高速斷續(xù)加工過程工件及刀具瞬態(tài)切削溫度的研究.pdf

1、高速切削加工具有高效率、高精度、低成本的技術(shù)特點(diǎn)，受到航空航天、汽車制造及模具加工等行業(yè)的青睞。斷續(xù)切削在切削熱源、熱傳遞、熱量分配及熱載荷作用方式等方面與連續(xù)切削都存在顯著差異。探索斷續(xù)切削過程中刀具及工件切削溫度隨切削速度的變化規(guī)律，對(duì)控制切削速度降低切削溫度并抑制斷續(xù)切削過程的熱沖擊，具有重要的理論意義與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
　　本文以1045鋼、Ti6A14V、H13與Aermet100為工件材料，利用切削原理和傳熱學(xué)理論、有限

2、元模擬仿真與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，對(duì)高速斷續(xù)切削過程中刀具及工件溫度隨切削速度的變化規(guī)律進(jìn)行研究，探索斷續(xù)切削過程切削時(shí)間與非切削時(shí)間之比等因素對(duì)刀具及工件溫度的影響機(jī)理。主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　首先，針對(duì)斷續(xù)切削過程工件切削溫度與刀具切削溫度測(cè)量難點(diǎn)，開發(fā)斷續(xù)切削過程工件切削溫度與刀具切削溫度測(cè)量系統(tǒng)。斷續(xù)切削過程中工件承受高頻周期性熱載荷，工件內(nèi)部溫度梯度大，對(duì)斷續(xù)切削過程工件切削溫度測(cè)量要求快速響應(yīng)、高頻采集、不同深度多通道

3、同時(shí)測(cè)量。開發(fā)的多通道熱電偶溫度采集系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)斷續(xù)切削過程工件切削溫度在線實(shí)時(shí)測(cè)量與記錄;結(jié)合熱電偶技術(shù)與無(wú)線信號(hào)傳輸技術(shù)，開發(fā)的熱電偶無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)銑削高速旋轉(zhuǎn)刀具瞬態(tài)切削溫度的在線實(shí)時(shí)測(cè)量。
　　其次，建立基于J-C本構(gòu)方程的斷續(xù)切削過程有限元模擬模型，研究刀具及工件切削溫度分布隨切削速度的變化規(guī)律。斷續(xù)切削有限元分析結(jié)果表明刀具及工件切削溫度隨切削速度的升高均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，隨著切削速度的提高，更多的切削熱量

4、被切屑帶走，進(jìn)入工件及刀具的熱量比例降低。銑削過程中切削厚度周期性變化，作用在銑削刀具上的熱源面積與熱流密度也隨著切削過程的進(jìn)行而周期性變化，建立刀-屑接觸長(zhǎng)度及進(jìn)入刀具的熱流密度與切削厚度的擬合表達(dá)式，為銑削刀具切削溫度的預(yù)報(bào)提供研究基礎(chǔ)。
　　再次，建立高速斷續(xù)切削過程刀具瞬態(tài)切削溫度的理論預(yù)報(bào)模型，使用格林函數(shù)法及分離變量法得到刀具瞬態(tài)切削溫度的解析解，揭示了高速斷續(xù)切削過程中刀具切削溫度隨切削速度提高的變化規(guī)律為先升高后降

5、低。研究表明切削速度的升高使單位時(shí)間內(nèi)的熱量生成增加、使切削周期內(nèi)切削熱量進(jìn)入刀具的傳遞時(shí)間減少、同時(shí)使熱對(duì)流因素的熱耗散作用效果增強(qiáng)。隨著切削速度的升高，刀具切削溫度變化是上述三個(gè)因素共同作用的結(jié)果:在低速切削范圍，單位時(shí)間內(nèi)的熱量生成起主導(dǎo)作用，刀具溫度隨切削速度的提高而上升;在高速切削范圍，切削熱量進(jìn)入刀具的傳遞時(shí)間減少和熱對(duì)流因素作用增強(qiáng)起主導(dǎo)作用，導(dǎo)致刀具切削溫度隨切削速度的提高而降低。通過分析斷續(xù)切削過程中切削時(shí)間與非切削時(shí)

6、間之比對(duì)刀具切削溫度的影響機(jī)理，發(fā)現(xiàn)減小切削時(shí)間與非切削時(shí)間的比值，可以使刀具切削溫度降低，并使整個(gè)銑削周期內(nèi)刀具溫度變化較為平緩，使熱載荷沖擊降低。
　　最后，建立了基于移動(dòng)熱源法的斷續(xù)切削工件瞬態(tài)切削溫度解析模型，揭示了斷續(xù)切削過程切削速度對(duì)工件切削溫度分布的影響規(guī)律，研究表明隨著切削速度的提高，單位時(shí)間內(nèi)切削熱量生成增加，同時(shí)切削熱傳導(dǎo)至工件的時(shí)間減小，使得進(jìn)入工件的切削熱量分配比例減小。工件切削溫度受熱源移動(dòng)速度與進(jìn)入工件

7、的熱流密度的共同影響，在較低的切削速度下，切削熱生成增加的幅度高于切削熱量進(jìn)入工件的分配比例減小的幅度，工件切削溫度隨切削速度的升高而升高;在較高切削速度下，切削熱生成增加的幅度低于切削熱量進(jìn)入工件的分配比例減小的幅度，工件切削溫度隨切削速度的升高而降低。研究發(fā)現(xiàn)隨著切削速度的升高，工件溫度場(chǎng)相對(duì)高溫區(qū)域減小，溫度梯度增大，熱沖擊增大。1045、Aermet100、Ti6A14V與H13四種工件材料的高速銑削工件溫度測(cè)試結(jié)果與斷續(xù)切削瞬