车刀切削过程中的温度场模拟.docx

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车刀切削过程中的温度场模拟

车刀切削过程中刀具温度分布的模拟

摘要

切削加工已成为当代先进制造技术的重要组成部分，具有广阔的应用前景。

而切削温度是切削加工一个重要的参数指标，由于切削时所消耗的能量超过90%以上转化为热能，也就是说热量是由于加工过程中工件塑性变形、刀具的前刀面与切屑以及后刀面与工件已加工表面之间的摩擦耗散能量造成。

刀具的温升与切削机理及切削参数密切相关，切削热直接影响刀具的磨损和使用寿命，并影响工件的加工精度和加工表面的完整性。

本文以传热学为基础,用有限差分数值方法,对二元切削加工过程中刀具的温度场进行了计算机模拟。

以硬质合金刀具切削钛合金为例,利用Solidworks软件建立外圆车刀的3D模型，并进行了切削温度计算，并对刀具在不同切削速度下的平均温度载荷进行计算分析。

经ANSYS分析,模拟计算效果图与实测切削温度场吻合良好。

这表明刀具切削温度的计算机模拟是可行的,同时也为探索加工材料的切削加工特性提供了一种新的解析方法,可节省大量实验,为进一步预测最佳切削过程、指导新型刀具材料的开发奠定了基础。

关键词：

ANSYS，切削温度，解析预测，有限差分

Abstract

Intheprocessofmetalcuttingenergyusealmost90%abovealltransformedintoheat,theworkpiece,andthetemperatureofthetoolofscrapsarerising,includingtheriseoftemperatureofthecuttingtoolsandcuttingmechanismandcuttingparametersrelatedclosely,anddirectlyaffecttoolwearanditsservicelife.Basedonheattransfer,byusingafinitedifferencenumericalmethodandpersonalcomputer,temperaturefieldatcuttingareaintwodimensionalmachiningprocessesispredicted.Takemachiningtitaniumalloybyusingcementedcarbidetoolandcarbidetoolforexamples,thecuttingtemperatureiscalculated.ByANSYSanalysis,Thecalculatedtemperatureisingoodagreementwiththatmeasured.Thisindicatesthatcomputersimulationofcuttingtemperatureisapplicable.Italsoprovidesanewanalyticmethodforthestudyofcuttingandprocessingfeaturesofhardprocessingmaterials.Alargeamountofexperimentswillbesavedthus.Itlayaforpredictingtheoptimumcuttingprocessandinstructingthedevelopmentofnewcuttermaterials.

Keywords:

ANSYS，Cuttingtemperature，Analyticprediction，Finitedifference

摘要I

AbstractII

1绪论1

1.1概述1

1.2研究切削温度的意义1

1.3切削温度在国内外的研究现状2

1.4研究目的、意义和内容2

2车刀及其材料3

2.1车刀简介3

2.2车刀的重要角度4

2.3车刀分类5

2.4刀具材料5

2.3.1刀具材料应具备的性能5

2.3.2常用的刀具材料6

2.3.3其它刀具材料6

3金属切削刀具基础7

3.1金属切削过程的基本概念7

3.2切削表面与切削运动7

3.3切削用量三要素8

4ANSYS软件简介9

4.1ANSYSA的定义9

4.2ANSYS内容9

4.3ANSYS软件提供的分析类型9

5ANSYS对物体的热分析10

5.1热分析简介10

5.2ANSYS热分析特点11

5.3ANSYS软件求解的基本流程11

6建立刀片模型13

7热分析13

7.1建立工作文件名和工作标题13

7.2定义单元类型14

7.3定义材料性能参数15

7.4导入几何模型、划分网格17

7.5加载求解21

7.6输出温度场分布图29

8对比分析31

9结论32

致谢34

1绪论

1.1概述

在机械制造业中，虽然已经发展出各种不同的零件成型工艺，但目前仍有90%以上的机械零件是通过切削加工制成。

在切削工程中，机床做功转换为等量的切削热，这些切削热除少量逸散到周围介质中以外，其余均传入刀具、切屑和工件中，刀具、工件和机床温升将加速刀具磨损，从而引起工件热变形，严重时甚至引起机床热变形。

