【正文】 于高速切削理論，建立簡(jiǎn)化的二維切削模型，設(shè)置材料屬性、切削邊界條件，運(yùn)用適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格劃分，確定切屑分離標(biāo)準(zhǔn)，使模型適合于有限元模擬其加上過程。改變單一切削條件，通過溫度曲線的變化，判斷它對(duì)切削溫度的影響。證實(shí)有限元模型正確后，就可以針對(duì)不同切削參數(shù)進(jìn)行有限元分析，為合理選擇切削參數(shù)提供依據(jù)。雖然高速切削己經(jīng)在世界上很大范圍內(nèi)使用，并取得了巨大的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益。對(duì)切削溫度進(jìn)行理論分析，必將推動(dòng)高速切削機(jī)理的研究和完善，促進(jìn)高速切削技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。高速切削時(shí)，切屑變形所消耗的能量大多數(shù)轉(zhuǎn)化為熱，切削速度越高，產(chǎn)生的熱量也越大，這意味著需要消耗更多的熱量。切削熱來自于三個(gè)方面:切削層金屬的剪切變形熱、切屑底層金屬的摩擦擠壓變形熱和已加工表面上的摩擦擠壓變形熱，因此，可以將切削區(qū)的溫度場(chǎng)劃分出三部分:剪切區(qū)(即第一變形區(qū))溫度場(chǎng)、刀/屑接觸區(qū)(即第二變形區(qū))溫度場(chǎng)和刀/工接觸區(qū)(即第三變形區(qū))溫度場(chǎng)。剪切變形的程度與工件材料的應(yīng)力一應(yīng)變特性有關(guān)。其中，大部分切削熱由切屑帶走，小部分切削熱傳入工件和刀具。當(dāng)切屑沿刀具前刀面流出時(shí)，受到前刀面的擠壓和摩擦，進(jìn)一步加劇了變形，切屑底層的摩擦、變形趨于纖維化，流動(dòng)速度減慢，由摩擦而產(chǎn)生的熱量使切屑/刀具接觸面的溫度升高，形成刀/屑接觸區(qū)溫度場(chǎng)。由于切屑底層的摩擦擠壓產(chǎn)生的熱量很大，切屑可達(dá)到相當(dāng)高的溫度，又由于高速切削的切肖弓速度比汗通切削高得多，所以，切屑帶走的熱要比普通切削帶走的熱量多。因此，在刀具/工件的接觸區(qū)產(chǎn)生一個(gè)溫度場(chǎng)，它將影響產(chǎn)品的尺寸精度和已加工表面質(zhì)量.據(jù)統(tǒng)計(jì)，切削熱分布的估算如下:大約80%的熱量是切屑變形產(chǎn)生的。2%產(chǎn)生在刀刃卜。2%留在工件上。從估算數(shù)據(jù)來看，切削熱主要來自第一變形區(qū)的剪切熱和第二變形區(qū)的摩擦熱。從散熱情況看，切屑的溫度最高，刀具和工件的溫度相對(duì)要低。金屬切削時(shí)的溫度場(chǎng)是指刀具表面的溫度分布狀況和被加工材料內(nèi)部的溫度分布狀況，即刀具、被切削材料、切屑的溫度分布情況。刀具與切屑接觸區(qū)的溫度及其分布。溫度場(chǎng)求解方法有解析法(分離變量法、積分變換法、拉普拉斯變換法)，數(shù)值法(有限差分法、有限元法、蒙特卡洛法)，熱源法等。其優(yōu)點(diǎn)是可以得到表示溫度分布的函數(shù)關(guān)系，而且可以分析影響因素。由于這些條件的變化都很復(fù)雜，在求解考慮材料的加工硬化以及幾何非線性等復(fù)雜切削模型時(shí)，解析法往往導(dǎo)致不可解。 金屬切削過程中，其導(dǎo)熱問題的主要特點(diǎn)是熱源有一定的形態(tài)和尺寸，有一定的動(dòng)態(tài)狀況，有一定的熱量輸出，但邊界條件則多是未知值。因此，本章就是用熱源法對(duì)切削區(qū)的切削溫度進(jìn)行理論計(jì)算。因此首先要建立導(dǎo)熱微分方程，經(jīng)過傅式變換，求得瞬時(shí)點(diǎn)熱源在無限大物體內(nèi)發(fā)出一定熱量后的任何時(shí)刻的溫度場(chǎng)的解，推導(dǎo)出無限長(zhǎng)移動(dòng)線熱源在無限大物體內(nèi)的溫度場(chǎng)的解，對(duì)剪切熱源和刀/屑摩擦熱源的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析。是材料的導(dǎo)熱系數(shù)[W/(m.℃)]?！耙弧北硎緜鳠岬姆较蚝蜏囟忍荻鹊姆较蛳喾?。取導(dǎo)熱體內(nèi)任一點(diǎn)p(x，y，z，)(x，y，z)單元體的放大圖。 設(shè)在初始時(shí)刻t=0在原點(diǎn)上有一瞬時(shí)作用的點(diǎn)熱源，這熱源剛一發(fā)生，立即消失。