一种确定立铣刀铣削过程切削热分配比例的方法技术

本发明专利技术公开了一种确定立铣刀铣削过程切削热分配比例的方法，步骤是：计算刀屑接触区的表面热流密度；利用ABAQUS软件对铣刀三维模型进行有限元仿真分析得到铣刀的温度场结果；进行刀具测温实验，利用OMEGA软件得到实验中刀杆上部多个测温点的温度：根据实验中多个测温点的位置将仿真结果中对应点的温度提取出来与刀杆上多个测温点的温度进行对比，根据对比结果调整热分配系数A％，当仿真结果与测温实验结果相差±15％时，即可得出此工况下的具体的热分配系数值A％。本发明专利技术方法具有实验时间较短，计算准确的优点，工程实际应用效果好。可以方便的使用有限元分析软件进行模拟仿真，并通过实验数据与仿真结果进行比较、调整，从而得到较为精确的热分配比例结果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及立铣刀铣削加工过程中，一种使用有限元确定切削热分配比例系数的方法。
技术介绍
铣削是一种常见的金属冷加工方式，和车削不同之处在于铣削加工中刀具在主轴驱动下高速旋转，而被加工工件处于相对静止。此工艺可以用来加工平面、成形面、齿轮、沟槽(包括键槽、V形槽、燕尾槽、T形槽、圆弧槽、螺旋槽等)，还可进行孔加工，如钻孔、扩孔、等。由于加工范围之广，所以在金属切削中占有很高的地位。然而，铣削过程中产生的温度是影响刀具寿命和工件表面加工质量的重要因素,对铣削温度的产生和变化进行研究,找到铣削温度随工艺参数的变化规律一直是高速铣削研究领域的重要方向。因此，探究切削温度在刀具、切屑及工件中的分配比例是非常重要的。对于热分配系数，通常认为热量传入刀具与其余部分的比例为1：1。或者，通过经验公式可以得到分配系数的大致范围。由于在铣削过程中工件材料、加工条件以及刀具材料的不同，热分配系数也会随之而变化，而并不是固定不变的，所以本专利技术旨在研究精确的热分配系数数值，以满足工业需要。
技术实现思路
现有的探究热分配系数的方法中绝大部分都是依靠经验或公式得出的大致范围，本专利技术的目的在于在现有的技术方面提供一种基于有限元分析和实验对比相结合的确定铣削过程热分配系数精确数值的方法。为了解决上述技术问题，本专利技术提出一种确定立铣刀铣削过程切削热分配比例的方法，包括以下步骤：步骤一、计算刀屑接触区的表面热流密度g，包括：首先，根据式(1)求出铣刀切削热功率P，式(1)中：V为切削速度，αn为法向前角，αn＝tan-1(tanαrcosαh)，αr为径向前角，αh为螺旋升角；φn为法向剪切角，λ为刀屑摩擦角，λ＝19.1+0.29αn(°)；式(2)中，dFs为微元的剪切力，ηc为切屑流出速度，令ηc＝αh，ηs为剪切带流动方向角，式(3)中，λs为刃倾角等于αh，式(4)中，h为每齿进给量，dz为微元长度，τ为平均剪切应力，式(5)中，A为工件材料屈服强度，B为工件材料硬化模量，γ为应变，n为加工硬化指数，C为应变率敏感性因数，为应变率，其中，Δy为剪切带厚度，剪切速度为参考应变率，T为剪切带温度，T0为参考温度，Tm为材料溶化温度，m为热软化系数；然后，由上述得出的热功率P求得面热流密度其中，lcontact为铣刀与切屑的接触长度，步骤二：利用ABAQUS软件对铣刀三维模型进行热传递有限元分析，包括：2-1)根据所用铣刀建立铣刀三维模型及网格划分；2-2)设定铣刀三维模型材料属性，包括铣刀材料的密度、比热容、热传导系数、杨氏模量、泊松比；2-3)载荷及边界条件设定：以步骤一的面热流密度乘以热分配系数即g×A％作为载荷施加到铣刀三维模型刀刃上的刀屑接触区域，其中，A％的初设值为50％；对整个铣刀施加边界条件，边界条件为空气自然对流；2-4)热传递有限元仿真分析后得到铣刀的温度场；步骤三：利用OMEGA软件得到刀具测温实验中刀杆上部多个测温点的温度：对刀具进行测温实验：在铣刀柄上安装多个温度采集模块，在铣刀的上部设有多个测温点，所述温度采集模块具有热电偶插头，所述热电偶插头与测温点之间均分别连接有热电偶，所述温度采集模块与所述计算机之间设有匹配的插接件；利用上述铣刀对工件进行铣削加工，铣削过程结束后，所述温度采集模块将采集到的铣削过程铣刀的温度传输给计算机；所述计算机利用OMEGA软件得到刀杆上所述多个测温点的温度；步骤四：确定热分配系数A％的终值：根据步骤三中刀杆上多个测温点的位置将步骤二仿真结果中对应点的温度提取出来与步骤三得到的刀杆上所述多个测温点的温度进行对比，如果仿真结果大于测温实验结果则按照5％减小热分配系数A％，反之增大热分配系数A％，重复依次执行步骤2-3)、2-4)和步骤四，当满足仿真结果与测温实验结果相差±15％时，从而得出热分配系数A％。