[发明专利]一种用于脆性材料切削加工中切削热仿真计算的方法

权利要求书

1.一种用于脆性材料切削加工中切削热仿真计算的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)分析刀具的形状、尺寸、角度结构特征，并通过红外测温仪监测并获得切削过程中刀具表面温度的分布及其变化；

(2)脆性材料工件的材料特性参数的获取：通过技术手段分析脆性材料工件表面/亚表面常见缺陷的尺寸、形状及密度分布，并对其进行参数化和特征化描述；

(3)基于步骤(1)所获得的刀具结构特征参数，使用折叠墙的方法建立刀具的二维离散元模型，并利用分段技术对组成刀具的墙进行分段处理；

(4)基于步骤(2)所获得的工件材料特性以及形貌特征，使用颗粒紧密堆积的方法建立脆性材料工件离散元模型，并对颗粒赋予接触键参数，生成脆性材料工件的BPM模型，并对其赋予初始温度场；

(5)基于步骤(1)所获得的刀具表面温度分布情况，对步骤(3)分段处理后的刀具模型中不同的墙施加动态温度条件，使其作为热边界，同时赋予刀具模型移动速度v，生成切削仿真过程中的热源移动模型；

(6)将刀具模型与脆性材料工件模型接触的区域定义为切削区，该切削区由切削所产生的热量为：

Q_s＝F_t·v_s·t₀                         (1)

其中F_t为切向切削力，v_s为切削速度，t₀为刀具经过一个完整切削区的时间；对切削过程进行仿真时，刀具与脆性材料工件之间、脆性材料工件内部颗粒与颗粒之间进行热交换；

(7)假定切削温度场服从三角形热源分布模型，得到切削加工条件下工件内任意点的温度为：

式中：

v-热源移动速度(cm/s)；

λ-热导率(W/m·K)；

a-热扩散率(cm²/s)；

K_0(u)-零阶二类修正贝塞尔函数；

q_m-热源强度，其中q为切削接触区的总发热功率(J/s)，b为切削宽度，R_W为脆性材料工件的切削热分配系数；

依照公式(2)对脆性材料工件模型施加动态温度场；

(8)分别设置切削刀具与脆性材料工件之间、脆性材料工件模型内部的热传导系数，该系数为热传导张量：

其中n为测量范围内的孔隙度，N_b为颗粒数量，Np为热管数量，V^(b)为球的体积，l^(p)为测量范围内与球相关的热管长度；如果球的质心位于测量范围内，则将其纳入计算范围；如果管道使用的两个颗粒均在测量范围内，则l＝l；如果测量范围内只有一个颗粒，则l＝LV₁/(V₁+V₂)，其中V₁和V₂分别是测量范围内部和外部颗粒的体积；

此外，式(3)中为沿管道定向的单位法向矢量，η^(p)为管道的热阻，q_i为热通量，且V_c为恒热比容，T为温度，q_v体积热源强度，t为时间，ρ为质量密度；

同时设置刀具与脆性材料工件之间的热扩散系数κ，计算公式为：

其中热扩散系数为：

(9)基于步骤(4)所建立的脆性材料工件模型，工件受热时产生的热应变通过考虑颗粒的热膨胀实现，通过设置颗粒的热膨胀系数α，便可实现脆性材料工件模型在受热下模型内部颗粒的热膨胀：

ΔR＝αRΔT                                (5)

式中：α-颗粒的热膨胀系数，且α为一个微观属性，但是可以由连续固体材料的宏观线性热膨胀系数α_t来设定，即α＝α_t；

R-颗粒半径；ΔT-温度增量；ΔR-颗粒半径增量；

由于平行粘结存在与和热接触相关的力接触，则通过假定只有粘结力向量的法向分量受温度变化的影响考虑粘结键的热膨胀；设想可以有效地改变粘结键长的各向同性膨胀，则有：

式中：-粘结的法向刚度；

A-粘结键的横截面积；

-粘结材料的线性热膨胀系数；

-粘结键长；

ΔT-温度增量；

(10)基于步骤(1)-(9)，通过设置不同的切削参数、公比系数、刀具及工件的热传导系数、工件热扩散率、刀具-工件间的热扩散系数、工件的热膨胀系数，并进行脆性材料工件切削过程的离散元仿真，记录在不同切削情况下的切削加工过程中基于分段技术构建的刀具所受的载荷，并记录工件内部的温度场及应力场，通过进行不同条件下的实验仿真，并深入分析“切削力-温度场-应力场”之间的相互耦合作用。