求任意一點(diǎn)M(x，y，z，t)在任意時(shí)刻t的溫度場(chǎng)。 假設(shè)在無限大物體內(nèi)有一與y軸重合的無限長(zhǎng)瞬時(shí)線熱源()初始時(shí)刻t=0，線熱源單位長(zhǎng)度產(chǎn)生的熱量為q1，隨后立即消失。在線熱源上離原點(diǎn)l處取出dl1長(zhǎng)的微元，把它看成點(diǎn)熱源，其強(qiáng)度為q1dl1 可得瞬時(shí)無限長(zhǎng)線熱源在時(shí)刻t在點(diǎn)M的溫度 () 已知，因此方程()轉(zhuǎn)化為 ()方程()即為無限大物體內(nèi)瞬時(shí)無限長(zhǎng)線熱源的溫度場(chǎng)公式。設(shè)Y方向的無限長(zhǎng)移動(dòng)線熱源以速度v向x軸正向移動(dòng)，單位時(shí)間的熱流密度為q1。建立移動(dòng)熱源動(dòng)坐標(biāo)系()，假設(shè)在時(shí)間時(shí)，線熱源正好在y軸上。從時(shí)刻t=，向前推移任意時(shí)間t，在這一時(shí)刻，熱源x方向坐標(biāo)為x=vt。因此，產(chǎn)生的溫度與時(shí)間無關(guān)。X是R在切削速度方向上的投影。這兩個(gè)變形區(qū)產(chǎn)生的熱是可以知道的。建立熱傳導(dǎo)模型。切屑的上平面及其兩側(cè)面都與空氣對(duì)流換熱，在不加冷卻液的情況下，對(duì)流換熱系數(shù)很小，因而可以視為絕熱。切屑與前刀面摩擦作用時(shí)的熱傳導(dǎo)模型是一矩形面熱源。可以將面熱源分割成為無數(shù)個(gè)的微小窄帶狀熱源，任一窄帶熱源都在半無限體內(nèi)運(yùn)動(dòng)，故此可以看成連續(xù)作用的移動(dòng)線熱源在半無限體內(nèi)移動(dòng)。按所建的傳熱模型，剪切熱源看成是在半無限介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的斜帶狀熱源。將工件和切屑看成統(tǒng)一體，確定工件的溫度場(chǎng)分布時(shí)，未變形工件表面可看成是延伸至剪切面的連續(xù)體。模型以1951年Hahn所建的斜剪切熱源在無限介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)模型為基礎(chǔ)。當(dāng)工件材料流經(jīng)剪切面時(shí)，產(chǎn)生塑性變形變?yōu)榍行肌? Hahn建立的斜剪切熱源Hahn建立的斜剪切熱源在無限大物體中運(yùn)動(dòng)傳熱模型，實(shí)際上應(yīng)將無限大物體的模型應(yīng)用到半無限大物體。物體上方是靜止的空氣，因?yàn)榭諝獾膶?dǎo)熱系數(shù)與金屬的相比要小的多，故可看成絕熱邊界，因此把物體看成半無限大物體。仍把物體看成無限大的，Q經(jīng)過上平面?zhèn)鞒龅臒崃髁颗cQ1必經(jīng)過上平面?zhèn)魅刖拖喈?dāng)于從上平面沒有熱量傳出，符合絕熱邊界的要求。物體內(nèi)任意點(diǎn)的溫度應(yīng)該是真實(shí)與鏡像兩個(gè)等強(qiáng)熱源所造成該點(diǎn)溫度的迭加。綜上所述，()，設(shè)立剪切熱源的鏡像熱源。單位時(shí)間的熱流密度為qpl。微元距0點(diǎn)為li。 鏡像熱源在P點(diǎn)產(chǎn)生的溫度為 () 刀/屑接觸面摩擦熱源產(chǎn)生的溫度場(chǎng)的求解，與剪切熱源的解法基本相似。下面分別求出切屑和刀具的溫度場(chǎng)分布情況。建模原理是把刀/屑摩擦面看成一個(gè)強(qiáng)度不均勻分布的熱源，相對(duì)于刀具，這個(gè)熱源是固定的矩形熱源，相對(duì)于切屑，這個(gè)熱源是運(yùn)動(dòng)的帶狀熱源。邊界條件:切屑厚度tch很小，因此切屑外表面的邊界效應(yīng)是不能忽視的。計(jì)算方法:刀/屑帶狀熱源(相對(duì)切屑)劃分成若干長(zhǎng)為dl，的若干微分單元，每個(gè)微元是無限長(zhǎng)直線運(yùn)動(dòng)的熱源，熱源密度為qpl。實(shí)際上刀/屑摩擦熱源刀、屑兩邊分布是不均勻的，因此對(duì)B進(jìn)行修正，B表示傳入切屑的熱量占摩擦生成的熱量的份數(shù)。用Bi屑qpl，強(qiáng)度不均勻分布的帶狀熱源產(chǎn)生的溫度場(chǎng)分布。就可得出與切屑溫度場(chǎng)分析一樣，設(shè)定一個(gè)鏡像熱源。