高速切削刀具内的传热分析论文.doc

摘 要高速切削刀具内的传热分析摘 要高速切削机理的研究作为高速切削技术的理论基础，对高速切削技术应用和发展起重要作用。在高速切削机理研究中，切削过程中的传热研究具有重要的理论意义和实际应用价值。鉴于以往针对刀具内的传热分析的研究较少，本文用数值模拟方法对刀具在切削程过中的传热进行较为深入地研究。数值方法是研究高速切削加工机理的一种有效手段，不仅可以克服试验方法的不足，能够对切削过程中切屑形成、切削力、温度场、应力应变分布等状态参数进行定量的预测，而且对节省加工时间和成本，提高加工精度具有重要的意义。 本文首先研究了切削过程中切削热的产生和传出、切屑刀具工件系统的温度分布，从理论上给出一种求解刀具切削温度场的方法；然后，使用有限元分析软件DEFORM模拟了AISI-1045钢的高速切削过程，得到了刀具温度场的分布情况及切削热的分配情况，并对刀具的热应力进行了分析，其结果与文献试验结果基本一致；最后，将DEFORM的结果作为边界条件，在ANSYS中对刀具内的传热过程进行了数值模拟分析，实现了通用软件DEFORM和ANSYS之间的优势互补，节省了工作量和工作时间，这为以后的数值模拟计算提供了一种可行的思路和方法。本文分析了切削过程中热量的分配情况，换热系数对刀具传热的影响；垫片的材料对刀具传热的影响。本文的研究结果表明高速加工可以有效地减少传入工件和刀具的切削热比率，这对提高生产率、加工精度等是有益的；在实际的金属切削过程中，采用有效的强化冷却方式，获得较高的换热系数，对降低刀具的整体温度，并且对抑制刀具在高温下的化学活性很有帮助。高速切削时应着重注意切削冷却，垫片的选择应在首先考虑强度、成本等条件下合理选择传热系数大的材料。关键词: 高速切削；有限元；切削温度；刀具53ABSTRACTABSTRACTAs the theoretical fundamental of the high-speed cutting (HSC), the research of the mechanism of HSC is the foundation of the application and development of the HSC technology. The research of the cutting heat flux has very important theoretical and practical significance. High efficiency and high precision as the basic characteristics of the high-speed machining has been to become one of the hot spots of research, and cutting temperature is reflected in high-speed machining process is an important indicator of physical properties, is the impact of tool wear, tool life and surface products The quality and integrity of the process an important factor. Considering that there are very few researching about the cutting tool, the paper carries out the heat flux of the cutting too in the HSC by numerical method. Numerical method is useful in the study of the mechanism of the HSC. It is effective to investigate high speed cutting using numerical method. In this way, not only the disadvantages of the experiments can be conquered, the chip formation, cutting forces, temperature, strains, strain rates, etc in the processes of machining can also be predicted quantitatively. Besides, numerical method is significant in saving time and sources, improving the precisions.In