摆线铣削中的切削温度预测方法技术

本发明专利技术一种摆线铣削中的切削温度预测方法，包括如下步骤：步骤1：求解铣削过程中第二变形区消耗的能量Q

【技术实现步骤摘要】
摆线铣削中的切削温度预测方法


[0001]本专利技术属于三轴数控加工建模及摆线铣削建模相关领域，涉及到在摆线铣削中求解刀具切削刃上任意一点在任一瞬时切削温度的方法。通过对铣削中经由前刀面流入刀具的热流密度、摆线铣削中刀具和工件之间啮合规律的计算，结合导热微分方程给出了摆线铣削中切削温度的求解方法。

技术介绍

[0002]在铣削中，切削温度对刀具寿命具有重要影响，尤其当切削温度较高时，切削温度对刀具寿命具有决定性影响。随着切削速度和进击速度的提高，切削效率和切削温度同步提高，然而切削温度的提高极大地影响了刀具的使用寿命，从而降低了加工效率，增加了废品率，提高了零件的制造成本。摆线铣削策略常用于高速加工和难加工材料，如钛合金、镍基高温合金以及模具钢的加工。传统的切削方法在加工这些材料时，切削温度高、刀具寿命短。文献“廖铃吉,任景刚,杨金锋.摆线铣加工技术及其在航空发动机加工中的应用[J].航空制造技术,2015(12):47
‑
50.”中利用镍基高温合金GH4169G的加工试验指出在摆线铣削中刀具和工件之间的啮合角是均匀缓慢变化的，且在后半个摆线周期刀具和工件不再啮合，特别有利于刀具的散热和降低切削温度。然而，该文献并未对摆线铣削中流入刀具的热流密度、刀具和工件之间的啮合规律以及摆线铣削中的切削温度进行定量研究。而摆线铣削中流入刀具的热流密度、刀具和工件之间的啮合规律是求解切削温度的最基础问题，摆线铣削中切削温度的求解又是摆线铣削中的基础性问题。因此，通过对这些问题的深入研究可以为摆线铣削中的切削参数优化和刀具的优选提供准则和理论依据，也可以进一步揭示隐含在“摆线铣削能延长刀具寿命”这一现象背后的科学原理。