計(jì)算方法:矩形熱源長(zhǎng)L，寬w，根據(jù)Block熱流分配原則，單位時(shí)間傳入刀具的熱流密度是(1B)q。當(dāng)矩形熱源分成若干長(zhǎng)dxi，寬dyi的微元，則微元的單位時(shí)間的熱流密度是qo：矩形熱源的熱流密度。微元產(chǎn)生的溫度為任意點(diǎn)M(x,y,z)由矩形熱源微元和鏡像熱源微元產(chǎn)生的溫度為 刀具任意點(diǎn)材(x,y,z)溫度表示為: ()干切削時(shí)，刀具絕對(duì)鋒利，后刀面絕熱，n=1。以上公式適用于強(qiáng)度均勻分布的矩形熱源。用Bi,刀qpl代替方程()中的qpl，就可得出強(qiáng)度不均勻分布的矩形熱源在M點(diǎn)產(chǎn)生的溫度分布。因此，剪切熱源使刀/屑兩邊的溫度升高應(yīng)包含在刀/屑兩邊總的溫度升高中。在刀/屑摩擦熱源建模中，認(rèn)為切屑的內(nèi)外表面是絕熱的，剪切熱源只傳入切屑，而不傳入刀具。剪切熱源不僅使切屑溫度升高，也使力具的溫度升高。AO:刀/屑接觸摩擦熱源。除點(diǎn)B，其余剪切熱源點(diǎn)均在切屑外表面之下。另一部分由剪切熱源產(chǎn)生。因此對(duì)刀具重新建立傳熱模型。這部分熱源可看作位于刀/屑接觸面的固定熱源，即由剪切面形成的簡(jiǎn)化固定矩形熱源，這時(shí)可用方程()。平均溫度是通過計(jì)算剪切熱源產(chǎn)生的刀/屑接觸面上切屑溫度(方程())得出的。根據(jù)方程()和刀/屑接觸面的平均溫度，可求得簡(jiǎn)化熱源的單位時(shí)間的熱流密度。刀具任意點(diǎn)M(x,z)的溫度表示為: 第三章 切削溫度場(chǎng)有限元法分析理論基礎(chǔ)在制造工程領(lǐng)域中，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬切削過程是強(qiáng)有力的工具之一，通過建立數(shù)值分析模型模擬整個(gè)切削過程，可以減少試驗(yàn)次數(shù)。隨著計(jì)算機(jī)性能和運(yùn)算速度的迅速提高，有限元方法不但自身日趨完備，而且在與其它技術(shù)相結(jié)合方面也取得了較大的進(jìn)展，如自適應(yīng)網(wǎng)格劃分、三維溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的建模求解、熱一力禍合和開域問題等。采用有限元法分析切削溫度場(chǎng)不僅有利于對(duì)切削機(jī)理的理解，而且也是機(jī)械加工工藝優(yōu)化的有利工具，在考慮多因素、非線性、動(dòng)態(tài)過程分析時(shí)其優(yōu)勢(shì)尤為顯著。有限元法是隨著計(jì)算機(jī)的應(yīng)用而發(fā)展起來的一種數(shù)值解法。而現(xiàn)代有限元的第一次成功是1956年Turner、Clough等人在分析飛機(jī)結(jié)構(gòu)時(shí)得到的成果，他們第一次給出了三角形單元求得平面應(yīng)力問題的正確解答。到了七十年代中期形成了完備的理論，而后人們又對(duì)其在各種領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了研究。分析的對(duì)象從彈性材料擴(kuò)展到塑性、粘彈性、粘塑性和復(fù)合材料等，從固體力學(xué)擴(kuò)展到流體力學(xué)、傳熱學(xué)等連續(xù)介質(zhì)力學(xué)領(lǐng)域。而今，該方法己經(jīng)在航空、航天、造船、建筑等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，在機(jī)械、化工、海洋、水利、核能、地質(zhì)、生物等領(lǐng)域的應(yīng)用也在發(fā)展中。直到七十年代早期人們才用有限元法對(duì)金屬切削過程進(jìn)行仿真。、塑性力學(xué)的基礎(chǔ)上，采用有限元方法對(duì)正交切削過程進(jìn)行了分析。lwata等用剛塑性模型，模擬計(jì)算了切屑的厚度、卷曲形狀及構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變的分布等，并通過切削試驗(yàn)較好地驗(yàn)證了模擬計(jì)算結(jié)果。Strenkowski和Carroll利用基于有效塑性應(yīng)變的切屑分離準(zhǔn)則建立模型，考慮構(gòu)件、刀具的彈塑性及刀具與切屑之間的摩擦等，計(jì)算結(jié)果表明切屑分離準(zhǔn)則在有限元模擬構(gòu)件加工中是非常重要和有效的。