因此，在进行切削理论研究、刀具切削性能试验及被加工材料加工性能试验等研究时，对切削温度的测量分析非常重要。

在使用ANSYS测量分析切削温度时，既可以测定切削区域的平均温度，也可以测量出切屑、刀具和工件中的温度分布。

本文就是通过ANSYS模拟90°外圆车刀在切削过程中刀片的温度分布，通过与实验数据的比较证明ANSYS软件的准确性，并用ANSYS的模拟结果研究了切削速度对刀具温度分布的影响。

1.2研究切削温度的意义

切削加工时，切削温度对工作前角、刀—屑平均摩擦系数，单位切削功率及切屑变形系数的影响都很大。

在切削温度低于600℃的情况下，切削温度直接影响切屑瘤的消长，从而影响到切屑瘤的前角，所以工作前角随切屑温度的变化而变化。

刀—屑平均摩擦系数随切削温度变化原因有二：

一、积屑瘤前角随切削速度而变化：

1当θ＜300℃时，积屑瘤前角随着温度的提高而增大；

2当300℃<θ<600℃时，积屑瘤前角随切削温度的升高而减小。

二、刀—屑界面上切屑底层金属的强度随切削温度的上升而下降：

1当θ＞600℃时，刀屑摩擦系数的下降主要就是由于这个原因。

2当θ＜600℃时，随工作前角的增大而减小；随工作前角的减小而增大；

当θ＞600℃时，积屑瘤消失，这时，切屑变形系数的减小是由于刀—屑平均摩擦系数的减小；单位切削功率pc—θ曲线有着与切屑变形系数曲线相似的形状，其理由是不言而喻的，切屑变形大，需要的功自然也就大些。

当切削温度较高时，会使被加工材料软化，与刀具间硬度差增大，有利于切削加工进行。

一般认为，刀具的磨损是由于切削过程中的高温、高压、切屑与前刀面间的摩擦以及工件材料中有关化学元素与之发生粘结、亲和而引起的，即其磨损机制主要包括：

1）化磨损和相变磨损。

刀具高速切削时的平均切削温度可达1000～1200℃，在此高温下，即使在常压和空气气氛中也足以使刀具刀尖区产生氧化、放氮甚至相变。

而刀具一经氧化和相变即会丧失其切削能力。

2）粘结磨损。

在一定压力和高温条件下，刀尖与被加工材料接触区随着切屑不断流出，双方均不断裸露出新的表面。

随着与合金元素的亲和倾向不断增加，将导致出现粘结磨损。

这种磨损一般表现为微粒脱落，当刀尖区温度高达1200℃左右时，局部颗粒将呈现“半熔化”状态，从而使粘结磨损大大加剧。

3）颗粒剥落与微崩刃。

由于刀具是由无数细小的颗粒构成，颗粒之间呈晶界间的精细裂纹连接，而且存在不均匀的内应力，因此当高温切屑流摩擦刮研刀尖时，会因工件材料硬度不均或存在硬质点所产生的微冲击而造成颗粒脱落或产生微崩刃。