the paper, we make the research about the cutting heat generation and transmission, the temperature of the cutting system. The paper presents a theory for solving method of cutting tool temperature field. The use of finite element analysis software DEFORM simulates the HSC process of the AISI-1045 steel. The paper gets the temperature field about the tool, the distribution of cutting heat and the analysis of the tool thermal stress. Experimental results obtained are consistent with the literature conclusions. The paper achieved complementary advantages between the common software DEFORM and ANSYS, Savings in workload and working hours. This is for the subsequent numerical simulation provides a viable ideas and methods.The paper analysis the cutting process in the distribution of heat，different heat transfer coefficient to the tool heat flux, gasket material on the impact of tool heat transfer. This provides a viable ideas and methods for the subsequent numerical simulation. This study results show that the High Speed Machining can effectively reduce the transmission of the work piece and tool cutting heat ratio, will increase productivity and processing precision. In the actual metal cutting process, it is helpful to reducing the overall temperature of the tool and suppressing the tools chemical activity at high temperatures to use the effective cooling method or the higher heat transfer coefficient. In the High Speed Machining progress, we should pay enough attention on the cooling and when we choose the gasket we should consider the strength cost in the first, and then choose the higher heat transfer coefficient in the reasonable case. Keywords high speed cutting；finite element；cutting temperature；cutting tool目 录毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪 论11.1 引言11.2 高速切削加工技术概述11.3 高速切削传热过程的研究的意义及现状21.4 本课题的研究意义、目标及主要工作3第2章 高速金属切削刀具温度场的理论计算62.1 固体热传导的理论基础62.2 高速金属切削刀具温度场的计算112.3 本章小结17第3章 高速金属切削过程的有限元模拟193.1 有限元方法简介及DEFORM软件介绍193.2 有限元关键技术介绍203.3 切削过程的模拟及结果分析243.3.1三维切削模型的建立243.3.2切削过程253.3.3模型准确性的的验证273.3.4前刀面温度场373.3.5刀具和工件和之间的切削热比较283.3.6刀具切削应力分析323.4 