[发明专利]基于热-力-流多场耦合的榫槽拉削工艺仿真分析方法

权利要求书

1.一种基于热-力-流多场耦合的榫槽拉削工艺仿真分析方法，其特征在于，包括步骤：

根据刀具和工件的尺寸、材料相关参数、切削相关参数和热传导特征建立拉削热-力模型并进行模拟仿真；

根据刀具、工件和冷却液的冷却相关参数建立拉削热-流模型并进行模拟仿真；

将所述拉削热-力模型和拉削热-流模型的仿真结果进行耦合得到拉削热-力-流多场耦合模型，模拟拉削过程中冷却液对工件、刀具和切屑的冷却降温作用。

2.根据权利要求1所述的基于热-力-流多场耦合的榫槽拉削工艺仿真分析方法，其特征在于，所述的根据刀具和工件的尺寸、材料相关参数、切削相关参数和热传导特征建立拉削热-力模型并进行模拟仿真，具体包括步骤：

建立刀具拉削初步三维物理模型；

确定拉削过程中的切屑热来源及传递路径：

简化几何模型，相应缩小刀具模型与工作区域；

确定工件及其尺寸，将工件的高度定义为切削量的5倍以上；

输入工件和刀具的材料属性；

确定刀具结构参数，所述刀具结构参数包括切削刃钝圆半径、齿升量、前角和后角；

绘制有限元网格模型；

设置工件和刀具之间的摩擦系数；

输入拉削参数，根据实际作业工况，确定拉削速度、拉削长度、工件及刀具的初始温度；

进行有限元迭代求解：以拉削速度为依据，确定刀具每秒行进的距离为步长，计算每一步的拉削变形量、变形热、变形应力、传热量，将上述参数在每个网格上进行分布，设置各个节点达到平衡状态为收敛依据，重复上述迭代使整个网格模型收敛即获得仿真计算结果。

3.根据权利要求2所述的基于热-力-流多场耦合的榫槽拉削工艺仿真分析方法，其特征在于，建立刀具拉削初步三维物理模型具体包括步骤：

根据榫槽的宽度尺寸、轮盘的厚度尺寸，以单个轮盘厚度方向分布2～5个齿的原则设计初步齿间距，齿之间按照总拉削量和齿数初步方案设计一定的齿升量，建立前刀角度为85°～90°、后刀角为0°～10°的初步三维物理模型。

4.根据权利要求2所述的基于热-力-流多场耦合的榫槽拉削工艺仿真分析方法，其特征在于，确定拉削过程中的切屑热来源及传递路径时，将金属拉削过程中，剪切面的塑性变形热、刀具前刀面与切屑的摩擦热和刀具后刀面与工件的摩擦热设为三个主要的热源，所产生的热量由拉削力、拉削行进量和拉削速度的乘积确定；切削产生的热量分别传给切屑、工件及刀具，而传给周围介质的热量最少。

5.根据权利要求2所述的基于热-力-流多场耦合的榫槽拉削工艺仿真分析方法，其特征在于，所述工件和刀具的材料属性包括抗拉强度、屈服强度、硬度、材料成分、断裂应变，采用商用软件中自带的材料数据库卡片或通过实验测量应力—应变曲线输入。

6.根据权利要求2所述的基于热-力-流多场耦合的榫槽拉削工艺仿真分析方法，其特征在于，所述绘制有限元网格模型具体包括步骤：

根据刀具结构特点，以三角形、四边形、正六边形的形状，绘制刀具前刀面长度和后刀面长度、最大刀具单元网格尺寸、最小单元网格尺寸和网格梯度，将几何模型转化为有限元模型。

7.根据权利要求1所述的基于热-力-流多场耦合的榫槽拉削工艺仿真分析方法，其特征在于，所述根据刀具、工件和冷却液的冷却相关参数建立拉削热-流模型并进行模拟仿真，具体包括步骤：

建立刀具、工件和冷却液喷管的三维物理模型；

对刀齿、轮盘以及冷却液喷管周围区域网格划分：采用Poly-Hexcore划分方法，对刀齿、轮盘以及却液喷管周围区域进行加密；

设置流体材料的属性，包括液态水和空气；

设置边界条件：将上下喷管入口均设为速度入口，其值设为5m/s，出口为压力出口，为标准大气压，出口表压设为0；

求解设置：选择压力基求解器Pressure-Baesd type，为模拟冷却液的流动过程，选择Transient模型，重力加速度为9.8m/s²；湍流模型选择RNG k-ε模型，多相流模型使用VOF模型追踪液面。