【正文】 車刀切削過程中的溫度場模擬畢業(yè)論文摘要 IAbstract II1 緒論 1 概述 1 研究切削溫度的意義 1 切削溫度在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 2 研究目的、意義和內(nèi)容 22 車刀及其材料 3 車刀簡介 3 車刀的重要角度 4 車刀分類 5 刀具材料 5 刀具材料應(yīng)具備的性能 5 常用的刀具材料 6 其它刀具材料 63 金屬切削刀具基礎(chǔ) 7 金屬切削過程的基本概念 7 切削表面與切削運(yùn)動 7 切削用量三要素 84 ANSYS軟件簡介 9 ANSYSA的定義 9 ANSYS內(nèi)容 9 ANSYS軟件提供的分析類型 95 ANSYS 對物體的熱分析 10 熱分析簡介 10 ANSYS熱分析特點(diǎn) 11 ANSYS軟件求解的基本流程 116 建立刀片模型 137 熱分析 13 建立工作文件名和工作標(biāo)題 13 定義單元類型 14 定義材料性能參數(shù) 15 導(dǎo)入幾何模型、劃分網(wǎng)格 17 加載求解 21 輸出溫度場分布圖 298 對比分析 319 結(jié)論 32致謝 34331 緒論 概述在機(jī)械制造業(yè)中，雖然已經(jīng)發(fā)展出各種不同的零件成型工藝，但目前仍有90%以上的機(jī)械零件是通過切削加工制成。在切削工程中，機(jī)床做功轉(zhuǎn)換為等量的切削熱，這些切削熱除少量逸散到周圍介質(zhì)中以外，其余均傳入刀具、切屑和工件中，刀具、工件和機(jī)床溫升將加速刀具磨損，從而引起工件熱變形，嚴(yán)重時(shí)甚至引起機(jī)床熱變形。因此，在進(jìn)行切削理論研究、刀具切削性能試驗(yàn)及被加工材料加工性能試驗(yàn)等研究時(shí)，對切削溫度的測量分析非常重要。在使用ANSYS測量分析切削溫度時(shí)，既可以測定切削區(qū)域的平均溫度，也可以測量出切屑、刀具和工件中的溫度分布。本文就是通過ANSYS模擬90176。外圓車刀在切削過程中刀片的溫度分布，通過與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較證明ANSYS軟件的準(zhǔn)確性，并用ANSYS的模擬結(jié)果研究了切削速度對刀具溫度分布的影響。 研究切削溫度的意義切削加工時(shí)，切削溫度對工作前角、刀—屑平均摩擦系數(shù)，單位切削功率及切屑變形系數(shù)的影響都很大。在切削溫度低于600℃的情況下，切削溫度直接影響切屑瘤的消長，從而影響到切屑瘤的前角，所以工作前角隨切屑溫度的變化而變化。刀—屑平均摩擦系數(shù)隨切削溫度變化原因有二：一、積屑瘤前角隨切削速度而變化：① 當(dāng) θ ＜300℃時(shí)，積屑瘤前角隨著溫度的提高而增大；② 當(dāng) 300℃ θ 600℃時(shí)，積屑瘤前角隨切削溫度的升高而減小。二、刀—屑界面上切屑底層金屬的強(qiáng)度隨切削溫度的上升而下降：① 當(dāng)θ ＞600℃時(shí)，刀屑摩擦系數(shù)的下降主要就是由于這個原因。② 當(dāng)θ ＜600℃時(shí)，隨工作前角的增大而減小；隨工作前角的減小而增大；當(dāng)θ ＞600℃時(shí)，積屑瘤消失，這時(shí)，切屑變形系數(shù)的減小是由于刀—屑平均摩擦系數(shù)的減?。?單位切削功率pc—θ 曲線有著與切屑變形系數(shù)曲線相似的形狀，其理由是不言而喻的，切屑變形大，需要的功自然也就大些。 當(dāng)切削溫度較高時(shí)，會使被加工材料軟化，與刀具間硬度差增大，有利于切削加工進(jìn)行。一般認(rèn)為，刀具的磨損是由于切削過程中的高溫、高壓、切屑與前刀面間的摩擦以及工件材料中有關(guān)化學(xué)元素與之發(fā)生粘結(jié)、親和而引起的，即其磨損機(jī)制主要包括：1) 化磨損和相變磨損。刀具高速切削時(shí)的平均切削溫度可達(dá) 1000～1200℃，在此高溫下，即使在常壓和空氣氣氛中也足以使刀具刀尖區(qū)產(chǎn)生氧化、放氮甚至相變。