【摘要】：鈦合金TC4具有耐高溫、耐腐蝕、比強(qiáng)度高、焊接性能好等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于航天航空、船舶、石油、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。鈦合金導(dǎo)熱率低,高溫化學(xué)活性強(qiáng),切削加工時(shí)熱量不易擴(kuò)散,刀尖點(diǎn)溫度高,刀具磨損嚴(yán)重。本文采用激光加熱輔助切削(Laser-Assisted-Machining,LAM)技術(shù),提出鈦合金激光加熱輔助車削工藝參數(shù)優(yōu)化方法,進(jìn)行加熱溫度場(chǎng)分析以及LAM實(shí)驗(yàn)研究,主要包括:針對(duì)旋轉(zhuǎn)圓柱工件上軸向平移的激光熱源建立一個(gè)三維瞬態(tài)傳熱模型,利用COMSOL進(jìn)行有限元計(jì)算,通過(guò)紅外測(cè)溫實(shí)驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。研究不同激光加熱參數(shù)下,工件材料加熱區(qū)域溫度分布和熱影響層厚度的變化規(guī)律,得到最小切削深度,同時(shí)利用量綱分析法計(jì)算得到激光加熱溫度的經(jīng)驗(yàn)公式。通過(guò)將激光加熱溫度作為常規(guī)車削的初始溫度條件,建立鈦合金激光加熱輔助車削有限元仿真模型,利用AdvantEdge進(jìn)行有限元計(jì)算,通過(guò)主切削力對(duì)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,得到加熱溫度在310℃~375℃之間時(shí),相比于常規(guī)車削,LAM主切削力最多降低26.45%;進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)在優(yōu)選的加熱溫度下,采用LAM技術(shù)可降低約18%的主切削力,減小約16%的刀具后刀面磨損,加工表面粗糙度和表面硬度分別降低約20%和5%,得到良好的加工表面質(zhì)量�；诓煌琇AM工藝參數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,以最大加工效率和最小加工成本為優(yōu)化目標(biāo),以本文優(yōu)選的加熱溫度為邊界條件,進(jìn)行LAM工藝參數(shù)的多目標(biāo)優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果表明,當(dāng)激光功率P=803W、切削速度_Cv=75.21m/min、進(jìn)給量f_C=0.151mm/r、切深a_p=0.745mm時(shí),LAM技術(shù)有效提高鈦合金的加工效率、降低加工成本,同時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,主切削力降低18.21%、后刀面磨損降低16.54%,加工表面質(zhì)量良好。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG51
【圖文】：

（b）溫度場(chǎng)仿真結(jié)果圖 1-3 紅外相機(jī)圖像與溫度場(chǎng)仿真結(jié)果對(duì)比鄢銼等[20]利用有限差分法，結(jié)合材料的受熱軟化特性，建立了 Al2O3熱壓陶助切削傳熱模型，計(jì)算分析工件的溫度場(chǎng)分布，從而得到不同激光加熱參數(shù)P、掃描速度Lv 和光斑直徑0d ）下的切削深度pa 。Dandekar 等[21]得到一種 CO2激光器加熱鈦合金 TC4 時(shí)，材料去除溫度mrT 數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)公式如下：23.4 0.66CO0.31 0.34 0.31Cmrwe PTf D V（1，2COP 表示 CO2激光的功率 W，wD 表示工件的直徑 mm，f 表示進(jìn)給量 mm切削速度 m / min。經(jīng)驗(yàn)公式的擬合結(jié)果表明，與激光加熱相比，傳統(tǒng)切削的熱量對(duì)瞬態(tài)溫度場(chǎng)的影響較小，激光功率 和激光進(jìn)給量 f 則是影響 分布和材料去除溫度最重要的參數(shù)。Yang 等[22]開(kāi)發(fā)了一種用于移動(dòng)高斯激光熱源的三維瞬態(tài)溫度場(chǎng)有限元模型

（a）有限元仿真 （b）實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖 1-4 仿真與實(shí)驗(yàn)溫度場(chǎng)對(duì)比圖Ding 等[23]開(kāi)發(fā)了一種適用于鈦合金 TC4 激光輔助微銑削的有限元仿真模型究了切削區(qū)域溫度的變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)加熱溫度在 250~450℃之間時(shí)，變應(yīng)力可以降低 20~25%，有效改善了鈦合金的切削性能。Chang 等[24]使用離散格子玻爾茲曼方法（LBM）對(duì)陶瓷激光加熱輔助切削行了計(jì)算，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，LAM 技術(shù)有效地減少了 22％的切削力同時(shí)得到刨削更好的加工表面質(zhì)量。.3 LAM 可行性實(shí)驗(yàn)研究Sun 等[25]對(duì)商業(yè)純鈦進(jìn)行了 LAM 實(shí)驗(yàn)研究，與常規(guī)切削相比，切削力的大都顯著降低，加工表面質(zhì)量良好，并且隨著切削速度的增加，切屑從鋒利的漸轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)切屑。Dandekar 等[21]對(duì)鈦合金 TC4 進(jìn)行了 LAM 實(shí)驗(yàn)研究，激光加熱溫度約為 250℃，采用 TiAlN 涂層的硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行加工，切削升至 200m/min，同時(shí)刀具壽命比常規(guī)加工增加 2~3 倍，比切削能顯著降低

（3）調(diào)整仿真模型中材料對(duì)激光吸收率的參數(shù)值。在第一次仿真試驗(yàn)中默認(rèn)吸收率0 =1，提取仿真結(jié)果中對(duì)應(yīng)點(diǎn) M′、N′溫度的最大值2T （多點(diǎn)取平均）；在第二次仿真試驗(yàn)中令吸收率112TT ，提取點(diǎn) M′、N′溫度的最大值3T （多點(diǎn)取平均）。判斷3 11T TT 是否成立（ 為給定的相對(duì)誤差限），若不成立，則令吸收率12 13=TT ，再次進(jìn)行仿真試驗(yàn)；若成立，則記錄此吸收率值與對(duì)應(yīng)的仿真結(jié)果的溫度隨時(shí)間的變化曲線，以此類推。（4）分別將不同吸收率參數(shù)下的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行非線性誤差分析，得到本文工況下鈦合金 TC4 材料對(duì)激光的吸收率參考值為 0.30[35]。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前9條

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本文編號(hào)：2763732