高速切削有限元模拟加工温度场分析

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）1110012-01

0 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，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B×H=16×25，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σb=600MPa，屈服极限σs=355Mpa，弹性模量E=206GPa，泊松比μ=0.27，导热系数=67W/（m·?C）。车刀主要角度：主偏角Kγ=75゜，副偏角Kγ'=10゜，前角γ0=5゜，后角α0=α0'=8゜，刃倾角λs=-5゜。被加工材料为σb=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Fp。查文献[2]得切削力的经验计算公式为：

式中：

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=FzVc=1860×500∕60=15500W

3.3 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= K1·K2·Pm=0.99×0.1×15500=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19.2×10-6m2。根据热流密度?的计算公式可得：

?= Q∕A=1534.5∕19.2×10-6=7.99×107W/m2

式中：A为切屑与前刀面的主要接触面积，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·℃），下表面的对流换热载荷为10W/（m2·℃），其余侧表面的对流换热载荷为1000W/（m2·℃），施加刀具初始温度为20℃，并在前刀面上施加热流载荷。

4 ANSYS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温度最高，载荷工况1的最高切削温度约为1328℃，载荷工况2的最高切削温度约为201℃。一方面，进一步验证了高速切削温度场分析规律，另一方面说明为有效控制切削温度提高刀具寿命，降低切削速度能起到相当大的作用，有限元分析结果与实验经典公式反映的结论相一致。但由于硬质合金YT15的最高耐热硬度一般为1000℃及以下，因此，在实际加工中，需不断优化切削速度参数来提高刀具使用寿命。

5 总结

本文利用ANSYS有限元软件，对高速切削状态下的数控车刀进行了温度场的模拟分析，得出最高切削温度一般位于刀尖及其附近区域，为提高刀具使用寿命降低切削速度能起到很好的效果，利用ANSYS软件对切削参数进行优化是实际可行的。

参考文献：

[1]艾兴等，高速切削加工技术[M].北京：国防工业出版社，2003.

[2]机械设计手册编委会，机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2008.

[3]陆建中、孙家宁，金属切削原理与刀具[M].北京：机械工业出版社，2004.

[4]张小栋等，机床刀具热变形有限元分析与计算[J].机床与液压，2011（5）：15-17.

[5]迟晓明等，高速数控车床刀具热变形的计算分析[J].机械设计，2011（11）：74.