【摘要】：鈦合金是以鈦為基礎(chǔ)加入其他元素組成的合金,具有比強度高、熱強度高、低溫性能好、耐腐蝕能力強等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療、化工等行業(yè)。但是由于鈦合金的導(dǎo)熱性差、化學(xué)活性高等性能特點,導(dǎo)致其切削加工時切削溫度高、刀具磨損快,是典型的難加工金屬,故其大規(guī)模應(yīng)用受到了加工效率和加工成本的制約,因此探究鈦合金的新型加工技術(shù)、改善其加工性能具有重要的研究意義。激光加熱輔助切削技術(shù)是一種新型的混合加工技術(shù),可以降低切削力和切削能量、延長刀具使用壽命、提高加工表面質(zhì)量。目前國內(nèi)激光輔助加工技術(shù)的研究主要集中在陶瓷材料領(lǐng)域,研究方法多局限于實驗研究。本文采用有限元仿真和實驗相結(jié)合的方法,針對應(yīng)用廣泛的Ti6Al4V鈦合金的激光輔助車削技術(shù)進行了研究,具體研究內(nèi)容如下:首先基于經(jīng)典傳熱學(xué)理論建立了激光預(yù)熱鈦合金的三維有限元模型,針對多組激光參數(shù)進行了數(shù)值仿真研究。采用實驗和仿真對比的方法,確定了鈦合金對激光能量的吸收率這一重要參數(shù)。通過比較仿真結(jié)果,分析了激光功率、激光移動速度、光斑半徑和刀具/激光距離等加工參數(shù)對預(yù)熱溫度場的影響,并選取了合適的加工參數(shù)用于后續(xù)的切削過程仿真和實驗研究�；贘ohnson-Cook材料本構(gòu)模型和對應(yīng)的斷裂準則,建立了正交車削鈦合金工件的完全熱-力耦合有限元模型,進行了多組加工參數(shù)下傳統(tǒng)加工和激光輔助加工的仿真研究。通過分析仿真得到的應(yīng)力場、溫度場和切削力等結(jié)果,揭示了激光輔助加工改善加工狀態(tài)的機理,并分析了各加工參數(shù)對激光輔助切削效果的影響。進行了激光輔助正交車削鈦合金的實驗研究。設(shè)計了激光輔助車削鈦合金的實驗系統(tǒng),進行了多組不同加工參數(shù)下的切削實驗,測量了切削過程中的切削力,觀察并分析了激光加熱鈦合金后的材料微觀結(jié)構(gòu)和切削得到的切屑形態(tài),分析了激光輔助加工對加工狀態(tài)的影響。最后通過比較仿真和實驗結(jié)果,證實了有限元模型的合理性和準確性。
[Abstract]:Titanium alloy is a kind of alloy with high specific strength, high thermal strength, good low temperature performance and strong corrosion resistance, which is based on titanium. It is widely used in aerospace, medical, chemical and other industries. However, because of the poor thermal conductivity and high chemical activity of titanium alloy, the cutting temperature is high and the tool wear is fast, so the large-scale application of titanium alloy is restricted by machining efficiency and processing cost. Therefore, it is of great significance to explore the new processing technology of titanium alloy and improve its processing performance. Laser heating assisted cutting is a new hybrid machining technology, which can reduce cutting force and cutting energy, prolong tool life and improve surface quality. At present, the research of laser assisted processing is mainly focused on ceramic materials, and the research methods are limited to experimental research. In this paper, the laser-assisted turning technology of Ti6Al4V titanium alloy is studied by means of finite element simulation and experiment. The main contents are as follows: firstly, based on the classical theory of heat transfer, the 3D finite element model of laser preheating titanium alloy is established, and the numerical simulation of multiple laser parameters is carried out. The laser energy absorptivity of titanium alloy is determined by the method of experiment and simulation. By comparing the simulation results, the effects of laser power, laser moving speed, spot radius and tool / laser distance on the preheating temperature field are analyzed. Suitable machining parameters are selected for subsequent simulation and experimental study. Based on the constitutive model of Johnson-Cook material and the corresponding fracture criterion, the complete thermal-mechanical coupling finite element model of orthogonal turning titanium alloy workpiece is established. The simulation of traditional machining and laser assisted machining under multiple processing parameters is carried out. By analyzing the simulation results of stress field, temperature field and cutting force, the mechanism of laser assisted machining to improve machining state is revealed, and the influence of processing parameters on laser assisted cutting effect is analyzed. An experimental study on laser assisted orthogonal turning of titanium alloy was carried out. An experimental system for laser assisted turning of titanium alloy was designed. The cutting experiments with different machining parameters were carried out, and the cutting force in the cutting process was measured. The microstructure and chip morphology of titanium alloy after laser heating were observed and analyzed. The influence of laser assisted machining on the processing state was analyzed. Finally, the rationality and accuracy of the finite element model are verified by comparing the simulation and experimental results.
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TG51;TN249

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本文編號：2415251