本章小结33第4章 高速切削过程中刀具内的传热分析354.1 ANSYS软件介绍及建模354.2 不同边界条件下的刀具内的传热分析374.3 换热系数对刀具传热的影响424.4 垫片热传导率对刀具传热的影响444.5 本章小结45第5章 结论与展望475.1 结论475.2 展望48参考文献49攻读学位期间发表的学术论文52致谢53CONTENTSCONTENTSChinese AbstractIABSTRACTIIChapter 1 Introduction11.1 Introduction11.2 Overview of the High Speed Cutting11.3 The significance and status of the High Speed Cutting21.4 The significance,target and main subject for this research3Chapter 2 The calculation of the High Speed Cutting temperature field62.1 The oretical foundation of the solid-state heat conduction62.2 The calculation of the tool temprature in the High Speed Cutting112.3 Summary17Chapter 3 The finit element methods of the High Speed Cutting process193.1 The introduction of the finit element method and DEFORM193.2 The introduction of the key technologies of finite enlement methods203.3 The numercal simulation of the cutting process and analysis243.3.1 The estabilishiment of the cutting modle243.3.2 The cutting process253.3.3 The model accuracy verification273.3.4 The rake face temperature273.3.5 The cutting heat betweem tool and workpiece283.3.6 The cutting tool stress analysis323.4 Summary33Chapter 4 The analysis of the tool heat flux in the High Speed Cutting354.1 The introduction of ANSYS and modoling354.2 Anlysis of the cutting tool heat flux in differernt boundary condition374.3 Heat transfer coefficient affected to the heat flux of the cutting tool424.4 Gasker themal conductivity affected to the heat flux of the cutting tool444.5 Summary45Chapter 5 Conclusion and outlook475.1 Conclusion475.2 Outlook48Reference49Academic paper is published during the study for masters degree52Acknowledgement53第1章 绪 论第1章 绪 论1.1 引言随着全球经济一体化的发展，各国的机械制造业之间的竞争也越来越激烈，这就对生产的效率和产品的质量提出了更高的要求，进行技术革新也就成为了必要。切削加工技术是机械制造业中应用最广泛的加工方法之一，它在国民经济中占有重要地位。据统计全球切削加工占械制造业份额为30%到40%，全世界每年切削加工的耗费大概为2500亿美元1。对金属切削加工进行理论研究将对促进我国工业的整体进步具有很大的作用。提高加工效率和切削质量从而降低成本在机械加工的过程中有重要的意义。高速切削技术(High Speed Cutting，HSC)被人们称为机械制造业的新的革命，主要包括高速硬切削、高速软切削、大进给切削等技术2。高速切削加工不仅可以提高生产效率，同时也会提高加工精度与表面质量，这些都会降低生产成本。