由此可见切削温度对加工工艺影响很大，对加工刀具寿命也有影响。

研究切削温度可以避免一些不必要的经济损失。

1.3切削温度在国内外的研究现状

近40年来，切削温度的研究越来越被人们重视，特别是工业发达国家，日本、美国、前苏联、英国和德国等都很重视研究升发，已经有不少成果实用化。

日本对切削温度的研究广泛深人，设有专门的研究机构。

其中一些代表入物，对切削温度的基础理论和实际应用进行了大量系统、深入地研究，并且有专门的著作。

20世纪70年代以来，车削、磨削在日本己研究较成熟。

取得了很好效果，在生产中发挥着重要的作用。

前苏联在切削方面的研究较早，20世纪50年代末60年代初就发表过不少有价值的论文。

在切削温度研究上作了大量工作，并在振动车削、磨削、攻螺纹、钻孔等应用方面职得了良好的经济效果。

美国在振动切削发展上曾走过弯路。

20世纪60年代初开始的切削研究工作，70年代中期又重新开始，并在一些方面取得了系列成果，目前己制订部分标准供选用。

英国和德国等对切削温度的机理和应用也进行了大量研究开发工作，发表了不少有价值的论文，在生产中也得到了积极应用。

在我国，此项研究工作开始干20世纪60年代。

1966年哈尔滨工业大学应用国外先进的切削温度技术进行一系列的试验，取得了良好效果。

1976年以后，陕西机械学院等院校和单位先后做了一些车削、钻孔、攻螺纹与磨削等试验研究并部分应用于生产。

1983年10月在西安召开的全国第一次切削专题讨论会”，促进了切削技术在全国的深入研究和推广位用。

20世纪80年代中期以后，哈尔滨工业大学又对车削淬硬不透钢、钻孔、铝复合材料攻丝进行了试验研究，取得了满意的效果。

吉林工业大学对车削，北京航空航天大学对五合金攻丝都相继进行了试验研究，取得了可喜的成果。

此外，河北机电学院、大连理工大学也对攻丝进行了研究，也取得了一系列的成绩。

1.4研究目的、意义和内容

自切削技术的应用以来，以其独特的工艺效果，极大的提高了工厂生产的效率，减少了生产成本，为企业和工厂带来啦不少生产效益，从而受到国内外机械工程专家和企业的广泛关注。

