CN105929128A - 一种测定钛合金tc4本构方程的方法 - Google Patents

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何玲
罗金刚
马培栋
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Abstract

本发明公开了一种测定钛合金TC4本构方程的方法，该方法通过测量切削加工过程中的切削力、切削温度、切屑变形参数等值，利用切屑变形理论反求出工件材料的等值，最后将切屑变形的值利用遗传算法进行本构方程中待定参数的标定，以误差平方和最小为优化目标，得到钛合金TC4环槽切削加工切屑变形的本构方程。本发明以金属切削加工为研究对象，通过加工过程中的切屑变形行为研究，得到钛合金TC4的本构方程更加适用于钛合金TC4环槽切削加工的数值研究，而且本发明在测定过程中，不需要添加附加装置，降低测量成本、减轻附加装置带来的实验误差，使得测定实验操作更加简单，误差更小。

Description

一种测定钛合金TC4本构方程的方法
技术领域
本发明涉及一种测定钛合金TC4本构方程的方法，属于金属切削加工材料变形研究技术领域。
背景技术
切削加工技术广泛应用于航空航天紧固件的生产和工业中，切削加工过程是依靠刀具与工件的相对运动来完成切削的。在加工过程中，涉及复杂的机械物理、化学作用，工件材料的本构方程反映了工件加工变形过程中的力学行为，定量的表达了应力、应变、应变率、温度之间的关系。而在切削加工过程中，工件的质量、刀具磨损都与工件材料的变形有关。而对于金属切削加工而言，合适的工件材料变形本构方程，对于提高工件质量、减轻刀具磨损、提高生产效率、更加深入的解释切削加工，具有什么重要的意义。
由于钛合金金TC4材料环槽车削加工有其特有的加工特点，普通测定方法难以测得在环槽车削加工条件下的工件变形的本构方程。目前，研究金属切削过程中工件材料变形本构方程的方法有：
(1)基于材料变形法。将工件做成试样，利用万能材料试验机、扭转试验机、霍普金森拉杆等装置对试样进行不同温度的准静态拉伸试验，及室温下不同应变率的实验拉伸试验、缺口试样拉伸试验、圆柱压缩实验、光滑试样的扭转实验及霍普金森拉杆拉伸试样，最后获得试样变形时的应力、应变、应变率及温度等数据，结合数值仿真标定及拟合数据，最后得到材料变形时的本构方程。以上测定方法步骤繁琐，人为因素影响较大，而且设备成本较高。
(2)快速落刀装置。利用各种附加装置，实现刀具与切屑的迅速分离，从而获得切屑根部标本。这些附加装置结构较为复杂，刀具与工件的脱离容易受外界因素影响，导致测定结果不准确。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种测定钛合金TC4本构方程的方法，该方法实施简单，无需要添加附加装置或设备，降低测量成本，减轻附加装置带来的实验误差，使得测定实验操作更加简单，误差更小，测定结果更准确。
本发明的技术方案：一种测定钛合金TC4本构方程的方法，包括以下步骤：
（1）首先在工件表面加工环槽处利用铣刀加工出两个相同的轴向切屑脱离槽，且切屑脱离槽沿径向对称布置在工件表面，然后在数控车床进行环槽车削加工；
（2）利用动态测力仪或者压力传感器测量切削加工中的切削力，利用自然热电偶法、人工热电偶法或者红外线测温装置测量切削加工过程中的切削温度，记录切屑在切屑脱离槽处断裂时的主切削力F C 以及进给力F j 、切削速度V 以及切削温度T ；
（3）将所得切屑标本根部研磨抛光处理，通过显微镜观察切屑的变形状态，利用电子显微镜直接测量剪切角φ、第一变形区的宽度值△S 、变形后的切屑厚度a j 、变形后的切屑宽度a w 、切槽刀具前角γ 0 以及刀具前刀面的摩擦角β；
（4）将将步骤（2）和步骤（3）获得的数值带入平行侧面剪切区模型进行切屑应力σ、切屑应变ε以及切屑应变率 的反求，求得该切屑变形的σ、ε、值，其中平行侧面剪切区模型的表达式为：
式中剪切应力τ等于切屑应力σ，即σ=τ；
（5）获得两组或两组以上的切屑变形的σ、ε、、T 值利用遗传算法进行本构方程中待定参数的标定，以误差平方和最小为优化目标，得到钛合金TC4环槽切削加工切屑变形的本构方程。
上述方法中，所述的切屑脱离槽为U形深槽，其槽深为5倍进给量，槽宽为1.5倍进给量，槽长度为切槽刀具主切削刃宽度1.5倍。
由于采用上述技术方案，本发明的优点在于：本发明以钛合金TC4环槽切削加工为研究对象，测得的本构方程能准确的反映钛合金TC4环槽车削加工过程中的变形行为。同时，本发明在测定过程中无需要添加附加装置或设备，降低测量成本，减轻附加装置带来的实验误差，使得测定实验操作更加简单，误差更小，测定结果更准确。
附图说明,
图1为本发明实施时的结构示意图；
图2是图1的立体图。
附图标记说明：1-切槽车刀，2-切屑，3-工件，4-切屑脱离槽，5-环槽。
具体实施方式,
为了使本发明目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明的实施例：一种构建钛合金TC4环槽切削变形本构方程的方法，包括以下步骤：
（1）在工件3表面加工环槽5处利用铣刀加工出两个相同的轴向切屑脱离槽4，且切屑脱离槽4沿径向对称布置在工件3表面，所述的切屑脱离槽4为U形深槽，其槽深为5倍进给量，槽宽为1.5倍进给量，槽长度为切槽刀具主切削刃宽度1.5倍；然后在数控车床利用切槽车刀1进行环槽5的车削加工；
（2）利用动态测力仪或者压力传感器测量切削加工中的切削力，利用自然热电偶法、人工热电偶法或者红外线测温装置测量切削加工过程中的切削温度，记录切屑在切屑脱离槽处断裂时的主切削力F C 以及进给力F j 、切削速度V 以及切削温度T ；
（3）将所得切屑标本根部研磨抛光处理，通过显微镜观察切屑的变形状态，利用电子显微镜直接测量剪切角φ、第一变形区的宽度值△S 、变形后的切屑厚度a j 、变形后的切屑宽度a w 、切槽刀具前角γ 0 以及刀具前刀面的摩擦角β；
（4）将将步骤（2）和步骤（3）获得的数值带入平行侧面剪切区模型进行切屑应力σ、切屑应变ε以及切屑应变率的反求，求得该切屑变形的σ、ε、值，其中平行侧面剪切区模型的表达式为：
式中剪切应力τ等于切屑应力σ，即σ=τ；
（5）根据上面测量的数据，计算得到8组切屑变形的σ、ε、、T 值利用遗传算法进行本构方程中待定参数的标定，如表1所示。本实施例以J-C本构方程为例，J-C本构方程形式如式（1）所示。以误差平方和最小为优化目标，利用遗传算法对本构方程中待定参数A、B、C、m、n进行标定，所得本构方程如表2所示。

