高速切削淬硬钢切屑形成过程及温度场有限元模拟研究共3篇

高速切削淬硬钢切屑形成过程及温度场有限元模拟研究共3篇高速切削淬硬钢切屑形成过程及温度场有限元模拟研究1摘要

高速切削淬硬钢具有难加工、易割损、容易产生高温等问题，给工件表面质量和切削刀具寿命带来很大影响。在本文中，我们使用有限元模拟方法，研究了高速切削淬硬钢切削过程中切屑的形成和温度场变化。本文阐述了模拟方法和结果，并分析了实验与模拟之间的差异。结果表明，在高速切削淬硬钢过程中，切削力、温度和切削屑形成有很强的非线性关系，其中切削力和温度随着进给速度和切削速度的增加而增大，而切削屑形成量则随着切削速度的增加而趋于稳定。

关键词：高速切削；淬硬钢；切削屑形成；温度场；有限元模拟

引言

高速切削淬硬钢是现代机械制造业中普遍采用的加工方法之一。淬硬钢因其强度高、韧性好、耐磨性强等特点，广泛应用于机械加工、航空航天、汽车制造等领域中。然而，淬硬钢的加工难度却很大，因其硬度高、强度大、易割损、容易产生高温等特点，给工件表面质量和切削刀具寿命带来了很大影响。

近年来，有限元模拟方法在研究高速切削淬硬钢的切削屑形成和温度场变化方面发挥了重要作用。有限元模拟方法通过对高速切削过程中切削力、温度和切削屑形成等因素的模拟分析，可以优化切削参数、提高加工效率和工件表面质量，同时降低切削刀具的磨损。

本文使用有限元模拟方法，研究了高速切削淬硬钢过程中切削屑形成和温度场变化。本文阐述了模拟方法和结果，并分析了实验与模拟之间的差异。

模拟方法

高速切削过程是一种复杂的物理现象，涉及到多个物理学和机械学领域的知识。在进行有限元模拟之前，我们首先需要考虑以下几个因素：

材料特性：淬硬钢硬度大、强度高、韧性差，易割损，因此需要考虑其弹性模量、泊松比、材料流动应力等因素。

切削力：高速切削过程中，由于材料的高硬度和强度，切削力往往较大。因此，需要考虑其切削力分量和垂直于切削面的切向力分量。

热影响：高速切削过程中，由于摩擦和材料变形引起的内部能量转化，往往会导致材料表面温度升高。因此，需要考虑材料温度随时间和空间的变化情况。

切削屑形成：切削屑形成是高速切削过程中的关键现象之一，涉及到切屑类型、切屑厚度、切屑形状和大小等因素。

我们通过ANSYS仿真软件，在二维平面的情况下模拟了高速切削淬硬钢过程中的切削屑形成和温度场变化。具体模拟流程如下：

1.建立模型：使用ANSYS仿真软件建立高速切削淬硬钢过程的二维有限元模型。模型包括切削刀具、工件和夹紧装置。

2.设定材料特性：设置淬硬钢的弹性模量、材料流动应力和泊松比等材料特性。这些参数可以通过实验或文献资料获得。

3.设定切削条件：设定切削速度、进给速度和主轴转速等切削条件，以及切削刀具的形状和尺寸等参数。

4.计算切削力：通过有限元分析计算出高速切削过程中的切削力和切向力分量。这些参数反映了切削过程中材料的力学响应情况。

5.计算温度场：通过计算切削过程中材料表面的热传递和热积累作用，计算出其表面温度随时间的变化情况。

6.计算切削屑形成：通过计算切削屑的流动和形状变化，计算出切屑的形成量和形状，以及切屑在用于削屑槽时所需要的力.

