發(fā)布時間：2020-07-20 17:26

【摘要】：鈦合金TC4具有耐高溫、耐腐蝕、比強度高、焊接性能好等特點,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,切削加工時熱量不易擴散,刀尖點溫度高,刀具磨損嚴重。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,進行加熱溫度場分析以及LAM實驗研究,主要包括:針對旋轉(zhuǎn)圓柱工件上軸向平移的激光熱源建立一個三維瞬態(tài)傳熱模型,利用COMSOL進行有限元計算,通過紅外測溫實驗對模型進行驗證。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,同時利用量綱分析法計算得到激光加熱溫度的經(jīng)驗公式。通過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進行有限元計算,通過主切削力對模型進行實驗驗證,得到加熱溫度在310℃~375℃之間時,相比于常規(guī)車削,LAM主切削力最多降低26.45%;進一步研究發(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)的實驗結(jié)果,以最大加工效率和最小加工成本為優(yōu)化目標,以本文優(yōu)選的加熱溫度為邊界條件,進行LAM工藝參數(shù)的多目標優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果表明,當激光功率P=803W、切削速度_Cv=75.21m/min、進給量f_C=0.151mm/r、切深a_p=0.745mm時,LAM技術(shù)有效提高鈦合金的加工效率、降低加工成本,同時實驗結(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)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG51
【圖文】：

（b）溫度場仿真結(jié)果圖 1-3 紅外相機圖像與溫度場仿真結(jié)果對比鄢銼等[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，計算分析工件的溫度場分布，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，材料去除溫度mrT 數(shù)之間的經(jīng)驗公式如下：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 表示進給量 mm切削速度 m / min。經(jīng)驗公式的擬合結(jié)果表明，與激光加熱相比，傳統(tǒng)切削的熱量對瞬態(tài)溫度場的影響較小，激光功率 和激光進給量 f 則是影響 分布和材料去除溫度最重要的參數(shù)。Yang 等[22]開發(fā)了一種用于移動高斯激光熱源的三維瞬態(tài)溫度場有限元模型

（a）有限元仿真 （b）實驗結(jié)果圖 1-4 仿真與實驗溫度場對比圖Ding 等[23]開發(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，實驗結(jié)果表明當加熱溫度在 250~450℃之間時，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）對陶瓷激光加熱輔助切削行了計算，實驗結(jié)果表明，LAM 技術(shù)有效地減少了 22％的切削力同時得到刨削更好的加工表面質(zhì)量。.3 LAM 可行性實驗研究Sun 等[25]對商業(yè)純鈦進行了 LAM 實驗研究，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]對鈦合金 TC4 進行了 LAM 實驗研究，激光加熱溫度約為 250℃，采用 TiAlN 涂層的硬質(zhì)合金刀具進行加工，切削升至 200m/min，同時刀具壽命比常規(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激光吸收率的參數(shù)值。在第一次仿真試驗中默認吸收率0 =1，提取仿真結(jié)果中對應(yīng)點 M′、N′溫度的最大值2T （多點取平均）；在第二次仿真試驗中令吸收率112TT ，提取點 M′、N′溫度的最大值3T （多點取平均）。判斷3 11T TT 是否成立（ 為給定的相對誤差限），若不成立，則令吸收率12 13=TT ，再次進行仿真試驗；若成立，則記錄此吸收率值與對應(yīng)的仿真結(jié)果的溫度隨時間的變化曲線，以此類推。（4）分別將不同吸收率參數(shù)下的仿真結(jié)果與實驗結(jié)果進行非線性誤差分析，得到本文工況下鈦合金 TC4 材料對激光的吸收率參考值為 0.30[35]。

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前9條

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本文編號：2763732