高速切削立铣刀温度场及热冲击特性研究

发布时间：2017-10-11 01:07

  本文关键词：高速切削立铣刀温度场及热冲击特性研究

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【摘要】：高速铣削属于断续切削,随着切削刃周期性切入和切出工件,在较短时间内刀具会受到周期性的快速升温和降温,从而对刀具产生热冲击影响,导致立铣刀发生磨损和破损失效,影响切削加工的效率和成本。高速切削温度的研究是高速切削机理研究的重要组成部分,获得刀具切削温度和热冲击对刀具影响特性已成为目前高速加工领域的研究重点。针对铣削加工过程的复杂性,铣刀温度测量的困难性等问题,本文以高速切削整体硬质合金立铣刀为研究对象,系统分析了现有研究的优缺点、对比得到在铣削过程中,其导热问题的特点是热源有一定的形状和尺寸,有一定的热量输出,但边界条件则多是未知值。因此,对铣削加工过程中的导热问题应用热源法具有优势。在热源法的基础上,建立了高速切削立铣刀动态温度场数学模型。其次,通过分析国内外金属切削温度测量方法发现由于高速切削加工中心电主轴的封闭性和铣削过程的复杂性,对于高速铣削切削温度的测量,目前国内外还没有成熟精确的测量方法。为了研究立铣刀切削过程的温度变化和反求输入刀体内部的热流密度,本文通过XH714D加工中心铣削304不锈钢板,采用嵌入式测温系统测量得到了立铣刀后刀面一点的连续切削温度。分析切削过程中的温度变化曲线,铣削初期温度迅速升高,之后温度逐渐趋于稳定,与真实的铣削温度变化吻合较好。然后,由于实验中立铣刀材料为硬质合金,属于耐高温的脆性材料,测量温度的热电偶只能在材料的表面放置;同时,高速切削整体硬质合金立铣刀加工过程为断续切削,切削温度是一个快速的非稳态过程,无法由测得的温度简单计算立铣刀内部温度梯度而直接获得表面的热流密度。通过立铣刀表面温度进行导热反问题求解获得立铣刀铣削过程中,前刀面的热流密度是研究的一个难点,也是获得切削温度场的基础。本文在立铣刀动态温度场数学模型正问题求解的基础上利用粒子群智能算法反求得到了热流密度的级数表达式。再利用ANSYS的瞬态热分析模块,把反求得到的热流密度按照不同的时间段加载到立铣刀实体模型的刀屑接触面上,然后通过ANSYS的APDL二次开发模块编写DO循环加载程序,实现了模仿真实切削过程切入切出的循环过程,分析得到了立铣刀瞬态的温度场仿真分布规律和温度梯度的特性。最后,对立铣刀热冲击特性进行了研究,铣削加工完成后采用日立S-4800扫描电子显微镜(SEM)观察铣刀切削区域的表面形貌和微观组织结构变化。在高速铣削瞬态温度场的ANSYS分析基础上,重新进入前处理把热单元改为相应的结构单元,把分析的温度结果作为载荷施加到结构分析模型上,得到立铣刀的热应力分布。对比SEM图片和仿真结果,得到了集中在刀屑接触区域的热应力导致刀具前刀面磨损和切削刃发生崩刃,集中在刀尖区域的热应变导致刀尖强度降低,最终使刀尖发生磨损失效。
【关键词】：整体硬质合金立铣刀 动态温度场模型 导热反问题 瞬态温度场仿真 热冲击特性
【学位授予单位】：广东海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG714
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-15
• 1.1 课题研究背景10
• 1.2 课题国内外研究现状10-13
• 1.2.1 高速切削刀具热源法温度场建模研究10-11
• 1.2.2 高速切削刀具温度测量研究11
• 1.2.3 高速切削刀具导热反问题研究11-12
• 1.2.4 高速切削刀具温度场仿真研究12
• 1.2.5 高速切削刀具热冲击特性及仿真研究12-13
• 1.3 本论文的研究目的及意义13
• 1.3.1 研究目的13
• 1.3.2 研究意义13
• 1.4 本论文的研究内容及方法13-15
• 1.4.1 课题来源及主要研究内容13-14
