【摘要】：高速切削加工具有高效率、高精度、低成本的技術(shù)特點,受到航空航天、汽車制造及模具加工等行業(yè)的青睞。斷續(xù)切削在切削熱源、熱傳遞、熱量分配及熱載荷作用方式等方面與連續(xù)切削都存在顯著差異。探索斷續(xù)切削過程中刀具及工件切削溫度隨切削速度的變化規(guī)律,對控制切削速度降低切削溫度并抑制斷續(xù)切削過程的熱沖擊,具有重要的理論意義與實際應(yīng)用價值。本文以1045鋼、Ti6A14V、H13與Aermet100為工件材料,利用切削原理和傳熱學(xué)理論、有限元模擬仿真與實驗研究相結(jié)合的方法,對高速斷續(xù)切削過程中刀具及工件溫度隨切削速度的變化規(guī)律進(jìn)行研究,探索斷續(xù)切削過程切削時間與非切削時間之比等因素對刀具及工件溫度的影響機(jī)理。主要研究內(nèi)容如下：首先,針對斷續(xù)切削過程工件切削溫度與刀具切削溫度測量難點,開發(fā)斷續(xù)切削過程工件切削溫度與刀具切削溫度測量系統(tǒng)。斷續(xù)切削過程中工件承受高頻周期性熱載荷,工件內(nèi)部溫度梯度大,對斷續(xù)切削過程工件切削溫度測量要求快速響應(yīng)、高頻采集、不同深度多通道同時測量。開發(fā)的多通道熱電偶溫度采集系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)斷續(xù)切削過程工件切削溫度在線實時測量與記錄；結(jié)合熱電偶技術(shù)與無線信號傳輸技術(shù),開發(fā)的熱電偶無線測溫系統(tǒng)可實現(xiàn)對銑削高速旋轉(zhuǎn)刀具瞬態(tài)切削溫度的在線實時測量。其次,建立基于J-C本構(gòu)方程的斷續(xù)切削過程有限元模擬模型,研究刀具及工件切削溫度分布隨切削速度的變化規(guī)律。斷續(xù)切削有限元分析結(jié)果表明刀具及工件切削溫度隨切削速度的升高均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,隨著切削速度的提高,更多的切削熱量被切屑帶走,進(jìn)入工件及刀具的熱量比例降低。銑削過程中切削厚度周期性變化,作用在銑削刀具上的熱源面積與熱流密度也隨著切削過程的進(jìn)行而周期性變化,建立刀-屑接觸長度及進(jìn)入刀具的熱流密度與切削厚度的擬合表達(dá)式,為銑削刀具切削溫度的預(yù)報提供研究基礎(chǔ)。再次,建立高速斷續(xù)切削過程刀具瞬態(tài)切削溫度的理論預(yù)報模型,使用格林函數(shù)法及分離變量法得到刀具瞬態(tài)切削溫度的解析解,揭示了高速斷續(xù)切削過程中刀具切削溫度隨切削速度提高的變化規(guī)律為先升高后降低。研究表明切削速度的升高使單位時間內(nèi)的熱量生成增加、使切削周期內(nèi)切削熱量進(jìn)入入刀具的傳遞時間減少、同時使熱對流因素的熱耗散作用效果增強(qiáng)。隨著切削速度的升高,刀具切削溫度變化是上述三個因素共同作用的結(jié)果：在低速切削范圍,單位時間內(nèi)的熱量生成起主導(dǎo)作用,刀具溫度隨切削速度的提高而上升；在高速切削范圍,切削熱量進(jìn)入刀具的傳遞時間減少和熱對流因素作用增強(qiáng)起主導(dǎo)作用,導(dǎo)致刀具切削溫度隨切削速度的提高而降低。通過分析斷續(xù)切削過程中切削時間與非切削時間之比對刀具切削溫度的影響機(jī)理,發(fā)現(xiàn)減小切削時間與非切削時間的比值,可以使刀具切削溫度降低,并使整個銑削周期內(nèi)刀具溫度變化較為平緩,使熱載荷沖擊降低。最后,建立了基于移動熱源法的斷續(xù)切削工件瞬態(tài)切削溫度解析模型,揭示了斷續(xù)切削過程切削速度對工件切削溫度分布的影響規(guī)律,研究表明隨著切削速度的提高,單位時間內(nèi)切削熱量生成增加,同時切削熱傳導(dǎo)至工件的時間減小,使得進(jìn)入入工工件的切削熱量分配比例減小。工件切削溫度受熱源移動速度與進(jìn)入入工件的熱流密度的共同影響,在較低的切削速度下,切削熱生成增加的幅度高于切削熱量進(jìn)入工件的分配比例減小的幅度,工件切削溫度隨切削速度的升高而升高；在較高切削速度下,切削熱生成增加的幅度低于切削熱量進(jìn)入工件的分配比例減小的幅度,工件切削溫度隨切削速度的升高而降低。研究發(fā)現(xiàn)隨著切削速度的升高,工件溫度場相對高溫區(qū)域減小,溫度梯度增大,熱沖擊增大。1045、Aermet100、Ti6A14V與H13四種工件材料的高速銑削工件溫度測試結(jié)果與斷續(xù)切削瞬態(tài)切削溫度解析模型預(yù)測結(jié)果一致。本課題得到國家杰出青年科學(xué)基金(51425503)和國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973)課題(2009CB724401)的資助。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG506.1

【參考文獻(xiàn)】

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1 張清光;曹炳陽;過增元;;穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱中的非傅立葉效應(yīng)[J];工程熱物理學(xué)報;2007年02期

2 郭新貴,汪德才,李從心;高速切削技術(shù)及其在模具工業(yè)中的應(yīng)用[J];現(xiàn)代制造工程;2001年09期

本文編號：2749039