本文關(guān)鍵詞：高速切削立銑刀溫度場及熱沖擊特性研究

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【摘要】：高速銑削屬于斷續(xù)切削,隨著切削刃周期性切入和切出工件,在較短時間內(nèi)刀具會受到周期性的快速升溫和降溫,從而對刀具產(chǎn)生熱沖擊影響,導(dǎo)致立銑刀發(fā)生磨損和破損失效,影響切削加工的效率和成本。高速切削溫度的研究是高速切削機(jī)理研究的重要組成部分,獲得刀具切削溫度和熱沖擊對刀具影響特性已成為目前高速加工領(lǐng)域的研究重點。針對銑削加工過程的復(fù)雜性,銑刀溫度測量的困難性等問題,本文以高速切削整體硬質(zhì)合金立銑刀為研究對象,系統(tǒng)分析了現(xiàn)有研究的優(yōu)缺點、對比得到在銑削過程中,其導(dǎo)熱問題的特點是熱源有一定的形狀和尺寸,有一定的熱量輸出,但邊界條件則多是未知值。因此,對銑削加工過程中的導(dǎo)熱問題應(yīng)用熱源法具有優(yōu)勢。在熱源法的基礎(chǔ)上,建立了高速切削立銑刀動態(tài)溫度場數(shù)學(xué)模型。其次,通過分析國內(nèi)外金屬切削溫度測量方法發(fā)現(xiàn)由于高速切削加工中心電主軸的封閉性和銑削過程的復(fù)雜性,對于高速銑削切削溫度的測量,目前國內(nèi)外還沒有成熟精確的測量方法。為了研究立銑刀切削過程的溫度變化和反求輸入刀體內(nèi)部的熱流密度,本文通過XH714D加工中心銑削304不銹鋼板,采用嵌入式測溫系統(tǒng)測量得到了立銑刀后刀面一點的連續(xù)切削溫度。分析切削過程中的溫度變化曲線,銑削初期溫度迅速升高,之后溫度逐漸趨于穩(wěn)定,與真實的銑削溫度變化吻合較好。然后,由于實驗中立銑刀材料為硬質(zhì)合金,屬于耐高溫的脆性材料,測量溫度的熱電偶只能在材料的表面放置;同時,高速切削整體硬質(zhì)合金立銑刀加工過程為斷續(xù)切削,切削溫度是一個快速的非穩(wěn)態(tài)過程,無法由測得的溫度簡單計算立銑刀內(nèi)部溫度梯度而直接獲得表面的熱流密度。通過立銑刀表面溫度進(jìn)行導(dǎo)熱反問題求解獲得立銑刀銑削過程中,前刀面的熱流密度是研究的一個難點,也是獲得切削溫度場的基礎(chǔ)。本文在立銑刀動態(tài)溫度場數(shù)學(xué)模型正問題求解的基礎(chǔ)上利用粒子群智能算法反求得到了熱流密度的級數(shù)表達(dá)式。再利用ANSYS的瞬態(tài)熱分析模塊,把反求得到的熱流密度按照不同的時間段加載到立銑刀實體模型的刀屑接觸面上,然后通過ANSYS的APDL二次開發(fā)模塊編寫DO循環(huán)加載程序,實現(xiàn)了模仿真實切削過程切入切出的循環(huán)過程,分析得到了立銑刀瞬態(tài)的溫度場仿真分布規(guī)律和溫度梯度的特性。最后,對立銑刀熱沖擊特性進(jìn)行了研究,銑削加工完成后采用日立S-4800掃描電子顯微鏡(SEM)觀察銑刀切削區(qū)域的表面形貌和微觀組織結(jié)構(gòu)變化。在高速銑削瞬態(tài)溫度場的ANSYS分析基礎(chǔ)上,重新進(jìn)入前處理把熱單元改為相應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元,把分析的溫度結(jié)果作為載荷施加到結(jié)構(gòu)分析模型上,得到立銑刀的熱應(yīng)力分布。對比SEM圖片和仿真結(jié)果,得到了集中在刀屑接觸區(qū)域的熱應(yīng)力導(dǎo)致刀具前刀面磨損和切削刃發(fā)生崩刃,集中在刀尖區(qū)域的熱應(yīng)變導(dǎo)致刀尖強(qiáng)度降低,最終使刀尖發(fā)生磨損失效。
【關(guān)鍵詞】：整體硬質(zhì)合金立銑刀 動態(tài)溫度場模型 導(dǎo)熱反問題 瞬態(tài)溫度場仿真 熱沖擊特性
【學(xué)位授予單位】：廣東海洋大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG714
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 緒論10-15
• 1.1 課題研究背景10
• 1.2 課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀10-13
• 1.2.1 高速切削刀具熱源法溫度場建模研究10-11
• 1.2.2 高速切削刀具溫度測量研究11
• 1.2.3 高速切削刀具導(dǎo)熱反問題研究11-12
• 1.2.4 高速切削刀具溫度場仿真研究12
