[发明专利]一种适用于圆形硬质合金车刀的三维斜角切削热建模方法

说明书

本发明提供一种适用于圆形硬质合金车刀的三维斜角切削热建模方法，通过将切削过程中的热源划分为多个微元，分析每个微元的局部参数，计算每个微元造成的温升，沿着切削刃积分得到整体的切削力，用于预测圆形车刀的温度场，为圆形车刀的高效高精加工过程提供指导。本发明同时利用解析模型预测切削力和热，减少了对实验的依赖，降低了实验的浪费，具有更高的自由度。

技术领域

本发明属于金属高效高精切削加工技术领域，具体涉及一种适用于圆形硬质合金车刀的三维斜角切削热建模方法。

背景技术

金属切削加工中，切削力和热是最重要的两个指标；其中切削热是影响刀具磨损程度和零件表面完整性的主要因素，温度越高，刀具的磨损越严重。相对于常规车刀，圆形车刀有更大的接触切削刃，由于其抗磨损、强度高的特点，在切削加工中应用广泛。目前在车削领域中，对于常规的菱形车刀和三角形车刀的研究已比较成熟；而圆形车刀由于其形状的特殊性，造成了理论建模的困难，导致针对圆形车刀的温度建模的研究还不多。

目前有学者提出了切削加工过程中热建模的研究方法，如Komanduri提出了基于半无限介质理论的温度模型用于计算剪切热源和前刀面摩擦热源造成的温升；Karpat提出了考虑死区热源、后刀面摩擦热源的倒棱刀温度模型等。但由于圆形车刀不是直切削刃而是斜角切削刃，其热源形状是不规则的，导致现有的温度模型均不适用于圆形车刀，增加了对圆形车刀车削过程监测的困难度，导致对零件质量预测的准确度降低。并且在传统模型中分开预测力和热，通过实验获得切削力的数据来预测热，使传统模型依赖于实验数据，成本较高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种适用于圆形硬质合金车刀的三维斜角切削热建模方法，用于对圆形车刀车削工件过程中的切屑和刀具建立温度场模型，且同时利用解析模型预测切削力和热，减少实验的浪费。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种适用于圆形硬质合金车刀的三维斜角切削热建模方法，包括下列步骤：

步骤S1：向待建立的温度场模型输入刀具的加工参数和工件的材料参数；

步骤S2：根据步骤S1输入的参数将工件的未变形切削域划分为N个切削刃微元，并计算工件的切削刃微元的几何参数；

步骤S3：根据步骤S1输入的参数和步骤S2计算得出的参数，依据不等分剪切区原理和Johnson-Cook材料本构方程计算刀具的切削刃微元的剪切应力；

步骤S4：根据步骤S1输入的参数和步骤S2、步骤S3计算得出的参数，对切削过程中产生的热源分类，将每一类热源均划分为N个微元，计算热源微元的热源强度；

步骤S5：根据步骤S1输入的参数和步骤S2、步骤S3、步骤S4计算得出的参数，利用半无限介质理论，通过改进的三维斜角切削方程计算热源微元造成的温升；

步骤S6：根据步骤S5计算得出的参数，计算工件的切屑和刀具的整体温升，建立温度场模型。

进一步的，在所述步骤S1中，输入刀具的加工参数和工件的材料参数，具体步骤为：

步骤S11：输入所述的刀具的加工参数包括刀具的半径r、前角α_n、切削深度a_p、切削速度V、每齿进给f；

步骤S12：输入所述的工件的材料参数。

进一步的，在所述步骤S2中，根据步骤S1所述的加工参数将工件的未变形切削域划分为N个切削刃微元，并计算工件的切削刃微元的几何参数，具体步骤为：

步骤S21：设未变形切削域的第j个切削刃微元对应的浸入角为j为自然数；根据沿刀具的半径将所述的工件的未变形切削域划分为N个切削刃微元；

步骤S22：沿每齿进给f的方向，计算刀具的切入点到刀具中心的距离l_a