文献综述
一、研究的目的与意义
钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。世界上许多国家都认识到钛合金材料的重要性，相继对其进行研究开发，并得到了实际应用。第一个实用的钛合金是1954年美国研制成功的Ti-6Al-4V合金，由于它的耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性均较好，而成为钛合金工业中的王牌合金，该合金使用量已占全部钛合金的75%～85%。其他许多钛合金都可以看作是Ti-6Al-4V合金的改型。20世纪50～60年代，主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金，70年代开发出一批耐蚀钛合金，80年代以来，耐蚀钛合金和高强钛合金得到进一步发展。耐热钛合金的使用温度已从50年代的400℃提高到90年代的600～650℃。A2(Ti3Al)和r（TiAl）基合金的出现，使钛在发动机的使用部位正由发动机的冷端（风扇和压气机）向发动机的热端（涡轮）方向推进。结构钛合金向高强、高塑、高强高韧、高模量和高损伤容限方向发展。另外，20世纪70年代以来，还出现了Ti-Ni、Ti-Ni-Fe、Ti-Ni-Nb等形状记忆合金，并在工程上获得日益广泛的应用（1）。
其中在加工钛合金时，有限元分析就显得十分重要。有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。利用简单而又相互作用的元素（即单元），就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统（2）。切削过程是一个复杂的工艺过程,它不但涉及到了弹性力学、塑性力学、断裂力学,而且还与摩擦学和热力学等相关,切削质量受到刀具形状、切削用量、切削热和刀具磨损等众多因素的影响传统的金属切削过程研究一般是先选择工件材料、刀具及工艺参数,并借助于一定的测试手段,来进行实际的切削实验.用这种方法进行研究,往往要做大量的重复性实验,耗时、耗力,实验成本高.近年来,随着计算机技术及软件技术的不断发展，使得采用有限元法来模拟切削加工过程成为可能.实践证明，该方法能够减少甚至消除反复实验次数,并且具有实时性，能够获取实验无法测量的数据,并对数据进行自动处理,弥补了传统方法的缺点（3）。本课题是以钛合金材料钻孔加工过程的仿真分析为例，来使用有限元方法对三维钻削过程的切削力、切削温度和切屑形态进行分析与仿真。本课题是为了研究塑性材料切削及微切削过程有限元仿真的理论及方法，加深学生对刀具、工件材料以及切削过程的理解，培养学生掌握基本的有限元理论知识和有限元软件的使用，以拓宽学生的知识面和提升学生的专业技能。
二、国内外发展现状
在董经达，李晓舟（4）等人关于切削刃钝圆半径对微切削过程的影响的论文中就使用了有限元去分析所研究的课题。切削刃钝圆半径会影响微切削的轮廓误差、尺寸效应、最小切削厚度和切削比能等参数。在进行有限元分析前先进行了建模与仿真，其中在建模时将三维模型转化为二维模型，从而降低了计算机的硬件要求，提高了效率，值得学习。最后利用有限元仿真得到了最小切削厚度与切削刃钝圆半径的数值关系。在另一篇多尺度视野下FRC（5）钻削有限元仿真研究进展的论文中，齐振超，刘勇（5）等人就通过有限元分析了纤维增强复合材料，这种非传统材料在航空航天领域应用广泛。FRC材料在钻削过程中与金属钻削十分类似。在仿真过程中同样是先通过有限元软件进行建模，再分别从维度的相数进行归纳，其中模拟过程中还加入了模型的损伤模拟，以提高钻削模拟的准确性。张慧萍，刘壬航，李珍灿，张庆宇（6）在关于300M超高强度钢高速切削过程仿真研究中，不仅利用有限元分析了力的变化，还分析了在切削过程中温度的变化，并通过与实际测量数值进行对比，分析误差的来源。在利用有限元分析时还是先进性建模再计算的过程。同样陈江，娄忆清，徐一耿（7）表面裂纹准静态扩展的有限元模拟计算中详细地介绍了利用有限元分析表面裂纹静态扩张的模拟计算方法。最后在杜平安（8）关于有限元网格划分的基本原则中系统地介绍了划分网格时所要注意的基本细节。因为划分网格是建立有限元模型的一个重要环节，它要求考虑的问题较多,需要的工作量较大,所划分的网格形式对计算精度和计算规模将产生直接影响。在贺涛（9）关于钛合金小深孔钻削机理仿真研究中利用了Deform-3D对所设计的仿真实验进行了模拟，得到了不同钻削参数下切削力、扭矩的曲线图，以及切削温度、刀具磨损量的分布云图。最后，通过对比模拟结果，得到了进给量和切削速度两个切削用量与轴向力、扭矩、刀具磨损量的关系，并总结了其规律。易俊杰（10）关于钛合金告诉铣削力实验与有限元分析中利用TABAQUSEXPLICTT有限元程序，建立了三维铣削有限元模型，对三维铣削进行了有限元仿真，对其铣削过程中的铣削应力、铣削力、铣削温度的变化规律进行了分析。刘胜（11）关于钛合金正交切削的温度场与切削力仿真与实验研究中本文重点研究钛合金TC4在切削加工时的工件、切屑和刀具上的温度分布和切削力。然后通过正交车削的试验，揭示出正交切削过程中切削温度、切削力和切削参数之间的一般规律性，其结果与仿真结果进行对比，验证了有限元仿真的准确性和可行性。 吴明涛（12）关于钛合金金刚石超精密车削加工工艺研究中基于有限元分析软件Advantedgc进行了钛合金金刚石车削有限元分析，分析了车削过程中切屑的形成过程及切削温度的分布，研究了切削速度、背吃刀量、进给速度对车削加工影响，并对刀具前角、后角对车削加工的影响进行了研究，最后对直刃金刚石刀具直角自由切削时的切削力与理论公式进行了对比。
三、总结
我们可以看出有限元分析在解决金属或非金属材料时的优点及其对传统方法缺陷的弥补。通过这几篇论文同样学习了如何利用有限元分析去模拟计算金属切削的过程与注意点和好的方法。
其中在有限元切削模型的建立过程中一般有以下几步：
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