高速切削刀具内的传热分析大摘要

硕士学位论文大摘要论文题目高速切削刀具内的传热分析研究方向机械设备性能优化与仿真学科、专业轮机工程高速切削刀具内的传热分析大摘要高速切削机理的研究作为高速切削技术的理论基础，对高速切削技术应用和发展起重要作用。在高速切削机理研究中，切削过程中的传热研究具有重要的理论意义和实际应用价值。鉴于以往针对刀具内的传热分析的研究较少，本文用数值模拟方法对刀具在切削程过中的传热进行较为深入地研究。数值方法是研究高速切削加工机理的一种有效手段，不仅可以克服试验方法的不足，能够对切削过程中切屑形成、切削力、温度场、应力应变分布等状态参数进行定量的预测，而且对节省加工时间和成本，提高加工精度具有重要的意义。本文首先研究了切削过程中切削热的产生和传出、切屑刀具工件系统的温度分布，从理论上给出一种求解刀具切削温度场的方法；然后，使用有限元分析软件DEFORM模拟了AISI1045钢的高速切削过程，得到了刀具温度场的分布情况及切削热的分配情况，并对刀具的热应力进行了分析，其结果与文献试验结果基本一致；最后，将DEFORM的结果作为边界条件，在ANSYS中对刀具内的传热过程进行了数值模拟分析。本文的研究主要得到了如下结果和结论1研究了切削过程切削热的产生和传出、切屑刀具工件系统的温度分布。在深入理解直角自由切削温度场的基础上，合理简化条件下对刀具温度进行计算时，热源视为固定的，利用半无限大物体表面上静止的连续作用面热源的温度场理论进行求解。介绍了一种简化条件先的理论求解刀具切削温度场的方法。2使用有限元分析软件DEFORM，并采用JOHNSONCOOK材料模型来模拟AISI1045钢的高速切削过程。得到了刀具温度场的分布情况及切削热的分配情况，并对刀具的热应力进行了分析。与文献中的实验数据进行比对，拟所得Y向切削力分别在在439N和359N附近波动，文献中的实验Y向切削力分别为和400N410N和34252N最大误差分别为97和48验证了所建立模型的精确性，证明了模拟结果可信。3实现了通用软件DEFORM和ANSYS之间的优势互补，减少了运算的时间，节省了工作量和工作时间。为以后的数值模拟计算提供了一种可行的思路和方法。4分析了切削过程中热量的分配情况，通过分析前刀面温度场的变化情况得出刀片温度是逐渐上升的，但上升速度仍然是非常快，另外刀具的最高温度不在刀尖上而是离刀尖有一定距离的地方。通过比较传入刀片和工件的热流量，得知在高速切削的过程中，切削热的分配是不均匀的，切削开始传入工件的热量是传入刀具的热量的三倍，随着切削过程的继续这个倍数会增加到五。高速加工可以有效地减少传人工件和刀具的切削热比率，这对提高生产率、加工精度等是有益的。并将结果和文献进行比对，结果中的变化趋势和文献一致，证明了所得结论可信。5分析了换热系数对刀具传热的影响。通过分析得出在实际的金属切削过程中，采用有效的强化冷却方式，获得较高的换热系数，对降低刀具的整体温度，并且对抑制刀具在高温下的化学活性很有帮助。6分析了垫片的材料对刀具传热的影响。提高垫片的热传导率可以使刀体温度升高加快，刀片平均温度随之降低，但效果不如改变对流换热系数那么明显，通过分析得出高速切削时应着重注意切削冷却，垫片的选择应在首先考虑强度、成本等条件下合理选择传热系数大的材料。本文只是有限元技术在刀具研究应用领域的初探，随着计算机技术的发展，有限元技术也在不断快速的发展中，这将更好的促进限元技术在刀具研究和研制领域的结合，为切削刀具的设计、制造提供更好的服务，必将更加有力的推动社会生产力的进一步发展。关键字高速切削；有限元；切削温度；刀具THEHEATTRANSFERANALYSISOFTHEHIGHSPEEDCUTTINGTOOLABSTRCTASTHETHEORETICALFUNDAMENTALOFTHEHIGHSPEEDCUTTINGHSC,THERESEARCHOFTHEMECHANISMOFHSCISTHEFOUNDATIONOFTHEAPPLICATIONANDDEVELOPMENTOFTHEHSCTECHNOLOGYTHERESEARCHOFTHECUTTINGHEATFLUXHASVERYIMPORTANTTHEORETICALANDPRACTICALSIGNIFICANCEHIGHEFFICIENCYANDHIGHPRECISIONASTHEBASICCHARACTERISTICSOFTHEHIGHSPEEDMACHININGHASBEENTOBECOMEONEOFTHEHOTSPOTSOFRESEARCH,ANDCUTTINGTEMPERATUREISREFLECTEDINHIGHSPEEDMACHININGPROCESSISANIMPORTANTINDICATOROFPHYSICALPROPERTIES,ISTHEIMPACTOFTOOLWEAR,TOOLLIFEANDSURFACEPRODUCTSTHEQUALITYANDINTEGRITYOFTHEPROCESSANIMPORTANTFACTORCONSIDERINGTHATTHEREAREVERYFEWRESEARCHINGABOUTTHECUTTINGTOOL,THEPAPERCARRIESOUTTHEHEATFLUXOFTHECUTTINGTOOINTHEHSCBYNUMERICALMETHODNUMERICALMETHODISUSEFULINTHESTUDYOFTHEMECHANISMOFTHEHSCITISEFFECTIVETOINVESTIGATEHIGHSPEEDCUTTINGUSINGNUMERICALMETHODINTHISWAY,NOTONLYTHEDISADVANTAGESOFTHEEXPERIMENTSCANBECONQUERED,THECHIPFORMATION,CUTTINGFORCES,TEMPERATURE,STRAINS,STRAINRATES,ETCINTHEPROCESSESOFMACHININGCANALSOBEPREDICTEDQUANTITATIVELYBESIDES,NUMERICALMETHODISSIGNIFICANTINSAVINGTIMEANDSOURCES,IMPROVINGTHEPRECISIONSINTHEPAPER,WEMAKETHERESEARCHABOUTTHECUTTINGHEATGENERATIONANDTRANSMISSION,THETEMPERATUREOFTHECUTTINGSYSTEMTHEPAPERPRESENTSATHEORYFORSOLVINGMETHODOFCUTTINGTOOLTEMPERATUREFIELDTHEUSEOFFINITEELEMENTANALYSISSOFTWAREDEFORMSIMULATESTHEHSCPROCESSOFTHEAISI1045STEELTHEPAPERGETSTHETEMPERATUREFIELDABOUTTHETOOL,THEDISTRIBUTIONOFCUTTINGHEATANDTHEANALYSISOFTHETOOLTHERMALSTRESSEXPERIMENTALRESULTSOBTAINEDARECONSISTENTWITHTHELITERATURECONCLUSIONSTHEPAPERACHIEVEDCOMPLEMENTARYADVANTAGESBETWEENTHECOMMONSOFTWAREDEFORMANDANSYSTHISSTUDYMAINLYBYTHEFOLLOWINGRESULTSANDCONCLUSIONS1STUDYTHECUTTINGPROCESSCUTTINGHEATGENERATIONANDOUTGOING,CHIPTOOLWORKPIECESYSTEM,THETEMPERATUREDISTRIBUTIONFREEINDEPTHUNDERSTANDINGOFCUTTINGANGLEONTHEBASISOFTHETEMPERATUREFIELD,REASONABLEUNDERTHECONDITIONOFTOOLSTOSIMPLIFYCALCULATIONOFTHETEMPERATURE,THEHEATSOURCEASAFIXED,SEMIINFINITECONTINUOUSSURFACEONTHEROLEOFSURFACEHEATSTATIONARYTEMPERATUREFIELDTHEORYTOSOLVEITINTRODUCEDATHEORYOFSOLVINGTHEFIRSTCUTTINGTOOLTEMPERATUREFIELDMETHODINASIMPLIFIEDCONDITION2THEUSEOFFINITEELEMENTSOFTWAREDEFORM,ANDTHEUSEOFJOHNSONCOOKMATERIALMODELTOSIMULATETHEAISI1045HIGHSPEEDSTEELCUTTINGPROCESSHASBEENTHEDISTRIBUTIONOFTOOLTEMPERATUREFIELDANDTHEDISTRIBUTIONOFCUTTINGHEAT,ANDTHERMALSTRESSOFTHETOOLWEREANALYZEDWITHTHELITERATUREANDCOMPARETHEEXPERIMENTALDATATOBEDERIVEDFROMYTOTHECUTTINGFORCEINTHE439NAND359NRESPECTIVELYINTHEVICINITYOFFLUCTUATIONSINTHEEXPERIMENTALLITERATURETOTHECUTTINGFORCEY,RESPECTIVELY,AND400N410NAND34252NMAXIMUMERRORIS97AND48,RESPECTIVELYVERIFYTHEACCURACYOFTHEMODELBUILDINGPROVEDTHECREDIBILITYOFSIMULATIONRESULTS3TOACHIEVEACOMMONSOFTWAREDEFORMANDANSYSCOMPLEMENTARYADVANTAGESBETWEENTHEREDUCTIONOFCOMPUTINGTIME,SAVINGTHEWORKLOADANDWORKINGHOURSFORTHESUBSEQUENTNUMERICALSIMULATIONPROVIDESAVIABLEIDEASANDMETHODS4ANALYSISOFTHECUTTINGPROCESSINTHEDISTRIBUTIONOFHEAT,THROUGHTHEANALYSISOFTHERAKEFACECHANGESINTEMPERATUREFIELDOBTAINEDBLADETEMPERATUREISGRADUALLYINCREASED,BUTTHEINCREASEINSPEEDISSTILLVERYFAST,WHILETHEMAXIMUMTEMPERATUREISNOTTHETOOLBUTTHEKNIFESEDGEAWAYFROMTHEATSOMEDISTANCEFROMTHELOCALTIPBLADEANDWORKPIECEBYCOMPARINGTHEINCOMINGHEATFLOWTHAT,INTHEHIGHSPEEDCUTTINGPROCESS,CUTTINGHEATDISTRIBUTIONISUNEVEN,THECUTTINGBEGANTOHEATTHEINCOMINGWORKPIECEISTHREETIMESTHEINCOMINGHEATTOOL,WITHTHECUTTINGPROCESSTHECONTINUATIONOFTHISWILLGROWINMULTIPLESOFFIVEHIGHSPEEDMACHININGCANEFFECTIVELYREDUCETHETRANSMISSIONOFTHEWORKPIECEANDTOOLCUTTINGHEATRATE,WHICHINCREASEPRODUCTIVITYANDPROCESSINGACCURACYANDOTHERSAREBENEFICIALTHERESULTSANDLITERATURECOMPARISONPROVEDTHECREDIBILITYOFTHECONCLUSIONS5THEPAPERANALYSISOFHEATTRANSFERCOEFFICIENTOFHEATTRANSFEREFFECTSOFTHETOOLTHROUGHTHEANALYSISWEHADKNOWNINTHEACTUALMETALCUTTINGPROCESS,THESTRENGTHENINGOFEFFECTIVECOOLINGMETHODUSEDTOOBTAINAHIGHERHEATTRANSFERCOEFFICIENT,REDUCINGTHEOVERALLTEMPERATUREOFTHETOOLANDTHETOOLFORSUPPRESSIONOFCHEMICALACTIVITYATHIGHTEMPERATURESHELPFUL6ANALYSISOFTHEGASKETMATERIALONTHETOOLHEATTRANSFEREFFECTSTOIMPROVETHETHERMALCONDUCTIVITYOFGASKETCUTTERBODYTEMPERATURECANSPEEDUPTHEBLADEAVERAGETEMPERATUREWILLFALL,BUTTHEEFFECTWASNOTASGOODASCHANGINGTHECONVECTIVEHEATTRANSFERCOEFFICIENTLESSOBVIOUS,OBTAINEDTHROUGHTHEANALYSISHIGHS