[发明专利]一种基于有限元的钛合金变齿距铣削三维建模方法

权利要求书

1.一种基于有限元的钛合金变齿距铣削三维建模方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)设定铣刀系统参数、工件材料参数、铣刀材料参数以及切削工艺参数，其中，

所述铣刀系统参数包括刀具前角γ₀、刀具后角α₀、刀体直径D、刀具螺旋角ω；

所述工件材料参数包括工件材料密度ρ，工件材料弹性模量E，工件材料泊松比ν，工件材料导热率λ，工件材料比热c_p，非弹性功转热比β，工件材料熔点T_m，转变温度T₀，准静态条件下的屈服强度A，应变硬化参数B和n，应变强化参数C，热软化系数m，以及低于转变温度的条件下测得的失效常数D1、D2、D3、D4和D5；

所述铣刀材料参数包括铣刀材料密度ρ_刀、铣刀材料弹性模量E_刀、铣刀材料泊松比ν_刀、铣刀材料导热率λ_刀、铣刀材料比热c_p刀；

所述切削工艺参数包括转速n₀、切宽a_e、切深a_p以及每齿进给量f_zi，并且每齿进给量f_zi中的i为大于等于1、并且小于等于总刀齿数N的整数，每齿进给量f_zi随i的变化而变化；

(2)对铣刀、工件及其之间关系进行建模，其中，

对铣刀的几何建模包括利用所述刀具前角γ₀、刀具后角α₀、刀体直径D、刀具螺旋角ω建立铣刀三维几何模型，并设置铣刀各刀齿间的径向夹角，使铣刀各刀齿与前一刀齿的径向夹角之比等于所述每齿进给量之比，即，

其中当i＝1时，为第1个刀齿与第N个刀齿之间的径向夹角；当1<i≤N时，为第i个刀齿与i-1个刀齿之间的径向夹角；

对工件的几何建模包括利用所述的切宽a_e、切深a_p建立工件的三维几何模型；

对铣刀和工件关系的建模包括利用所述的转速n₀、每齿进给量f_zi建立铣刀与工件的位置关系和相对运动关系；

(3)对所述步骤(2)中的铣刀三维几何模型和工件的三维几何模型，赋予所述步骤(1)中的铣刀材料参数和工件材料参数，并结合所述的每齿进给量赋予铣刀几何模型运动速度，进行仿真求解计算，得出工件上各个有限元节点的应力、应变和温度；

(4)对所述步骤(3)求解计算得到的结果进行后处理，绘制铣削力-时间曲线图，铣削温度-时间曲线图，或者节点的应力、应变图，得到基于有限元的钛合金变齿距铣削三维建模结果，从而对所得的预测结果进行分析；

所述步骤(3)还包括对工件赋予材料本构模型和材料失效模型，其中，

所述材料本构模型中工件材料的塑性行为采用如下公式描述：

σ‾=(A+Bϵ‾n)[1+C ln(ϵ‾·ϵ‾·0)][1-(T-T0Tm-T0)m],]]>

其中，所述为等效塑性应力，为等效塑性应变，为等效应变率，为参考应变率，T为温度，T_m为工件材料熔点，T₀为转变温度；A为准静态条件下的屈服强度，B和n均为应变硬化参数，C为应变强化参数，m为热软化系数；

所述材料失效模型中工作材料的破坏行为采用如下公式描述：

ϵ‾fpl=[D1+D2exp(D3pq)][1+D4ln(ϵ‾·plϵ0)](1+D5T-T0Tm-T0),]]>

其中，所述为失效塑性应变，为无量纲塑性应变率，为静水压应力与偏应力的比值，D1、D2、D3、D4和D5均为低于转变温度的条件下测得的失效常数；

所述步骤(1)中的工件材料参数还包括工件表面与空气的对流换热系数，铣刀材料参数中还包括铣刀表面与空气的对流换热系数；

所述步骤(1)中的铣刀系统参数还包括切削刃圆角半径r_ε；

所述步骤(2)中的转变温度T₀为20℃；

所述步骤(1)中的工件材料参数还包括极限剪切应力τ_crit；

所述步骤(3)还包括对工件赋予接触摩擦属性，所述接触摩擦属性采用如下公式描述：

其中，τ为铣刀与工件之间的摩擦力；μ为滑移区的摩擦系数；σ为正应力；τ_crit为极限剪切应力。