一種高速切削第一和第二變形區溫度的獲取方法
【專利摘要】本發明涉及高速切削技術領域，公開了一種高速切削第一和第二變形區溫度的獲取方法。首先通過人工熱電偶法獲取切削過程中刀具測量點的溫度歷史；根據所述溫度歷史，在切削溫度穩定時對應的時間段內，將其中任意一時間點對應的切削溫度作為刀具測量點溫度并得到測量點的溫度曲線；建立刀具的三維傳熱模型，進行仿真并獲得熱分析結果；分析得到刀具測量點溫度和第二變形區溫度，獲得二者之間的對應關系，結合所述測量點的溫度曲線，得到第二變形區溫度曲線；建立二維切削仿真模型，獲得切削仿真結果；分析得到切削溫度穩定狀態下第一和第二變形區溫度之間的對應關系，進而獲得第一變形區溫度曲線。本發明簡單、可靠且適用性廣。
【專利說明】
一種高速切削第一和第二變形區溫度的獲取方法
技術領域
[0001] 本發明涉及高速切削技術領域，更具體的說，特別涉及一種高速切削第一和第二 變形區溫度的獲取方法。
【背景技術】
[0002] 高速切削采用高強度的刀具，通過提高切削速度和進給速度，來提高材料切除率、 加工精度和加工表面的質量，是一種具有高效率、高質量和低成本特點的先進制造技術。
[0003] 鑒于高速切削加工的優勢，深入研究高速切削機理具有重要意義，切削溫度是高 速切削機理的重要組成部分。一直以來，切削溫度是一個模糊的概念:切削熱是以場的形式 分布在工件上、刀具上、切肩上和切削區中，然而每處溫度都統稱為切削溫度。實際上工件 上、刀具上、切肩上和切削區中的溫度是不同的，雖然區域面積小，但存在高梯度，因此根據 研究對象的不同需要分別對待。
[0004] 高速切削過程的兩大基本行為有剪切滑移變形和刀-肩摩擦，其中剪切滑移變形 主要發生在工件與切肩連接處的第一變形區，刀-肩摩擦發生在刀具前刀面與切肩擠壓面 接觸處的第二變形區。在研究剪切滑移變形和刀_肩摩擦行為時，都涉及到溫度的獲取問 題，也就是說，需要獲取第一和第二變形區的溫度。
[0005] 面向切削溫度的獲取，常見方法有自然熱電偶法、人工熱電偶和熱輻射法等，其中 自然熱電偶所得溫度為整個切削區的最高溫度和環境溫度的差值，是一種溫度差，不可細 分;人工熱電偶法只能獲得工件或刀具測量點溫度，不能獲得第一和第二變形區溫度;熱輻 射法能夠得到溫度場，但因為切削區面積微小，不能細辨微區高梯度溫度場。
【發明內容】
[0006] 基于此，本發明針對現有技術存在的不適問題，采用熱電偶獲得測量點溫度的實 驗方法，結合能夠細辨微區高梯度溫度場的仿真方法，提供一種高速切削第一和第二變形 區溫度的獲取方法。本發明采用的技術方案為： 一種高速切削第一和第二變形區溫度的獲取方法，其特征在于:該方法包括以下步驟： 步驟1:通過人工熱電偶法獲取切削過程中刀具測量點的溫度歷史； 步驟2:根據所述溫度歷史，在切削溫度穩定時對應的時間段內，將其中任意一時間點 對應的切削溫度作為刀具測量點溫度，獲得測量點的溫度曲線； 步驟3:建立刀具的三維傳熱模型，在切削區域施加由低到高的熱載荷進行仿真并獲得 不同的熱分析結果； 步驟4:根據所述不同的熱分析結果，得到一系列與步驟2中所述時間點對應的三維傳 熱模型中刀具測量點溫度和前刀面溫度（即第二變形區溫度），通過擬合得到二者之間的函 數關系，呈線性變化規律，如式（1)所示，并結合所述測量點的溫度曲線，得到第二變形區溫 度曲線； (1) 式中，&為第二變形區溫度，尤為測量點溫度，噚和擇為常數，將實驗獲得的刀具測量 點溫度帶入式(1)中，可以計算出第二變形區溫度； 步驟5:建立二維切削仿真模型，獲得切削仿真結果； 步驟6:根據所述切削仿真結果，分析得到切削溫度穩定狀態下第二變形區溫度與第一 變形區溫度之間的對應關系，如式(2)所示，呈指數函數變化規律，結合所述第二變形區溫 度曲線，進而獲得第一變形區溫度曲線； 1 尸 ★ (2) 式中，^為第一變形區溫度，每、吞和色為常數，將由式（1)而求得的第二變形區溫度帶 入式(2)中，可以計算得到第一變形區溫度。
