刀具溫度場的有限元分析
發布時間：2018-01-19 08:36:02
根據傳統切削理論，前刀麵上的高溫度不在切削刃上，而是在離切削刃有一定距（jù）離的地方。這（zhè）是（shì）因為摩擦熱沿著（zhe）刀麵不斷加的緣（yuán）故。前刀麵上後邊一段的（de）接觸長度上（shàng），由於摩擦逐漸減少，熱量又在不斷傳出，所以切削（xuē）溫度開始逐漸下降。由可以看出，刀具前刀麵高溫度出現在（zài）距離刀刃02mm左右的地磨損以及被（bèi）加工材料（liào）的（de）切削加工（gōng）性能，並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（duì）研（yán）究金（jīn）屬切削（xuē）過（guò）程具有重要意義。
金屬切削加工的有限（xiàn）元模擬考慮（lǜ）了材料屬性、刀（dāo）具的幾（jǐ）何條件、切削加工參數（切削速度、進給量、切削深度）等因素。因此通過對金屬切削加工過程進行物理可以預知刀（dāo）具、切屑以及工件的溫（wēn）度場分布。本文利用有限元技術對直角切削加工過程進行物理，模擬在不同進給量（liàng）以及不同刀具前角下的刀（dāo）具溫度場（chǎng）分布，為研究刀具（jù）磨損機理、優化切削參（cān）數提供有益（yì）的數據。
刀具溫度場的數值模型直（zhí）角切削過程中，由於切削寬度遠大於（yú）切削深度（dù），因（yīn）此可以將三維模型簡化為二維。根據有限元法在傳熱學中的應用，可以建立直角（jiǎo）切削條件下無內熱源非穩態溫度場（chǎng）的微分方程：為刀具材料的密度；c為材料比熱容；T/為介質溫度，可設為20°c.由（yóu）有限元的變（biàn）分（fèn）法原理，求解式（）即求泛（fàn）函（hán）數的極值，因此根據歐拉方程：（2）根據邊界條（tiáo）件的不同可以求得其泛函數為：知初始溫度值矩陣；At為時間間隔。由以上（shàng）公式就可求出時間間隔為At的（de）各時刻的溫度場。
2切削加工過程的模（mó）擬本文建立的直角切削模型如所示。在切削模擬（nǐ）時，將刀具固定，使工（gōng）件以切削速度相對於刀具移動。刀具從初始位置開始切（qiē）入工件，隨著刀具（jù）不斷（duàn）地切入，連續切屑形成，直到切削達（dá）到穩（wěn）定狀態。有限元模擬時將刀具和工件進行網格劃分，將刀具分成（chéng）762個單元，工件單元劃分隨切（qiē）削（xuē）過程的進行使用自適應劃分網格（gé）。
本（běn）文（wén）按照（zhào）所提供的刀具幾何參數以及（jí）切削條（tiáo）件對45鋼進行（háng）了（le）切削加工模擬（nǐ），如表所（suǒ）示。切削速度為300m /min條件下，改變刀具前角以及進給量，分別得出在不同（tóng）情況下（xià）刀具溫度場的（de）分布情況。
方。由於刀具的高切削溫（wēn）度離切削刃有一定距離（lí），在（zài）高壓、高溫的作用下，刀具前刀麵極易形成月牙窪磨損。
22刀具前角對切削溫度的影響在切削（xuē）加工過程中，切削溫度（dù）的升高主要是由於（yú）局部的能量消耗引（yǐn）起的。切削溫（wēn）度隨著前角（jiǎo）的大而降低，這主要是因為前角大，改善了刀（dāo）具前刀麵的摩擦和切屑的（de）變形狀態，加強了刀具的切割作用，使得（dé）單（dān）位切（qiē）削力下降，從而降低了切削溫度。但是，前角過大，會使（shǐ）刀具（jù）的楔角過（guò）小，從而使刀刃的散熱麵積和容熱體積減小，因此並不是刀具的前角（jiǎo）越大越好。
所示的（de）是刀具前角Y分別為（wéi）-0°、5°、5°、20時刀具的溫度場分（fèn）布情況。可以看出，在切削達到穩定（dìng）狀態後刀具高溫度隨著前角（jiǎo）的大而減小，其分布如所示。
3進給量（liàng）對切削溫度的影響隨著進給量（liàng）的加，使得單位時間內（nèi）刀具的切削量（liàng）成比例地大，切削溫度上升，但是切屑所帶（dài）走的剪切熱（rè）和摩（mó）擦熱亦加，所以刀（dāo）具溫度上升比較緩慢，如所示。
刀具溫度隨進給量變化分布3結論與展望（wàng）本文采用彈塑性有限元方法中的Lagrange法對金屬的直角（jiǎo）切削過程進行了模擬，並分析了刀具在切（qiē）削時溫度場的分布（bù）情況，以及前角對刀具溫度分布的影響，所得的結果與傳統切削理論（lùn）相符。其模擬結果可以指導切削條（tiáo）件的合理確定、刀具幾何參數及（jí）切削用量（liàng）的合理選擇、提高刀具壽命、降低生產成本。
