[发明专利]一种平底螺旋立铣刀铣削工件端的三维温度场建模方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属切削加工领域，具体为一种铣削工件端的三维温度场建模方法，适用于平底螺旋立铣刀铣削加工。

背景技术

金属铣削加工过程中，机床做功转换为等量的切削热，这些切削热除少量逸散到周围介质中以外，其余均传入刀具、切屑和工件中，导致机床工艺系统温度升高，加速刀具磨损，引起工件热变形，严重时甚至引起机床热变形。

切削热研究最初在磨削及车削等连续切削中展开，连续切削过程中切削热持续产生而且散热困难，导致热量大量积累传入工艺系统引起加工质量下降。铣削加工过程为断续切削，刀齿切出工件时得到冷却而且断裂的切屑带走大量热量，因此切削热对工件加工质量负面影响比连续切削小。随着科学技术发展和工程师们对高效铣削的追求，高速铣削机床及适用于高速铣削切削性能更好的刀具出现，高速铣削技术得到广泛应用。由于高速铣削相对普通铣削的诸多优点，被广泛应用于对难加工材料的铣削加工。高速铣削难加工材料时切削速度、进给速度等切削用量很大，由此产生的切削热现象更严重，严重影响工件表面加工质量。铣削工件端的三维温度场能够直观反映切削过程热量分布，是铣削加工工艺技术人员采用恰当的工艺参数的重要参考，是实现基于温度铣削参数优化的重要技术手段。

目前切削温度场的研究有理论研究和试验研究两个方面。金属切削温度场试验研究主要是使用热电偶法、光辐射法、热辐射法、金相结构法等测量方法，在切削试验时测定切削区域的平均温度，也可测量出切屑、刀具和工件中的温度分布。实验方法无法获得工件端内部任意点的温度变化而且由于实验条件有限无法直接测量工件塑性变形区温度变化，因此对于获得工件端三维温度场有很大的局限性。理论解析法是建立切削过程热量传递模型，直接计算工件端任意点任意时刻的温升变化，可以表示温度分布的函数关系科学分析影响因素。金属切削温度预测理论模型目前主要是基于磨削加工和直角车削加工，主要方法为移动热源法。应用于铣削过程的温度场建模方法主要是预测铣刀、切屑及刀屑接触区温度分布，由于建模过程中采用平均热源强度，预测结果与实际温度场分布相差较远。而且铣削加工中复杂的铣刀几何形状及非直角不连续切削，适用于磨削及车削过程的温度场建模方法不能直接应用于铣削过程工件端温升分布计算。

发明内容

本发明的目的在于提供一种平底螺旋立铣刀铣削工件端的三维温度场建模方法，其通过铣削过程中工件材料剪切变形、刀屑摩擦、热量产生传导的分析，能够准确的获得稳态铣削时工件表面切削温度的分布，从而以在立铣刀铣削加工中优化加工参数，提高加工效率同时避免表面烧伤。

实现本发明目的所采用的具体技术方案如下：

一种平底螺旋立铣刀铣削工件端的三维温度场建模方法，具体包括如下步骤：

S1：将螺旋立铣刀轴向离散成数层，并确定每个离散层中的各刀齿微元的切削区域中影响工件端温升的热源区域；

S2：计算所述热源区域的热源密度；

S3：确定所述热源区域的热分配比例；

S4：确定所述热源区域的瞬时有限大面热源传递函数；

S5：根据所述热分配比例和瞬时有限大面热源传递函数确定工件端上任意点的温升；

S6：根据获得的工件端上任意点的温升得到该任意点在任意时刻的温升值，其与环境温度相加即可得到该任意时刻工件端的温度场。

作为本发明的进一步优选，所述的热源区域包括剪切滑移区和后刀面摩擦区。

作为本发明的进一步优选，所述剪切滑移区的热源密度根据剪切力和剪切速度确定，其中，所述刀齿微元剪切力由刀齿微元切削力反算得到，该刀齿微元切削力由机械力模型计算得到。所述剪切力由所述刀齿微元剪切力积分得到。

作为本发明的进一步优选，所述刀齿微元剪切力dF_s通过如下公式计算得到：

dF_s＝dF[cosθ_icos(θ_n+φ_n)cosφ_i+sinθ_isinφ_i]

其中，dF为刀齿微元切削力的合力，θ_i为切削力合力dF和法平面P_n之间投影锐角，θ_n是x轴和切削力合力dF在法平面P_n上的投影之间的夹角，φ_n为法向剪切角，φ_i为斜剪切角。

作为本发明的进一步优选，所述的剪切速度为：