一种适用于圆形硬质合金车刀的三维斜角切削热建模方法技术

本发明专利技术提供一种适用于圆形硬质合金车刀的三维斜角切削热建模方法，通过将切削过程中的热源划分为多个微元，分析每个微元的局部参数，计算每个微元造成的温升，沿着切削刃积分得到整体的切削力，用于预测圆形车刀的温度场，为圆形车刀的高效高精加工过程提供指导。本发明专利技术同时利用解析模型预测切削力和热，减少了对实验的依赖，降低了实验的浪费，具有更高的自由度。

A Three-Dimensional Oblique Cutting Heat Modeling Method for Round Carbide Turning Tools

The invention provides a three-dimensional oblique cutting heat modeling method suitable for circular carbide turning tool. By dividing the heat source in the cutting process into several micro-elements, analyzing the local parameters of each micro-element, calculating the temperature rise caused by each micro-element, and integrating along the cutting edge, the overall cutting force is obtained, which is used to predict the temperature field of circular turning tool, and the high-efficiency and high-precision machining of circular turning tool is accomplished. Cheng provides guidance. At the same time, the analytical model is used to predict the cutting force and heat, which reduces the dependence on the experiment, reduces the waste of the experiment and has a higher degree of freedom.

【技术实现步骤摘要】
一种适用于圆形硬质合金车刀的三维斜角切削热建模方法
本专利技术属于金属高效高精切削加工
，具体涉及一种适用于圆形硬质合金车刀的三维斜角切削热建模方法。
技术介绍
金属切削加工中，切削力和热是最重要的两个指标；其中切削热是影响刀具磨损程度和零件表面完整性的主要因素，温度越高，刀具的磨损越严重。相对于常规车刀，圆形车刀有更大的接触切削刃，由于其抗磨损、强度高的特点，在切削加工中应用广泛。目前在车削领域中，对于常规的菱形车刀和三角形车刀的研究已比较成熟；而圆形车刀由于其形状的特殊性，造成了理论建模的困难，导致针对圆形车刀的温度建模的研究还不多。目前有学者提出了切削加工过程中热建模的研究方法，如Komanduri提出了基于半无限介质理论的温度模型用于计算剪切热源和前刀面摩擦热源造成的温升；Karpat提出了考虑死区热源、后刀面摩擦热源的倒棱刀温度模型等。但由于圆形车刀不是直切削刃而是斜角切削刃，其热源形状是不规则的，导致现有的温度模型均不适用于圆形车刀，增加了对圆形车刀车削过程监测的困难度，导致对零件质量预测的准确度降低。并且在传统模型中分开预测力和热，通过实验获得切削力的数据来预测热，使传统模型依赖于实验数据，成本较高。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：提供一种适用于圆形硬质合金车刀的三维斜角切削热建模方法，用于对圆形车刀车削工件过程中的切屑和刀具建立温度场模型，且同时利用解析模型预测切削力和热，减少实验的浪费。本专利技术为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种适用于圆形硬质合金车刀的三维斜角切削热建模方法，包括下列步骤：步骤S1：向待建立的温度场模型输入刀具的加工参数和工件的材料参数；步骤S2：根据步骤S1输入的参数将工件的未变形切削域划分为N个切削刃微元，并计算工件的切削刃微元的几何参数；步骤S3：根据步骤S1输入的参数和步骤S2计算得出的参数，依据不等分剪切区原理和Johnson-Cook材料本构方程计算刀具的切削刃微元的剪切应力；步骤S4：根据步骤S1输入的参数和步骤S2、步骤S3计算得出的参数，对切削过程中产生的热源分类，将每一类热源均划分为N个微元，计算热源微元的热源强度；步骤S5：根据步骤S1输入的参数和步骤S2、步骤S3、步骤S4计算得出的参数，利用半无限介质理论，通过改进的三维斜角切削方程计算热源微元造成的温升；步骤S6：根据步骤S5计算得出的参数，计算工件的切屑和刀具的整体温升，建立温度场模型。进一步的，在所述步骤S1中，输入刀具的加工参数和工件的材料参数，具体步骤为：步骤S11：输入所述的刀具的加工参数包括刀具的半径r、前角αn、切削深度ap、切削速度V、每齿进给f；步骤S12：输入所述的工件的材料参数。