• 1.2.5 高速切削刀具熱沖擊特性及仿真研究12-13
• 1.3 本論文的研究目的及意義13
• 1.3.1 研究目的13
• 1.3.2 研究意義13
• 1.4 本論文的研究內(nèi)容及方法13-15
• 1.4.1 課題來源及主要研究內(nèi)容13-14
• 1.4.2 研究方法14-15
• 2 立銑刀動態(tài)溫度場數(shù)學(xué)建模15-24
• 2.1 斜角切削原理15-16
• 2.2 瞬時切削厚度和刀屑接觸長度計算16-18
• 2.2.1 瞬時切削厚度16-17
• 2.2.2 刀屑接觸長度17-18
• 2.3 熱源法的理論基礎(chǔ)18-21
• 2.3.1 瞬時點熱源的溫度場18-20
• 2.3.2 瞬時有限長螺旋線熱源的溫度場20-21
• 2.3.3 瞬時有限大螺旋面線熱源的溫度場21
• 2.4 立銑刀側(cè)刃切削溫度場的計算21-23
• 2.4.1 確定逆銑的積分限21-23
• 2.4.2 MATLAB數(shù)值積分計算23
• 2.5 本章小結(jié)23-24
• 3 切削溫度測量實驗24-27
• 3.1 立銑刀切削溫度實驗方案的設(shè)計24-26
• 3.1.1 銑削溫度實驗的基本原理24
• 3.1.2 銑削溫度實驗的條件24-25
• 3.1.3 銑削溫度實驗結(jié)果25-26
• 3.2 本章小結(jié)26-27
• 4 高速銑削熱流密度導(dǎo)熱反問題求解27-32
• 4.1 粒子群算法27-28
• 4.2 熱流密度的級數(shù)逼近和求解28
• 4.3 計算流程28-29
• 4.4 粒子群算法的MATLAB程序?qū)崿F(xiàn)29-31
• 4.4.1 MATLAB語言29
• 4.4.2 M文件29-30
• 4.4.3 函數(shù)調(diào)用30-31
• 4.5 本章小結(jié)31-32
• 5 高速銑削瞬態(tài)溫度場的有限元仿真32-43
• 5.1 有限元法簡介32
• 5.2 ANSYS熱分析32-34
• 5.2.1 熱傳遞的方式32-33
• 5.2.2 熱分析分類33-34
• 5.3 ANSYS參數(shù)化設(shè)計語言（APDL）34-35
• 5.3.1 APDL簡介34
• 5.3.2 參數(shù)34
• 5.3.3 宏語言和程序控制34-35
• 5.4 立銑刀三維實體有限元仿真前處理技術(shù)35-37
• 5.4.1 立銑刀三維實體模型的建立35
• 5.4.2 定義材料屬性35-36
• 5.4.3 立銑刀三維實體網(wǎng)格劃分36-37
• 5.5 立銑刀三維有限元仿真的加載及求解37-42
• 5.5.1 載荷加載和邊界條件37-38
• 5.5.2 求解結(jié)果及分析38-42
• 5.6 本章小結(jié)42-43
• 6 高速銑削的熱沖擊特性及有限元分析43-51
• 6.1 高速切削刀具的失效形式和失效機(jī)理分析43-45
• 6.1.1 高速切削刀具的失效形式43-44
• 6.1.2 高速切削刀具失效機(jī)理分析44-45
• 6.2 熱沖擊問題的有限元分析45-50
• 6.2.1 熱-結(jié)構(gòu)耦合分析45
• 6.2.2 分析結(jié)果及分析45-50
• 6.3 本章小結(jié)50-51
• 7 結(jié)論與展望51-53
• 7.1 結(jié)論51-52
• 7.1.1 總結(jié)51
• 7.1.2 主要創(chuàng)新點51-52
• 7.2 存在的問題及展望52-53
• 參考文獻(xiàn)53-61
• 附錄61-65
• 致謝65-66
• 作者簡介66-67
• 導(dǎo)師簡介67

【參考文獻(xiàn)】

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1 胡艷艷;費樹岷;汪木蘭;左健民;王堅;;基于有限元分析的高速切削溫度場建模與仿真[J];系統(tǒng)仿真學(xué)報;2009年22期

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3 陳振華;姜勇;陳鼎;張忠健;徐濤;彭文;;硬質(zhì)合金的疲勞與斷裂[J];中國有色金屬學(xué)報;2011年10期

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 舒暢;高速銑削鈦合金的切削溫度研究[D];南京航空航天大學(xué);2005年

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本文編號：1009612