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?？梢钥闯觯谇邢鬟_(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?？梢钥闯觯谇邢鬟_(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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