而刀具一經(jīng)氧化和相變即會喪失其切削能力。2) 粘結(jié)磨損。在一定壓力和高溫條件下，刀尖與被加工材料接觸區(qū)隨著切屑不斷流出，雙方均不斷裸露出新的表面。隨著與合金元素的親和傾向不斷增加，將導(dǎo)致出現(xiàn)粘結(jié)磨損。這種磨損一般表現(xiàn)為微粒脫落，當(dāng)?shù)都鈪^(qū)溫度高達(dá) 1200℃左右時(shí)，局部顆粒將呈現(xiàn)“半熔化”狀態(tài)，從而使粘結(jié)磨損大大加劇。3) 顆粒剝落與微崩刃。由于刀具是由無數(shù)細(xì)小的顆粒構(gòu)成，顆粒之間呈晶界間的精細(xì)裂紋連接， 而且存在不均勻的內(nèi)應(yīng)力，因此當(dāng)高溫切屑流摩擦刮研刀尖時(shí)，會因工件材料硬度不均或存在硬質(zhì)點(diǎn)所產(chǎn)生的微沖擊而造成顆粒脫落或產(chǎn)生微崩刃。由此可見切削溫度對加工工藝影響很大，對加工刀具壽命也有影響。研究切削溫度可以避免一些不必要的經(jīng)濟(jì)損失。 切削溫度在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 近 40 年來，切削溫度的研究越來越被人們重視，特別是工業(yè)發(fā)達(dá)國家，日本、美國、前蘇聯(lián)、英國和德國等都很重視研究升發(fā)，已經(jīng)有不少成果實(shí)用化。 日本對切削溫度的研究廣泛深人，設(shè)有專門的研究機(jī)構(gòu)。其中一些代表入物，對切削溫度的基礎(chǔ)理論和實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了大量系統(tǒng)、深入地研究，并且有專門的著作。20 世紀(jì) 70 年代以來，車削、磨削在日本己研究較成熟。取得了很好效果，在生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用。 前蘇聯(lián)在切削方面的研究較早，20 世紀(jì)50 年代末60 年代初就發(fā)表過不少有價(jià)值的論文。在切削溫度研究上作了大量工作，并在振動車削、磨削、攻螺紋、鉆孔等應(yīng)用方面職得了良好的經(jīng)濟(jì)效果。 美國在振動切削發(fā)展上曾走過彎路。20 世紀(jì)60 年代初開始的切削研究工作， 70 年代中期又重新開始，并在一些方面取得了系列成果，目前己制訂部分標(biāo)準(zhǔn)供選用。 英國和德國等對切削溫度的機(jī)理和應(yīng)用也進(jìn)行了大量研究開發(fā)工作，發(fā)表了不少有價(jià)值的論文，在生產(chǎn)中也得到了積極應(yīng)用。 在我國，此項(xiàng)研究工作開始干20 世紀(jì)60 年代。1966 年哈爾濱工業(yè)大學(xué)應(yīng)用國外先進(jìn)的切削溫度技術(shù)進(jìn)行一系列的試驗(yàn)，取得了良好效果。1976 年以后，陜西機(jī)械學(xué)院等院校和單位先后做了一些車削、鉆孔、攻螺紋與磨削等試驗(yàn)研究并部分應(yīng)用于生產(chǎn)。1983 年 10 月在西安召開的全國第一次切削專題討論會”，促進(jìn)了切削技術(shù)在全國的深入研究和推廣位用。20 世紀(jì)80 年代中期以后，哈爾濱工業(yè)大學(xué)又對車削淬硬不透鋼、鉆孔、鋁復(fù)合材料攻絲進(jìn)行了試驗(yàn)研究，取得了滿意的效果。吉林工業(yè)大學(xué)對車削，北京航空航天大學(xué)對五合金攻絲都相繼進(jìn)行了試驗(yàn)研究，取得了可喜的成果。此外，河北機(jī)電學(xué)院、大連理工大學(xué)也對攻絲進(jìn)行了研究，也取得了一系列的成績。 研究目的、意義和內(nèi)容自切削技術(shù)的應(yīng)用以來，以其獨(dú)特的工藝效果，極大的提高了工廠生產(chǎn)的效率，減少了生產(chǎn)成本，為企業(yè)和工廠帶來啦不少生產(chǎn)效益，從而受到國內(nèi)外機(jī)械工程專家和企業(yè)的 廣泛關(guān)注。