进一步的，在所述步骤S2中，根据步骤S1所述的加工参数将工件的未变形切削域划分为N个切削刃微元，并计算工件的切削刃微元的几何参数，具体步骤为：步骤S21：设未变形切削域的第j个切削刃微元对应的浸入角为j为自然数；根据沿刀具的半径将所述的工件的未变形切削域划分为N个切削刃微元；步骤S22：沿每齿进给f的方向，计算刀具的切入点到刀具中心的距离la计算每齿进给f在前刀面的投影fcfc＝fcos(αn)；计算未变形切削域起始点的浸入角φst计算未变形切削域分区点的浸入角φmid计算未变形切削域终止点的浸入角φex步骤S23：计算未变形切削域的第j个切削刃微元对应的主偏角假设未变形切削域的微元之间的相互作用力之和为0，计算未变形切削域的第j个切削刃微元对应的切屑流角计算未变形切削域的第j个切削刃微元对应的未变形切屑的宽度计算未变形切削域的第j个切削刃微元对应的未变形切屑的厚度进一步的，在所述步骤S3中，根据步骤S1输入的参数和步骤S2计算得出的参数，依据不等分剪切区原理和Johnson-Cook材料本构方程计算刀具的切削刃微元的剪切应力，具体步骤为：步骤S31：通过坐标变换计算刀具的第j个切削刃微元对应的刃倾角和法向前角步骤S32：通过最小能量法则的方程迭代计算刀具的切削刃的第j个切削刃微元对应的法向剪切角和法向摩擦角切屑流速度切屑厚度和剪切速度步骤S33：通过不等分剪切区原理和Johnson-Cook材料本构方程计算刀具的第j个切削刃微元对应的剪切应力进一步的，在所述步骤S4中，根据步骤S1输入的参数和步骤S2、步骤S3计算得出的参数，对切削过程中产生的热源分类，将每一类热源均划分为N个微元，计算热源微元的热源强度，具体步骤为：步骤S41：将切削过程中的热源分为剪切热源和前刀面摩擦热源；步骤S42：沿刀具的半径将剪切热源划分为N个微元，设第j个剪切热源微元的长度为宽度为计算第j个剪切热源微元对应的剪切力步骤S43：沿全局切屑流方向将前刀面热源划分为N个微元，设第j个前刀面热源微元的长度为宽度为分别计算未变形切削域的第j个切削刃微元对应的切削力系数，包括切削速度方向系数Ktc、切削速度径向系数Kfc和切削速度切向系数Krc分别计算力模型中的三个分量，包括切削速度方向分量切削速度径向分量和切削速度切向分量计算第j个前刀面摩擦热源微元的摩擦力步骤S44：计算第j个剪切热源微元的强度计算第j个前刀面摩擦热源微元的强度进一步的，在所述步骤S5中，根据步骤S1输入的参数和步骤S2、步骤S3、步骤S4计算得出的参数，利用半无限介质理论，通过改进的三维斜角切削方程计算热源微元造成的温升，具体步骤为：步骤S51：以前刀面为基准设置直角坐标系XYZ，根据工件材料的热扩散系数awork分别计算中间量u3、u4和u5根据工件材料的热传导系数λwork计算第j个剪切热源微元造成的切屑温升步骤S52：分别计算中间量u6、u7和u8计算第j个前刀面摩擦热源微元造成的切屑温升步骤S53：设第j个前刀面热源微元的方向角为θj，分别计算中间量R和R′根据刀具材料的热传导系数λtool计算第j个前刀面摩擦热源微元造成的刀具温升进一步的，在所述步骤S6中，根据步骤S5计算得出的参数，计算工件2的切屑和刀具的整体温升，建立温度场模型，具体步骤为：步骤S61：计算切屑的整体温升Tchip步骤S62：计算刀具的整体温升Ttool本专利技术的有益效果为：1.本专利技术的一种适用于圆形硬质合金车刀的三维斜角切削热建模方法，用于预测圆形车刀在切削过程中的温度场，为圆形车刀的高效高精加工过程提供指导。2.本专利技术同时利用解析模型预测切削力和热，减少了对实验的依赖，降低了实验的浪费。3.本专利技术为通用的模型，即输入待加工的材料参数，对不同的切削参数组合(切削速度、深度、进给)、不同的刀具-工件组合均可计算对应的温度场，具有更高的自由度。附图说明图1为本专利技术实施例的流程框图。图2为本专利技术实施例的切削加工示意图。图3为本专利技术实施例的切削域的前刀面视角的划分示意图。图4为本专利技术实施例的切削过程中热源的分布图。图5为本专利技术实施例的剪切热源在三维视角下的划分图。图6为本专利技术实施例的前刀面热源在前刀面视角下的划分图。图7为本专利技术实施例的模型计算结果和有限元结果的场对比图。图8为本专利技术实施例的沿刃口的数值对比图。图9为本专利技术实施例的模型计算结果和实验结果的场对比图。图10为本专利技术实施例的沿前刀面的数值对比图。其中：1.未变形切削域；2.工件；3.相邻刀具位本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于圆形硬质合金车刀的三维斜角切削热建模方法，用于对圆形车刀车削工件过程中的切屑和刀具建立温度场模型，其特征在于：包括以下步骤：步骤S1：向待建立的温度场模型输入刀具的加工参数和工件的材料参数；步骤S2：根据步骤S1输入的参数将工件的未变形切削域划分为N个切削刃微元，并计算工件的切削刃微元的几何参数；步骤S3：根据步骤S1输入的参数和步骤S2计算得出的参数，依据不等分剪切区原理和Johnson‑Cook材料本构方程计算刀具的切削刃微元的剪切应力；步骤S4：根据步骤S1输入的参数和步骤S2、步骤S3计算得出的参数，对切削过程中产生的热源分类，将每一类热源均划分为N个微元，计算热源微元的热源强度；步骤S5：根据步骤S1输入的参数和步骤S2、步骤S3、步骤S4计算得出的参数，利用半无限介质理论，通过改进的三维斜角切削方程计算热源微元造成的温升；步骤S6：根据步骤S5计算得出的参数，计算工件的切屑和刀具的整体温升，建立温度场模型。

