高速切削温度场的三维有限元建模与动态仿真.pdf

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1、现代制造工程2010年第2期制造技术／工艺装备高速切削温度场的三维有限元建模与动态仿真‘汪木兰1，左健民1，朱昊1，胡艳艳2(1南京工程学院先进数控技术江苏省高校重点建设实验室，南京211167；2东南大学自动化学院，南京210096)摘要：根据温度场控制方程及其边界条件，建立高速切削的三维有限元分析模型，将切削过程的温度分布和变化情况以及切削速度、进给量和切屑厚度等对切削温度的影响进行仿真分析，与相同切削条件下的二维仿真结果和实际测试结果进行对比，可以得出结论：三维建模仿真得到的高速切削温度变化趋势与相关文献结果基本一致，但三维仿真获得的温度值比二维仿真要高些，并且i维仿真的温度值更接近于实

2、际测量值。关键词：高速切削；温度场；三维有限元建模；仿真中图分类号：TG506．1文献标识码：A文章编号：167l—3133(2010)02—0080—05Modelinganddynamicsimulationofhighspeedcuttingtemperaturefieldbasedon3．DfiniteelementanalysisWANGMu．1anl，ZUOJian．rainl，ZHUHa01。HUYan-yanl，2(1JiangsuKeyLaboratoryofAdvancedNumericalControlTechnology，NanjingInstituteofTechno

3、logy，Nanjing211167，China；2SchoolofAutomation，SoutheastUniversity，Nanjing210096，China)Abstract：Accordingtothetempemturefieldequationandthecorrespondingboundaryconditions，the3-DFiniteElementAnaly—sis(FEA)modelofHighSpeedCutting(HSC)isconstructed．Thetemperaturedistributionandvarietytrendofcuttingproces

4、s，whichareinfluencedbythecuttingvelocity，feedrateandchipthickness，aresimulatedandanalyzed．Onthesanlecuttingcondi—tions，theresultsCanbesummarizedaft,following：theHSCtemperaturevarietytrendof3-Dsimulationisconsistentwiththepub-lishedliteratures；the3-Dsimulatingtemperaturevalueishigherthanthe2一D，andclo

5、sertothefactme鹊ufingvalue．Keywords：HighSpeedCutting(HSC)；temperaturefield；3一Dfiniteelementmodeling；simulation0引言切削温度是高速切削加T的一个重要参数指标，对加工精度、刀具寿命和表面质量等有很大影响。现有的试验方法较难获得单点瞬态温度及整个切削区的温度梯度分布，如果单纯通过试验方法寻找最佳参数既费时又费力。有限元法可以综合考虑切削参数、材料性能以及刀具几何形状等因素影响，计算机数字模拟切削温度分布，是一种相对高效准确的分析方法¨引。目前关于切削温度场有限元模拟的文献非常多，而高速切削温

6、度场的三维有限元仿真方面的研究却很少。Ramesh等人建立了二维和三维稳态切削的有限元模型，采用切屑几何分离方法(即在主刀刃前方预定义一条分离线，切削进行时，切屑沿该分离线从基体材料上分离)对常规切削的温度场进行模拟，发现三维仿真得到的温度比二维的低Ho；但由于高速切削时剪切区网格严重畸变，该方法不能准确求解高速切削条件下剪切区的物理量。此外，由于实际切削过程中切屑宽度大于切削层宽度，二维正交切削加工模型无法模拟切屑的这种变形行为，加上二维切削仿真往往忽略刀具一工件接触面的摩擦热和切削宽度方向的温度梯度等"J，导致二维有限元建模和实际切削情况将会产生一定差异。为此，本文在建立更接近真实切削情况

7、的三维有限元模型基础上，分析了高速切削过程中温度场的变化规律及切削速度、进给量和切削深度等单因素条件对切削温度的影响情况，并与二维仿真结果和实测值进行对比，为切削参数优化提供指导依据。·江苏省六大人才高峰项目(06．D-39)；先进数控技术江苏省高校重点实验室开放基金项目(KXJ07121，KXJ07119)；南京工程学院科研基金项目(KXJ07038)80制造技术／a：艺装备现代制造工程2010