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TC4钛合金激光辅助微铣削研究

张征  
【摘要】:钛合金材料具有高强度、高硬度以及高耐热等优良特性,近年来在航空航天、车辆工程、生物、化工研究等领域得以广泛应用。然而此类材料的难加工性往往导致常规机械加工后表面质量较差并伴随有严重的刀具磨损现象,这使其成为一种难加工材料。而在微细加工领域,微观尺度效应等问题使难加工材料的切削过程变得更为复杂。针对以上问题,本文将选用激光辅助加热的方式对TC4钛合金进行微铣削研究。 为了确定激光对工件材料温度场分布的影响,本文首先根据能量守恒定律和傅里叶定律建立了含有移动热源的三维瞬态传热学模型。然后建立ABAQUS仿真模型并用实验验证了模型的正确性。利用此模型对各激光参数进行仿真研究,从而确定了各参数对温度场分布的影响程度。同时利用正交表中的仿真结果绘制各激光参数与温度间的因素效果走势图,得到的分析结果为实验研究提供了一组优选激光参数。 对激光辅助微铣削的加工过程进行了仿真与实验对比研究。首先基于材料失效准则对TC4钛合金切削过程中切屑的生成及尺度效应在ABAQUS/Explicit软件中进行了仿真,然后完成了在常规微铣削和激光辅助微铣削条件下的切削力仿真对比研究。在实验研究方面,将铣削力大小、加工质量优劣、元素扩散和刀具磨损程度作为评判标准,完成了激光辅助微铣削及常规微铣削的对比研究。 然后,利用正交试验设计的方法对影响铣削力的工艺参数进行了研究。根据所得实验数据拟合得到激光辅助微铣削力的经验公式,并完成了显著性检验。最后,根据实验所得结果,利用扫描电子显微镜等检测设备确定了激光辅助微铣削过程中的刀具磨损形式,并对刀具失效产生原因作了分析。


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