[0007]所述步驟1中，將K型熱電偶布置在刀具前刀面下方的測量點處，從而獲取所述測 量點在不同切削參數下的溫度歷史。
[0008] 所述步驟3中，采用Ansys Workbench軟件建立刀具的三維傳熱模型。
[0009] 所述步驟5中，采用Advantedge FEM仿真軟件建立所述二維切削仿真模型。
[0010] 與現有技術相比，本發明的有益效果在于： 1、本發明解決高速切削領域多年來切削區溫度難獲取的問題。切削區具有面積微小且 高梯度溫度分布的特點，采用常規測溫方法獲取第一和第二變形區溫度難以奏效，本發明 將獲取過程分成三步，合理運用熱電偶測溫實驗獲得測量點溫度的直接性和可靠性，吸納 了有限元仿真法對微小區域溫度場求解的準確性和高信息量。
[0011] 2、本發明獲取變形區溫度的過程簡潔有效。人工熱電偶方法在切削溫度測量中屬 于成熟技術，易于實現;刀具熱傳遞有限元模型和切削物理仿真模型建立過程并不復雜，具 有成本低和快捷的特點;將兩者結合起來，可以實現局部微區域切削溫度的獲取。
[0012] 3、本發明獲取方法的適用性好。本發明適用于能夠完成切肩形成過程的塑性金屬 材料、非金屬材料;本發明適用于切肩上、工件上、后刀面上等其他區域切削溫度的獲取;本 發明適用于其他塑性變形熱的測量場合，如乳制、鍛壓、沖壓等變形場合。
【附圖說明】
[0013] 圖1為本發明高速切削第一和第二變形區溫度獲取方法的流程圖。
[0014] 圖2為本發明切削實驗原理圖。
[0015] 圖3為本發明測溫熱電偶位置布置圖。
[0016] 圖4為本發明通過熱電偶所獲得的刀具測量點溫度歷史曲線。
[0017]圖5為本發明選取的切削溫度穩定時刻的刀具測量點溫度曲線。
[0018] 圖6為本發明仿真得到的三維刀具傳熱模型的溫度場分布圖。
[0019] 圖7為本發明獲得的測量點溫度與第二變形區溫度的對應關系。
[0020] 圖8為本發明求得的第二變形區溫度曲線。
[0021 ]圖9為本發明仿真所獲得第一和第二變形區溫度場分布圖。
[0022] 圖10為本發明獲得的第一和第二變形區溫度的對應關系。
[0023] 圖11為本發明獲得的第一變形區溫度曲線。
[0024]附圖標記說明：1_工件、2-刀具、I-第一變形區、II-第二變形區。
【具體實施方式】
[0025] 為了便于理解本發明，下面將參照相關附圖對本發明進行更全面的描述。附圖中 給出了本發明的較佳實施例。但是，本發明可以以許多不同的形式來實現，并不限于本文所 描述的實施例。相反地，提供這些實施例的目的是使對本發明的公開內容理解更加透徹全 面。
[0026] 除非另有定義，本文所使用的所有技術和科學術語與屬于本發明技術領域的技術 人員通常理解的含義相同。本文中在本發明的說明書中所使用的術語只是為了描述具體實 施例的目的，不是旨在于限制本發明。
[0027] 本實施例以Ti-6A1_4V鈦合金高速直角切削為例，將切削過程中第一、第二變形區 的平均溫度來代表剪切變形溫度和刀-肩摩擦溫度。其中，第一變形區為工件與切肩連接處 發生剪切滑移的變形區，第二變形區為刀具前刀面與切肩擠壓面接觸處的變形區。
