车削加工仿真中刀具热变形对工件加工精度的影响

1、!""&年第>+卷F66#车削加工仿真中刀具热变形对工件加工精度的影响!李$静$王占礼$!王伟冰!长春理工大学长春工业大学在车削加工中，使刀具产生热变形的热源主要是切削热。切削热传入刀具的比例虽然不大（车削$时约为(），但由于体积小、热容量小，刀具切削部位的温升仍较高，硬质合金刀具刀刃部位的温度可达$""")，刀具的热伸长量可达"*"+,!，车刀受热产生的热变形将导致刀具向切"*"-削表面的径向伸长，从而使工件径向尺寸缩小，影响工件加工精度。!刀具热变形的理论计算根据刀具连续加热和散热的假设

2、可推导出车刀+的方程式为加热过程和散热过程的刀具热变形!随时间!变化（$1"13）!加热.!-/020+（$）（!）-45）可求得车刀受热变形量!为（$1%.%-/0（/1*）"1#%1""刀）!散热.!-/0"132（>）式中!-/0热平衡时车刀的最大伸长量（-）切削时间（-45）!与车削条件有关的常数，!3!3.（-45）其中#车刀的比热（89:;)）车刀的密度（:;9-+）"车刀的体积（-+）$刀车刀表面散热系数（<（)）9=-!#7车刀散热表面面积（-）$根据上述公式即可绘出车刀连续切削和车刀停止切削连续散热时车刀

3、热变形!随时间!的变化曲>线，如图$所示。!以上讨论的是刀具连续工作条件下的热变形特征，实际上车刀工作是不连续的。车刀作间断切削时刀具热变形对工件加工精度的影响远小于连续切削时对加工精度的影响。图$给出了车刀在有节奏地作间断切削时对工件加工精度有影响的热变形量（+）、式（）和车刀切削时间!工和&!。可以根据式车刀间断时间!间推导出图$中所标注的热平衡时车刀的伸长量!"和对工件加工精度真正有影响的车刀热变形量&!。!"!工.!-!工A!间（）（6）6"#$刀#7%-$1"）!工&!.!3!-"刀具热变形的有限元仿真利

4、用有限元软件BCDED对刀具进行热结构耦合分析，首先用BCDED构造刀具的三维实体模型，进行温度场分析，得出刀具的温度场分（见图!）布，然后通过热结构耦合分析，将温度场单元类型转换为结构场单元类型，导入温度场分析的结果，最后利用有限元分析软件进行求解计算和后处理分析，得到刀具在此温度下的变形情况。!吉林省教育厅资助项目（项目编号：!""#收稿日期：!""%年&月第$"号）车刀刀头材料选用硬质合金，刀体材料选用>号钢，刀具材料属性为：对于刀头而言，导热系数14对流系数#$%&!)*+（，弹!""!&quo

5、t;"#$%!&(，&*(）泊松比()*+!-#"，热膨胀系性模量"!,-./0，数$%(*!1#,)2)-31；对于刀体而言，导热系数!""对流系数#$%&!)*+（，弹性!,-#*!&(，&*(）模量"!*)-./0，泊松比()*+!-#"，热膨胀系数对$%(*!)42)-31。刀具有限元模型约束条件为：距离刀头5-处的上下表面施加"、,和-三个方向的约束，在刀具主切削刃接触长度上的节点施加温度载荷，所生成的有限元模型如图"所示。工具技术。分析图,中所列比较数据

6、可以看出刀具热变形,）的理论预测值和实测值变化趋势一致，数据基本吻合，误差率在5B之内。图#刀具在!方向的变形图!刀具几何模型图"刀具的有限元网格模型图$所示为刀具受热的变形情况，仿真加工条件为：工件材料为$,号钢，工件直径为)-，长度为,-；切削用量为：.!)55&67，/!-#)&8，09!-#,。分析图$所列数据知刀具刀尖点的变形最大，刀具伸长最大值为""#11。!"刀具热变形的试验测量刀具热伸长可通过测量刀尖相对于刀架座的相对伸长计量。所测得的刀具热变形"随切削时间1变化的数据参见图,。试验条件为：刀具材料:;),；刀具

