【毕业设计】钛合金薄壁结构件磨削加工残余应力有限元仿真 开题报告.doc
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1、天津职业技术师范大学毕 业 设 计 开 题 报 告钛合金薄壁结构件磨削加工残余应力有限元仿真系 别: 机械工程学院 班 级: 机自0901 学生姓名: 韩捷 指导教师: 霍文国 2013 年 1 月 7 日毕业设计开题报告课题题目钛合金薄壁结构件磨削加工残余应力有限元仿真课题性质A B C D E 课题来源A B C D 成果形式A B C D E 同组同学一、 研究目的、意义随着大量新材料的出现和应用以及科学技术发展所带来的对零件精度、质量的新要求,磨削加工应用的增长幅度远超过其他传统加工方法。磨削加工往往作为零件的终加工工序,其加工的表面质量往往决定了零件的最终质量。而钛合金在如航空航天等
2、重要场合的广泛应用对其加工过程提出了更高的要求。现阶段能有效提高零件加工精度的手段是磨削,而磨削后零件表面的残余应力又决定着零件的使用寿命和性能,因此通过控制磨削过程和磨削条件从而获得低应力的加工表面就具有重要的研究价值。在磨削加工过程中,工件产生残余应力,构件中的残余应力对零件的表面质量有很大影响:如使构件的强度降低、降低工件疲劳极限、造成应力腐蚀和脆性断裂,由于残余应力的松弛,使构件产生变形,影响了构件的尺寸精度。因此降低和消除构件的残余应力,就显得十分必要。而残余应力的控制不当会成为如飞机失事,火车出轨等重大事故的影响因素或决定性因素。因此,从涉及人身安全这一角度看,控制和降低甚至在某种
3、条件下消除残余应力就显得刻不容缓。将钛合金作为研究残余应力的切入点主要是因为钛及钛合金具有重量轻、强度大、耐腐蚀等许多特性。钛合金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。60年代中期,钛及其合金已在一般工业中应用,用于制作电解工业的电极,发电站的冷凝器,石油精炼和海水淡化的加热器以及环境污染控制装置等。钛及其合金已成为一种耐蚀结构材料。此外还用于生产贮氢材料和形状记忆合金等9。因此研究钛合金及其加工就具有长远的经济价值。现阶段残余应力的检测较繁琐,需要精密昂贵的检测仪器和对零件一定程度的破坏。而有限元法是现今金属切削加工理论研究的重要数值分析手段之一 ,它能够综合
4、考虑工件与刀具的材料、加工方法、加工条件等多种因素 ,定量和定性分析残余应力,广泛吸收现代数学、力学理论,并借助计算机找到工程需要的数值解。因此仿真的应用不论是在技术还是经济层面都具有重要的意义。 综上,对于钛合金磨削加工后残余应力数值模拟的仿真,是进一步提高钛合金产品性能和寿命的有力研究途径。二、研究内容(一)钛合金材料1、钛合金的性能 图1 钛合金 图2 钛合金 钛的一个显著特点是耐腐蚀性强,这是钛对氧的亲合力特别大,能在其表面生成一层致密的氧化膜,可保护钛不受介质腐蚀。金属钛在大多数水溶液中,都能在表面生成钝化氧化膜。因此,钛在酸性、碱性、中性盐水溶液中和氧化性介质中具有很好的稳定性。钛
5、合金以此特性在化学工业、化肥工业、电力工业、造纸和纺织工业中都有着广泛的应用。钛是化学工业中优良的抗腐蚀材料;是化肥工业中取代不锈钢材料盛放尿素、胺、胺基胛酸胺等高温高压混合液的新材料;是电力工业中用作为热交换器的冷却管的材料;是海水淡化装置和造船工业的理想材料;是纺织印染工业中漂白设备的重要材料;还是医疗和制药部门用作人造肢体和器官的材料。钛合金的密度一般在4.5g/cm3左右,仅为钢的60,纯钛的强度接近普通钢的强度,一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。因此钛合金的比强度(强度/密度)远大于其他金属结构材料,可制出单位强度高、刚性好、质轻的零、部件。在飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、
6、紧固件及起落架等都使用钛合金。使用温度比铝合金高几百度,在中等温度下仍能保持所要求的强度,可在450-500的温度下长期工作这两类钛合金在150-500范围内仍有很高的比强度,而铝合金在150时比强度明显下降。钛合金的工作温度可达500,铝合金则在200以下。钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作,其抗蚀性远优于不锈钢;对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强;对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力。但钛对具有还原性氧及铬盐介质的抗蚀性差。钛合金在低温和超低温下,仍能保持其力学性能。低温性能好,间隙元素极低的钛合金,如TA7,在-253下还能保持一定的塑性。因此,钛合金也是一种重要
7、的低温结构材料。钛的化学活性大,与大气中O、N、H、CO、CO2、水蒸气、氨气等产生强烈的化学反应。含碳量大于0.2时,会在钛合金中形成硬质TiC;温度较高时,与N作用也会形成TiN硬质表层;在600以上时,钛吸收氧形成硬度很高的硬化层;氢含量上升,也会形成脆化层。吸收气体而产生的硬脆表层深度可达0.1-0.15mm,硬化程度为2030。钛的化学亲和性也大,易与摩擦表面产生粘附现象。2、钛合金切削特点 图3 钛合金 钛合金的硬度大于HB350时切削加工特别困难,小于HB300时则容易出现粘刀现象,也难于切削1。但钛合金的硬度只是难于切削加工的一个方面,关键在于钛合金本身化学、物理、力学性能间的
8、综合对其切削加工性的影响。钛合金有如下切削特点:(1)变形系数小:这是钛合金切削加工的显著特点,变形系数小于或接近于1。切屑在前刀面上滑动摩擦的路程大大增大,加速刀具磨损。(2)切削温度高:由于钛合金的导热系数很小(只相当于45号钢的1/51/7),切屑与前刀面的接触长度极短,切削时产生的热不易传出,集中在切削区和切削刃附近的较小范围内,切削温度很高。在相同的切削条件下,切削温度可比切削45号钢时高出一倍以上。(3)单位面积上的切削力大:主切削力比切钢时约小20,由于切屑与前刀面的接触长度极短,单位接触面积上的切削力大大增加,容易造成崩刃8。同时,由于钛合金的弹性模量小,加工时在径向力作用下容
9、易产生弯曲变形,引起振动,加大刀具磨损并影响零件的精度。因此,要求工艺系统应具有较好的刚性。(4)冷硬现象严重:由于钛的化学活性大,在高的切削温度下,很容易吸收空气中的氧和氮形成硬而脆的外皮;同时切削过程中的塑性变形也会造成表面硬化。冷硬现象不仅会降低零件的疲劳强度,而且能加剧刀具磨损11,是切削钛合金时的一个很重要特点。(5)刀具易磨损:毛坯经过冲压、锻造、热轧等方法加工后,形成硬而脆的不均匀外皮,极易造成崩刃现象,使得切除硬皮成为钛合金加工中最困难的工序。另外,由于钛合金对刀具材料的化学亲和性强,在切削温度高和单位面积上切削力大的条件下,刀具很容易产生粘结磨损15。(二)磨削加工图4 磨削
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