《高速加工中温度的测量和工件温度场的有限元分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高速加工中温度的测量和工件温度场的有限元分析（75页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、摘 要以高效率和高精度为基木特征的高速切削技术，是近 2 0多年来迅速崛起的先进制造技术之一。 日前，高速加工 己在模具、航空、汽车等制造业广泛应用 ，产生了显著经济效益。然而，高速加工导致刀一工界面 的高温和高应力，切削热及 由此产生的切削温度影响刀具寿命和工件加 工质量，而高速切削时切削温度分布及其变化规律则是高速切削工艺分 析的主要依据。因此， 对高速切削时切削温度的研究非常重要。计算机技 术的飞速发展使得利用数值模拟方法对高速铣削过程的模拟、工件温度场、刀具与工件之间的界面温度的模拟研究成为可能。本文对铣削过程尤其是高速铣削过程中切削参数 ( 切削速度、进给速度、冷却条件 )对切削温度
2、的影响作用进行研究。具体工作包括:( 1 ) 研究并 自行设计了一种高速加工过程中切削温度的直接接触式测量的计 算机辅助测温系统。它采用 自然热电偶测量刀一工界面温度，采用标准 热电偶测温技术对工件表面和体内温度分布进行直接接触式测量。该方法可 以应用于刀具旋转的切削加工中 ( 例如立钻、立铣 )测量切削温度， 具有成本低，易于切削过程温度的动态测量的优点。( 2 )用该测温系统进行高速加工淬硬钢的切削温度测量试验，结果表明:切削速度对刀一 工界面温度和工件最高温度有显著的影响，而进给速度的影响不甚显著。对于给定的工件材料和刀具材料存在一个临界速度值，当切削速度超过 此临界值时，刀一L界面温度
3、和工件最高温度随切削速度的增加不再显著升高保持相对稳定状态。( 3 )用该测温系统对中碳钢的低中速加工过程 进行动态切削温度测量，结果表明:刀一工界面温度变化规律和土件温 度变化规律与传统的加工机理相符合，即切削速度对切削温度有显著的影响，随着切削速度的增加有 限元方法对 高速铣削过程工件平均温度及最高温度上升。( 4 )应用工件温度分布及工件与刀具之间的界面温 度进行二维有限元模拟的尝试和探讨，并对铣削过程的三维有限元模拟 进行了探讨。研究结果表明:应用计算机技术的金属切削过程仿真能够 对切削过程的各主要物理要素进行理论预报，并为研究超高速切削等新工艺机理提供 了可行的方法。关键词:高速铣削
4、;温度测量;有限元模拟Ab s tr a c t“ H i g h - s p e e d Mi l l i n g / Ma c h i n i n g ( H S M) “ w i t h t h e f e a t u r e o f h i g h e f f i c i e n c y a n d h i g h p r e c i s i o n i s o n e o f t h e a d v a n c e d ma n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g i e s d e v e l o p i n g r a p i d l y i
5、 n p a s t t we n t y y e a r s . At p r e s e n t , HS M i sa p p l i e d wi d e l y i n ma n u f a c t u r i n g o f mo u l d s a n d d i e s , a e r o s p a c e a n da u t o mo t i v e e t c . w i t h o b v i o u s e c o n o mi c r e t u r n s a n d d e v e l o p i n g i n o t h e rf i e l d s .