高速切削技术产生至今已经广泛地应用于薄壁零件加工、工具制造、航空航天的复杂曲面、模具等领域，金属材料的高速切削加工是一个局部产生高温、高压、高应变和高应变率的非线性动态随机过程。切削过程中刀具的磨损和损坏也受切削应力和温度场分布的影响。因此对切削过程中刀具内温度的传热进行研究具有积极的现实意义。1.2 高速切削加工技术概述1）高速切削技术的概念和特点。高速切削加工是一个复杂的系统工程，它涉及机床、刀具、工件、加工工艺过程参数及切削机理等诸多方面。高速切削技术的理论研究可追溯到本世纪30年代。德国学者Carl.J.Salomon于1931年发表了著名的高速切削理论34。他指出：切削加工时切削温度会随切削速度升高而迅速提高，到达一定速度后切削温度升高逐渐变慢直到不再变化，削速度的再次提高时切削温度达到峰值后将会下降。通常将切削速度超过普通切削的5-10倍的切削看作高速切削加工。如果严格意义从切削机理上讲，高速切削是指温度不再显著地随切削速度增大而上升的切削加工5。高速加工则采用了高转速、快移动、小切削量和小的进给深度，工件可以得到好的表面质量(级精度)，高速切削工艺有如下特点6-7：(1)高去除率，主要应用于航空航天产品及工具模件的制造；(2)高表质量，主要应用于光学零件、精细零件等方面的加工；(3)小切削力，主要应用于航空航天工业、汽车工业、家用设备等方面的加工；(4)高激振频率，主要应用于精密机械和光学工业；(5)切屑的散热，主要应用于热敏感工件的加工。由以上分析可知进行切削加工时，在高速切削范围内以及刀具和工艺允许的前提下应尽可能提高切削速度。2）高速切削加工中刀具的应用。高速切削时，对不同的工件材料选用与其合理匹配的刀具材料和允许的切削条件，才能获得最佳的切削效果。高速切削加工技术主要应用于加工钢、铸铁、铝镁合金、各种复合材料等。主要的应用有如下：(1)铝合金的高速切削加工。由于铝及其合金在航空和航天以及汽车业的广泛应用，在对这些合金进行加工时采用高速切削，可以带来显著的效益。(2)铸铁的高速加工。汽车的缸体、缸盖等大平面的加工一般采用高速铣削，应用高速铣削技术可以提高其加工的精度，保证发动机的性能。(3)非金属材料的高速切削。非金属材料代替金属等材料用于航空航天、汽车、仪表等行业越来越普及，应用高性能的硬质合金和PCD刀具进行高速切削可以获得非常好的加工效果。据以上资料已经发展出的刀具材料主要有金刚石、立方氮化硼、陶瓷刀具、涂层刀具等。1.3高速切削传热过程的研究的意义及现状高速切削过程中传热研究的现实意义。金属切削时所产生的热能将影响刀具的磨损和耐用度以及工件的加工精度和加工表面质量，因此研究切削过程中的刀具内的传热过程，对于进行金属切削加工机理的研究、刀具磨损机理的磨损规律的探讨，刀具的设计与制造、切削加工参数的选择以及已加工表面质量的控制等具有非常重要的意义。但是要通过精确地实验测量和计算，得到切削区的精确温度分布以及切削过程中刀具内的精确传热过程，在技术上还存在一定的困难。切削温度的研究现状。目前各国学者在高速切削机理方面关于高速切削温度研究的文献现在看来还较总体的研究还较少，以前的关于切削温度的研究一般是通过通过试验方法进行实际测量。1）国外利用实验法进行研究的主要成果有：T. Kitagawa, A. Kubo, K. Maekawa8进行了高速车削铬镍铁合金718钢和高速铣削Ti-6A1-6V 2Sn时的切削温度及刀具磨损的实验，并进行了切削温度的数值建模。GE. Derrico9建立了车削过程“速度温度”的简化参数模型，得出了切削温度升高与对刀具磨损之间关系的理论结论。 T.I.EI-Wardany, E.Mohammed等人10用陶瓷刀具车削表面淬硬钢，对不同切削参数、刀具几何形状、刀具状况、工件材料等对于切削温度的影响进行了研究，得出了两种工件材料切削参数对前刀面切削温度的影响是不同的结论。日本的Norihiko Narutaki11研究了高速切削加工难加工材料钛合金，他得出油雾冷却是延长刀具寿命的有效方法的结论。2）国内利用实验法进行研究的研究成果主要有：陈明、袁人炜等12对高速铣削过程中切削温度的动态变化规律通过实验的方法进行了研究，给出铝合金高速铣削过程中存在的临界给切削速度关键数据和切削温度随切削速度的变化规律。顾立志、袁哲俊13建立了正交连续成屑的切屑模型，进行了模拟计算并通过将结果与红外测温仪测温实验进行了对比的方式证明了他们的模型具有可靠性。南京航空学院的徐鸿钧等14对铣削加工中的刀具温度场进行了计算和实验方面的研究。哈尔滨理工大学的李振加15教授根据Jaeger理论和平面刀片温度模型建立了波形切削刃刀片的温度模型，通过模拟计算对刀具铣削温度进行了理论预测，他的结果与实验有很好的吻合性。现代计算机技术的发展为有限元法在高速切削过程中的研究提供了可能，有限元法已经逐渐成为研究金属切削机理的主要方法。