【技术特征摘要】
1.一种适用于圆形硬质合金车刀的三维斜角切削热建模方法，用于对圆形车刀车削工件过程中的切屑和刀具建立温度场模型，其特征在于：包括以下步骤：步骤S1：向待建立的温度场模型输入刀具的加工参数和工件的材料参数；步骤S2：根据步骤S1输入的参数将工件的未变形切削域划分为N个切削刃微元，并计算工件的切削刃微元的几何参数；步骤S3：根据步骤S1输入的参数和步骤S2计算得出的参数，依据不等分剪切区原理和Johnson-Cook材料本构方程计算刀具的切削刃微元的剪切应力；步骤S4：根据步骤S1输入的参数和步骤S2、步骤S3计算得出的参数，对切削过程中产生的热源分类，将每一类热源均划分为N个微元，计算热源微元的热源强度；步骤S5：根据步骤S1输入的参数和步骤S2、步骤S3、步骤S4计算得出的参数，利用半无限介质理论，通过改进的三维斜角切削方程计算热源微元造成的温升；步骤S6：根据步骤S5计算得出的参数，计算工件的切屑和刀具的整体温升，建立温度场模型。2.根据权利要求1所述的一种适用于圆形硬质合金车刀的三维斜角切削热建模方法，其特征在于：在所述步骤S1中，输入刀具的加工参数和工件的材料参数，具体步骤为：步骤S11：输入所述的刀具的加工参数包括刀具的半径r、前角αn、切削深度ap、切削速度V、每齿进给f；步骤S12：输入所述的工件的材料参数。3.根据权利要求2所述的一种适用于圆形硬质合金车刀的三维斜角切削热建模方法，其特征在于：在所述步骤S2中，根据步骤S1所述的加工参数将工件的未变形切削域划分为N个切削刃微元，并计算工件的切削刃微元的几何参数，具体步骤为：步骤S21：设未变形切削域的第j个切削刃微元对应的浸入角为j为自然数；根据沿刀具的半径将所述的工件的未变形切削域划分为N个切削刃微元；步骤S22：沿每齿进给f的方向，计算刀具的切入点到刀具中心的距离la计算每齿进给f在前刀面的投影fcfc＝fcos(αn)；计算未变形切削域起始点的浸入角φst计算未变形切削域分区点的浸入角φmid计算未变形切削域终止点的浸入角φex步骤S23：计算未变形切削域的第j个切削刃微元对应的主偏角假设未变形切削域的微元之间的相互作用力之和为0，计算未变形切削域的第j个切削刃微元对应的切屑流角计算未变形切削域的第j个切削刃微元对应的未变形切屑的宽度计算未变形切削域的第j个切削刃微元对应的未变形切屑的厚度4.根据权利要求3所述的一种适用于圆形硬质合金车刀的三维斜角切削热建模方法，其特征在于：在所述步骤S3中，根据步骤S1输入的参数和步骤S2计算得出的参数，依据不等分剪切区原理和John...

【专利技术属性】
技术研发人员：庄可佳，翁剑，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42