6、H o we v e r , HS M c a u s e s h i g h i n t e r f a c e t e mp e r a t u r e a n d h i g h s t r e s s ,a n d c u t t i n g h e a t a n d c u t t i n g t e mp e r a t u r e i n f l u e n c e c u t t i n g t o o l l i f e a n d m a c h i n i n g q u a l i t y w o r k p i e c e . Mo r e o v e r , c
7、u t t i n g t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o na n d i t s c h a n g i n g r u l e a r e t h e ma i n c r i t e r i o n t o a n a l y z e HS M p r o c e s s .T h e r e f o r e , i t i s v e r y i mp o r t a n t t o r e s e a r c h c u t t i n g t e mp e r a t u r e i n H S M. T h er a p i
8、d d e v e l o p me n t o f c o m p u t e r t e c h n o l o g y ma k e s i t p o s s i b l e t o s i mu l a t eH S M p r o c e s s , t e mp e r a t u r e d i s t r i b u t i o n o f w o r k p i e c e a n d i n t e r f a c et e m p e r a t u r e wi t h n u me r i c a l s i mu l a t i o n t e c h n i q
9、 u e .T h e e f f e c t s o f c u t t i n g p a r a me t e r s s u c h a s c u t t i n g s p e e d , f e e d r a t e a n dc o o l i n g t e r ms o n c u t t i n g t e mp e r a t u r e i n mi l l i n g o r HS M we r e i n v e s t i g a t e d i n t h e t h e s i s , i n c l u d i n g i n d e t a i l :
10、 ( 1 ) D e s i g n a n d p r o d u c t i o n o f c o m p u t e r a i d e d t e m p e r a t u r e me a s u r e me n t e q u i p m e n t t o d i r e c t l y m e a s u r e c u t t i n g t e mp e r a t u r e i n H S M. I n t h e e q u i p me n t , n a t u r a l t h e r m o c o u p l e i s a p p l i e d
11、t ome a s u r e t o o l一w o r k p i e c e i n t e r f e r e t e mp e r a t u r e , a n d s t a n d a r dt h e r mo c o u p l e s a r e u s e d t o me a s u r e t e mp e r a t u r e d i s t r i b u t i o n o f wo r k p i e c e s u r f a c e a n d b o d y . I t c a n b e a p p l i e d t o m e a s u r
12、e c u t t i n g t e m p e r a t u r e i n t h ema c h i n i n g i n w h i c h t h e r o t a r y c u t t i n g t o o l s s u c h a s v e r t i c a l d r i l l a n d e n d m i l l i n g c u t t e r a r e u s e d , a n d i t s m e r i t s a r e l o w p r i c e , e a s i l y d y n a m i c m e a s u r e
13、m e n t o f t e mp e r a t u r e i n m a c h i n i n g p r o c e s s . ( 2 ) T h e c u t t i n gme a s u r i n g e x p e r i me n t s i n H S M o f h a r d e n e d s t e e l u s i n g t h e a b o v e e q u i p me n tT h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t c u t t i n g s p e e d a f f e c t s t
14、o o l -wo r k p i e c e i n t e r f e r et e m p e r a t u r e a n d t h e m a x i m u m t e mp e r a t u r e o f w o r k p i e c e o b v i o u s l y , b u t t h e e f f e c t o f f e e d s p e e d i n n o t o b v i o u s . T h e r e i s c r i t i c a l c u t t i n g s p e e d a c c o r d i n gt o w
15、o r k p i e c e a n d t o o l ma t e r i a l s . Wh e n c u t t i n g s p e e d s u r p a s s e s i t , t o o l - w o r k p i e c e i n t e r f e r e t e m p e r a t u r e a n d t h e ma x i m u m t e mp e r a t u r e o f w o r k p i e c e k e e p c o n s t a n t . ( 3 ) T h e d y n a m i c m e a s
16、u r e m e n t o f c u t t i n g t e m p e r a t u r e i n l o wna n d mi d d l e c u t t i n g o f p l a i n s t e e l u s i n g t h e a b o v e e q u i p me n t . T h e r e s u l t si n d i c a t e t h a t t h e c h a n g i n g l a ws o f t o o l 一wo r k p i e c e i n t e r f e r e t e m p e r a t u r ea n d t e mp e r a t u r e o f w o r k p i e c e a r e s i mi l a r t o t h a t o f c o n v e n t i o n a l ma c h i n i n g ,n a me l y t h e a v e r a g e a n d ma x i mu m t
