[发明专利]一种基于镜像热源和非均匀热分配的三维热建模方法

权利要求书

1.一种基于镜像热源和非均匀热分配的三维热建模方法，用于在不同切削参数和工况下对圆形车刀车削工件过程中的刀具、切屑和工件建立三维温度场模型，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：向待建立的温度场模型输入刀具的加工参数、刀具的材料参数和工件的材料参数；

步骤S2：根据步骤S1输入的参数，将切削过程中刀具的前刀面产生的热源分为剪切热源和摩擦热源；以刀具圆心为三维坐标系的空间圆点，将剪切热源按刀具半径方向划分为N个微元，将摩擦热源按切屑流动方向划分为N个微元；计算微元的几何参数；

步骤S3：根据步骤S1输入的参数和步骤S2计算得出的参数，运用热源强度公式计算热源微元的剪切热源强度和摩擦热源强度；

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，依据温升公式计算每个点的初始温升值，包括切屑上任意一点受第j对剪切热源微元和摩擦热源微元共同作用引起的温升和刀具上任意一点受第j对剪切热源微元和摩擦热源微元共同作用引起的温升；

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，通过非均匀热分配模型匹配刀具-切屑交界面两侧的温升，得到摩擦热源对切屑侧和刀具侧的热分配系数；根据热传导理论分别得到刀具、切屑的温升模型；

步骤S6：根据步骤S1输入的参数和步骤S2、步骤S3、步骤S4、步骤S5计算得出的参数，叠加N个热源微元对M点的温升作用和室温，得到M点的切削温度，建立刀具、切屑和工件的三维温度场。

2.根据权利要求1所述的一种基于镜像热源和非均匀热分配的三维热建模方法，其特征在于：在所述步骤S1中，向待建立的温度场模型输入刀具的加工参数、刀具的材料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，包括刀具半径r、前角α_n、切削深度a_p、切削速度V和每齿进给量f；

步骤S12：输入所述的刀具的材料参数，包括刀具的导热系数λ_t和刀具的热扩散系数a_t；输入所述的工件的材料参数，包括工件的导热系数λ_w和工件的热扩散系数a_w。

3.根据权利要求2所述的一种基于镜像热源和非均匀热分配的三维热建模方法，其特征在于：在所述步骤S2中，根据步骤S1输入的参数，将切削过程中刀具的前刀面产生的热源分为剪切热源和摩擦热源；以刀具圆心为三维坐标系的空间圆点，将剪切热源按刀具半径方向划分为N个微元，将摩擦热源按切屑流动方向划分为N个微元；计算微元的几何参数，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：设未变形切削域的微元之间的相互作用力之和为0，计算未变形切削域的第j个切削刃微元对应的切屑流角

步骤S23：通过坐标变换计算刀具的第j个切削刃微元对应的法向前角

步骤S24：通过最小能量法则的方程迭代计算刀具的第j个切削刃微元对应的切屑流动速度法向剪切角法向摩擦角和切屑厚度计算刀具的第j个切削刃微元的剪切斜角φ_i：

计算第j个微元的剪切速度V_s^j：

步骤S25：通过不等分剪切区原理和Johnson-Cook材料本构方程计算第一变形区主剪切面上的流动剪切应力τ_s^j；

步骤S26：设双区接触现象中挤压区的长度为l_p，滑动区的长度为l_c,滑动区的滑动摩擦系数为μ_s，刀具-切屑接触面上的压力分布为P,接触面起始端剪切应力为τ₁，通过双区模型计算第二变形区刀具-切屑接触面上的摩擦剪切应力