151 86220. 5662332.57图3钛合金钛合金的硬度大于HB350时切削加工特别困难，小于HB300时则容易出现粘刀 现象，也难于切削1。但钛合金的硬度只是难于切削加工的一个方面，关键在于 钛合金本身化学、物理、力学性能间的综合对其切削加工性的影响。钛合金有如下 切削特点：（1）变形系数小：这是钛合金切削加工的显著特点，变形系数小于或接 近于lo切屑在前刀面上滑动摩擦的路程大大增大，加速刀具磨损。（2

9、）切削温度高: 由于钛合金的导热系数很小（只相当于45号钢的1/51/7）,切屑与前刀面的接触 长度极短，切削时产生的热不易传出，集中在切削区和切削刃附近的较小范围内， 切削温度很髙。在相同的切削条件下，切削温度可比切削45号钢时髙出一倍以上。（3）单位面积上的切削力大：主切削力比切钢时约小20%,由于切屑与前刀面的接 触长度极短，单位接触面积上的切削力大大增加，容易造成崩刃8。同时，由于 钛合金的弹性模量小，加工时在径向力作用下容易产生弯曲变形，引起振动，加大 刀具磨损并影响零件的精度。因此，要求工艺系统应具有较好的刚性。（4）冷硬现 象严重：由于钛的化学活性大，在高的切削温度下，很容易吸收

10、空气中的氧和氮形 成硬而脆的外皮；同时切削过程中的塑性变形也会造成表面硬化。冷硬现象不仅会 降低零件的疲劳强度，而且能加剧刀具磨损11,是切削钛合金时的一个很重要特 点。（5）刀具易磨损：毛坯经过冲压、锻造、热轧等方法加工后，形成硬而脆的不 均匀外皮，极易造成崩刃现象，使得切除硬皮成为钛合金加工中最困难的工序。另 外，由于钛合金对刀具材料的化学亲和性强，在切削温度高和单位面积上切削力大 的条件下，刀具很容易产生粘结磨损15 o（二）磨削加工图4磨削加工磨削加工是利用高速旋转的砂轮等磨具加工工件表面的切削加工。磨削用于加 工各种工件的内外圆柱面、圆锥面和平面，以及螺纹、齿轮和花键等特殊、复杂的

11、成形表面。由于磨粒的硬度很高，磨具具有自锐性，磨削可以用于加工各种材料，包 括淬硬钢、高强度合金钢、硬质合金、玻璃、陶瓷和大理石等高硬度金属和非金属 材料。（三）残余应力1、残余应力的分类按产生原因可分为：热应力、相变应力、收缩应力（亦叫机械阻碍应力）。 按照残余应力平衡范围的不同，通常可分为三种：第一类内应力，又称宏观残 余应力，它是由工件不同部分的宏观变形不均匀性引起的，故其应力平衡范围 包括整个工件。例如，将金属棒施以弯曲载荷，则上边受拉而伸长，下边受到 压缩；第二类内应力，又称微观残余应力，它是由晶粒或亚晶粒之间的变形不 均匀性产生的。第三类内应力，又称点阵畸变。其作用范围是几十至几百

12、纳米， 它是由于工件在塑性变形中形成的大量点阵缺陷（如空位、间隙原子、位错等） 引起的。2、应力检测原理是基于著名的布拉格方程2dsin O=nA：即一定波长的X射线照射到晶体 材料上，相邻两个原子面衍射时的X射线光程差正好是波长的整数倍。通过测量衍 射角变化A 9从而得到晶格间距变化Ad,根据胡克定律和弹性力学原理，计算 出材料的残余应力。三、研究现状国内外研究表明，有限元作为一种有效的数值解法已较成功的应用于磨削加工 残余应力的计算10 -13。湖南大学高效磨削工程研究中心的邓朝晖教授等人利用ANSYS平台对金刚石 砂轮精密平面磨削纳米结构WC_12C。涂层的磨削表面进行了残余应力有限元模

13、拟 与试验，忽略相变影响14。经过与实验数据对照验证了相应有限元模型的正确性。湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心郭力，在磨削工艺实验的基础上，运 用有限元方法对钛合金超高速磨削湿式温度场进行了仿真，分析计算了超高速磨削 状态下钛合金磨削区的磨削热分配率。从而得出了钛合金主要磨削参数对湿式磨削 温度场的影响趋势15 o南京航空航天大学机电学院程泽采用有限元模拟技术对钛合金TC4材料的单 颗磨粒磨屑形成过程进行了仿真研究。研究表明:钛合金TC4在单颗磨粒磨削过程 中发生绝热剪切，形成锯齿状磨屑；磨削过程中单颗磨粒磨削力成周期变化；磨粒 负前角增大，锯齿化程度加深；磨削速度提高，磨屑剪切带宽度减小

14、；仿真分析得到 的磨屑形态与实验结果相一致16。浙江大学吴红兵等三维斜角切削有限元模型对钛合金T16A14V的高速切削加 工过程进行了 模拟拟结果表明,切削速度对工件己加工表面层残余应力有重要影 响，而切削深度的影响较小.已加工表面层残余应力沿厚度方向由残余拉应力向残 余压应力过渡，且残余应力值随着切削速度的增加而增加，而随切削深度的增加 并无明显变化。切削速度和切削深度对残余应力层的厚度均无明显影响13。四、研究内容利用达索ABAQUS有限元数值分析软件对薄壁钛合金零件的磨削加工进行仿 真。要求建立相应的零件表层模型，建立有代表性的砂轮整体模型或部分模型，考 虑计算量对分析过程的影响可简化建

15、立切削刃的对应模型，先通过单颗或多颗磨粒 的仿真定性分析钛合金的磨削加工过程，再细化、调整、优化相应刀具参数（如： 磨粒的形状、大小、磨削前角、后角、刀尖角等），磨削加工参数（如：刀具转速、 纵向进给量、横向进给量、刀具移动路径等），工作条件（如：加工温度，加工湿 度，震动等），从而由定性分析达到定量分析。图5 Abaqus二维有限元切削模型采用材料失效和单元删除模型实现切削过程的数值仿真，并通过沙漏控制和网 格自适应技术对网格畸变进行控制，模拟出切屑形成和切削过程中的切削力、应力 场、应变的变化情况。力图找到残余应力在磨削过程中的产生原因，并通过改变切 削参数，工件形状等加工要素着力提高工件表面磨削质量，增加工件使用寿命和可 靠性。最终找出磨削薄壁钛合金件时控制残余应力的有效方法，并形成相关理论或 经验，以期为真实切削过程参考，并提高实践效率。五、研究路线图甜宀口曲宀4 7曲各赫Iffl热缶站生1用*66姐山命必吐六、课题的准备情况及进度计划时间安排(周次)工作内容早期进入阶段根据设计要求，收集相关资