• 1.4.2 研究方法14-15
• 2 立铣刀动态温度场数学建模15-24
• 2.1 斜角切削原理15-16
• 2.2 瞬时切削厚度和刀屑接触长度计算16-18
• 2.2.1 瞬时切削厚度16-17
• 2.2.2 刀屑接触长度17-18
• 2.3 热源法的理论基础18-21
• 2.3.1 瞬时点热源的温度场18-20
• 2.3.2 瞬时有限长螺旋线热源的温度场20-21
• 2.3.3 瞬时有限大螺旋面线热源的温度场21
• 2.4 立铣刀侧刃切削温度场的计算21-23
• 2.4.1 确定逆铣的积分限21-23
• 2.4.2 MATLAB数值积分计算23
• 2.5 本章小结23-24
• 3 切削温度测量实验24-27
• 3.1 立铣刀切削温度实验方案的设计24-26
• 3.1.1 铣削温度实验的基本原理24
• 3.1.2 铣削温度实验的条件24-25
• 3.1.3 铣削温度实验结果25-26
• 3.2 本章小结26-27
• 4 高速铣削热流密度导热反问题求解27-32
• 4.1 粒子群算法27-28
• 4.2 热流密度的级数逼近和求解28
• 4.3 计算流程28-29
• 4.4 粒子群算法的MATLAB程序实现29-31
• 4.4.1 MATLAB语言29
• 4.4.2 M文件29-30
• 4.4.3 函数调用30-31
• 4.5 本章小结31-32
• 5 高速铣削瞬态温度场的有限元仿真32-43
• 5.1 有限元法简介32
• 5.2 ANSYS热分析32-34
• 5.2.1 热传递的方式32-33
• 5.2.2 热分析分类33-34
• 5.3 ANSYS参数化设计语言（APDL）34-35
• 5.3.1 APDL简介34
• 5.3.2 参数34
• 5.3.3 宏语言和程序控制34-35
• 5.4 立铣刀三维实体有限元仿真前处理技术35-37
• 5.4.1 立铣刀三维实体模型的建立35
• 5.4.2 定义材料属性35-36
• 5.4.3 立铣刀三维实体网格划分36-37
• 5.5 立铣刀三维有限元仿真的加载及求解37-42
• 5.5.1 载荷加载和边界条件37-38
• 5.5.2 求解结果及分析38-42
• 5.6 本章小结42-43
• 6 高速铣削的热冲击特性及有限元分析43-51
• 6.1 高速切削刀具的失效形式和失效机理分析43-45
• 6.1.1 高速切削刀具的失效形式43-44
• 6.1.2 高速切削刀具失效机理分析44-45
• 6.2 热冲击问题的有限元分析45-50
• 6.2.1 热-结构耦合分析45
• 6.2.2 分析结果及分析45-50
• 6.3 本章小结50-51
• 7 结论与展望51-53
• 7.1 结论51-52
• 7.1.1 总结51
• 7.1.2 主要创新点51-52
• 7.2 存在的问题及展望52-53
• 参考文献53-61
• 附录61-65
• 致谢65-66
• 作者简介66-67
• 导师简介67

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 胡艳艳;费树岷;汪木兰;左健民;王坚;;基于有限元分析的高速切削温度场建模与仿真[J];系统仿真学报;2009年22期

2 汪木兰;左健民;朱昊;胡艳艳;;高速切削温度场的三维有限元建模与动态仿真[J];现代制造工程;2010年02期

3 陈振华;姜勇;陈鼎;张忠健;徐涛;彭文;;硬质合金的疲劳与断裂[J];中国有色金属学报;2011年10期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 舒畅;高速铣削钛合金的切削温度研究[D];南京航空航天大学;2005年

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本文编号：1009612