但是，与传统的加工理论与方法相比，切削技术仍是一种“年轻”的工艺方法，其理论体系尚不完善，还有许多问题有待于深入研究。

其中温度就是困扰大家的一个难题，没有太好的方法来解决。

切削过程是一个涉及到弹性力学、塑性力学、断裂力学、热力学和摩擦学等学科综合交叉的一个非常复杂的过程，因此传统方法的研究大多停留在定性的分析上。

只是到了近十几年来，有限元技术的发展，特别是一些商用有限元软件（如ANSYS，ABAQUS的开发，使之成为能够定量分析这一过程的强大工具。

这方面关键的技术主要是用有限元对切削机理进行了数值模拟，从而大大降低了对切削过程分析的成本并提高了分析的质量。

因此，用有限元对切削进行模拟也就成为切削加工过程的一个研究前沿和热点。

根据最新的研究资料显示，目前的研究主要集中在以下几个方面：

1）一般的材料去除与切削过程的研究；

2）特殊加工过程的计算机模型的研究；

3）切削过程的几何与过程参数的研究；

4）加工过程中的热研究；

5）加工过程中残余应力的研究；

6）加工机床的动力学研究与控制；

7）机床磨损与误差的研究；

8）切屑形成机理的研究；

9）最优化与其他主题的研究。

随着ANSYS软件的开发，其已经逐渐成为一种必要的、且必不可少的研究手段。

同时，受实验设备等客观条件的限制，研究人员不可能在试验中大幅度地随意改变工艺参数。

因此，利用ANSYS软件在切削过程中对切削温度问题进行建模模拟和仿真研究为切削温度问题的解决提供了一个重要的参考依据。

本论文主要对车削过程中的刀具与工件的相对位移移动所产生的摩擦热度进行分析依据的实例是：

工件材料钛合金，刀片材料YT15，切削厚度1mm，切削速度30~70m/min，进给速度0.1~0.3mm/r。

2车刀及其材料

2.1车刀简介

车刀的工作部分就是产生和处理切屑的部分，包括刀刃、使切屑断碎或卷拢的结构、排屑或容储切屑的空间、切削液的通道等结构要素。

车刀的切削部分由主切削刃、副切削刃、前刀面、主后刀面和副后刀面，刀尖角成。

车刀的切削部分和柄部（即装夹部分）的结合方式主要有整体式、焊接式、机械夹固式和焊接-机械夹固式。

机械夹固式车刀可以避免硬质合金刀片在高温焊接时产生应力和裂纹，并且刀柄可多次使用。

机械夹固式车刀一般是用螺钉和压板将刀片夹紧，装可转位刀片的机械夹固式车刀。

图21车削刀具的组成

车刀的切削部分由主切削刃、副切削刃、前面、后面和副后面等组成。

它的几何形状由前角

、后角

、主偏角

、刃倾角

、副偏角

和刀尖圆弧半径

所决定。

车刀几何参数的选择受多种因素影响，必须根据具体情况选取。

前角

根据工件材料的成分和强度来选取，切削强度较高的材料时，应取较小的值。

例如，硬质合金车刀在切削普通碳素钢时前角取10°～15°；在切削铬锰钢或淬火钢时取-2°～-10°。

一般情况下后角取6°～10°。

主偏角

根据工艺系统的刚性条件而定,一般取30°～75°,刚性差时取较大的值，在车阶梯轴时，由于切削方式的需要取大于或等于90°。

刀尖圆弧半径

和副偏角

一般按加工表面粗糙度的要求而选取。

刃倾角

则根据所要求的排屑方向和刀刃强度确定。

2.2车刀的重要角度

车刀属于单锋刀具，因车削工作物形状不同而有很多型式，但它各部位的名称及作用却是相同的。

一支良好的车刀必须具有刚性良好的刀柄及锋利的刀锋两大部份。

车刀的刀刃角度，直接影响车削效果，不同的车刀材质及工件材料、刀刃的角度亦不相同。

车床用车刀具有四个重要角度，即前间隙角、边间隙角、后斜角及边斜角。

1）前间隙角

　　自刀鼻往下向刀内倾斜的角度为前间隙角，因有前间隙角，工作面和刀尖下形成一空间，使切削作用集中于刀鼻。

若此角度太小，刀具将在表面上摩擦，而产生粗糙面，角度太大，刀具容易发生震颤，使刀鼻碎裂无法光制。

装上具有倾斜中刀把的车刀磨前间隙角时，需考虑刀把倾斜角度。

高速钢车刀此角度约8~10度之间，碳化物车刀则在6~8度之间。

2）边间隙角

　　刀侧面自切削边向刀内倾斜的角度为边间隙角。

边间隙角使工作物面和刀侧面形成一空间使切削作用集中于切削边提高切削效率。

高速钢车刀此角度约10~12度之间。

3）后斜角

　　从刀顶面自刀鼻向刀柄倾斜的角度为后斜角。

此角度主要是在引导排屑及减少排屑阻力。

切削一般金属，高速钢车刀一般为8~16度，而碳化物车刀为负倾角或零度。

4）边斜角

　　从刀顶面自切削边向另一边倾斜，此倾斜面和水平面所成角度为边斜角。