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：通过本专利技术所构思的以上技术方案，可以对铣刀进行连续测温获得铣刀稳态下的温度场，并且应用有限元建模方法，将实际工况参数代入不但可以使仿真结果更加接近真实状况，还可以减少实验次数，降低实验成本。并且经过实验与仿真的对比，可以获得各种不同工况下具体的热分配系数值。附图说明图1是本专利技术方法的流程图；图2是本专利技术中安装有测温装置的刀柄与铣刀装配体的主视全剖视图；图3是图2中所示安装有测温装置的刀柄立体结构示意图；图4是图3中所示测温模块支架的立体结构示意图；图5是图2中所示刀柄的主视图；图6是本专利技术实施例中铣刀上热电偶测温热节点测布置示意图；图7是本专利技术实施例中采用立铣刀方肩铣的示意图；图8是图7中I部局部放大示意图；图9是图8所示的切削过程中立铣刀与工件接触长度及加工时间的示意图；图10是图9所示切削过程的ABAQUS热载荷幅值曲线图图中：1-铣刀柄，2-上盖板，3-热电偶插头，4-温度采集模块，5-测温点，6-锁紧螺母，7-铣刀，8-铣刀夹块，9-下盖板，10-测温模块支架，11-热电偶，12-锁紧螺钉13-顶丝，14-工件，15-顶丝孔，16-测温模块安装孔，17-螺钉孔，18-热电偶过线槽，19-热电偶穿线孔，20-顶丝平台。具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术作详细说明，本实施例以专利技术技术方案为前提，做出了详细的实施方法和具体操作过程，工件材料为TC4航空用钛合金，铣刀为sandvick四刃10mm直径立铣刀，径向前角αr为15°，螺旋升角αh为41°；如图1所示，本专利技术提出的一种确定立铣刀铣削过程切削热分配比例的方法，包括以下步骤：步骤一、计算刀屑接触区的表面热流密度g，包括：首先，根据式(1)求出铣刀切削热功率P，式(1)中：V为切削速度，αn为法向前角，αn＝tan-1(tanαrcosαh)，αr为径向前角，αh为螺旋升角，本实施例中，αr＝15°，αh＝41°；φn为法向剪切角，λ为刀屑摩擦角，λ＝19.1+0.29αn(°)；式(2)中，dFs为微元的剪切力，ηc为切屑流出速度，令ηc＝αh，ηs为剪切带流动方向角，式(3)中，λs为刃倾角等于αh，式(4)中，h为每齿进给量，dz为微元长度，τ为平均剪切应力，式(5)中，A为工件材料屈服强度，B为工件材料硬化模量，γ为应变，为加工硬化指数，C为应变率敏感性因数，为应变率，其中，Δy为剪切带厚度(通过材料晶体镜像实验获得)，剪切速度为参考应变率，T为剪切带温度，T0为参考温度，Tm为材料溶化温度，m为热软化系数；本实施例中，工件为TC4，材料的各个参数如下表所示：然后，由上述得出的热功率P求得面热流密度其中，lcontact为铣刀与切屑的接触长度，步骤二：利用ABAQUS软件对铣刀三维模型进行热传递有限元分析，具体内容如下：根据所用铣刀建立铣刀的三维模型，运行ABAQUS有限元仿真软件，将立铣刀的三维模型导入该软件中，由于铣刀外形的复杂性，需要对模型进行外形修复；2-2)将铣刀材料的材料属性输入并分配在铣刀模型上，材料属性包括铣刀材料的密度、比热容、热传导系数、杨氏模量、泊松比；2-3)将步骤一得到的面热流密度乘以热分配系数即g×A％以面热流密度的形式作为载荷施加到铣刀三维模型刀刃上的刀屑接触区域，如图7和图8所示，其宽度为步骤一计算得到的lcontact，长度为实际本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种确定立铣刀铣削过程切削热分配比例的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、计算刀屑接触区的表面热流密度g，包括：首先，根据式(1)求出铣刀切削热功率P，P=V×dFR×sinφn×sinλcos(φn-αn)---(1)]]>式(1)中：V为切削速度，αn为法向前角，αn＝tan‑1(tanαrcosαh)，αr为径向前角，αh为螺旋升角；φn为法向剪切角，λ为刀屑摩擦角，λ＝19.1+0.29αn(°)；dFR=dFscosηscosλ(cos(φn-αn)-tanλcosηcsin(φn-αn))---(2)]]>式(2)中，dFs为微元的剪切力，ηc为切屑流出速度，令ηc＝αh，ηs为剪切带流动方向角，ηs=tan-1(tanηcsinφn-tanλscos(φn-αn)cosαn)---(3)]]>式(3)中，αs为刃倾角等于αh，dFs=τhcosλSsinφndz,---(4)]]>式(4)中，h为每齿进给量，dz为微元长度，τ为平均剪切应力，τ=13[A+B(γ3)n][1+Cln(γ·γ·0)][1-(T-T0Tm-T0)m]---(5)]]>式(5)中，A为工件材料屈服强度，B为工件材料硬化模量，γ为应变，n为加工硬化指数，C为应变率敏感性因数，为应变率，其中，Δy为剪切带厚度，剪切速度为参考应变率，T为剪切带温度，T0为参考温度，Tm为材料溶化温度，m为热软化系数；然后，由上述得出的热功率P求得面热流密度其中，lcontact为铣刀与切屑的接触长度，步骤二：利用ABAQUS软件对铣刀三维模型进行热传递有限元分析，包括：2‑1)根据所用铣刀建立铣刀三维模型及网格划分；2‑2)设定铣刀三维模型材料属性，包括铣刀材料的密度、比热容、热传导系数、杨氏模量、泊松比；2‑3)载荷及边界条件设定：以步骤一的面热流密度乘以热分配系数即g×A％作为载荷施加到铣刀三维模型刀刃上的刀屑接触区域，其中，A％的初设值为50％；对整个铣刀施加边界条件，边界条件为空气自然对流；2‑4)热传递有限元仿真分析后得到铣刀的温度场；步骤三：利用OMEGA软件得到刀具测温实验中刀杆上部多个测温点的温度：对刀具进行测温实验：在铣刀柄(1)上安装多个温度采集模块(4)，在铣刀(7)的上部设有多个测温点(5)，所述温度采集模块(4)具有热电偶插头(3)，所述热电偶插头(3)与测温点(5)之间均分别连接有热电偶(11)，所述温度采集模块(4)与所述计算机之间设有匹配的插接件；利用上述铣刀(7)对工件(14)进行铣削加工，铣削过程结束后，所述温度采集模块(4)将采集到的铣削过程铣刀的温度传输给计算机；所述计算机利用OMEGA软件得到刀杆上所述多个测温点的温度；步骤四：确定热分配系数A％的终值：根据步骤三中刀杆上多个测温点的位置将步骤二仿真结果中对应点的温度提取出来与步骤三得到的刀杆上所述多个测温点的温度进行对比，如果仿真结果大于测温实验结果则按照3％减小热分配系数A％，反之增大热分配系数A％，重复依次执行步骤2‑3)、2‑4)和步骤四，当满足仿真结果与测温实验结果相差±15％时，从而得出热分配系数A％。...

【技术特征摘要】
1.一种确定立铣刀铣削过程切削热分配比例的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、计算刀屑接触区的表面热流密度g，包括：首先，根据式(1)求出铣刀切削热功率P，P=V×dFR×sinφn×sinλcos(φn-αn)---(1)]]>式(1)中：V为切削速度，αn为法向前角，αn＝tan-1(tanαrcosαh)，αr为径向前角，αh为螺旋升角；φn为法向剪切角，λ为刀屑摩擦角，λ＝19.1+0.29αn(°)；dFR=dFscosηscosλ(cos(φn-αn)-tanλcosηcsin(φn-αn))---(2)]]>式(2)中，dFs为微元的剪切力，ηc为切屑流出速度，令ηc＝αh，ηs为剪切带流动方向角，ηs=tan-1(tanηcsinφn-tanλscos(φn-αn)cosαn)---(3)]]>式(3)中，αs为刃倾角等于αh，dFs=τhcosλSsinφndz,---(4)]]>式(4)中，h为每齿进给量，dz为微元长度，τ为平均剪切应力，τ=13[A+B(γ3)n][1+Cln(γ·γ·0)][1-(T-T0Tm-T0)m]---(5)]]>式(5)中，A为工件材料屈服强度，B为工件材料硬化模量，γ为应变，n为加工硬化指数，C为应变率敏感性因数，为应变率，其中，Δy为...

【专利技术属性】
技术研发人员：任成祖，杨新鹏，陈光，邹云鹤，靳新民，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12