高速断续加工过程工件及刀具瞬态切削温度的研究

发布时间：2020-07-10 14:26

【摘要】：高速切削加工具有高效率、高精度、低成本的技术特点,受到航空航天、汽车制造及模具加工等行业的青睐。断续切削在切削热源、热传递、热量分配及热载荷作用方式等方面与连续切削都存在显著差异。探索断续切削过程中刀具及工件切削温度随切削速度的变化规律,对控制切削速度降低切削温度并抑制断续切削过程的热冲击,具有重要的理论意义与实际应用价值。本文以1045钢、Ti6A14V、H13与Aermet100为工件材料,利用切削原理和传热学理论、有限元模拟仿真与实验研究相结合的方法,对高速断续切削过程中刀具及工件温度随切削速度的变化规律进行研究,探索断续切削过程切削时间与非切削时间之比等因素对刀具及工件温度的影响机理。主要研究内容如下：首先,针对断续切削过程工件切削温度与刀具切削温度测量难点,开发断续切削过程工件切削温度与刀具切削温度测量系统。断续切削过程中工件承受高频周期性热载荷,工件内部温度梯度大,对断续切削过程工件切削温度测量要求快速响应、高频采集、不同深度多通道同时测量。开发的多通道热电偶温度采集系统能够实现断续切削过程工件切削温度在线实时测量与记录；结合热电偶技术与无线信号传输技术,开发的热电偶无线测温系统可实现对铣削高速旋转刀具瞬态切削温度的在线实时测量。其次,建立基于J-C本构方程的断续切削过程有限元模拟模型,研究刀具及工件切削温度分布随切削速度的变化规律。断续切削有限元分析结果表明刀具及工件切削温度随切削速度的升高均呈现先升高后降低的趋势,随着切削速度的提高,更多的切削热量被切屑带走,进入工件及刀具的热量比例降低。铣削过程中切削厚度周期性变化,作用在铣削刀具上的热源面积与热流密度也随着切削过程的进行而周期性变化,建立刀-屑接触长度及进入刀具的热流密度与切削厚度的拟合表达式,为铣削刀具切削温度的预报提供研究基础。再次,建立高速断续切削过程刀具瞬态切削温度的理论预报模型,使用格林函数法及分离变量法得到刀具瞬态切削温度的解析解,揭示了高速断续切削过程中刀具切削温度随切削速度提高的变化规律为先升高后降低。研究表明切削速度的升高使单位时间内的热量生成增加、使切削周期内切削热量进入入刀具的传递时间减少、同时使热对流因素的热耗散作用效果增强。随着切削速度的升高,刀具切削温度变化是上述三个因素共同作用的结果：在低速切削范围,单位时间内的热量生成起主导作用,刀具温度随切削速度的提高而上升；在高速切削范围,切削热量进入刀具的传递时间减少和热对流因素作用增强起主导作用,导致刀具切削温度随切削速度的提高而降低。通过分析断续切削过程中切削时间与非切削时间之比对刀具切削温度的影响机理,发现减小切削时间与非切削时间的比值,可以使刀具切削温度降低,并使整个铣削周期内刀具温度变化较为平缓,使热载荷冲击降低。最后,建立了基于移动热源法的断续切削工件瞬态切削温度解析模型,揭示了断续切削过程切削速度对工件切削温度分布的影响规律,研究表明随着切削速度的提高,单位时间内切削热量生成增加,同时切削热传导至工件的时间减小,使得进入入工工件的切削热量分配比例减小。工件切削温度受热源移动速度与进入入工件的热流密度的共同影响,在较低的切削速度下,切削热生成增加的幅度高于切削热量进入工件的分配比例减小的幅度,工件切削温度随切削速度的升高而升高；在较高切削速度下,切削热生成增加的幅度低于切削热量进入工件的分配比例减小的幅度,工件切削温度随切削速度的升高而降低。研究发现随着切削速度的升高,工件温度场相对高温区域减小,温度梯度增大,热冲击增大。1045、Aermet100、Ti6A14V与H13四种工件材料的高速铣削工件温度测试结果与断续切削瞬态切削温度解析模型预测结果一致。本课题得到国家杰出青年科学基金(51425503)和国家重点基础研究发展计划(973)课题(2009CB724401)的资助。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG506.1

【参考文献】