刀具溫度場的有限元分析
發(fā)布時(shí)間：2018-01-19 08:36:02
根據(jù)傳統(tǒng)切削理論，前刀面上的高溫度不在切削刃上，而是在離切削刃有一定距離的地方。這是因?yàn)槟Σ翢嵫刂睹娌粩嗉拥木壒?。前刀面上后邊一段的接觸長度上，由于摩擦逐漸減少，熱量又在不斷傳出，所以切削溫度開始逐漸下降。由可以看出，刀具前刀面高溫度出現(xiàn)在距離刀刃02mm左右的地磨損以及被加工材料的切削加工性能，并能直接影響刀具的使用壽命。因此分析刀具在切削過程中溫度的分布情況對(duì)研究金屬切削過程具有重要意義。
金屬切削加工的有限元模擬考慮了材料屬性、刀具的幾何條件、切削加工參數(shù)（切削速度、進(jìn)給量、切削深度）等因素。因此通過對(duì)金屬切削加工過程進(jìn)行物理可以預(yù)知刀具、切屑以及工件的溫度場分布。本文利用有限元技術(shù)對(duì)直角切削加工過程進(jìn)行物理，模擬在不同進(jìn)給量以及不同刀具前角下的刀具溫度場分布，為研究刀具磨損機(jī)理、優(yōu)化切削參數(shù)提供有益的數(shù)據(jù)。
刀具溫度場的數(shù)值模型直角切削過程中，由于切削寬度遠(yuǎn)大于切削深度，因此可以將三維模型簡化為二維。根據(jù)有限元法在傳熱學(xué)中的應(yīng)用，可以建立直角切削條件下無內(nèi)熱源非穩(wěn)態(tài)溫度場的微分方程：為刀具材料的密度；c為材料比熱容；T/為介質(zhì)溫度，可設(shè)為20°c.由有限元的變分法原理，求解式（）即求泛函數(shù)的極值，因此根據(jù)歐拉方程：（2）根據(jù)邊界條件的不同可以求得其泛函數(shù)為：知初始溫度值矩陣；At為時(shí)間間隔。由以上公式就可求出時(shí)間間隔為At的各時(shí)刻的溫度場。
2切削加工過程的模擬本文建立的直角切削模型如所示。在切削模擬時(shí)，將刀具固定，使工件以切削速度相對(duì)于刀具移動(dòng)。刀具從初始位置開始切入工件，隨著刀具不斷地切入，連續(xù)切屑形成，直到切削達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。有限元模擬時(shí)將刀具和工件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將刀具分成762個(gè)單元，工件單元?jiǎng)澐蛛S切削過程的進(jìn)行使用自適應(yīng)劃分網(wǎng)格。
本文按照所提供的刀具幾何參數(shù)以及切削條件對(duì)45鋼進(jìn)行了切削加工模擬，如表所示。切削速度為300m /min條件下，改變刀具前角以及進(jìn)給量，分別得出在不同情況下刀具溫度場的分布情況。
方。由于刀具的高切削溫度離切削刃有一定距離，在高壓、高溫的作用下，刀具前刀面極易形成月牙洼磨損。
22刀具前角對(duì)切削溫度的影響在切削加工過程中，切削溫度的升高主要是由于局部的能量消耗引起的。切削溫度隨著前角的大而降低，這主要是因?yàn)榍敖谴?，改善了刀具前刀面的摩擦和切屑的變形狀態(tài)，加強(qiáng)了刀具的切割作用，使得單位切削力下降，從而降低了切削溫度。但是，前角過大，會(huì)使刀具的楔角過小，從而使刀刃的散熱面積和容熱體積減小，因此并不是刀具的前角越大越好。
所示的是刀具前角Y分別為-0°、5°、5°、20時(shí)刀具的溫度場分布情況?？梢钥闯?，在切削達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后刀具高溫度隨著前角的大而減小，其分布如所示。
3進(jìn)給量對(duì)切削溫度的影響隨著進(jìn)給量的加，使得單位時(shí)間內(nèi)刀具的切削量成比例地大，切削溫度上升，但是切屑所帶走的剪切熱和摩擦熱亦加，所以刀具溫度上升比較緩慢，如所示。
刀具溫度隨進(jìn)給量變化分布3結(jié)論與展望本文采用彈塑性有限元方法中的Lagrange法對(duì)金屬的直角切削過程進(jìn)行了模擬，并分析了刀具在切削時(shí)溫度場的分布情況，以及前角對(duì)刀具溫度分布的影響，所得的結(jié)果與傳統(tǒng)切削理論相符。其模擬結(jié)果可以指導(dǎo)切削條件的合理確定、刀具幾何參數(shù)及切削用量的合理選擇、提高刀具壽命、降低生產(chǎn)成本。
