[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

说明书

本发明提供了一种基于镜像热源和非均匀热分配的三维热建模方法，以车削加工参数、材料热力学参数和刀位点参数等作为输入量，以切削温度数值和分布作为输出；通过有限元仿真和实验数据的验证和完善，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，预测圆形车刀加工难加工金属时的切削温度大小及分布情况。

技术领域

本发明属于金属高效高精切削加工技术领域，具体涉及一种基于镜像热源和非均匀热分配的三维热建模方法。

背景技术

切削热的预测对车削这种典型减材加工方式的机械加工性能的评估具有重要的指导意义；在加工Inconel 718、Ti6Al4V等难加工金属材料时，切削热的大小和分布对刀具的寿命和已加工工件表面的质量都有极大的影响。目前，国内外在常规菱形车刀和三角形车刀的切削热建模领域的研究已经成熟，而圆形车刀由于其切削域几何形状的复杂性和热源强度分布的不规则形，导致国内外对圆形车刀的切削热建模方面的研究较少。

已经有学者针对这种二维车削环境下的切削热的预测做了相关研究，例如Y.Huang和S.Y.Liang(“Cutting Temperature Modeling Based on Non-Uniform HeatIntensity And Partition Ratio,Mach.Sci.Technol,9(2005)301-323.)针对摩擦热源强度在刀具-切屑接触面两侧的分配问题提出了一种基于矩阵运算的温度值单点匹配方法，该方法能够较快并且百分之百匹配该接触面上刀具侧和切屑侧的切削温度值，但是该模型也存在一侧热分配比超过1的情况，所以对某些刀具-工件组合和特殊工况，该方法也存在些许不足。R.Komanduri和Z.B.Hou(“Thermal modeling of the metal cutting process-Part II:temperature rise distribution due to frictional heat source at thetool-chip interface,Int.J.Mech.Sci,43(2001)57-88)研究了摩擦热源对刀具-切屑接触面两侧的温升匹配问题，并通过数学分析方法提出了一种摩擦热源强度沿该接触面上的非均匀热分配系数模型，该模型能够较好的匹配接触面上各点的切削温度，刀具侧和切屑侧的热分配比都在0到1之间，而且和为1，这个模型相对Y.Huang和S.Y.Liang的更为合理，但是该方法在计算摩擦热源强度时，没有考虑刀具-切屑接触面上双区接触的影响，因而如今对于圆形车刀的切削力预测还不够全面；另外，对于圆形车刀来说，其剪切热源和摩擦热源的空间位置关系较二维切削更为复杂，所以还需对此建立一个统一的坐标系进行分析。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于镜像热源和非均匀热分配的三维热建模方法，用于预测圆形车刀加工难加工金属时的切削温度大小及三维分布情况，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，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。