近年來，美國俄亥俄州立大學(xué)的T Altna教授率領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在切削工藝的有限元模擬方面取得了令人矚目的成就，目前正致力于刀具磨損的有限元分析。Johansson L,Klabring A給出熱接觸問題模型的數(shù)學(xué)描述，是進(jìn)行該領(lǐng)域有限元分析研究的較早的系統(tǒng)性工作。Lo Casto等人用三維有限元法計(jì)算刀具溫度分布，他們假設(shè)刀柄的溫度與室溫一樣，刀/屑接觸面產(chǎn)生均勻的摩擦熱源，傳入刀具的熱量是恒定的，根據(jù)實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)傳入刀具的熱量。根據(jù)已加工表面測(cè)得的溫度，采用反有限元方法，估算出前刀面瞬時(shí)溫度和傳入工件的熱量。因此，工件上的刀具工件接觸區(qū)的溫度分布可看作橢圓形狀。目前幾乎所有的有限元仿真集中于車削，僅有少量報(bào)道是關(guān)子銑削、鉆削等，并且三維仿真僅處于初期發(fā)展階段。有限元法已經(jīng)用于基本切屑變形過程，但要建立具有一定準(zhǔn)確性、可靠性的實(shí)際切削模型仍要作大量工作。同時(shí)選定場(chǎng)函數(shù)的節(jié)點(diǎn)值作為基本未知量，并在每一個(gè)單元中假設(shè)一近似插值函數(shù)以表示單元中場(chǎng)函數(shù)的分布規(guī)律。一經(jīng)求解就可以利用解得的節(jié)點(diǎn)值和設(shè)定的插值函數(shù)確定單元上以至整個(gè)集合體上的場(chǎng)函數(shù)。有限元仿真可模擬加工過程中刀具和工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)的作用過程，對(duì)切屑形成過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，顯示加工過程中的熱流、相變、溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布等，預(yù)測(cè)被加工工件的加工質(zhì)量。Lagrange方法和Euler方法是對(duì)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的兩種表述，這兩種方法本質(zhì)上是一樣的，但由于采用的自變量不同，而具備各自的特點(diǎn)。它可對(duì)進(jìn)刀、退刀時(shí)切屑變形進(jìn)行建模，也可對(duì)斷續(xù)切削過程進(jìn)行仿真。這種方法可以給出切屑的幾何形狀以及加工完成后工件中的殘余應(yīng)力，塑性材料模型很好兼容。但是，這種方法忽視了刀尖附近工件材料的塑性流動(dòng)，且很容易引起網(wǎng)格的嚴(yán)重扭曲，因此需要通過不斷地重新劃分網(wǎng)格和應(yīng)用動(dòng)態(tài)自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)，來解決網(wǎng)格扭曲的問題，以提高模擬計(jì)一算的有效性和精確性。Euler模型可對(duì)延展性材料建立理想的物理模型，而不需要節(jié)點(diǎn)拼合(node splitting)Euler方法主要用來計(jì)算模擬構(gòu)件加工平穩(wěn)狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變分布情況，因此避免了使用切屑分離準(zhǔn)則，但必須預(yù)先知道切屑的兒何形狀，而且當(dāng)工件材料被視為粘塑性體而彈性變形可忽略時(shí)，不能夠預(yù)測(cè)殘余應(yīng)力。本論文對(duì)切削過程動(dòng)態(tài)仿真中，采用了修正的Lagrange方法，實(shí)現(xiàn)了切屑分離。由于塑性加工中變形量很大，彈性變形比塑性變形小的多，所以忽略彈性變形。因此采用熱勃塑性有限元法對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行求解。盡管變形和傳熱同時(shí)發(fā)生，但傳熱和變形屬于兩個(gè)不同物理性質(zhì)的問題，基于不同的基本理論，很難用聯(lián)立求解的方法分析。因此在同一增量區(qū)間內(nèi)，分別計(jì)算速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)，并且該區(qū)間內(nèi)均