此角度是使切屑脱离工作物的角度，使排屑容易并获得有效之车削。

切削一般金属，高速钢车刀此角度大约为10~14度，而碳化物车刀可为正倾角也可为负倾角。

5）刀端角

　　刀刃前端与刀柄垂直之角度。

此角度的作用为保持刀刃前端与工件有一间隙避免刀刃与工件磨擦或擦伤已加工之表面。

6）切边角

　　刀刃前端与刀柄垂直之角度，其作用为改变切层的厚度。

同时切边角亦可改变车刀受力方向，减少进刀阻力，增加刀具寿命，因此一般粗车时，宜采用切边角较大之车刀，以减少进刀阻力，增加切削速度。

7）刀鼻半径

　　刀刃最高点之刀口圆弧半径。

刀鼻半径大强度大，用于大的切削深度，但容易产生高频振动。

2.3车刀分类

一、按结构可分为整体车刀、焊接车刀、机夹车刀、可转位车刀和成型车刀。

其中可转位车刀的应用日益广泛，在车刀中所占比例逐渐增加。

二、硬质合金焊接车刀所谓焊接式车刀，就是在碳钢刀杆上按刀具几何角度的要求开出刀槽，用焊料将硬质合金刀片焊接在刀槽内，并按所选择的几何参数刃磨后使用的车刀。

三、机夹车刀机夹车刀是采用普通刀片，用机械夹固的方法将刀片夹持在刀杆上使用的车刀。

按加工面的不同车刀可分为：

外圆车刀、端面车刀、内孔车刀、切断车刀、切槽车刀；根据车刀的结构不同可分为：

整体车刀、焊接车刀、焊接装配式车刀、机夹车刀、可转位车刀；根据刀杆截面形状的不同，可分为正方形、矩形、圆形和不规则四边形四种。

本文以90°外圆车刀为例进行模拟试验。

选择车刀主要参数为：

刀片（A320），l×t×s×R（20×11×7×11mm），

=1mm，e=0.8mm；刀杆（06R2525），L×h×b（140×25×25mm）。

2.4刀具材料

刀具切削性能的好坏，取决于构成刀具切削部分的材料、几何形状和刀具结构。

刀具材料对刀具使用寿命、加工效率、加工质量和加工成本等都有很大影响，因此要重视刀具材料的正确选择与和合理使用。

2.3.1刀具材料应具备的性能

1、高的硬度和耐磨性刀具材料要比工件材料硬度高，常温硬度在HRC62以上；耐磨性表示抵抗磨损的能力，它取决于组织中硬质点的硬度、数量和分布。

2、足够的强度和韧性为了承受切削中的压力冲击和韧性，避免崩刀和折断，刀具材料应具有足够的强度和韧性。

3、高耐热性刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性得能力。

4、良好的工艺性为了便于制造，要求刀具材料有较好的可加工性。

如，切削加工性、铸造性、锻造性和热处理性等。

5、良好的经济性

2.3.2常用的刀具材料

目前，生产中所用的刀具材料以高速钢和硬质合金居多。

碳素工具钢（如T10A、T12A）、工具钢（如SiCr、CrWMn）因耐热性差，仅用于一些手工或切削速度较低的刀具。

1.高速钢定义：

是一种加入较多的钨、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。

性能：

有较高的热稳定性；有较高的强度、韧性、硬度和耐磨性；制造工艺简单，容易磨成锋利的切削刃，可锻造。

是制造钻头、成形刀具、拉刀、齿轮刀具等的主要材料。

分类：

按用途分：

通用型高速钢和高性能高速钢；按制造工艺分：

熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。

1）通用型高速钢钨钢：

典型牌号为W18Cr4V，有良好的综合性能，可以制造各种复杂刀具。

钨钼钢：

典型牌号为W6Mo5Cr4V2，可做尺寸较小、承受冲击力较大的刀具；热塑性特别好，更适用于制造热轧钻头等；磨加工性好，目前各国广泛应用。

2）高性能高速钢典型牌号为高碳高速钢W18Cr4V、高钒高速钢W6MoCr4V3、钴高速钢W6MoCr4V2Co8和超硬高速钢W2Mo9Cr4Co8等。

适合于加工高温合金、钛合金和超高强度钢等难加工材料。

3）粉末冶金高速钢用高压氩气或氮气雾化熔融的高速钢水，直接得到细小的高速钢粉末，高温下压制成致密的钢坯，而后锻压成材或刀具形状。

适合于制造切削难加工材料的刀具、大尺寸刀具（如滚刀、插齿刀）、精密刀具、磨加工量大的复杂刀具、高动载荷下使用的刀具等。

2.硬质合金由难熔金属化合物（如WC、TiC）和金属粘结剂（Co）经粉末冶金法制成。

硬质合金以其切削性能优良被广泛用作刀具材料（约占50%）。

如大多数的车刀、端铣刀以至深孔钻、铰刀、拉刀、齿轮刀具等。

具有高耐磨性和高耐热性，但抗弯强度低、冲击韧性差，很少用于制造整体刀具。