7、参数#-!)*<，$-!4<，%8!%-<，&=!31<，#"!切削用量.!)55&67，/!-#)&8，09!-#*；工件材料$,钢；工件尺寸为)-2,-；-#,；刀体悬伸部分长度2!)-。为便于理论计算结果和试验测量结果的比较，理论计算所依据的条件与上述试验条件完全相同。，由手册查得硬质合金:;),的3!,->（&?(）(，!)#$2)-31?&"，&*(）$=!,-A（$!1#,)1，在切削温度的系数及指数表中查得2)-3（)&(）4#!"*-，-#!-#*1，,#!-#)

8、,，"#!-#-,。将有关数据代入式（"）和式（)）即可求得刀具变形量"（见图图%刀具变形量查询界面&&%年第*(卷LKK%钻削加工的三维建模及可视化黄立新#，#上海工程技术大学广东工业大学摘要：基于金属切削加工的有限元仿真和可视化技术，结合奥氏体不锈钢的钻削试验，对钻削加工过程进行了三维建模，对钻削条件、刀具参数与切削力、切削温度的关系进行了有限元仿真分析，并将仿真预测结果与钻削试验的实测结果进行了比较。关键词：钻削，三维建模，可视化，有限元，仿真#$%&()*+,-.,(/+01.*+2.3+,4%5+*+,-657)00+,-./01

9、21.89035.73：3-4567.895:1.1855;5<5.841<,;-817.-.6=14,-;1>-817.85?9.7;7/154:7<58-;A7B1./，?7<C1.56A18989552D51E<5.87:61;1./-,485.181?48-1.;5444855;，895(FG<765;7:61;1./D7?544A-4548-C;14956HI95:1.1855;5<5.841<,;-817.-.-;J414A-4?7.6,?8568748,6J8955;-817.491D4-<7./61;1./?7.618

10、17.4，877;D-<5854，?,881./:7?54-.6?,881./85<D5-8,5，-.65E4,;84:7<89541<,;-817.:75?-48A55?7<D-56A18989-8:7<89561;1./52D51<5.8H:);<5(0：61;1./，(FG<765;1./，=14,-;1>-817.，:1.1855;5<5.8，41<,;-817.=引言提高加工效率和加工质量的目的。近年来，有限元分析方法在切削工艺研究中的应用成果表明，通过对切削工艺和切屑的形成进行有限元模拟仿真，对于了解切削机理、

11、优化切削工艺、提高加工质量有很大帮助。这种数值模拟方法非常适合分析弹塑性大变形问题，包括与温度相关#的材料性能参数以及大应变速率问题。钻削加工>钻削加工的三维建模及可视化钻削加工的三维建模及可视化的研究范围包括：钻头的几何结构、物理特性（静态和动态特性）、切削条件、温度变化、工件材料等。各种钻型、切削条件以及与钻削工艺有关的钻削力、钻削温度、切屑的变形与排出等都可成为钻削过程建模的研究对象。在有限元模型中，刀具和工件都被离散为有限元单元，并对每个有限元单元赋值。通过建立描述其上受力与位移关系的特征矩阵（刚度矩阵），然后将各单元刚度矩阵组合为一个单一的全局矩阵，并用它对位移和温度进行求解。该方法具有以下特致，数据基本吻合，预测的误差率在!"之内，并由此预测了工件的径向尺寸误差。参考文献北京理工大学出版社，#王信义等$机械制造工艺学$北京：#%&姜文奇，短佩玲$机械加工误差$北京：国防工业出版社，#%#申$金属切削原理$北京：机械工业出版社，的三维建模及可视化是通过对钻削加工中各相关要素的变化过程进行模拟仿真，来分析研究钻削加工的机理与规律，从而达到优化钻削刀具和切削参数、收稿日