金屬切削加工過程涉及到彈、塑性變形、斷裂、劇烈摩擦、相變以及刀具磨損等，這些現(xiàn)象是相互影響，相互關(guān)聯(lián)的。盡管切削加工的有限元模擬與實(shí)際相比還有一些不足，但是該項(xiàng)技術(shù)己成為今后發(fā)展的主要方向。
金屬切削加工的有限元模擬考慮了材料屬性、刀具的幾何條件、切削加工參數(shù)（切削速度、進(jìn)給量、切削深度）等因素。因此通過對(duì)金屬切削加工過程進(jìn)行物理可以預(yù)知刀具、切屑以及工件的溫度場分布。本文利用有限元技術(shù)對(duì)直角切削加工過程進(jìn)行物理，模擬在不同進(jìn)給量以及不同刀具前角下的刀具溫度場分布，為研究刀具磨損機(jī)理、優(yōu)化切削參數(shù)提供有益的數(shù)據(jù)。
刀具溫度場的數(shù)值模型直角切削過程中，由于切削寬度遠(yuǎn)大于切削深度，因此可以將三維模型簡化為二維。根據(jù)有限元法在傳熱學(xué)中的應(yīng)用，可以建立直角切削條件下無內(nèi)熱源非穩(wěn)態(tài)溫度場的微分方程：為刀具材料的密度；c為材料比熱容；T/為介質(zhì)溫度，可設(shè)為20°c.由有限元的變分法原理，求解式（）即求泛函數(shù)的極值，因此根據(jù)歐拉方程：（2）根據(jù)邊界條件的不同可以求得其泛函數(shù)為：知初始溫度值矩陣；At為時(shí)間間隔。由以上公式就可求出時(shí)間間隔為At的各時(shí)刻的溫度場。
2切削加工過程的模擬本文建立的直角切削模型如所示。在切削模擬時(shí)，將刀具固定，使工件以切削速度相對(duì)于刀具移動(dòng)。刀具從初始位置開始切入工件，隨著刀具不斷地切入，連續(xù)切屑形成，直到切削達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。有限元模擬時(shí)將刀具和工件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將刀具分成762個(gè)單元，工件單元?jiǎng)澐蛛S切削過程的進(jìn)行使用自適應(yīng)劃分網(wǎng)格。
本文按照所提供的刀具幾何參數(shù)以及切削條件對(duì)45鋼進(jìn)行了切削加工模擬，如表所示。切削速度為300m /min條件下，改變刀具前角以及進(jìn)給量，分別得出在不同情況下刀具溫度場的分布情況。
方。由于刀具的高切削溫度離切削刃有一定距離，在高壓、高溫的作用下，刀具前刀面極易形成月牙洼磨損。
22刀具前角對(duì)切削溫度的影響在切削加工過程中，切削溫度的升高主要是由于局部的能量消耗引起的。切削溫度隨著前角的大而降低，這主要是因?yàn)榍敖谴?，改善了刀具前刀面的摩擦和切屑的變形狀態(tài)，加強(qiáng)了刀具的切割作用，使得單位切削力下降，從而降低了切削溫度。但是，前角過大，會(huì)使刀具的楔角過小，從而使刀刃的散熱面積和容熱體積減小，因此并不是刀具的前角越大越好。
所示的是刀具前角Y分別為-0°、5°、5°、20時(shí)刀具的溫度場分布情況?？梢钥闯?，在切削達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后刀具高溫度隨著前角的大而減小，其分布如所示。
3進(jìn)給量對(duì)切削溫度的影響隨著進(jìn)給量的加，使得單位時(shí)間內(nèi)刀具的切削量成比例地大，切削溫度上升，但是切屑所帶走的剪切熱和摩擦熱亦加，所以刀具溫度上升比較緩慢，如所示。
刀具溫度隨進(jìn)給量變化分布3結(jié)論與展望本文采用彈塑性有限元方法中的Lagrange法對(duì)金屬的直角切削過程進(jìn)行了模擬，并分析了刀具在切削時(shí)溫度場的分布情況，以及前角對(duì)刀具溫度分布的影響，所得的結(jié)果與傳統(tǒng)切削理論相符。其模擬結(jié)果可以指導(dǎo)切削條件的合理確定、刀具幾何參數(shù)及切削用量的合理選擇、提高刀具壽命、降低生產(chǎn)成本。
金屬切削加工過程涉及到彈、塑性變形、斷裂、劇烈摩擦、相變以及刀具磨損等，這些現(xiàn)象是相互影響，相互關(guān)聯(lián)的。盡管切削加工的有限元模擬與實(shí)際相比還有一些不足，但是該項(xiàng)技術(shù)己成為今后發(fā)展的主要方向。
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