基于“S”形检测试件的切削热误差分析

摘要

五轴联动数控机床是一种复杂的高精度制造装备，加工精度作为五轴机床最重要性能指标之一，成为机床厂家和用户关注的重点。导致加工精度降低的各项误差中，切削热导致的工件温升和热膨胀变形是重要的误差来源。本文以成飞提出的用于检测机床性能的“S”形检测试件为研究对象，结合理论建模、仿真和实验验证，研究切削过程中温度场、热变形对试件加工精度的影响，并预测和分析切削热误差。主要工作内容如下：
　　1、在切削原理分析的基础上，建立了热源强度计算模型，给出了基于接触面瞬时相等原理的剪切区和刀件摩擦区热量传入工件比例的计算方法。提出了将切削温升过程视为间歇性加热和降温过程的方法，解决了以往文献中理论模型计算温升结果偏高的问题，并且间歇性模型更加符合实际切削情况，使得理论温升模型的正确性和可信度较之以往文献有了很大的提高。建立了基于线热源叠加原理的切削温度场理论模型，为切削热误差的分析奠定理论基础。
　　2、建立了基于LS-DYNA软件平台的“S”件切削热分析有限元计算模型。通过实际加工参数计算温度载荷的大小和作用时间，解决了热载荷施加问题。给出了基于冷却液施加方式的强制对流系数计算方法，解决了冷却边界条件建模问题。基于该有限元模型，开展了“S”形试件加工热—力耦合仿真。本有限元模型不仅优化了切削热载荷的施加方法，而且考虑了冷却液影响、实际加工运动轨迹和切屑分离，使得仿真环境更接近实际工况。
　　3、在 PARPAS PM20五轴数控加工中心上设计并搭建了基于热电偶法的“S”试件加工过程温度场测量实验平台，在实验平台上开展了切削热测量实验，获得加工过程中“S”形试件各位置温度变化曲线，并利用实验结果证明了切削热仿真是合理可信的。
　　4、采用单一变量法分析了主轴转速、切削厚度、进给速度对“S”形试件切削热的影响规律，通过有限元仿真预测了“S”形试件加工过程中的切削热变形，并预测和分析了由此产生的切削热误差。通过对比实验测量的轮廓度误差结果，一定程度上验证了热误差预测方法的正确性，并分析了切削热误差对于“S”形试件加工误差的影响程度，最后对切削热误差进行了分离。

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景、目的和意义

1.2 切削热国内外研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第二章 切削温度场数学模型建立

2.1 金属切削基本原理

2.2 热源强度计算

2.3 热量分配比例计算

2.4 切削温度场建模

2.5 本章小结

第三章 “S”形试件切削热有限元仿真

3.1“S”形试件仿真温度载荷加载方式

3.2“S”形试件仿真冷却液处理方法

3.3 线性回归法计算切削力载荷

3.4“S”形试件有限元模型建立

3.5 有限元仿真结果分析

3.6 本章小结

第四章 “S”形试件切削温度测量实验

4.1 热电偶温度测量原理

4.2 温度测量实验方案

4.3 实验结果分析

4.4 切削温度场仿真结果验证

4.5 本章小结

第五章 “S”形试件切削热误差预测和分析

5.1“S”形试件切削热误差预测

5.2“S”形试件切削热误差影响因素分析

5.3 轮廓度误差实验测量结果

5.4“S”形试件切削热误差分析

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本文工作总结

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献