技术实现思路

[0003]本专利技术为了克服现有研究难以计算摆线铣削中切削温度的不足以及难以定量描述摆线铣削中切削温度变化规律的不足，提出了一种摆线铣削中切削温度的高效求解方法。该方法首先基于有限元法求得了铣削中在给定刀具、工件及切削参数下，金属切削中第二变形区消耗的能量；接着，依据传热理论建立了铣削过程中的导热微分方程，并利用格林方程简化和求解了该方程，即建立了铣削中的切削温度模型；继而，通过求解相同刀具、工件及切削条件下的切削温度与试验结果对比标定了给定条件下流入刀具能量的百分比(能量分配系数)。最后，通过研究摆线铣削中刀具和工件的啮合规律，结合已经建立的铣削中的切削温度模型及标定得到的能量分配系数，提出了摆线铣削中的切削温度预测方法。该方法可以高效求解摆线铣削中刀具上任一点处任一瞬时的切削温度，其克服了传统有限元法求解切削温度效率低的不足和单纯解析法求解流入刀具热流密度困难的不足。该方法为摆线铣削的切削参数优化、刀具的优选，提供了新的理论依据和计算方法，必将加深学术界和工业界对摆线铣削的理解和推动工业界对摆线铣削的广泛应用。
[0004]本专利技术的技术方案是：
[0029]剪切角φ
ci
的数值可由应力分布图测量得到，具体的在第二变形区，应力相近的区域画三条等应力线段s
1i
，s
2i
，S
3i
，然后分别测量三条线段与切削速度方向V的夹角α
1i
，α
2i
，α
3i
；则当未变形切屑厚度为h
i
时对应的剪切角φ
ci
可以下式计算，至此求得了计算Q
f
所需要的所有参数：
[0030]φ
ci
＝(α
1i
+α
2i
+α
3i
)/3。
[0031]进一步的，所述步骤2的具体实现方法是：
[0032]2.1建立坐标系，则平面y＝0，z＝0都是绝热面，并且在平面x＝0上除了切削过程中的刀
‑
屑接触区域，其它区域也是绝热的，若刀具材料各项同性且其传热学特性不随温度的变化而变化，则刀具上的一点A(x,y,z)在t时刻的温度场T(x,y,z,t)满足微分方程
[0033][0034]上述方程的约束条件为
[0035][0036]其中，k为刀具材料的导热系数，q
c
(t)为经前刀面刀
‑
屑接触区域流入刀具的热流密度，若q
c
(t)在前刀面上均匀分布，即与刀
‑
屑接触区域的位置无关；此时，上述微分方程的解由下式求得；
[0037][0038]上式中A(x,y,z,D)可以表示为
[0039][0040]其中，D＝K(t
‑
τ)
1/2
；t为时间，τ表示前刀面上B(0,y
p
,z
p
)处的单位热源在τ时刻加热了刀具，K为刀具材料的热扩散系数；erf为误差函数，表示为
[0041][0042]结合步骤1求得的经前刀面流入刀具的热流密度q
c
，求解上述积分即可求得铣削中任意瞬时t、刀具上任意位置A(x,y,z)处的切削温度T(x,y,z,t)。
[0043]进一步的，所述步骤3的具体实现方法是：
[0044]3.1给定刀具和工件对以及对应的切削条件，则依据步骤1所述的方法求出第二变形区消耗的能量Q
f
以及刀
‑
屑接触区域的面积A
s
，通过假定一系列的能量分配系数值R
2j
(0<R
2j
<1)，如R
2j
＝[10％,20％,
…
,90％]，即可计算出给定条件下对应能量分配系数R
2j
时流入
刀具的热流密度q
cj
；
[0045]3.2将求得流入刀具的热流密度q
cj
代入步骤2，即可求得铣削过程中刀具上任一点A(x,y,z)在任意时刻t的切削温度T(x,y,z,t)
j
；
[0046]3.3通过切削实验，利用热电偶、红外成像或光纤热辐射测温法，测量给定刀具
‑
工件对及切削参数下刀具上一点A(x,y,z)处的切削温度曲线T(x,y,z,t)
e
；
[0047]3.4分别取计算出的切削温度曲线的稳定段和实验测量得到的切削温度曲线的稳定段，对比分析稳定段最大切削温度计算值与测量值的关系；若当R2＝R
2j
时，在A(x,y,z)点处求得的最大切削温度T(x,y,z)
jmax
与实验测得A点处的最大切削温度T(x,y,z)
emax
之间的差值小于5％，则认为R2＝R
2j
为给定刀具
‑
工件对和切削条件下，第二变形区经前刀面流入刀具的能量分配系数。
[0048]进一步的，所述步骤4的具体实现方法是：
[0049]4.1在摆线铣削中，当刀具的某一切削刃切入本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种摆线铣削中的切削温度预测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：求解铣削过程中第二变形区消耗的能量Q
