● 摘要
钛合金是航空航天工业中应用广泛的一种难加工材料。因其导热系数小、化学活性高、摩擦系数大等原因，使得钛合金材料在加工时，切削温度高、单位切削力大、刀具磨损严重，从而影响了钛合金的加工效率。本文以钛合金TC4为研究对象，对其切削加工时的流动应力模型、有限元热力耦合模型、切削温度、应力、应变、应变率、锯齿形切屑等进行了全面深入地研究。通过钛合金TC4正交切削实验与有限元迭代计算相结合，获得适合钛合金切削仿真的大应变、高应变率流动应力模型，所得模型在切削仿真中切削力仿真结果与原模型比较其精度有了较大幅度提高。在仿真中将刀具前刀面与工件的摩擦近似采用库仑摩擦模型，通过正交实验所测的主切削力与进给力分别计算不同切削速度下刀具、工件的库仑摩擦系数，然后以切削速度为变量对摩擦系数进行线性回归，得到摩擦系数关于切削速度变化的线性关系式。建立了钛合金TC4切削仿真的有限元热力耦合模型。对切削过程中刀具、工件和切屑的温度场进行动态仿真，研究了切削过程中不同切削速度下刀具、工件和切屑的温度场分布情况，以及切屑和刀具上最高温度随切削速度的变化规律。在仿真计算中将切削区的温度分为切屑上的温度、已加工表面的温度和刀具上温度进行分析。分析结果表明切屑上的最高温度、已加工表面的最高温度、刀具上的最高温度都随切削速度的提高而提高。但是如果在研究中选择的切削温度测量点为切屑上的点和已加工表面上的点，由于不同切削速度下切削温度变化率的不同以及测量仪器的响应速度和采样周期的不同，可能会出现切削温度随切削速度先增加而后降低的结果。如果所选择的切削温度测量点为刀具上某点，则在切削过程中不会出现温度先上升后降低的现象。对钛合金切削加工过程中的锯齿形切屑形成过程进行了仿真，分析了锯齿形切屑形成过程中等效应力、等效应变、等效应变率的分布变化规律。通过正交切削实验，获得不同切削速度下的切屑并经过磨抛制作金相标本，在扫描电镜下测量不同切削速度下切屑的微观几何形态并与仿真结果进行比较分析。为了对切削过程中绝热剪切行为的微观特征进行量化研究，引入了剪切变形区纤维化系数这一概念来表示剪切变形区的变形程度。对绝热剪切带的宽度与纤维化系数随切削速度的变化规律进行了研究。其中随切削速度的增加，绝热剪切带的宽度减小，而纤维化系数则迅速增加。对硬质合金刀具切削钛合金时的切削力、表面粗糙度、磨损形式与磨损机理进行了实验研究。从实验结果可以看出，钛合金切削过程中切削力和切削参数的函数关系近似为指数关系，进给量的变化对被加工表面表面粗糙度的影响最为显著，切削深度和切削速度对加工表面的表面粗糙度影响不大。在钛合金车削过程中，刀具的磨损主要以粘结磨损、崩刃和扩散磨损为主。其中由于粘结磨损而导致的崩刃和剥落是导致刀具破损的主要原因。设计了一套用于刀具－工件自然热电偶标定的标定装置，并运用这套装置对TC4和YS8刀片组成的自然热电偶进行了标定，得到了二者的温度和电压信号的标定曲线。搭建了刀屑接触区温度测量装置，测量中所采用的摄电装置电阻小而且稳定、安装简单。并采用与模拟分析相同的实验条件进行温度测量实验，将测量得到的刀具工件接触区平均温度与仿真结果进行比较。比较结果显示，无论是仿真结果还是实验结果，刀具和工件接触区平均温度温度随切削速度的提高一直在升高。