[0028] 參閱圖1所示，本發明提供的一種高速切削第一和第二變形區溫度的獲取方法，該 方法包括以下步驟： 步驟1:通過人工熱電偶法獲取切削過程中刀具測量點的溫度歷史，即將K型熱電偶布 置在切削刀具的測量點處(參考圖3所示），從而獲取多組所述測量點在不同切削參數下的 溫度歷史。
[0029] 本實施例中，采用直角切削方法進行切削實驗，其實驗原理圖如圖2所示。切削系 統采用DMG-NEF 400車床，SEC0-SCACL1616H09且材質為45號鋼正火的刀桿，刀片為SE⑶-CCMT09T302-F2-HX(前角為0°，后角為7°，材質接近于國產YG6)。測溫系統采用K型熱電偶 (電熱絲直徑0.5111111，長度100111111;測溫范圍0-1300°(：)，111'-901數顯儀表;設定的直角切削實 驗參數切削速度為10_160111/111111，進給量為0.07111111/^、0.09 111111/^和0.11111111/^，切削寬度為 3mm。所獲取的測量點的溫度歷史如圖4所示。
[0030] 步驟2:根據所述溫度歷史，在切削溫度穩定時對應的時間段內，將其中任意一時 間點對應的切削溫度作為刀具測量點溫度并得到測量點的溫度曲線。
[0031] 本實施例中，取第6s對應的切削溫度作為切削溫度穩定時刀具測量點溫度，最終 獲得的切削溫度穩定時刀具測量點的溫度曲線如圖5所示。
[0032] 步驟3:建立刀具的三維傳熱模型，在切削區域施加由低到高的熱載荷進行仿真并 獲得不同的熱分析結果。
[0033]本實施例中，采用Ansys Workbench軟件建立切削刀具的三維傳熱模型，其中工件 材料為Ti-6A1-4V，其導熱系數為6.8W/m2°C、比熱為661 J/Kg°C、密度為4440Kg/m3;刀具材料 為硬質合金，其導熱系數為71 W/m2°C、比熱452 J/Kg°C、密度15600 Kg/m3;刀桿材料為45號 鋼，其導熱系數為70 W/m2°C、比熱為419 J/Kg°C、密度為7800 Kg/m3。設置的單元類型為 Sol id70,分析方式為熱-瞬態方式，設置初始和參考溫度20 °C，并在參與切削的前刀面上施 加由低到高的熱載荷，而其他面上加載空氣對流載荷。仿真獲得某一切削參數下的溫度場 分布如圖6所不。
[0034]步驟4:根據所述不同的熱分析結果，得到一系列與步驟2中所述時間點對應的三 維傳熱模型中刀具測量點溫度和前刀面溫度（即第二變形區溫度），通過擬合得到二者之間 的函數關系，并結合所述測量點的溫度實驗曲線，得到第二變形區溫度曲線。
[0035] 本實施例中，所述前刀面溫度為仿真時施加在切削區域的熱載荷，所述刀具測量 點溫度為從仿真結果中取出的刀具測量點的平均溫度，二者的溫度值和對應關系如圖7所 示，可將兩者的對應關系解析出來，如式(3): r.' 二 2.26T：…31..的 (3) 最終獲得的第二變形區溫度曲線如圖8所示。
[0036] 步驟5:建立二維切削仿真模型，獲得切削仿真結果。
[0037] 本實施例中，采用Advantedge FEM仿真軟件建立所述二維切削仿真模型。仿真過 程的設置包括材料模型、刀具材料模型、刀具幾何參數、切削參數和網格劃分參數等。其中 刀具前角0°，后角7°，切削刃半徑為0.02mm，材料采用硬質合金，前刀面長度和后刀面長度 均為2mm;切削速度為10-160m/min，進給量為0.07-0. llmm/r;工件尺寸為工件與 刀具的最小劃分網格尺寸為〇.〇〇5mm，摩擦系數采用軟件默認參數。計算結果中，切削速度 160m/min和進給量0.07mm/r條件下的第一和第二變形區溫度場分布如圖9所示。
