成形铣齿加工过程中的切削热模型

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1、成形铣齿加工过程中的切削热模型彭琪黄筱调*张金沈诣(南京工业大学机械与动力工程学院南京210009)摘要：为了获得顶刃切削时切削区域的温升分布，在分别对铣削热产生和传出的机理，以及刀具和工件之间几何关系分析的基础上，得出包含对应虚拟镜像热源的热源模型，根据初始和边界条件推导出相应热源的温升计算公式，考虑到剪切面热源和刀屑接触面摩擦热源对工件，切屑和刀具的温升作用效果的不同，根据解析模型对工件，切屑和刀具中的温升分布分别进行计算，经过模型重构即得整个切削区域的温升分布。关键词：成形铣齿温度分布镜像热源解析模型Thermalmodelingoftheforminggear

2、millingprocessPENGQiHUANGXiaodiao*ZHANGJinShenYi(SchoolofMechanicalandPowerEngineeringofNJUT，Nanjing，210009)Abstract：Inordertoobtainthetemperatureriseofthecuttingareainmillingbytopblade,respectively,themechanismofheatgenerationandspread,andthegeometryrelationshipbetweentoolandworkpiecea

3、rediscussed.Consideringthevirtualimageheatsource,heatsourcemodelisestablished.Thenaccordingtoinitialandboundaryconditionsoftheheatsources,expressionofthetemperatureriseisconcluded.Astheeffectsoftheshearplaneheatsourceandthefrictionheatsourceweredifferent,temperaturedistributionofthework

4、piece,chipandtoolcanbecaculatedrespectively.Thus,thetemperaturerisedistributionofwholemodelisobtained.Keywords：formingmillinggear,temperaturedistribution,imageheatsource,analyticalmodel0前言切削热是金属切削过程中主要物理现象之一，是研究切削机理的重要组成部分。切削过程中消耗的能量，绝大部分最终都转化为热能释放出来，而这部分生成的热量除了由切屑带走一部分，剩下的主要传入刀具和工件，从而影

5、响刀具耐用度和工件的加工精度等。对铣削加工过程中工件、切屑和刀具中的温度场进行研究,有助于有效地控制加工过程中产生的热应力，以及使得残余应力尽可能地均匀分布，既而抑制工件变形，提高工件合格率，因此，对于铣削加工温度场的研究具有重要的理论和现实意义。对切削热的研究，国内外研究人员进行了大量的理论和实验研究，尤其是在20世纪30年代到50年代中期的“黄金时期”，Hahn，Chao和Trigger，Blok，Jeager等人对切削热的研究作出了许多创造性的贡献。Komanduri和Hou[3][4][5][6]总结了大量前人的研究成果，并基于Hahn所做的关于无限介质中运动

6、斜带热源，即剪切热源问题的工作，提出了二维正交切削过程中温升分布的求解模型。Kapoor和Radulescu[2]根据能量守恒法则以及传热分析，提出了用于计算三维铣削过程中切屑成形区域的温度分布的解析模型。刘力强[8]通过对切削力和刀屑接触长度的分析，建立了刀屑接触面上正应力和剪应力的分布模型，并根据有限元法对稳态问题的切削温度场进行了计算。近年来，利用有限元软件仿真出金属切削过程，直观的反应出切削过程中的各物理量的变化情况，成为研究金属切削机理一个有效的途径[9][10]。相对于理论研究，切削温度的实验测量方法则要落后很多。自然热电偶法只能测试切削区域的平均温度，而

7、且改变工件和刀具材料时，热电势和切削温度关系曲线需要重新标定；人工热电偶法可以测得距前刀面或工件表面一定距离处某点的温度，但是不能直接测得前刀面或工件表面的温度，更无法得到整个切削区域的温度分布。因此，利用数学方法建立切削过程的准确模型，进而计算整个切削区域的温度分布，随后通过实验测量某一点的温度，或者某一表面的平均温度来验证建立的计算模型，仍然是当前研究金属切削热问题的主要方法。成形铣齿切削是典型的多切削刃、非自由切削，属于断续重型切削类型，该种工况比一般的切削工况恶劣。本文研究内容主要包括三个部分：第一部分探讨了铣削热的产生和传出情况，在考虑到模