[发明专利]钛合金TC4切削本构模型修正方法

说明书

本发明的目的是提供一种钛合金TC4切削本构模型修正方法，基于CCD响应曲面实验设计，进行切削有限元仿真，建立切削力与J‑C方程修正系数的映射关系响应曲面模型。同时展开切削实验，建立以实测切削力为目标的参数优化模型，并引入FA搜寻修正系数最优解集，应用萤火虫算法进行以切削力为目标的参数优化。解决了现有J‑C本构模型对高温和高压下的切削过程模拟不准确，无法解释实际加工过程应力回落现象以及随着应变增加流动应力减小的问题。

技术领域

本发明属于钛合金切削技术领域，具体涉及一种钛合金TC4切削本构模型修正方法。

背景技术

钛合金TC4作为航空、航天领域应用最为广泛的材料之一，属典型的难加工材料。为解决该类材料大量需求与加工困难这一矛盾，常应用高速切削技术。目前商业有限元仿真软件大都内置常用材料的本构模型及参数，然而由于TC4钛合金在不同加载环境中所呈现的力学性能存在明显差异，有限元软件内置本构模型及参数往往并不能准确预测切削加工变形行为。材料本构模型作为切削有限元核心技术对改善加工工艺、提高切削过程建模精度以及实现高效加工具有重要意义，故材料本构模型的预测精度对有限元仿真结果精度至关重要。

为研究TC4钛合金材料微观结构与其性能之间的关系，需对微观结构进行有限元建模，进而结合实验最终定性分析两者之间的影响关系。J-C本构模型作为切削有限元的核心技术，其准确性对于有限元建模至关重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种钛合金TC4切削本构模型修正方法，以解决现有J-C本构模型对高温和高压下的切削过程模拟不准确，无法解释实际加工过程应力回落现象以及随着应变增加流动应力减小的问题。

本发明采用以下技术方案：钛合金TC4切削本构模型修正方法，包括以下步骤：

S1、基于现有的J-C本构模型进行修正，引入模型系数a、b、d、s进行识别，得到J-C修正模型如下：

其中，σ是流动应力，ε是塑性应变，是应变率，是等效应变率，T是工件材料温度，Tr是室温，Tm是工件熔点，A、B、C、m和n是模型常数，分别表示屈服应力、硬化模量、应变率敏感系数、硬化系数和热软化系数，a和s为材料常数，用于修正应力-应变曲线的下降斜率；系数b和d用于描述不同水平下的热软化现象；参数D和P用于描述动态再结晶和回复过程对流动应力的影响；

S2、建立钛合金TC4切削的2D有限元模型；其包括所述J-C修正模型、刀具-工件库伦接触模型；

S3、进行切削力响应曲面建模，按照X_i＝(x_i-x₀)/△x，以J-C修正模型系数a、b、d、s为自变量进行中心复合设计，得到多组模型系数a、b、d、s的取值；其中，X_i为自变量的编码值，x_i为自变量的真实值，x₀为试验中心点的真实值，△x为自变量的变化步长；

S4、将步骤3中模型系数a、b、d、s的值分别带入2D有限元模型中进行仿真，分别得到多个切削力仿真值，并将所述切削力仿真值作为响应值，通过多项式拟合的方法，确立所述模型系数与切削力的映射关系；

S5、进行切削实验，获得切削力实验值；建立基于萤火虫算法的优化模型，对步骤3中多组模型系数a、b、d、s的取值进行最优化求解，通过设置目标函数，并进行迭代计算，当所述切削力仿真值与所述切削力实验值之差小于10^-5，则计算结束，输出最优的模型系数a、b、d、s；再将最优值代入J-C修正模型，即完成修正。

进一步的，步骤S2中，库伦接触模型如下所示：