钛合金TC4激光加热辅助车削工艺参数优化研究

发布时间：2020-07-20 17:26

【摘要】：钛合金TC4具有耐高温、耐腐蚀、比强度高、焊接性能好等特点,广泛应用于航天航空、船舶、石油、医疗器械等领域。钛合金导热率低,高温化学活性强,切削加工时热量不易扩散,刀尖点温度高,刀具磨损严重。本文采用激光加热辅助切削(Laser-Assisted-Machining,LAM)技术,提出钛合金激光加热辅助车削工艺参数优化方法,进行加热温度场分析以及LAM实验研究,主要包括:针对旋转圆柱工件上轴向平移的激光热源建立一个三维瞬态传热模型,利用COMSOL进行有限元计算,通过红外测温实验对模型进行验证。研究不同激光加热参数下,工件材料加热区域温度分布和热影响层厚度的变化规律,得到最小切削深度,同时利用量纲分析法计算得到激光加热温度的经验公式。通过将激光加热温度作为常规车削的初始温度条件,建立钛合金激光加热辅助车削有限元仿真模型,利用AdvantEdge进行有限元计算,通过主切削力对模型进行实验验证,得到加热温度在310℃~375℃之间时,相比于常规车削,LAM主切削力最多降低26.45%;进一步研究发现在优选的加热温度下,采用LAM技术可降低约18%的主切削力,减小约16%的刀具后刀面磨损,加工表面粗糙度和表面硬度分别降低约20%和5%,得到良好的加工表面质量。基于不同LAM工艺参数的实验结果,以最大加工效率和最小加工成本为优化目标,以本文优选的加热温度为边界条件,进行LAM工艺参数的多目标优化。优化结果表明,当激光功率P=803W、切削速度_Cv=75.21m/min、进给量f_C=0.151mm/r、切深a_p=0.745mm时,LAM技术有效提高钛合金的加工效率、降低加工成本,同时实验结果表明,主切削力降低18.21%、后刀面磨损降低16.54%,加工表面质量良好。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG51
【图文】：

温度场分布,温度场仿真,红外相机,结果对比

（b）温度场仿真结果图 1-3 红外相机图像与温度场仿真结果对比鄢锉等[20]利用有限差分法，结合材料的受热软化特性，建立了 Al2O3热压陶助切削传热模型，计算分析工件的温度场分布，从而得到不同激光加热参数P、扫描速度Lv 和光斑直径0d ）下的切削深度pa 。Dandekar 等[21]得到一种 CO2激光器加热钛合金 TC4 时，材料去除温度mrT 数之间的经验公式如下：23.4 0.66CO0.31 0.34 0.31Cmrwe PTf D V（1，2COP 表示 CO2激光的功率 W，wD 表示工件的直径 mm，f 表示进给量 mm切削速度 m / min。经验公式的拟合结果表明，与激光加热相比，传统切削的热量对瞬态温度场的影响较小，激光功率和激光进给量 f 则是影响分布和材料去除温度最重要的参数。Yang 等[22]开发了一种用于移动高斯激光热源的三维瞬态温度场有限元模型

对比图,温度场,对比图,钛合金

（a）有限元仿真（b）实验结果图 1-4 仿真与实验温度场对比图Ding 等[23]开发了一种适用于钛合金 TC4 激光辅助微铣削的有限元仿真模型究了切削区域温度的变化，实验结果表明当加热温度在 250~450℃之间时，变应力可以降低 20~25%，有效改善了钛合金的切削性能。Chang 等[24]使用离散格子玻尔兹曼方法（LBM）对陶瓷激光加热辅助切削行了计算，实验结果表明，LAM 技术有效地减少了 22％的切削力同时得到刨削更好的加工表面质量。.3 LAM 可行性实验研究Sun 等[25]对商业纯钛进行了 LAM 实验研究，与常规切削相比，切削力的大都显著降低，加工表面质量良好，并且随着切削速度的增加，切屑从锋利的渐转变为连续切屑。Dandekar 等[21]对钛合金 TC4 进行了 LAM 实验研究，激光加热温度约为 250℃，采用 TiAlN 涂层的硬质合金刀具进行加工，切削升至 200m/min，同时刀具寿命比常规加工增加 2~3 倍，比切削能显著降低

曲线,激光吸收,工件,吸收率

（3）调整仿真模型中材料对激光吸收率的参数值。在第一次仿真试验中默认吸收率0 =1，提取仿真结果中对应点 M′、N′温度的最大值2T （多点取平均）；在第二次仿真试验中令吸收率112TT ，提取点 M′、N′温度的最大值3T （多点取平均）。判断3 11T TT 是否成立（为给定的相对误差限），若不成立，则令吸收率12 13=TT ，再次进行仿真试验；若成立，则记录此吸收率值与对应的仿真结果的温度随时间的变化曲线，以此类推。（4）分别将不同吸收率参数下的仿真结果与实验结果进行非线性误差分析，得到本文工况下钛合金 TC4 材料对激光的吸收率参考值为 0.30[35]。

【参考文献】