它还可用于高速钢刀具不能切削的淬硬钢等硬材料。

ISO将切削用的硬质合金分为三类：

a）YG（K）类，即WC-Co类硬质合金

b）YT（P）类，即WC-TiC-Co类硬质合金

c）YW（M）类，即WC-TiC-TaC-Co类硬质合金

2.3.3其它刀具材料

a）涂层刀具

b）陶瓷：

硬度高、耐用度高，还可用于冲击负荷下的粗加工，切削效率显著提高。

c）金刚石

d）立方氮化硼

本文选择硬质合金YT15作为焊接刀片材料，其主要热物理参数为：

泊松比：

67；热膨胀系数：

2.39e-5；材料密度为13.5kg/m3，外力加载为1180N，导热系数为：

150W/m*K；对流传热系数为：

600W/（m2*K）。

3金属切削基础

3.1金属切削过程的基本概念

车削就是在车床上，利用工件的旋转运动和刀具的直线运动或曲线运动来改变毛坯的形状和尺寸，把它加工成符合图纸的要求。

车削加工是在车床上利用工件相对于刀具旋转对工件进行切削加工的方法。

车削加工的切削能主要由工件而不是刀具提供。

车削是最基本、最常见的切削加工方法，在生产中占有十分重要的地位。

车削适于加工回转表面，大部分具有回转表面的工件都可以用车削方法加工，如内外圆柱面、内外圆锥面、端面、沟槽、螺纹和回转成形面等，所用刀具主要是车刀。

在各类金属切削机床中，车床是应用最广泛的一类，约占机床总数的50%。

车床既可用车刀对工件进行车削加工，又可用钻头、铰刀、丝锥和滚花刀进行钻孔、铰孔、攻螺纹和滚花等操作。

按工艺特点、布局形式和结构特性等的不同，车床可以分为卧式车床、落地车床、立式车床、转塔车床以及仿形车床等，其中大部分为卧式车床。

3.2切削表面与切削运动

切削表面切削加工过程是一个动态过程，在切削过程中，工件上通常存在着三个不断变化的切削表面。

即：

待加工表面：

工件上即将被切除的表面。

已加工表面：

工件上已切去切削层而形成的新表面。

过渡表面（加工表面）：

工件上正被刀具切削着的表面，介于已加工表面和待加工表面之间。

以车削外圆为例，如图3-1。

图3-2切削运动与切削表面示意图

切削运动刀具与工件间的相对运动称为切削运动（即表面成形运动）。

按作用来分，切削运动可分为主运动和进给运动。

上图给出了车刀进行普通外圆车削时的切削运动，图中合成运动的切削速度Ve、主运动速度Vc和进给运动速度Vf之间的关系。

（1）主运动主运动是刀具与工件之间的相对运动。

它使刀具的前刀面能够接近工件，切除工件上的被切削层，使之转变为切屑，从而完成切屑加工。

一般，主运动速度最高，消耗功率最大，机床通常只有一个主运动。

例如，车削加工时，工件的回转运动是主运动。

（2）进给运动进给运动是配合主运动实现依次连续不断地切除多余金属层的刀具与工件之间的附加相对运动。

进给运动与主运动配合即可完成所需的表面几何形状的加工，根据工件表面形状成形的需要，进给运动可以是多个，也可以是一个；可以是连续的，也可以是间歇的。

（3）合成运动与合成切削速度当主运动和进给运动同时进行时，刀具切削刃上某一点相对于工件的运动称为合成切削运动，其大小和方向用合成速度向量ve表示,见上图。

Ve=Vc+Vf

3.3切削用量三要素

1、切削速度vc切削速度vc是刀具切削刃上选定点相对于工件的主运动瞬时线速度。

由于切削刃上各点的切削速度可能是不同，计算时常用最大切削速度代表刀具的切削速度。

当主运动为回转运动时：

式中d—切削刃上选定点的回转直径，mm；n—主运动的转速，r/s或r/min。

2、进给速度vf、进给量f进给速度vf—切削刃上选定点相对于工件的进给运动瞬时速度，mm/s或mm/min.。

进给量f—刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量，用刀具或工件每转或每行程的位移量来表述，mm/r或mm/行程。

Vf=nf

3、切削深度ap对于车削和刨削加工来说，切削深度ap（背吃刀量）是在与主运动和进给运动方向相垂直的方向上度量的已加工表面与待加工表面之间的距离，单位mm。

4ANSYS软件简介

4.1ANSYSA的定义

ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。

由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer,NASTRAN,Allegr