基于热力耦合的微细铣削加工变形仿真及试验研究.pdf

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1、基于热力耦合的微细铣削加工变形仿真及试验研究张臣宏2015年12月中图分类号：TH161UDC分类号：621.7基于热力耦合的微细铣削加工变形仿真及试验研究作者姓名张臣宏学院名称机械与车辆学院指导教师焦黎副教授答辩委员会主席王西彬教授申请学位工学硕士学科专业机械工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年12月31日SimulationandExperimentalStudyofMicroMillingMachiningDeformationBasedonThermal-MechanicalCouplingCandidateName：Zha

2、ngChenhongSchoolorDepartment:SchoolofMechanicalEngineeringFacultyMentor:A.Prof.JiaoLiChair,ThesisCommittee：Prof.WangXibinDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor：MechanicalEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：December31,2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在

3、指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学硕士学位论文摘要随着科技的发展与社会的进步，高精度微小零件得到广泛应用。作为微小零件制造重要的技术之一，微细铣削技术的加工性能与检测分析手段受到了广泛的关注。微细铣削过程中，切削热与温度场分布对工件、刀具以及切削过程有重要的

4、影响，因此，进行微细铣削切削温度场动态模拟以及切削温度对工件加工变形、已加工表面粗糙度影响的研究对微细铣削加工技术的发展具有重要的意义。本文针对这一问题，以微小型零件为研究对象，基于微细切削加工机理，从微细切削加工中的热传导规律以及工件温度场分布着手，以期实现对微细切削条件下切削产热规律和工件加工精度演变的理解掌握。本文的主要研究内容包括以下几个方面：(1)基于热源法原理对铣削传热过程进行了分析，根据温度场叠加原理建立铣削传热学简化模型。将复杂的铣削传热过程简化为有限大面热源问题，建立了工件模型在剪切面热源作用下的温度场求解模型，同时建立其在绝热

5、边界条件下的镜像热源温度场求解模型。同时，在反求法的基础上，利用MATLAB编程数值计算得到任意切削参数下的剪切面热源强度值。该热源强度值一方面作为理论模型的已知参数计算得到工件上任意位置的瞬时温度值，另一方面，该值将作为有限元仿真模型的切削热载荷。为了验证模型的有效性，还设计了微细铣削试验，在试验过程中用热电偶测量了工件加工表面附近的某一点的温度值，利用该点温度值反求得到剪切面的热源强度值和工件加工区域任意位置的温度场。同时将测量温度和理论预测结果进行对比，结合实际切削过程进行误差分析。(2)运用有限元通用软件ABAQUS建立不同切削参数下的工

6、件温度场仿真预测模型。数值计算得到的面热源强度值将作为有限元模型的切削热载荷，在每一个时间步长内将计算得到的热载荷作用于该瞬时切削区域单元上，当切削热载荷移动至下一瞬时切削区域时，对前一步所加载的切削热载荷进行卸载操作；另外，利用单元杀死技术模拟了铣削材料去除的过程，实现了铣削过程在时间和空间上离散。最终与试验测量温度值进行比较，验证仿真模型的准确性。(3)搭建微细铣削试验平台，该试验平台主要用于微细铣削三向力和瞬时温度的I北京理工大学硕士学位论文在线测量。通过设计不同参数下的槽铣试验，采集得到各切削参数下的切削力数据并简要分析了切削参数对铣削力

7、的影响规律，同时采集得到不同切削参数下的瞬时温度值，分析了切削参数对铣削温度影响规律，并与仿真温度值和计算温度值进行了对比，验证了仿真模型和温升理论模型的准确性。(4)利用基恩士和白光干涉仪测量了工件加工后的加工变形值和加工精度值，讨论了主轴转速、进给速度和轴向切削深度不同切削参数下槽的变形值和槽底面表面粗糙度值的变化规律，以切削力和切削温度作为两个主要的影响因素，分析了工件变形和加工精度变化的原因，为实际的铣削加工提供参数选取的理论依据。关键词：微细切削，切削热，温度场预测，加工变形，表面粗糙度II北京理工大学硕士学位论文ABSTRACTWit

8、hthetechnologydevelopmentandsocialprogress,high-precisionmicro-parts