1）国外的利用有限元法研究的主要成果有： M.V.Ramesh， K.N.Seetharamu16用有限元法对各向同性材料的热传导进行分析，建立了稳定的二维和三维有限元模型。得出不同导热系数对前刀向和切屑温度的影响曲线。他发现三维分析的温度值接近实验值近一些，切削速度和进给量对切削温度影响较大，切削深度对前刀面温度影响不是很大。Ismail Lazoglu, Yusuf Altintas17以有限差分法为基础建立了连续切削和铣削的数值模型。得到连续和断续切削仿真结果与实验测得的温度值很好吻合。C.HLai18提出了一种模拟温度分布的相似算法(parallel algorithm ) 建立了一种简化的切削温度模型用于模拟温度分布，结果说明该算法可以进行定性(scalable)分析，以帮助理解温度分布。A.Abdel-Hamid, A.S.Wifi19等人用有限元法对断续切削过程进行热机械耦合分析。发现切削温度与切削速度的对数成线性关系，切削宽度与切削温度不成线性关系。2）国内利用有限元进行研究的主要有：周汝忠20在文章中提出了一个简化的端面铣削刀片二维温度场模型，并对之进行了有限元分析与计算。哈尔滨理工大学的李振加教授根据Jaeger理论和平面刀片温度模型建立了波形切削刃刀片的温度模型21，通过编程可以预测刀具铣削温度，理论预测同实验结果吻合。综上所述，经过多年的发展，切削温度场的研究在金属切削理论、切削温度场测量以及切削加工模型的建立等方面的研究己经取得了较大的进展，但是，许多理论问题和实际应用问题仍然有待进一步解决。1.4 本课题的研究意义、目标及主要工作1）研究的意义、目标高速切削是指在比常规切削速度高出很多的速度下进行的切削加工。目前各国对高速切削的速度范围没有统一的定义，通常把比常规切削速度高510倍的切削称为高速切削(High Speed Cutting，HSC)。近年来，在国外高速切削已经成为一项实用和有效的技术，虽然高速切削技术在我国的应用还处于起步阶段，然而它的潜力却是显而易见的22-23。在高速切削过程中，绝大部分的切削功转化为切削热，致使工具、切屑和刀具的温度升高，特别是高速切削条件下，刀具前刀面的最高温度可达1000以上，对于导热性不高的材料，易造成刀具内很高的热应力，从而导致刀具失效24-25。切削实验表明，刀具的裂纹和破损主要是由刀具内的热应力引起的26。然而，利用传统的解析方法，很难对切削机理进行定量的分析和研究。切削操作人员和刀具制造商往往都是利用试错法（Trial and error Method)来获取一些经验值，既费时费力又增加了生产成本，严重阻碍了切削技术的发展。计算机技术的飞速发展使得利用数值模拟方法来研究切削加工过程以及各种参数之问的关系成为可能。近年来有限元方法在切削工艺中的应用表明，切削工艺和切屑形成的有限元模拟对了解切削机理，提高切削质量是很有帮助的。这种数值模拟方法适合于分析弹塑性大变形问题，包括分析与温度相关的材料性能参数和很大的应变速率问题。通过计算机数值模拟对高速切削过程进行深入研究，得到不同切削边界条件下过程中工件、刀具的温度分布，在温度分布的基础上进一步分析工件和刀具内的热应力，这些对分析高速切削刀具的磨损以及切削质量的影响改进有指导意义。综上所述，本课题拟对高速切削过程中刀具的传热过程进行数值模拟，分别对工件和刀具建立有限元分析模型，得到工件和刀具内的温度和热应力分布，并分析不同条件下刀具内传热情况。这有助于对高速切削机理的认识。2）本文的主要工作 基于切削加工的热弹塑性有限元方程并在一定假设的条件下，建立金属正交切削加工的三维有限元模型。分析切削分离标准、刀削界面的摩擦模型以及热控制方程等。最后采用通用有限元软件对切削加工过程进行模拟分析。高速切屑问题属于高速动力学的研究范畴，其过程具有高速、高温、高压等基本特征。因为加载速率高、变形和速度大、接触物体间的侵彻贯入作用，在高速加工过程中材料内呈明显的应变率及绝热温升效应，有时候还会发生相变。因此，我们选择DEFORM软件和ANSYS软件作为有限元分析平台，DEFORM软件的结果作为刀具的边界条件提供给刀具，实现了软件之间的优势互补。分析过程分如下所示： 1. 建立高速切削过程中刀具和工件的三维温度场及热应力场的计算模型；2. 利用DEFORM对高速切削过程进行模拟，得到高速切削刀具的温度场、热流等数据，并对模拟的准确性进行验证。3. 在ANSYS建立三维刀具几何实体模型并进行有限元网格划分；4. 将DEFORM模拟结果中的数据作为边ANSYS界条件导对刀具内的传热进行有限元分析并对结果进行验证。5. 对模拟结果进行分析和研究，得到有用的结论。江苏科技大学工学硕士学位论文第2章 高速金属切削刀具温度场的理论计算高速切削技术的发展和应用来源于高速切削理论的研究和突破，现在高速切削理论仍然处于研究之中。