[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

说明书

技术领域

本发明属于金属加工有限元仿真分析领域，更具体地，涉及一种基于有限元的钛合金变齿距铣削三维建模方法。

背景技术

钛合金具有密度低、比强度高、耐热性强、低温性能好以及良好的抗蚀性等一系列的优异的物理性能，被广泛应用于制作飞机发动机部件、火箭导弹结构件等许多领域。现有的数百种钛合金中，Ti6Al4V因为耐热性、韧性、塑性、强度以及生物相容性都比较好，其使用量占全部钛合金的近80％。然而在具有优异的性能的同时，钛合金也是一种典型的难加工材料。由于变形系数小、切削温度高、冷硬现象严重、刀具易磨损等特点，钛合金加工后的表面质量难以保证、加工效率低、加工成本大大增高。这使得研究钛合金加工的表面质量、切削参数优化具有重要意义。

在研究钛合金加工的方法中，有限元仿真相比传统实验方法具有高效率、低成本、对工况的适应性好等优势，是数值建模中使用最多的方法。现有的切削有限元模型以正交切削有限元模型为主，对实际切削工况进行了大量简化。然而，进一步的研究表明，尽管正交切削有限元模型能够对切削过程进行仿真，但对铣削过程的仿真却不尽如人意，这是由于铣削过程要综合考虑铣刀螺旋角等重要影响因素，二维建模并不能很好的对铣削过程进行仿真，仿真与实际情况有很大的出入。此外，一般而言，切削有限元仿真模型要求的仿真精度越高，耗费的计算成本也越高；而通常对钛合金加工的研究需要对不同的工艺参数组合(如每齿进给量等)进行试验，因此需要进行相应多次切削仿真求解，这更使得仿真工作需要耗费大量的时间。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种基于有限元的钛合金变齿距铣削三维建模方法，其中通过对其选定参数、材料本构模型、刀具几何模型等进行改进，与现有技术相比能够有效解决单次仿真与实际加工情况相去甚远、重复仿真耗时的问题，能够较为准确的预测给定工艺参数下切削的力学参数和表面完整性参数；并且单次仿真精度高，能够更直观的模拟三维铣削的过程，提高铣削仿真效率，达到了降低计算成本的技术效果。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了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；