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1、高速切削有限元模拟加工温度场研究摘要：以高速切削条件下的数控车刀为研究对象，利用ANSYS有限元仿真软件对刀具的温度场进行模拟和分析，得出温度场的分布规律，验证切削速度对温度场的影响，为优化切削参数，延长刀具寿命提供一定的依据。关键词：切削热；切削温度；有限元中图分类号：TG506文献标识码：A文章编号：1671-7597(2012)1110012-010引言切削过程中，由变形和摩擦所消耗功的98%〜99%都转变为热能，即若切削热不及时传散，则切削区的平均温度将大幅度地上升。切削温度的升高一方面会加剧刀具的磨损，影响刀具的使用寿命，另一方面会使工件和机床产生热变形，影响零件的加工精度
2、，因此切削温度的研究至关重要。高速切削加工状态下的切削温度和切削热不同于传统切削加工过程，利用有限元软件对高速切削状态下的温度场进行仿真模拟分析，为延长刀具使用寿命及刀具变形分析提供一定的数值依据。1刀具热变形的ANSYS计算步骤高速切削刀具热变形有限元仿真主要包括以下主要步骤：前处理(即三维建模)、定义单元类型并设定单元属性、定义单元实常数、定义材料热性能参数、创建几何模型并划分网格、热载荷计算、热载荷及边界条件加载。2高速切削刀具热变形有限元模型的建立2.1刀具高速车削温度模型建立的假设条件1）假设刀具、工件组成的系统温度场不随时间变化，即达到了稳态传热。2）第一变形区切削热是切
3、削层的变形热，第二变形区的切削热是切屑与前刀面的摩擦热，假设刀具高速车削温度场分析属于平面热源传热模型。2.2刀具高速车削ANSYS分析试验条件选用GSK980TDb型高速数控车床，确定载荷工况1：主轴转速Vc=500m/min,进给量f=0.5mm/r,背吃刀量ap=3mm；确定载荷工况2：主轴转速Vc=200m/min,进给量f=0.5mm/r,背吃刀量ap=3mm。选用的车刀刀杆是几何尺寸为BXH=16X25,L=200的45钢，刀片材料为涂层硬质合金YT15,查文献［1］得刀具材料的强度极限ob=600MPa,屈服极限os=355Mpa,弹性模量E=206GPa,泊松比u=0
4、.27,导热系数=67W/（m・？C）。车刀主要角度：主偏角Kv=75°,副偏角KY'=10°,前角¥0=5°,后角a0二a0'=8°,刃倾角入s=-5。。被加工材料为ob=637MPa的碳素结构钢。3热载荷计算及加载由于切削过程中，切屑发生塑性变形所消耗的功率主要转化为热量，因此要计算热载荷就必须依次进行切削力、切削功率、切削热和热流密度的计算。本文主要是详细进行了载荷工况1的热载荷计算，载荷工况2的热载荷计算从略。3.1切削力的计算硬质合金车刀车削外圆过程中产生的切削合力Fr可以分解为三个分力，即主切削力FC,进给抗力Ff和切深抗力Fpo查文献［2］得切削力的经验计算公式为：式中
5、：ap为背吃刀量，mm；f为进给量，mm/r；vc为切削速度，m/min；CFc、CFp、CFf表示取决于被加工材料和切削条件的系数；xF、yF表示各参数对切削力影响程度的指数；KF表示实际加工条件各种因素对切削力的修正系数的乘积。以上系数和指数可通过查文献［3］而得，并代入切削分力计算公式，得各切削分力如下：3.2切削功率的计算查文献［4］得刀具切削功率的计算公式：Pm=FzVc+Fxnwf/1000式中：Fz表示主切削力；Vc表示切削速度；Fx表示进给力，nw表示工件转速；f表示进给量。由于Fx相对于Fz消耗的功率一般很小，可忽略不计,因而可得切削功率：Pm二FzVc二1860X
6、500/60二15500W3.3切削热的计算由于切削过程中，绝大部分热量由切屑带走，车削过程中10%〜40%的热量由车刀传出[2],根据传入刀具的热量Q的计算公式可得：Q二K1•K2-Pm二0.99X0.IX15500=1534.5W式中：K1为切削功率转化为切削热的比重；K2为车刀中传出切削热的比重。3.4热流密度的计算切削过程中切屑与刀具前刀面主要接触面积约为刀片面积的1/5,结合刀片的实际测量面积，计算得出热载荷作用面积约为19.2X10-6n)2。根据热流密度？的计算公式可得:?二Q/A=1534.5/19.2X10-6=7.99X107W/m2式中：A为切屑与前刀面的主要接
7、触面积，即热流密度载荷主要作用面积。3.5施加载荷施加刀具上表面的对流换热载荷为2000W/(m2-°C),下表面的对流换热载荷为10W/(m2-°C),其余侧表面的对流换热载荷为1000W/(m2-°C),施加刀具初始温度为20°C,并在前刀面上施加热流载荷。4ANSYS模拟结果及后处理通过仿真模拟分析，得到载荷工况1和载荷工况2的刀具温度场分布情况分别如图1和如图2所示。由图中可以看出，金属切削时刀具温度从刀尖处到刀具末端逐渐降低，刀尖及附近区域的切削