高速切削加工一个重要的参数指标是切削热。这是因为切削时所消耗的能量大部分都转化为热能，切削热直接影响刀具的磨损和使用寿命，这将影响工件的加工精度和加工表面的完整性。其中的一个重要研究内容是关于刀具、工件和切屑的传热及温度场。切削温度场的理论研究对分析切削过程、优化切削参数、研究刀具磨损机理等方面都是很重要的。本章通过运用了固体热传导的计算理论，对高速切削过程的温度场进行了理论计算。介绍了一种简化条件下理论求解刀具切削温度场的方法。2.1 固体热传导的理论基础1）导热微分方程的建立：切削热传导最基本的导热方程是傅立叶方程 27 （2.1） 图2.1 直角坐标系中的热流量平衡图Fig.2.1 Cartesian coordinates in the heat balance flow chart式（2.1）中，为x方向热流密度(W/m2)；为材料的导热系数W/m oC；为x方向的温度梯度(oC /m)；“-”表示传热的方向与温度梯度的方向相反。导热微分方程是能量守恒定律的一种数学表达式。式子（2.1）的建立是以能量守恒为依据的。取导热体内任一点P(x，y，z)，图2.1即为点P (x，y，z)单元体的放大图。P点的体积z，时间内的热流量平衡方程为： （2.2）式(2.2)中，分别指以x，y，z轴为法线的平面上的热流分量。Q为微元体在t时间内的热流量增量： （2.3）式(2.3)中，c分别为介质的密度和比热；为温度对时间的导数。式(2.2)等于式(2.3)。将式(2.2)两边除以，并令,同时趋于零，则可得P点热流量满足的偏微分方程： （2.4）代入方程(2.1)， ，方程（2.4）又写成 （2.5）方程(2.5)为三维非稳态导热微分方程，它是解算温度场的前提。2)无限大物体内瞬时点热源的温度场的计算:设在初始时刻t=0在原点上有一瞬时作用的点热源，这热源刚一发生，马上就消失。初始时刻时的温度除原点外其他各点值全部为零。求任意一点M(x，y，z，t)在任意时刻t的温度场。设点热源的瞬时发热量为Q，根据导热微分方程式(2.5)有28： （2.6）矢量的傅立叶变换中，有矢量K存在，矢量K的模为K，以 、表示矢量K的分量，则有。对式(2.6)作傅式变换，得：等号两边同时积分后，可得：对上式作傅立叶逆变换，可得： （2.7）又根据能量守恒可得： （2.8） 由(2.7)和(2.8)两式联立，可得： 积分可得：瞬时点热源在无限大导体内产生的温度为： （2.9）或写作： （2.10）若热源的坐标不在原点，在P(x1，y1，z1)处，产生的温度公式就写作为： （2.11）方程(2.11)就是我们所求的直角坐标系中求瞬时点热源所在的无限大导体内产生的温度普遍计算式。3） 无限大物体内无限长移动线热源的温度场的计算：假设在无限大物体内有一与y轴重合的无限长瞬时线热源（如图2.2所示），初始时刻t=0，线热源单位长度产生的热量为q1，随后立即消失。初始时刻除y轴各点外其他各点温度为零。在线热源上离原点l处取出dl1长的微元，把它看成点热源，其强度为q1dl1。图2.2 无限长瞬时线热源示意图图Fig.2.2 Chang-restrict Chang-restricted transient heat source line diagram任意一点M(x，y，z)在任意时刻t的温度dT可由方程(2.7)得：将上式从到积分，即可得瞬时无限长线热源在时刻t在点M的温度或： （2.12）令， ，于是当时，；时，于是方程(2.8)的积分部分写成：已知，因此方程(2.12)转化为： （2.13）方程(2.13)即为无限大物体内瞬时无限长线热源的温度场公式。再来看无限长移动线热源在无限大物体内的温度场求解。设Y方向的无限长移动线热源以速度；向x轴正向移动，单位时间的热流密度为q，。规定时间t=，热源在x=0的位置为坐标。建立移动热源动坐标系(如图2.3示)，假设在时间t=时，线热源正好在y轴上。垂直于y轴的不同平面内，温度场是完全相同的。从时刻t=向前推移任意时间t，在这一时刻，热源x方向坐标为x=-vt。图2.3 无限长移动线热源示意图图Fig.2.3 Unlimited long line of mobile heat source diagram这时线状移动热源可看作是一个在t时刻瞬时作用的线热源，根据方程(2.13)，在dt时间内产生的温度为： （2.14）微元在时产生的温度为： (2.15），； ，；，将分子分母同乘以，令上式中的是一个特殊函数，定义为，即：称为零阶二类贝塞尔函数，是对称函数，数值可在数学手册中查到。因此方程(2.15)成为： (2.16)方程(2.16)适用于准稳态条件，包括的情况。x是R在切削速度方向上的投影。因为对连续切削只需0.1秒即可达到稳态切削，因此产生的温度与时间无关。方程(2.16)可作为金属切削过程的基本方程。2.2 高速金属切削刀具温度场的计算