但是，與傳統(tǒng)的加工理論與方法相比，切削技術(shù)仍是一種“年輕”的工藝方法，其理論體系尚不完善，還有許多問題有待于深入研究。其中溫度就是困擾大家的一個難題，沒有太好的方法來解決。切削過程是一個涉及到彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)、熱力學(xué)和摩擦學(xué)等學(xué)科綜合交叉的一個非常復(fù)雜的過程，因此傳統(tǒng)方法的研究大多停留在定性的分析上。只是到了近十幾年來，有限元技術(shù)的發(fā)展，特別是一些商用有限元軟件(如ANSYS ，ABAQUS 的開發(fā)，使之成為能夠定量分析這一過程的強(qiáng)大工具。這方面關(guān)鍵的技術(shù)主要是用有限元對切削機(jī)理進(jìn)行了數(shù)值模擬，從而大大降低了對切削過程分析的成本并提高了分析的質(zhì)量。因此，用有限元對切削進(jìn)行模擬也就成為切削加工過程的一個研究前沿和熱點(diǎn)。根據(jù)最新的研究資料顯示，目前的研究主要集中在以下幾個方面 ：1) 一般的材料去除與切削過程的研究；2) 特殊加工過程的計(jì)算機(jī)模型的研究；3) 切削過程的幾何與過程參數(shù)的研究；4) 加工過程中的熱研究；5) 加工過程中殘余應(yīng)力的研究；6) 加工機(jī)床的動力學(xué)研究與控制；7) 機(jī)床磨損與誤差的研究；8) 切屑形成機(jī)理的研究；9) 最優(yōu)化與其他主題的研究。隨著ANSYS 軟件的開發(fā)，其已經(jīng)逐漸成為一種必要的、且必不可少的研究手段。同時(shí)，受實(shí)驗(yàn)設(shè)備等客觀條件的限制，研究人員不可能在試驗(yàn)中大幅度地隨意改變工藝參數(shù)。因此，利用ANSYS 軟件在切削過程中對切削溫度問題進(jìn)行建模模擬和仿真研究為切削溫度問題的解決提供了一個重要的參考依據(jù)。 本論文主要對車削過程中的刀具與工件的相對位移移動所產(chǎn)生的摩擦熱度進(jìn)行分析依據(jù)的實(shí)例是：工件材料鈦合金，刀片材料YT15，切削厚度1mm，切削速度30~70m/min，~。2 車刀及其材料 車刀簡介車刀的工作部分就是產(chǎn)生和處理切屑的部分，包括刀刃、使切屑斷碎或卷攏的結(jié)構(gòu)、排屑或容儲切屑的空間、切削液的通道等結(jié)構(gòu)要素。 車刀的切削部分由主切削刃、副切削刃、前刀面、主后刀面和副后刀面，刀尖角成。車刀的切削部分和柄部(即裝夾部分)的結(jié)合方式主要有整體式、焊接式、機(jī)械夾固式和焊接機(jī)械夾固式。機(jī)械夾固式車刀可以避免硬質(zhì)合金刀片在高溫焊接時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力和裂紋，并且刀柄可多次使用。機(jī)械夾固式車刀一般是用螺釘和壓板將刀片夾緊，裝可轉(zhuǎn)位刀片的機(jī)械夾固式車刀。圖21車削刀具的組成車刀的切削部分由主切削刃、副切削刃、前面、后面和副后面等組成。它的幾何形狀由前角γ0、后角α0、主偏角κr、刃傾角γs、副偏角kr’ 和刀尖圓弧半徑rε所決定。車刀幾何參數(shù)的選擇受多種因素影響，必須根據(jù)具體情況選取。前角γ0根據(jù)工件材料的成分和強(qiáng)度來選取，切削強(qiáng)度較高的材料時(shí)，應(yīng)取較小的值。例如，硬質(zhì)合金車刀在切削普通碳素鋼時(shí)前角取10176?！?5176。；在切削鉻錳鋼或淬火鋼時(shí)取 2176?！?0176。一般情況下后角取 6176。～10176。主偏角κr根據(jù)工藝系統(tǒng)的剛性條件而定,一般取30176?！?5176。,剛性差時(shí)取較大的值，在車階梯軸時(shí)，由于切削方式的需要取大于或等于90176。刀尖圓弧半徑rε和副偏角kr’一般按加工表面粗糙度的要