【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
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