高速切削温度场建模仿真与实验研究

摘要

切削温度是反映高速切削加工过程的一个重要物性指标，是影响刀具磨损、刀具寿命、产品表面完整性和加工质量的重要因素。因此，对切削温度分布及其变化规律的研究具有重要的理论意义和实用价值。本文以AISI1045钢的高速切削过程为主要研究对象，应用数值模拟方法，结合理论分析和加工试验，重点研究了高速切削过程的温度场及变化规律，主要研究工作包括： 针对切削热产生的两个主要热源，把工件和切屑看成统一体，建立更符合实际加工过程的切削区温度场传热模型。引入剪切面的镜像热源，采用修正的Hahn斜剪切热源法，计算出剪切热源单独作用下的切削温度；引入关于切屑外表面的刀/屑摩擦镜像热源，采用修正的Jaeger移动热源法求解刀/屑摩擦热源产生的切屑温度分布方程：采用静态矩形热源法计算刀/屑摩擦热源单独作用时的刀具温度场，根据Block热流分配原则，求出强度不均匀分布热源作用下的温度方程：最后求出剪切热源和刀/屑摩擦热源二者共同作用时工件、切屑和刀具的温度场。该模型无需切屑和工件的热量分配比，简化了求解条件，为温度场的理论研究提供了一种新的分析方法，同时也为数值仿真和试验研究奠定了良好的理论基础。 基于有限元的基本原理，针对切削过程中独特的非线性问题，采用非线性有限元法进行理论分析，用Newton-Raphson法求解非线性方程组；针对热力耦合问题，采用热塑性有限元法分析切削过程温度场问题，用变形和传热分开迭代的方法求解切削温度场。根据金属切削原理及温度场的有限元理论，深入研究材料本构模型、刀/屑接触摩擦、切屑分离等关键物理环节，建立了正交切削的有限元模型。基于更新拉格朗日法和任意拉格朗日（ALE）法，通过大型商业有限元分析软件DEFORM对AISI1045钢的高速切削过程进行二维和三维模拟，分析了高速切削过程的温度分布及其变化规律，得到了较理想的仿真结果，验证了所建模型的正确性。重点分析了切削参数（切削速度、进给量、切削深度等）、刀具参数（倒棱刃、倒圆刃、涂层材料等）和材料本构模型等单因素条件对切削温度的影响以及锯齿状切屑的形成机理和温度分布情况。应用此仿真结果可进行实际切削工艺效果的预测和优化，使得研究开发阶段的加工试验次数和规模大大降低，为高速切削参数的优化和刀具几何参数的合理选择提供了科学依据，达到改善加工表面质量、改善刀具寿命、提高切削加工效率和节约加工成本的目的。 采用自然热电偶测定切削区域的平均温度和切削条件（如切削速度、进给量等）对切削温度的影响，采用人工热电偶法测量高速切削过程中工件、切屑和刀具的温度值，验证了理论计算和数值仿真的准确性。

目录

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英文文摘

声明

第一章 绪 论

1.1 高速切削加工技术

1.1.1 高速切削加工的概念

1.1.2 高速切削加工的特点

1.1.3 高速切削加工发展历程及关键技术

1.2 高速切削温度研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.2.3 存在的主要问题

1.3 课题来源及意义

1.4 论文主要框架

第二章 高速切削温度场的理论分析

2.1 高速切削温度场的理论基础

2.1.1 基本概念及求解方法

2.1.2 导热微分方程的建立

2.1.3 无限大物体内瞬时点热源的温度场

2.1.4 无限大物体内无限长移动线热源的温度场

2.2 高速切削温度场的理论计算

2.2.1 高速切削温度场传热学模型的建立

2.2.2 剪切面热源对切削温度的影响

2.2.3 刀/屑接触面摩擦热源对切削温度的影响

2.2.4 剪切热源和摩擦热源共同作用对切削温度的影响

2.3 本章小结

第三章 高速切削温度场的有限元分析与仿真

3.1 有限元法的基本思想和分析步骤

3.2 切削温度场有限元分析的理论基础

3.2.1 非线性问题的有限元分析

3.2.2 非线性问题的有限元求解

3.2.3 温度场的有限元求解

3.2.4 DEFORM软件及应用

3.3 高速切削温度场的动态有限元仿真

3.3.1 二维切削温度场的有限元仿真

3.3.2 三维切削温度场的有限元仿真

3.4 本章小结

第四章 切削温度的试验研究

4.1 高速正交车削温度测量试验系统

4.1.1 测温系统设计

4.1.2 温度测量方法及原理

4.1.3 试验条件

4.2 试验结果与分析

4.3 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 主要结论

5.2 展望

致 谢

参考文献

攻读硕士期间发表(撰写)的论文和参加的科研工作