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题目：基于钛合金铣削过程仿真的圆周铣刀优化设计摘 要

钛合金是（titanium alloy）是主要用于制作飞机发动机压气机部件，其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件的金属。它于20世纪50年代发展起来，且50~60年代，重点发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金。因其有硬度过大切削困难、硬度小却又粘刀，切削温度大，冷硬现象严重等性质^[1]，因此需要不同方面考虑铣削流程。例如考虑到铣削过程中钛合金的形变，用Third Wave Advantage对会发生的形变做出预测，并且优化流程等。

关键词：切削；参数优化；有限元分析；钛合金

1. 前言

有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）是利用数学近似的方法对真实的物理系统进行分析。利用简单而又相互作用的元素（即单元），就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。有限元分析的迅速发展，使得其的地位愈发重要。有限元分析所涵盖的领域包括土木工程、车辆工程、机械等。一个全新的产品会有各种问题，其中有很多可以在设计阶段进行排除和优化，这就需要用到有限元分析。而用有限元分析去解决钛合金铣削过程中的各种问题也是越来越受到青睐。钛合金是指以钛为基础加入其它强化元素组成的合金材料，如铝、镍、铬、铜等，以获得更高的强度、耐蚀性、抗高温性能^[2-4]。因为它的性能十分优异，所以目前钛合金是应用最广泛的钛金属材料，在航空材料、石油开采、食品体育、医疗领域等各个都有广泛的应用。

因为钛合金应用在许多精密的场所，加工要求自然比较高，再加上性质多且繁杂，甚至是反映一个国家军事水平和实力又或是衡量一个国家的工业产品先进度的标准，和一个国家制造业的发展水平的一个重要指标。^[13]而且传统的钛合金加工工艺存在一定的缺陷，所以需要用到计算机来计算去代替实物实验，从而进行的设计将会更加的准确。而且众多企业的机床的切削参数常常是参考加工手册或者是自身经验去选择的，所以会导致加工的产品质量差，增加生产的成本或者是无法很好地利用加工设备。所以对加工工艺相关的内参数的优化是具有十分重要的意义的。^[11,12]

1. 国内外研究概况

刀具的磨损是铣削是必须考虑的重要内容，也是需要不断改进和研究的话题。刀具在加工对应的工件时，需考虑多种因素：工件物理化学性质、刀具自身的物理化学、力学性能。

而钛合金因其性质复杂而需要更加多的考虑相关因素。

在20世纪的五六十年代，多个国家如美国、英国等就已经开始研究钛合金铣削的刀具寿命，切削温度，切削力等方面。Lockheed公司也于1951年进行钛合金铣削的实验。之后的国内外实验和研究也没有停止过。比较贴近的是Tang利用有限元分析和实验双方面结合的方法，表明可变螺旋和不等齿距结构可以减轻铣削过程中的形变和振动。也如后来vasilyuk的研究结果表明，增加刀具的圆弧刃半径，能够减轻铣削加工过程中的振动。瑞典公司Sandvik在硬质合金刀具制造方面享誉世界，而且是很在就开始研制硬质合金刀具。美国Kennametal公司推出Stellram系列刀具，之一系列的刀具在小切深、打进给的加工方式对金属的切除率可以达到常规刀具的5倍以上。还有Kumar^[6]对钛合金所用的铣刀进行优化，通过有限元分析进行仿真，然后对刀具的应力、切削力、刀具的磨损等方面进行了分析的改良，经过实验后发现刀具的寿命和切削效率都得到了改善。在钛合金铣削的实验研究中，钛合金的样品主要是通过锻造，轧制等传统工艺制备的。Uhlmann等人^[7]指出由于铣削工具和工艺策略的不同要求，如果将新零件的加工参数直接用于修理和加工，修复效果就可能不令人满意。在Huang等人的研究中^[8]，重新轮廓化花费了更多的时间，并且铣削刀具的磨损更快，因此必须用磨削代替它。 Eberlein等人^[10，11]通过光谱特性分析研究了铣削参数对钛合金铣削力的影响，并得到了可应用于实际工艺的高速铣削参数。 BothYi ^[12]和Tej^[13]通过进行实验和有限元模拟研究了工艺参数对钛合金铣削力的影响。张等。 ^[14]研究了铣削力如何受到工具涂层和振动的影响。此外，丹尼斯等。 ^[15，16]对电子束沉积制备的钛合金材料进行了一系列铣削实验，并通过研究不同的加工参数对这些铣削过程的影响，找到了合适的加工参数，以获得良好的表面粗糙度和残余应力