【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
钛合金切削加工中的切削力和剩余应力分析
钛合金切削加工中的切削力和剩余应力分析钛合金是一种重要的金属材料，具有重量轻、高强度和耐腐蚀性等优良特性，因此在航空航天、汽车、医疗器械等领域得到广泛应用。
而在钛合金切削加工过程中，切削力和剩余应力分析是非常重要的一个方面，对于切削加工的稳定性和工件质量有着直接的影响。
切削力是指在切削过程中所受到的力的大小和方向。
钛合金的高强度和耐腐蚀性使得其在切削过程中很难形成流畅的切削屑，因此会导致切削力的增大。
此外，钛合金的高热导和低热扩展系数使得切削过程中产生的热量不易散发，进而导致切削温度升高，使钛合金软化，刀具很容易磨损。
因此，准确分析和测量切削力对于切削加工过程的优化至关重要。
切削力的分析可以通过试验和仿真两种方法来实现。
试验方法是将工件固定在切削设备上，通过测力传感器来记录切削过程中所受到的力的大小和方向。
而仿真方法则是通过数值模拟的方式，基于切削力公式和钛合金的性质参数，计算和预测切削过程中所产生的力。
剩余应力是指在切削过程中形成的残余应力。
切削工具在切削过程中对钛合金的材料进行去除，使得其内部产生了应力的重新分布。
剩余应力的存在可能会导致工件的变形、裂纹和材料的疲劳性能下降等问题。
剩余应力的分析同样可以通过试验和仿真方法来实现。
试验方法一般采用衍射仪、X射线衍射仪和应变计等设备来测量工件表面和内部的应力分布情况。
而仿真方法则是通过有限元分析等数值模拟技术，结合钛合金的物理性质和切削参数，计算和预测切削过程中剩余应力的生成和分布。
对于钛合金切削加工中的切削力和剩余应力的分析，可以帮助我们优化切削过程，提高工件的加工质量和效率。
通过对切削力的准确测量和分析，可以选择合适的切削条件和刀具材料，以降低工具磨损和延长刀具寿命。
同时，对剩余应力的分析可以用来预测和控制工件变形和材料疲劳性能，确保加工后的零件具有良好的稳定性和可靠性。
在实际应用中，切削力和剩余应力的分析需要综合考虑切削参数、切削速度、切削深度等因素对切削过程的影响。
TC4钛合金切削过程的有限元模拟
TC4钛合金切削过程的有限元模拟钛合金是一种具有优良性能的金属材料，广泛应用于航空航天、船舶制造、医疗器械等领域。
然而，由于其高强度和难切削的特性，钛合金切削过程中常常面临着刀具磨损、切削力过大、表面质量差等问题。
因此，利用有限元模拟方法对钛合金切削过程进行研究具有重要意义。
钛合金切削过程的有限元模拟可以分为三个主要步骤：建立模型、定义材料属性和切削条件、进行仿真分析。
首先，建立模型是有限元模拟的首要任务。
通常情况下，可以采用三维固体模型来描述钛合金工件。
在建立模型时，需要考虑切削区域的几何形状和切削刀具的位置。
此外，还需要注意钛合金的非线性行为和切削过程中材料去除的位置、方向等因素。
其次，定义材料属性和切削条件是模拟分析的基础。
钛合金的材料属性包括弹性模量、屈服强度、切削硬化指数等。
这些参数需要通过实验或文献数据进行获取，并在模型中进行设定。
切削条件包括切削速度、切削深度和进给率等，这些参数直接影响切削力和刀具磨损。
最后，进行仿真分析是利用有限元模拟方法得出钛合金切削过程中的关键信息。
主要包括切削力、温度分布和变形等。
切削力是评估切削过程中刀具负荷的重要指标，可以用来评估加工性能和刀具寿命。
温度分布可以用来评估加工过程中材料热变形、刀具磨损和冷却效果等。
变形分析可以提供切削过程中工件形状和表面质量的信息。
在实际应用中，钛合金切削过程的有限元模拟可以帮助优化刀具设计、切削参数选择和冷却系统设计。
通过调整切削条件和改进刀具形状，可以降低切削力、提高表面质量，从而提高加工效率和降低成本。
总之，钛合金切削过程的有限元模拟是一种有效的工具，可以帮助优化加工过程和提高产品质量。
随着材料科学、数值计算和计算机技术的不断进步，钛合金切削过程的有限元模拟将在未来发挥更大的作用。
高速切削TC4钛合金表面残余应力的有限元分析
2012年切削先进技术研究会（东北区）学术、技术会议*脚注高速切削TC4钛合金表面残余应力的有限元分析姜增辉1王晓亮2（1 沈阳理工大学机械工程学院，辽宁沈阳110159）（2 沈阳理工大学机械工程学院，辽宁沈阳110159）关键词：TC4钛合金表面残余应力高速切削有限元分析一、研究背景TC4（Ti6Al4V）钛合金以其优良的组织和力学性能在航空、航天工业得到了广泛应用，由于很多零件为薄壁件，已加工表面残余应力的状态对零件使用的安全性和寿命有着重要影响。