金屬切削加工過程涉（shè）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（yǐng）響，相互關聯的。盡（jìn）管切削（xuē）加工的有限（xiàn）元模擬與實際（jì）相比還有一些不足，但是該項技（jì）術己成為今後發展的主要方向。
金屬切削加工的有限（xiàn）元模擬考慮（lǜ）了材料屬性、刀（dāo）具的幾（jǐ）何條件、切削加工參數（切削速度、進給量、切削深度）等因素。因此通過對金屬切削加工過程進行物理可以預知刀（dāo）具、切屑以及工件的溫（wēn）度場分布。本文利用有限元技術對直角切削加工過程進行物理，模擬在不同進給量（liàng）以及不同刀具前角下的刀（dāo）具溫度場（chǎng）分布，為研究刀具（jù）磨損機理、優化切削參（cān）數提供有益（yì）的數據。
刀具溫度場的數值模型直（zhí）角切削過程中，由於切削寬度遠大於（yú）切削深度（dù），因（yīn）此可以將三維模型簡化為二維。根據有限元法在傳熱學中的應用，可以建立直角（jiǎo）切削條件下無內熱源非穩態溫度場（chǎng）的微分方程：為刀具材料的密度；c為材料比熱容；T/為介質溫度，可設為20°c.由（yóu）有限元的變（biàn）分（fèn）法原理，求解式（）即求泛（fàn）函（hán）數的極值，因此根據歐拉方程：（2）根據邊界條（tiáo）件的不同可以求得其泛函數為：知初始溫度值矩陣；At為時間間隔。由以上（shàng）公式就可求出時間間隔為At的（de）各時刻的溫度場。
2切削加工過程的模（mó）擬本文建立的直角切削模型如所示。在切削模擬（nǐ）時，將刀具固定，使工（gōng）件以切削速度相對於刀具移動。刀具從初始位置開始切（qiē）入工件，隨著刀具（jù）不斷（duàn）地切入，連續切屑形成，直到切削達（dá）到穩（wěn）定狀態。有限元模擬時將刀具和工件進行網格劃分，將刀具分成（chéng）762個單元，工件單元劃分隨切（qiē）削（xuē）過程的進行使用自適應劃分網格（gé）。
本（běn）文（wén）按照（zhào）所提供的刀具幾何參數以及（jí）切削條（tiáo）件對45鋼進行（háng）了（le）切削加工模擬（nǐ），如表所（suǒ）示。切削速度為300m /min條件下，改變刀具前角以及進給量，分別得出在不同（tóng）情況下（xià）刀具溫度場的（de）分布情況。
方。由於刀具的高切削溫（wēn）度離切削刃有一定距離（lí），在（zài）高壓、高溫的作用下，刀具前刀麵極易形成月牙窪磨損。
22刀具前角對切削溫度的影響在切削（xuē）加工過程中，切削溫度（dù）的升高主要是由於（yú）局部的能量消耗引（yǐn）起的。切削溫（wēn）度隨著前角（jiǎo）的大而降低，這主要是因為前角大，改善了刀（dāo）具前刀麵的摩擦和切屑的（de）變形狀態，加強了刀具的切割作用，使得（dé）單（dān）位切（qiē）削力下降，從而降低了切削溫度。但是，前角過大，會使（shǐ）刀具（jù）的楔角過（guò）小，從而使刀刃的散熱麵積和容熱體積減小，因此並不是刀具的前角（jiǎo）越大越好。
所示的（de）是刀具前角Y分別為（wéi）-0°、5°、5°、20時刀具的溫度場分（fèn）布情況。可以看出，在切削達到穩定（dìng）狀態後刀具高溫度隨著前角（jiǎo）的大而減小，其分布如所示。
3進給量（liàng）對切削溫度的影響隨著進給量（liàng）的加，使得單位時間內（nèi）刀具的切削量（liàng）成比例地大，切削溫度上升，但是切屑所帶（dài）走的剪切熱（rè）和摩（mó）擦熱亦加，所以刀（dāo）具溫度上升比較緩慢，如所示。
刀具溫度隨進給量變化分布3結論與展望（wàng）本文采用彈塑性有限元方法中的Lagrange法對金屬的直角（jiǎo）切削過程進行了模擬，並分析了刀具在切（qiē）削時溫度場的分布（bù）情況，以及前角對刀具溫度分布的影響，所得的結果與傳統切削理論（lùn）相符。其模擬結果可以指導切削條（tiáo）件的合理確定、刀具幾何參數及（jí）切削用量（liàng）的合理選擇、提高刀具壽命、降低生產成本。
金屬切削加工過程涉（shè）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（yǐng）響，相互關聯的。盡（jìn）管切削（xuē）加工的有限（xiàn）元模擬與實際（jì）相比還有一些不足，但是該項技（jì）術己成為今後發展的主要方向。
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