Claims (2)

1.一种测定钛合金TC4本构方程的方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）首先在工件表面加工环槽处利用铣刀加工出两个相同的轴向切屑脱离槽，且切屑脱离槽沿径向对称布置在工件表面，然后在数控车床进行环槽车削加工；
（2）利用动态测力仪或者压力传感器测量切削加工中的切削力，利用自然热电偶法、人工热电偶法或者红外线测温装置测量切削加工过程中的切削温度，记录切屑在切屑脱离槽处断裂时的主切削力F C 以及进给力F j 、切削速度V 以及切削温度T ；
（3）将所得切屑标本根部研磨抛光处理，通过显微镜观察切屑的变形状态，利用电子显微镜直接测量剪切角φ、第一变形区的宽度值△S 、变形后的切屑厚度a j 、变形后的切屑宽度a w 、切槽刀具前角γ 0 以及刀具前刀面的摩擦角β；
（4）将将步骤（2）和步骤（3）获得的数值带入平行侧面剪切区模型进行切屑应力σ、切屑应变ε以及切屑应变率 的反求，求得该切屑变形的σ、ε、值，其中平行侧面剪切区模型的表达式为：
式中剪切应力τ等于切屑应力σ，即σ=τ；
（5）获得两组或两组以上的切屑变形的σ、ε、、T 值利用遗传算法进行本构方程中待定参数的标定，以误差平方和最小为优化目标，得到钛合金TC4环槽切削加工切屑变形的本构方程。
2.根据权利要求1所述的构建钛合金TC4环槽切削变形本构方程的方法，其特征在于：所述的切屑脱离槽为U形深槽，其槽深为5倍进给量，槽宽为1.5倍进给量，槽长度为切槽刀具主切削刃宽度1.5倍。
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