二、实验条件与方法本文利用商业切削仿真软件建立了高速切削TC4钛合金的三维有限元模型（如图1），研究了刀具（YG8）几何角度对已加工表面残余应力分布的影响。
在所建立的的仿真几何模型的工件中某一处沿深度方向发射一个X射线探测柱（如图2所示），提取线柱内节点单元的残余应力数据，便可以计算出不同深度时工件表面残余应力的分布情况。
图1 三维切削几何模型图2 软件提取工件表面残余应力原理图3 残余应力沿着深度方向的分布情况在切削速度ν=140m/min；切削深度a p=1mm；进给量f=0.15mm；刀具前角γ0=5°；刀具后角α0=5°；刃口半径r=0.03mm条件下进行仿真，研究了TC4已加工表面残余应力沿着深度方向的分布情况（如图3所示）。
在切削速度ν=140m/min；切削深度a p=1mm；进给量f =0.15mm的切削条件下，分别改变刀具的前角γ0（γ0分别为0°、5°、8°、10°、15°）；后角α0（α0分别为5°、10、12°、15°、20°）；刃口半径r（r 分别为0.03mm、0.04mm、0.05mm、0.06mm）研究了残余应力最大值的分布情况（如图4所示）。
三、实验结果及结论1、仿真曲线图：图4 刀具前角、后角、刀尖刃口半径对残余压应力最大值影响曲线2、结论：（1）已加工表面里层产生了残余拉应力，而在其表层产生残余压应力。
【开题报告】Ti6Al4V切削过程有限元分析
开题报告机械设计制造及其自动化Ti6Al4V切削过程有限元分析一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义1.[国内外研究动态]近几十年随着钛合金的广泛应用，国内外在钛合金切削加工领域进行了大量的研究工作，并取得了一系列的进展。
在切削性能和表面完整性方面，E.O.Ezugwua等人研究了不同刀具不同切削条件下切削钛合金工件的表面质量。
研究发现，采用CBN刀具加工钛合金，已加工表面粗糙度比未涂层的硬质合金的要低，工件表面质量较好。
Wang等人采用未涂层细晶粒和普通晶粒硬质合金刀片连续和断续在传统速度和高速下切削钛合金。
在他们的研究中，细晶粒硬质合金刀具材料有着较高的抗磨损性，适合于断续切削钛合金。
C.H.che-Haron研究了硬质合金刀具在不同切削速度下切削钛合金的工件表面完整性。
研究发现，在干切削条件下，切削时间较长时，加工表面会出现一些撕裂和塑性变形。
并且表面加工硬化也很严重。
在刀具磨损和刀具寿命方面，满忠雷等人在干切削和氮气介质下用硬质合金低速（v=30-60m/min）铣削钛合金，证明在氮气介质中刀具的磨损要比干切削时的磨损要小，刀具寿命提高一倍；在氮气介质下切削钛合金时刀具的磨损形式主要有机械磨损、粘结磨损、氧化磨损、扩散磨损烧伤、剥落、微观裂纹。
马光峰等铣削BT20钛合金材料，通过电镜扫描分析刀具的磨损主要是前刀面的月牙洼磨损，后刀面的粘结磨损和化学磨损，以及边界磨损。
Jiang和Shivpuri发现在用硬质合金刀具加工钛合金时，月牙洼磨损是影响刀具寿命和生产率的的主要磨损形态。
他们把月牙洼磨损率与在切削热作用下钴元素从刀具扩散到钛合金切削中联系起来，建立了包括热传导-扩散过程的刀具磨损模型，还建立了切削过程中刀削接触面非等温条件下的粘塑性有限元模型。
在冷却液等切削介质的影响方面，E.O.Ezugwua等人研究发现在低速下，切削区域温度相对较低，冷却液的效果相当明显，有润滑、减小摩擦系数、降低切削力和刀具磨损率的作用。
钛合金焊接薄板残余应力有限元数值分析
确定材料的热物理
’1 ( 为了了解焊接结构中残余应力的大小和 接头强度和韧性下降 参数 定义边界条件和区域离散化 焊缝金属和母材的热物理性 � �
� � � 比 ! 屈服应力 " " 应变硬化 模量 # 均 相同 随温度变 化的力学 表 2 焊接工艺参数
