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关键词：钛合金铣削；有限元仿真；圆周铣刀；切削力；切削热摘 要：钛合金由于其优秀的综合性能，其在工业生产中具有广泛的应用。但其也具有加工性能差，易磨损等特点。对于钛合金材料逆铣过程的仿真国内外已经做了大量研究，本研究则要基于有限元的仿真分析分析加工参数、刀具参数、材料参数等因素对圆周切削过程的切削力、温度场、弹塑性变形、切屑形态、刀具磨损等各种物理现象的影响,分析材料参数对切削力的影响规律，最终对钛合金圆周铣刀进行优化设计。

1.引言：

钛合金拥有高的比强度、耐热性和耐蚀性好等优异的综合性能,在各个领域广泛的应用，但钛合金具有加工难度大，易磨损，摩擦系数大，切削温度高，导热系数小等特点，属于难加工材料，其加工性能差，刀具磨损严重。本研究旨在对钛合金逆铣加工中材料参数对切削力和切削热的影响进行有限元仿真分析，利用三维仿真探究得出材料与刀具几何参数对对切削力的影响规律、以及切屑的形成及形态、温度场分布等仿真结果，并对切削过程中的不同物理现象做理论分析，并根据计算结果优化钛合金加工用逆铣刀的刀具结构。同时，需进行实际的切削实验进行验证。

本研究要在充分了解国内外研究的基础上，针对钛合金逆铣过程仿真，探究钛合金材料对切削力的影响规律，优化圆周铣刀的工业设计，针对其中不足之处提出改进意见。结合实际的钛合金逆铣加工过程，用有限元仿真软件合理设计仿真方案和计算参数；对所加工的零件进行工艺性分析、标准化分析及可行性、经济性分析。

2.国内外研究概况：

天津大学的杨新鹏关于切削热和切削温度的产生进行研究，以钛合金材料铣削过程中刀具的温度场为研究对象，使用有限元分析软件ABAQUS，创建钛合金铣削过程中钛合金热传导模型，并通过对表面热流密度载荷的调整使得仿真结果与实验结果吻合，通过实际加载与理论模型计算出的总载荷的比较即可得到此工况下准确的切削热传入刀具的热分配比例^[1]。以测温实验为基础结合有限元模型分析的现代研究技术，不仅准确预测铣削过程刀具中温度的分布情况，而且可以以此为依据研究不同铣削材料、不同工艺参数条件下，切削热流入刀具的比例，并且可以以此为依据进一步研究刀具温度对机床主轴的影响，从而对研究加工质量、刀具寿命等切削过程中的焦点问题具有重要意义。

早在1950年前后,欧美以及日本等国家就着手围绕切削钛合金中的切削温度、切削力、切屑形成以及刀具寿命等展开了大批量的研究工作^[2]。我国对钛合金的探究起始于20世纪中叶的北京有色金属研究总院。这么多年的时间，我国很多企业和科研院校也跟随世界的潮流进行了大量的对钛合金的切削加工性研究,并且获得了相应的科研成果。
山东科技大学的李明艳等学者的研究中是以热传导理论为前提,创建了金属切削瞬态温度的二维有限元仿真模型。他们的研究结果得出了金属切削中剪切作用的热源引起的工作温度变化的分布曲线^[3]。

高速铣刀广泛应用于机械加工中,其性能和质量直接影响到铣削加工的精度、效率和质量。通过研究不同切削参数下切削力变化规律，可以合理选择切削参数，减轻切削颤振，降低切削的成本，为获得优化的机械加工工艺参数、减少刀具磨损、改善工件表面质量等提供良好的理论依据^[4]。
LADENGUIR等^[5]通过有限元法对正交切削模型进行了仿真,使用ALE自适应网格划分，并通过比较仿真结果和试验结果验证了J-C本构模型的有效性。邓文君等^[6]在热力耦合条件下进行了高强耐磨铝青铜的切削加工过程二维模拟,得到了不同切削深度和切削速度下的切屑形态、温度、应力、应变和应变速率的分布，并将仿真得到的切削力和切削温度与试验结果进行了比较,两者较为吻合。李林光等^[7]建立了三面刃铣刀模型，并仿真了铣削加工过程，得出铣刀应力与铣削参数的关系,并进行试验验证其准确性。OKAFORAC等^[8]建立了在乳化液冷却条件下切削Inconel718的切削力模型,并在试验中取得了良好的预测效果;刘鹏等^[9]设计并进行了PCD刀具高速铣削钛合金TA15单因素试验和正交试验,得出铣削分力随铣削参数的变化趋势,在正交试验的基础上,建立了PCD刀具高速铣削钛合金切削力的数学模型,并对模型进行分析,验证了模型的可靠性。权崇豪，王民在立铣刀铣削加工模型上，以热力耦合理论为支撑，充分考虑了刀具与工件之间的摩擦、弹塑性变形的热产生和刀具与工件之间的热传导,研究了不同铣削参数(铣削深度ap、每转进给量、铣刀转速n)对切削力的影响，得出了铣削分力随铣削参数的变化趋势，并基于正交仿真建立了铣削力经验公式。他们通过Solidworks建立了立铣刀三维模型，采用ABAQUS有限元分析软件对立铣刀加工铝合金2A12的铣削过程进行仿真，分析不同铣削参数下的仿真结果，得出高速铣刀各铣削分力随铣削深度、每转进给量和铣刀转速的变化趋势，并进行铣削试验。经过对比仿真结果，与实验结果较为吻合。进行正交仿真，基于铣削力经验模型，用matlab拟合出高速钢立铣刀铣削铝合金2A12的铣削力经验公式，为铣削参数的优化和刀具磨损研究提供理论依据。