1.1研究目的及背景

航空航天制造业是制造业最为重要的组成部分之一，其技术水平和生产能力是国家制造业实力和国防科技工业现代化水平的综合体现[1]。随着“工业4.0”的到来，以及大飞机专项、发动机专项的逐步发展，对航空制造水平的要求越来越高。毫无疑问，“航空发动机”决定了飞机性能的上限，而整体叶盘、叶环及机匣等是发动机的核心部件，其制造水平直接决定了发动机的服役能力。航空发动机推重比的逐渐提升，使发动机的核心工作温度也逐渐提升，核心工作部件承受高温的要求越来越迫切，此时高温合金便应运而生，成了大部分热端部件的首选材料[2]。高温合金按照主要元素分可分为镍基、铁基、钴基、钛基高温合金，对比几种合金，在500∽600℃的工作温度区间内钛合金有更好的物理和力学性能。同时，随着近年来钛合金的研究发展，高温钛合金的性能有了极大的提升，如北京航空材料研究院研制的新一代６００℃高温钛合金ＴＡ２９[3]。ＴＡ２９钛合金因在６２０℃仍具有良好的蠕变抗力，在其他性能满足设计要求时，可延伸至６２０℃左右长期使用。除在发动机领域具 有很好的应用潜力外，ＴＡ２９钛合金在７５０～８００℃仍能保持较高的抗拉强度，可在此温度区间短时使用。得益于其优异的高温强度、抗氧化、抗蠕变、抗腐蚀能力和良好的疲劳特性，能够在高温下能承受一定的工作压力。但在拥有上述优点的同时，由于加工过程中出现的切削力较大、导热性较差导致的切削温度高[4]、加工硬化现象严重等问题，加之切屑易粘刀，刀具粘结磨损、扩散磨损剧烈，使其成为了名副其实的难加工材料[5]。同时也导致加工表面完整性难以保证，表面加工质量较低，这对航空发动机关键部件零件的疲劳寿命有极大的影响。通过对钛合金想铣削过程中切削力和温度的仿真研究，探索其对表面完整性的影响规律，实现提高零件表面加工质量，进而提高零部件的疲劳寿命。

1.2 研究意义

钛合金切削是一个非线性的热力藕合过程。在金属切削过程中，切削热主要来源于切削区的弹塑性变形、刀具与切屑和工件间的摩擦。大量切削热引起切削温度的升高，必然导致刀具的磨损[6]。切削力是表征切削过程最重要特征的物理量，其变化将直接影响加工过程中加工精度、刀具磨损和表面加工质量等，因而对切削温度和切削力的研究对保证加工表面完整性具有十分重要意义[7]。钛合金的切削过程是高温、高压、高应变率的复杂非线性热力耦合过程，传统的切削试验耗时耗力成本昂贵，且切削过程中的温度、应力、应变等参数很难准确得到。随着有限元理论和仿真技术的发展成熟，计算机数值模拟切削过程的地位变得越来越明显，通用有限元软件ABAQUS来模拟钛合金的切削过程，建立切削过程的热-力耦合弹塑性有限元模型，分析切削过程的切削力和切削热，为钛合金的切削工艺优化提供参考。

1.3 国内外现状分析

国内外的科研人员对高温合金切削表面完整性和有限元仿真均做了大量的理论、试验研究。L.N. Lopez de lacalle[8]等对 Inconel 718 进行了不同切削参数、刀具角度以及刀具涂层材料的铣削实验，他们得出了当切削速度 Vc 高于50m/min 时，材料开始出现加工硬化现象，而这将预示着刀具将会出现过早的刀具磨损。Thakur[9]等人应用 K20 硬质合金刀具高速切削Inconel 718 时，发现周向切削力略大于进给 方向的切削力，周向力和进给力会减小的原因是接触区域的减小和由于切削速度增大导致温度增加使得剪切强度降低；当 Vc 介于 45-55m/min 时，切向力和进给 力基本呈现线性关系，并且在进给为 0.08mm/r 时，得到最佳的表面质量；积屑瘤在上述参数下并没有观察到。Pawade[10]等在高速车削 Inconel 718 时，研究了不同切削参数和刀具几何形状对表面完整性的影响，他们观察到采用较高的切削速度，较低的进给和中等切深，并使用刃磨过的切削刃加工时，能保证已加工表面产生的是残余压应力；在显微硬度的测量中，亚表面观察到明显的加工硬化。 Arunachalam[11]等使用CBN和陶瓷刀具研究切削参数、刀具几何形状对表面残余 应力和表面粗糙度的影响，表明陶瓷刀具切削时产生的残余拉应力比用 CBN刀具产生的大；同时切削速度对CBN刀具切削产生的残余应力影响更为显著，在 150-225m/min 内，产生压应力，在 300-375m/min 时，产生的是拉应力；在表面粗糙度方面是均随着速度的增加而减小。Arunachalam[12]同时又研究了涂层硬质合金刀具切削 Inconel 718 的表面完整性，他认为涂层刀具在精加工后，产生的不一定是残余压应力，可能是拉应力。具有圆形倒角、负前角、小刀尖半径(0.8mm) 的涂层硬质合金刀片，在冷却液加工的情况下，会产生较小的残余应力，大多情况是压应力。Nalbant[13]等研究了切削速度和切削刀具几何形状对切削力的影响。切削速度增加 60%(150-250m/min)时，主切削力下降了 14.6%；切削速度增加20%时，主切削力下降了 10.4%。最小主切削力在速度等于 250m/min 处获得。与此同时，切削力会随着刀尖圆角半径的增加而增大。Choudhury,IA[14]等利用未涂层与涂层硬质合金刀具进行了Inconel 718 的正交干切削实验，并通过引入响应曲 面法得出了如下结论：对于涂层刀具，进给对刀具寿命的影响比切削速度较为显著；进给对未涂层与涂层刀具切削产生的表面粗糙度均显著；切削速度增大，切削力减小，而对于切深和进给，影响则相反。Ezugwu,EO[15]等研究了在不同的冷却压力下才有陶瓷刀具切削 Inconel 718 的表面完整性，当压力提高到 15MPa，刀具寿命会提高许多；而当压力到 20.3MPa，由于加速产生的凹痕，会降低刀具的寿命；

综上所述，目前在钛合金切削过程的仿真还存在如下问题：

1) 仿真加工的形式少，研究范围窄，而且大部分进行的是几何仿真，而对更重要的并在切削过程中起决定因素的切削力、刀具磨损等物理因素的仿真却很少。

2) 尽管国内外关于金属切削过程有限元模拟方面的研究工作已经开展多年，但以往的研究仿真时大多数仅考虑了二维自由切削下的情况，但在实际情况下金属切削大多是三维切削。同时，为了便于进行数值模拟，目前的研究大多数都对边界条件进行了简化，比如视切削过程为干切削、忽略热辐射和对流对切削温度的影响;事实上，刀具破损、磨损、积屑瘤、切削液等各种因素都对切削过程具有重大影响，这就要求我们对各种影响因素进行量化，使仿真结果更加接近实际加工情况。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 研究的基本内容