焊接 焊丝尺寸 氩气导入量 坡口 焊接 焊接 焊接速度 � 性能参数如表 = 所示 层数 H0 0 H0 A 0 :9 51 形式 电压H 7 电流H) H0 0 0:9 51 表 ’ #$ 1% 钛合金热力学性能参数 � 1 -/5 1/6 10 1= =5)7 型 1= 16 110 1-0 1-0 1=0 温度 $ H * 弹性模量 & H >NO 屈服应力 " "HC NO 应变硬化模量 #H >NO 注 焊丝由 .) - 板材裁制 -0 116G0 6M0 -G10 -00 105G0 750 -G05 =00 6MG0 560 1GM0 500 6-G0 =M0 1G50 600 66G0 3 =0 1G00 600 3 5G0 100 0G60 1 000 3 G0 50 0G10 由于对焊 接头的几何对称性 从焊缝中心开始取其一侧作 1 500 0G6 5 0G01
2 有限元模型
收稿日期 � 00 5- 10- 1 3 修回日期 � 00 6 - 03 - 15 � 作者简介 � 徐建新 � ( 67- ) 男 江苏苏州人 教授 博士 研究 向为结构细节应力分析 飞机结构疲劳强度和复合材料结构力学等 .
磨削热应力数值仿真与磨削表面变质层实验研究的开题报告
磨削热应力数值仿真与磨削表面变质层实验研究的开题报告一、研究背景和意义磨削是一种常见的金属加工方法，常常用于制造高精度零件。
磨削是通过磨削轮与工件直接接触产生的热源对工件表面进行磨削，从而达到加工目的。
然而，这种过程中由于磨削表面与刀具接触的高温以及机械磨削力和磨削颗粒在工件表面造成的变形和残余应力等因素，都会导致工件表面形成较深的热影响区和变质层，并且同时引起表面硬度和残余应力的改变。
热应力是指由于温度差异导致的力的变化，热应力的出现既可能是有益的，也可能是有害的。
在工程上，超过一定热应力临界值将会导致破坏。
因此，研究磨削热应力对材料性能的影响，对于实际加工中的品质保证和材料的应用具有重要的意义。
二、研究内容和目标本文将通过计算机模拟和实验探讨磨削热应力对工件表面硬度和残余应力的影响。
具体研究内容如下：1. 建立一维热传导模型和二维有限元模型，模拟磨削过程中的热应力。
2. 应用建立的模型，研究磨削加工参数对表面变质层深度和硬度的影响。
3. 对研究结果进行实验验证，比较模拟结果和实验结果的差距以及磨削过程中的变化。
三、研究方法1. 建立热传导模型首先，建立一维热传导模型，通过计算磨削过程中磨料与工件接触区域的温度分布和导热系数对表面的热应力进行建模仿真。
其次，建立二维的有限元模型，通过计算机模拟磨料与工件接触区域的温度分布和导热系数对表面硬度和残余应力进行分析。
2. 磨削实验选取相应材料进行磨削实验，通过变质层深度、硬度变化及残余应力的测量，将实验结果与模拟结果进行对比以验证模型的准确性。
四、研究计划和进度安排1. 前期工作（1个月）(1) 查找资料，熟悉并掌握磨削过程中的热应力和热传导方程。
(2) 搜集相关材料的热物性参数和力学性能参数。
2. 中期工作（3个月）(1) 建立热传导和有限元模型，并进行仿真计算。
(2) 对计算结果进行分析和讨论，确定影响热应力和硬度变化的主要因素。
(3) 对模型的准确性进行验证。
TC4钛合金铣削过程预测和表面质量分析的开题报告
TC4钛合金铣削过程预测和表面质量分析的开题报告一、选题背景随着航空、航天、能源等行业快速发展，新材料的需求量也随之增加。
钛合金作为一种优良的航空航天材料，在航空工业、汽车制造、医疗器械制造等领域得到广泛应用。
而钛合金的切削加工一直是加工难点，其高温硬度、切削强度等特点使得钛合金材料极易磨损刀具、造成表面质量问题，降低零件质量。
因此，对钛合金铣削过程的预测和表面质量分析具有重要意义。
如果能够准确预测钛合金铣削过程中刀具与工件的接触区域、产生的力和温度等关键参数，就可以优化铣削工艺参数，有效减少刀具磨损和加工表面质量问题。
同时，表面质量分析可以为优化铣削工艺提供重要的参考，提高加工效率和零件质量。
二、研究内容本研究拟围绕钛合金铣削过程预测和表面质量分析展开工作，具体包括以下内容：1. 钛合金铣削过程仿真模型建立。
以钛合金为实验材料，建立其铣削过程的数学模型，并利用ANSYS等有限元分析软件进行仿真。
2. 钛合金铣削过程参数预测和优化。
基于仿真模型，预测钛合金铣削过程中的主要切削参数，包括切削力、切削温度、刀具磨损等，进而优化铣削参数，减少刀具磨损和加工表面质量问题。
3. 钛合金铣削表面质量分析。
根据铣削加工表面情况，采用一定的表面评价指标和方法进行表面质量分析，建立表面质量模型，为优化铣削工艺提供参考。
4. 实验验证。