f
；步骤2：建立铣削中的切削温度模型；步骤3：第二变形区消耗能量经前刀面流入刀具的能量分配系数R2的标定；步骤4：求解摆线铣削中流入刀具能量的输入规律；步骤5：求解摆线铣削中的切削温度T(x,y,z,t)。2.根据权利要求1所述的线铣削中的切削温度预测方法，其特征在于，所述步骤1的具体实现方法是：1.1在金属切削过程中的静切削功全部转化为热，并且金属切削中第二变形区消耗的能量对刀具的切削温度具有决定性的影响，求解第二变形区消耗的能量Q
f
以求解切削温度，铣削过程中流入刀具的热流密度q
c
可由下式计；q
c
＝R2·
Q
f
/A
s
其中，R2为能量分配系数，表示在第二变形区经前刀面流入刀具的能量占第二变形区消耗总能量的百分比；A
s
为铣削过程中刀具和切屑的接触面积，其值可由下式计算；A
s
＝l
cn
·
a
p
其中，l
cn
为刀具和切屑的接触长度，a
p
为轴向切深；1.2金属切削过程中第二变形区消耗的能量Q
f
可以表示为Q
f
＝F
u
·
V
c
其中，F
u
为切屑在前刀面上受到的摩擦力；V
c
为切屑相对于前刀面的滑动速度，F
u
可由下式计算：F
u
＝F
tc
·
sin(α
r
)+F
fc
·
cos(α
r
)F
tc
为沿切削速度V方向的主切削力，F
fc
的方向与F
tc
的方向垂直；α
r
为刀具前角，依据切削中的运动学关系，切屑滑动速度V
c
可以表示为：其中，φ
c
为剪切角；1.3在铣削中切削力(F
tc
,F
fc
)、剪切角φ
c
、刀
‑
屑接触长度l
cn
随未变形切屑厚度h的变化关系复杂，采用有限元法来计算给定未变形切屑厚度时的切削力、剪切角和刀
‑
屑接触长度，在刀具切削工件旋转一周的过程中，单个切削刃切下的未变形切屑厚度h在0和每齿进给f
z
之间变化；取m个未变形切屑厚度h
i
(i＝1,2,
…
,m)，其中h
i
＝i
·
f
z
/m,i＝1,2,
…
,m.将每一个未变形切屑厚度h
i
连同切削速度V，刀具前角α
r
，刀
‑
屑之间的摩擦系数μ，刀具和工件的材料参数以及刀具几何输入有限元软件即可求得给定切削厚度h
i
及相应切削条件下的切削力(F
tci
,F
fci
)，刀
‑
屑接触长度l
cni
以及剪切角φ
ci
的数值，其中切削力(F
tci
,F
fci
)及刀屑接触长度l
cni
的数值可由有限元软件直接输出；基于经典切削力模型，切削力、刀
‑
屑接触长度可以分别由关于未变形切屑厚度h
i
的函数表示，具体如下式所示；
l
cn
(h)＝k1·
h+k0剪切角φ
ci
的数值可由应力分布图测量得到，具体的在第二变形区，应力相近的区域画三条等应力线段s
1i
，s
2i
，S
3i
，然后分别测量三条线段与切削速度方向V的夹角α
1i
，α
2i
，α
3i
；则当未变形切屑厚度为h
i
时对应的剪切角φ
ci
可以下式计算，至此求得了计算Q
f
所需要的所有参数：φ
ci
＝(α
1i
+α
2i
+α
3i
)/3。3.根据权利要求2所述的线铣削中的切削温度预测方法，其特征在于，所述步骤2的具体实现方法是：2.1建立坐标系，则平面y＝0，z＝0都是绝热面，并且在平面x＝0上除了切削过程中的刀
‑
屑接触区域，其它区域也是绝热的，若刀具材料各项同性且其传热学特性不随温度的变化而变化，则刀具上的一点A(x,y,z)在t时刻的温度场T(x,y,z,t)满足微分方程上述方程的约束条件为其中，k为刀具材料的导热系数，q
c
(t)为经前刀面刀
‑
屑接触区域流入刀具的热流密度，若q
c
(t)在前刀面上均匀分布，即与刀
‑
屑接触区域的位置无关；此时，上述微分方程的解由下式求得；上式中A(x,y,z,D)可以表示为其中，D＝K(t
‑
τ)
1/2
；t为时间，τ表示前刀面上B(0,y
p
,z
p
)处的单位热源在τ时刻加热了刀具，K为刀具材料的热扩散系数；erf为误差函数，表示为结合步骤1求得的经前刀面流入刀具的热流密度q
c
，求解上述积分即可求得铣削中任意瞬时t、刀具上任意位置A(x,y,z)处的切削温度T(x,y,z,t)。4.根据权利要求3所述的线铣削中的切削温度预测方法，其特征在于，所述步骤3的具体实现方法是：
3.1给定刀具和工件对...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓奇，盖京波，杜雪娇，闫轲，常智勇，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：