[发明专利]一种用于丝杠旋风铣削加工区域的温度预测方法

说明书

本发明公开了一种用于丝杠旋风铣削切削加工区域的温度预测方法。首先，建立丝杠旋风铣削切削第一阶段与第二阶段瞬态未变形切屑厚度、宽度和面积模型；然后，对丝杠旋风铣削切削加工区域瞬态热源面积建模：主要包括第一变形区剪切瞬态带热源宽度模型和面积模型与第二变形区刀‑屑接触摩擦瞬态热源面积模型；最后，针对丝杠旋风铣削加工区域建立温度模型，并将所建立的关于未变形切屑方面的模型和关于热源面积方面的模型代入温度模型求解，最终获取切削加工区域中工件、切屑和刀具的瞬态温度分布。本发明能准确预测切削加工区域工件、切屑和刀具瞬态温度的分布情况，容易实现，操作方便，为丝杠旋风铣削参数优化提供了参考的依据。

技术领域

本发明属于机械加工领域，尤其是用于预测旋风铣削加工区域温度的方法。

背景技术

传统的丝杠加工一般采用粗车、精车和磨削等加工工艺，其加工方式复杂且效率低下，并且在加工过程中采用的冷却液或切削液会对环境产生较大的污染。相比如传统的加工方式，丝杠旋风铣削具有一次成型的特点，并且具有更高的材料去除率和干式切削所带来的环保性特点。因此，采用旋风铣削的加工方式来加工丝杠能够更好的满足丝杠的生产要求和环境要求。丝杠旋风铣削的加工过程中主要有四种运动：如图1所示，刀盘1a的高速旋转运动；工件1c的进给旋转运动；刀盘1a相对工件1c的轴向进给运动；刀具1b相对工件1c的径向切削运动，丝杠旋风铣削加工过程比较复杂，导致加工过程中未变形切屑厚度、宽度和面积程瞬态变化的趋势。丝杠旋风铣削采用的是多刀断续切削的加工方式，切削加工可分为两个阶段，切削加工第一阶段与切削加工第二阶段；切削加工第一阶段为刀具开始切入工件到未变形切屑厚度达到最大厚度位置时刻，切削加工第二阶段为未变形切屑最大厚度位置时刻到刀具切出工件时刻。

不考虑刀具磨损情况下，切削加工过程中的热源主要分布在第一变形区与第二变形区，如图2所示，第一变形区主要为切削层金属发生弹性变形和塑性变形的区域，第二变形区为切屑与工件产生摩擦的区域。

丝杠旋风铣削采用干式切削，在加工过程中会产生大量的切削热，切削热的聚集会导致切削区域温度急剧上升，在促使工件表面软化利于切削的同时，切削机械应力所产生的剧烈塑性变形和摩擦，以及局部高热应力的综合作用又很大程度地影响着工件加工后的表面金相组织、残余应力分布和微观硬度，同时也加剧了刀具的磨损。虽然大量的切削热通过切屑从切削区域迅速被带走，但切削热在加工区域中的流动和传递仍将导致机床和工件局部热变形，并由此产生一定的加工误差。因此，揭示丝杠旋风铣削加工过程中切削加工区域切削热的产生及传递、掌握切削加工区域温度场的变化规律，对提升工艺性能至关重要。

目前，对于切削加工区域温度预测方法已有部分探索。例如中国专利CN105975766A公开的发明名称为《一种微铣削热力耦合解析建模方法》，考虑微铣削中存在的尺度效应，基于微铣削瞬时切削厚度模型，建立了切削温度模型。CN105930558A公开的发明名称为《一种高速切削第一和第二变形区温度的获取方法》，公开方案为通过人工热电偶方法获取刀具测量点的历史数据，根据所述温度历史建立刀具的三维传热模型、进行热分析，最后建立二维切削仿真模型，分析切削温度稳定状态下第一和第二变形区温度之间的对应关系，进而获得第一与第二变形区的温度分布情况。CN104268343A公开的发明名称为《一种用于端铣切削的切削力预测及温度预测的方法》，公开方案建立了空间任意位置有限长线热源温度场求解模型及空间任意位置有限长旋转运动线热源温度场求解模型，运用了有限元仿真方法，提出了嵌入式半人工热电偶方法，通过开展高速端铣削切削温度场分布测量对有限元仿真结果及理论计算结果进行验证及误差分析。

但是，丝杠旋风铣削区分于普通的车削与铣削加工，在加工过程中未变形切屑几何特征，包括未变形切屑厚度和宽度，呈瞬态变化趋势；这种变化情况将会导致热源热释放强度呈瞬态变化，最终引起切削温度的瞬态变化。因此，现有的热分析模型不能用来预测丝杠旋转铣削加工区域的温度分布。

发明内容