以钛合金为研究对象，进行铣削加工实验，对仿真预测结果和表面质量分析进行实验验证，完善仿真模型和表面质量模型。
三、研究意义本研究旨在预测钛合金铣削过程中的关键参数，优化铣削工艺参数，提高零件加工表面质量，具有重要的现实意义和应用价值。
同时，本研究可为钛合金等难加工材料的铣削加工提供参考，对航空、航天、能源等领域的发展具有积极意义。
钛合金切削加工表面残余应力有限元仿真
钛合金切削加工表面残余应力有限元仿真
刘文文; 刘长毅
【期刊名称】《《机械设计与制造工程》》
【年(卷),期】2012(041)003
【摘要】采用Johnson-Cook失效准则,建立了钛合金的二维正交切削热-机械应力耦合有限元仿真模型,分析计算了不同切削条件下已加工表面残余应力的分布规律。
结果表明:已加工表面层残余应力为拉应力,沿着深度方向由拉应力逐渐过渡到压应力。
表面残余应力随着切削速度的增大而增大,在一定的前角变化范围内,随着刀具前角的增大,表面残余拉应力先增大后减小,而随着刀具后角的增大却减小。
各加工参数对残余应力层的厚度影响都很小。
【总页数】4页(P39-42)
【作者】刘文文; 刘长毅
【作者单位】南京航空航天大学机电学院江苏南京210016
【正文语种】中文
【中图分类】TG501
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5.切削用量对立铣加工钛合金Ti6Al4V切削力和切削温度影响规律的有限元仿真研究 [J], 刘迎春;林琪;庞继有;刘战强
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【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
系别：机械工程学院
班级：机自0901
学生姓名：韩捷
指导教师：霍文国
2013 年 1 月 7 日
毕业设计开题报告
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
图1 钛合金图2 钛合金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、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百度，在中等温度下仍能保持所要求的强度，可在450-500℃的温度下长期工作这两类钛合金在150℃-500℃范围内仍有很高的比强
度，而铝合金在150℃时比强度明显下降。
钛合金的工作温度可达500℃，铝合金则在200℃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铬盐介质的抗蚀性差。
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金，如TA7,在-253℃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；温度较高时，与N 作用也会形成TiN硬质表层；在600℃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
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1。
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)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1/5～1/7)，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，切削温度很高。
在相同的切削条件下，切削温度可比切削45号钢时高出一倍以上。
(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]。
（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
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
建立几何实生成有限元定义载荷、
后处理数控制生成的
得出实验结
求
撰写实验说
毕业设计开题报告。