基于离散元的TC4钛合金高速内冷螺旋铣孔加工特性研究

作     者：仵景岳 

作者单位：广东海洋大学 

学位级别：硕士

导师姓名：尹凝霞;郑重

授予年度：2023年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：高速螺旋铣孔 内冷 刀-屑摩擦因数 离散元 CFD-DEM 

摘      要：高速螺旋铣孔工艺因在钛合金等难加工材料上表现出优秀的加工特性,被广泛关注,而采用内冷的高速螺旋铣孔工艺,可以实现快速清除切屑从而提高刀具使用寿命以及加工表面质量。本文为探讨高速内冷螺旋铣孔加工钛合金过程中铣削力的预测、铣刀底刃刀-屑摩擦因数的变化以及对高速内冷螺旋铣孔的排屑效果,通过不同参数的高速内冷螺旋铣孔试验、离散元刀-屑接触模型与CFD-DEM耦合模型进行分析,研究结果为铣孔加工参数与铣刀参数的选择提供指导,从而提高工件加工表面质量。具体研究如下: 刀-屑摩擦特性影响铣削力与表面加工质量,通过不同参数的高速内冷螺旋铣孔试验,发现铣刀底刃连续切削所产生的带状切屑及其轴向进给是导致刀具磨损的主要原因,分析底刃刀-屑摩擦特性的变化规律,为建立底刃刀-屑接触模型提供摩擦学参数;通过试验所得铣削力数据,构建基于GWO-ELM的铣削力预测模型,其准确率高达98.8%,能够较为准确地预测高速铣削力,对提高表面加工质量有重要意义。 基于试验提供的摩擦学参数建立底刃刀-屑接触模型,通过不同铣削参数、刀具参数的仿真模拟,结果表明:在相同条件下增加主轴转速可以有效降低底刃接触压力和铣刀底刃磨损;减小螺距和每齿进给量可以缩小切屑厚度,以此降低摩擦因数;增大铣刀前角角度,底刃刀-屑接触压力与法向力随之增大,使得铣刀前角角度越大,底刃刀-屑摩擦因数也越大。为降低底刃刀-屑摩擦因数,应增大主轴转速,降低螺距、每齿进给量及铣刀前角角度,以保证高速内冷螺旋铣孔的加工质量,减少刀具磨损。 螺旋铣孔过程中切屑的未及时排出会对加工表面与刀具造成二次破坏,影响表面加工质量,采用CFD-DEM耦合模型的方法对高速内冷螺旋铣孔排屑过程进行仿真分析,以探究不同条件下切屑滞留量的变化。实验结果表明:在冷却液压力不变的条件下,适当减小内冷孔直径可以有效提升冷却液流速,以提高切屑颗粒的排出效率;减小螺旋角可以减少切屑颗粒与铣刀之间的碰撞,但会加剧切屑颗粒与孔壁之间的碰撞。为降低切屑不及时排出所带来的加工表面与刀具的损坏,在相同条件下,孔刀比(孔径/刀径)1.5为最优选择,内冷孔径应不小于0.8 mm,选择螺旋角时应当不低于35°,可以有效提高排屑效率。 通过高速内冷螺旋铣孔实验、离散元仿真与CFD-DEM耦合仿真发现,准确地预测铣削力,并选择合适铣削参数与铣刀参数,从而降低底刃刀-屑摩擦因数,提高排屑效率,可以有效提高工件加工表面质量。