钛合金ti6al4v激光加热辅助车削过程的仿真分析与实验研究

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1、硕士学位论文钛合金Ti6Al4V激光加热辅助车削过程的仿真分析与实验研究NUMERICALANDEXPERIMENTALSTUDYOFLASERASSISTEDMACHININGPROCESSOFTITANIUMALLOYTi6Al4V（学术型）王励豪哈尔滨工业大学2016年6月国内图书分类号：TG506.4学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工学硕士学位论文钛合金的激光加热辅助车削过程的仿真分析与实验研究硕士研究生：王励豪导师：王武义教授申请学位：工学硕士学科：机械电子工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2016年6月授予学位单位：哈尔滨

2、工业大学ClassifiedIndex:TG506.4U.D.C:621DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringNUMERICALANDEXPERIMENTALSTUDYOFLASERASSISTEDMACHININGPROCESSOFTITANIUMALLOYTi6Al4VCandidate：WangLihaoSupervisor：Prof.WangWuyiAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechatronicsEngineerin

3、gAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：June,2016Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要钛合金是以钛为基础加入其他元素组成的合金，具有比强度高、热强度高、低温性能好、耐腐蚀能力强等优点，广泛应用于航空航天、医疗、化工等行业。但是由于钛合金的导热性差、化学活性高等性能特点，导致其切削加工时切削温度高、刀具磨损快，是典型的难加工金属，故其大规模应用受到了加工效率和加工成

4、本的制约，因此探究钛合金的新型加工技术、改善其加工性能具有重要的研究意义。激光加热辅助切削技术是一种新型的混合加工技术，可以降低切削力和切削能量、延长刀具使用寿命、提高加工表面质量。目前国内激光辅助加工技术的研究主要集中在陶瓷材料领域，研究方法多局限于实验研究。本文采用有限元仿真和实验相结合的方法，针对应用广泛的Ti6Al4V钛合金的激光辅助车削技术进行了研究，具体研究内容如下：首先基于经典传热学理论建立了激光预热钛合金的三维有限元模型，针对多组激光参数进行了数值仿真研究。采用实验和仿真对比的方法，确定了钛合金对激光能量的吸收率这一重要参数。通过比较仿真结

5、果，分析了激光功率、激光移动速度、光斑半径和刀具/激光距离等加工参数对预热温度场的影响，并选取了合适的加工参数用于后续的切削过程仿真和实验研究。基于Johnson-Cook材料本构模型和对应的断裂准则，建立了正交车削钛合金工件的完全热-力耦合有限元模型，进行了多组加工参数下传统加工和激光辅助加工的仿真研究。通过分析仿真得到的应力场、温度场和切削力等结果，揭示了激光辅助加工改善加工状态的机理，并分析了各加工参数对激光辅助切削效果的影响。进行了激光辅助正交车削钛合金的实验研究。设计了激光辅助车削钛合金的实验系统，进行了多组不同加工参数下的切削实验，测量了切削过

6、程中的切削力，观察并分析了激光加热钛合金后的材料微观结构和切削得到的切屑形态，分析了激光辅助加工对加工状态的影响。最后通过比较仿真和实验结果，证实了有限元模型的合理性和准确性。关键词：钛合金；激光辅助加工；温度分布；本构模型；力-热耦合I哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractTitaniumalloysaremetalsthatcontainamixtureoftitaniumandotherchemicalelements.Becauseoftheirhighstrength/weightratio,goodstrengthathightempe

7、ratureandresistancetocorrosion,titaniumalloysarewidelyusedinaerospace,medicalandchemicalfields.However,theirpoorthermalconductivityandhighchemicalactivitymaketitaniumalloysverydifficulttobemachined.Thephenomenasuchashighcuttingtemperatureandfastcuttingtoolabrasioncanbeobservedduri

8、ngtheconventionalmachiningoftitan