[0038] 步驟6:根據所述切削仿真結果，分析得到切削溫度穩定狀態下第一變形區溫度與 第二變形區溫度之間的對應關系，結合所述第二變形區溫度曲線，進而獲得第一變形區溫 度曲線。
[0039] 本實施例中，第一變形區溫度與第二變形區溫度之間的對應關系如圖10所示，解 析出來如式(4): 7; m'M2Z4 (4) 最終獲得的第一變形區溫度曲線如圖11所示。
[0040] 本發明通過熱電偶測量溫度，并基于有限元導熱反求法，其相對應的是一種熱傳 導反問題，即已知物體內部或表面的某一點或幾點的溫度及其隨時間的變化規律，通過求 解導熱微分方程，求出物體邊界面的熱流密度、溫度或熱物性參數或表面的對流換熱系數， 整個溫度獲取方法簡單、可靠，易于實現。
[0041] 上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實施例的 限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化， 均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種高速切削第一和第二變形區溫度的獲取方法，其特征在于：該方法包括以下步 驟： 步驟1:通過人工熱電偶法獲取切削過程中刀具測量點的溫度歷史； 步驟2:根據所述溫度歷史，在切削溫度穩定時對應的時間段內，將其中任意一時間點 對應的切削溫度作為刀具測量點的溫度，獲得測量點的溫度曲線； 步驟3:建立刀具的三維傳熱模型，在切削區域施加由低到高的熱載荷進行仿真并獲得 不同的熱分析結果； 步驟4:根據所述不同的熱分析結果，得到一系列與步驟2中所述時間點對應的三維傳 熱模型中刀具測量點溫度和前刀面溫度（即第二變形區溫度），通過擬合得到二者之間的函 數關系，呈線性變化規律，如式（1)所示，并結合所述測量點的溫度曲線，得到第二變形區溫 度曲線；式中馬為第二變形區溫度，為測量點溫度/?和彝為常數，將實驗獲得的刀具測量點 溫度帶入式(1)中，可以計算出第二變形區溫度； 步驟5:建立二維切削仿真模型，獲得切削仿真結果； 步驟6:根據所述切削仿真結果，分析得到切削溫度穩定狀態下第二變形區溫度與第一 變形區溫度之間的對應關系，如式(2)所示，呈指數函數變化規律，結合所述第二變形區溫 度曲線，進而獲得第一變形區溫度曲線；式中，疋為第一變形區溫度，A、^；和％為常數，將由式（1)而求得的第二變形區溫度帶 入式(2)中，可以計算得到第一變形區溫度。2. 根據權利要求1所述的高速切削第一和第二變形區溫度的獲取方法，其特征在于:所 述步驟1中，將K型熱電偶布置在刀具前刀面下方的測量點處，從而獲取所述測量點在不同 切削參數下的溫度歷史。3. 根據權利要求1或2所述的高速切削第一和第二變形區溫度的獲取方法，其特征在 于:所述步驟3中，采用Ansys Workbench軟件建立刀具的三維傳熱模型。4. 根據權利要求3所述的高速切削第一和第二變形區溫度的獲取方法，其特征在于:所 述步驟5中，采用Advantedge FEM仿真軟件建立所述二維切削仿真模型。
【文檔編號】G06F17/50GK105930558SQ201610226318
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月13日
【發明人】徐道春, 熊丹萍, 楊文遠, 李文熙
【申請人】北京林業大學