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TC4钛合金钻削刀具几何参数优化

张文盟  
【摘要】:Ti-6Al-4V(TC4)钛合金在强度、韧性、耐热耐蚀性和生物相容性等方面均表现优良,因此在航空航天、化学、医疗中被大量使用,其用量占到全部钛合金用量的二分之一以上。孔加工大约占每年机械加工量的三分之一,因此在对TC4钛合金进行加工处理的过程中常常需要进行孔加工。在对TC4钛合金进行钻削加工时,其特殊的材料性质使得钻削过程中的钻削力和扭矩较大,钻头容易磨损和折断,既降低加工效率又会造成工件报废,从而增加生产成本。因此对TC4钛合金钻孔时,标准钻头的几何角度已不能完全适应,有必要因“材”制宜,对钻削TC4钛合金所用的麻花钻的几何参数进行优化,以减小TC4加工过程中的钻削力、扭矩和残余应力,从而提高孔加工效率和表面质量。基于以上问题,本文在以下方面进行了研究:(1)本文首先介绍了标准麻花钻的结构和主要几何参数,并对麻花钻的几种常用刃磨方法进行了分析,并根据锥面麻花钻的后刀面刃磨原理在NX10.0软件中建立了锥面麻花钻的三维模型。在此基础上,根据麻花钻的钻削原理对切削刃进行离散化,由此建立了钻削力和扭矩的数学模型。(2)本研究选择了麻花钻的顶角、螺旋角和刃带宽度作为试验因素,运用回归正交试验设计方法来设计试验方案。研究中使用NX10.0软件建立了15组试验方案中不同顶角、螺旋角和刃带宽度的刀具模型,并通过ABAQUS有限元分析软件建立了TC4钛合金三维钻削模型。通过所建立的15个不同麻花钻模型进行TC4钛合金钻削加工仿真,得到了15组不同刀具几何参数下的钻削力、扭矩及孔壁残余应力。(3)研究中采用多元非线性回归方法分别建立了钻削力、扭矩及孔壁残余应力与试验因素之间的回归模型。通过对所建立的回归方程及各偏回归系数进行显著性检验,在去除了方程中的偏回归系数不显著的部分的基础之上,最终建立了在所选择的试验因素取值范围内的钻削力、扭矩和残余应力与所选试验因素顶角、螺旋角和刃带宽度之间的回归方程。(4)此外,本文介绍了粒子群算法的基本原理及特点,并在MATLAB中进行编程实现了粒子群算法优化过程。以所建立的钻削力、扭矩、残余应力回归方程为适应度函数,本研究使用编写的粒子群算法分别以最小钻削力、最小扭矩、最小孔壁残余应力为目标进行优化,得到优化后的刀具几何参数组合。之后,使用优化几何参数后的刀具再次建立钻削仿真模型进行验证,证明了优化刀具几何参数后可以减小钻削力、扭矩和残余应力。对用于TC4钛合金钻削加工的麻花钻几何参数进行优化研究,能够有效地提高TC4钻削加工效率和质量,并为实际生产提供一定的借鉴。


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