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液氮低温切削Ti-5553钛合金刀具温度场建模与实验研究

魏旭东  
【摘要】:Ti-5553钛合金具有密度小、耐高温和抗腐蚀性好等特点,综合力学性能优异,已被广泛应用于新型飞机结构件的制造。Ti-5553钛合金为β-α/β型钛合金,由于其弹性模量低、化学活性高、粘结及扩散等现象显著,导致切削加工性能较差,主要体现为切削区域温度高,工件表面易被灼伤;刀具磨损严重,刀具寿命低;切屑不易断裂等。常规冷却加工方法冷却效果不理想,且会造成环境污染。液氮低温冷却切削通过增大热流量,有效降低切削刀具温度,从而减少刀具磨损,提高刀具寿命。目前对于低温冷却加工中刀具表面温度场相关研究工作较少,因此本文以Ti-5553钛合金为对象,开展了液氮低温条件下切削过程中刀具温度场研究。首先,建立低温冷却条件下对流传热系数的数学模型。对液氮喷射过程刀具表面附近的流体运动规律进行分析,定义流动边界层和热边界层。建立特征数方程式并确定量纲,通过对对流传热系数影响因素的分析,建立并求解守恒方程,得出刀具对流传热系数h的计算公式,从而估计刀具表面的热流密度,为低温冷却下切削温度及对流传热系数的确定提供理论支持。其次,基于液氮喷射实验和CFD模型相结合的实验建模方法,确定了对流传热系数。设计液氮喷射实验测量冷却速率用于Star-CCM+软件流体仿真,利用实验和仿真的结果修正液氮喷射过程液/气相比例,最终确定刀具表面对流传热系数h值。建立多项式模型分析射流参数对对流传热系数的影响规律,从而优化射流参数,用于低温冷却车削仿真模型参数的选择。最后,利用DEFORM-3D仿真软件对液氮低温冷却切削钛合金过程进行有限元仿真,对比分析干式切削、低温冷却两种条件下的切削温度变化规律。进行液氮冷却低温切削实验并采用热电偶测温装置测得切削温度,实现车削仿真结果的验证。


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