结果与分析

我们使用以上方法，完成了对高速切削淬硬钢过程中切削屑形成和温度场变化的有限元模拟。我们将模拟结果与实验结果进行比较，并对其中一些重要因素进行分析。

切削力分析

我们在模拟中计算了高速切削过程中的切削力和切向力分量。如图1所示，随着进给速度和切削速度的增加，切削力和切向力分量也相应增大，表明淬硬钢的加工难度随着进给速度和切削速度的增加而增大。

[插入图1：进给速度和切削速度对切削力和切向力分量的影响]

温度场分析

我们在模拟中计算了材料表面温度随时间和空间的变化情况。如图2所示，在切削过程中，材料表面温度随着进给速度和切削速度的增加而增加，表明淬硬钢的加工难度与表面温度密切相关。

[插入图2：进给速度和切削速度对温度场的影响]

切削屑形成分析

我们在模拟中计算了切削屑的形成量和形状。如图3所示，随着切削速度的增加，切削屑的形成量稳定在一个相对恒定的值，表明在高速切削淬硬钢过程中，切削速度是影响切削屑形成量的主要因素。

[插入图3：切削速度与切削屑形高速切削淬硬钢切屑形成过程及温度场有限元模拟研究2高速切削淬硬钢是制造行业中非常重要的一项工艺，该技术可以实现高效、精准的切削过程，而切屑形成过程和温度场则是影响切削性能和加工精度的两个重要因素。因此，通过有限元模拟研究高速切削淬硬钢切屑形成过程和温度场，对于优化工艺参数、提高加工效率和精度具有重要意义。

一、高速切削淬硬钢切屑形成过程的有限元模拟研究

1.模型建立：采用有限元软件Abaqus建立三维高速切削模型，模型包含刀具、工件和夹紧装置三个部分，其中刀具为复合材料刀具，工件为淬硬钢，夹紧装置为静止。

2.材料参数：刀具材料采用热塑性复合材料，工件材料采用30MnVS6淬硬钢，材料参数如下：刀具密度ρ=2300kg/m3，比热cp=1200J/(kg·K)，导热系数λ=0.67W/(m·K)；工件密度ρ=7800kg/m3，比热cp=500J/(kg·K)，导热系数λ=32.4W/(m·K)。

3.运动边界条件：采用刀具固定、工件沿Z方向做等速下切的运动边界条件。

4.切屑形成过程：在高速切削淬硬钢过程中，切屑的形成通常分为三个阶段，即切屑起始阶段、大切屑厚阶段和小切屑厚阶段。这三个阶段的过程和细节可以通过有限元模拟来得到。

二、高速切削淬硬钢温度场的有限元模拟研究

1.模型建立：同样采用有限元软件Abaqus建立三维高速切削模型，模型包含刀具、工件和夹紧装置三个部分，其中刀具为复合材料刀具，工件为淬硬钢，夹紧装置为静止。

2.材料参数：模型材料参数同上述模型参数。

3.运动边界条件：采用刀具固定、工件沿Z方向做等速下切的运动边界条件。

4.温度场分析：切削过程中，由于切削热和摩擦热的不断积累，工件表面温度会逐渐升高。通过有限元模拟，可以得到切削区域的温度分布情况，可以以此来判断切削过程是否合理和加工参数是否适当等。

三、总结

通过有限元模拟研究高速切削淬硬钢切屑形成过程和温度场，可以得到很多有用的信息，有助于优化加工工艺，提高加工效率和精度。特别是在制造行业的数字化转型趋势下，仿真技术得到了越来越广泛的应用，未来有限元模拟技术会更加成熟，更加普及，为制造业发展带来更大的帮助。高速切削淬硬钢切屑形成过程及温度场有限元模拟研究3高速切削淬硬钢切屑形成过程及温度场有限元模拟研究

淬硬钢由于其高硬度、高强度和良好的耐磨性等优良性能特征，在机械加工领域中被广泛应用。但是，淬硬钢在加工过程中极易出现切屑形变和断裂等问题，严重影响着加工效率和工件质量。因此，研究淬硬钢高速切削中的切屑形成过程及温度场变化规律具有重要的理论意义和工程应用价值。

1.高速切削淬硬钢切屑形成过程

切削时，切削刃牙与工件之间的压缩应力会引起工件塑性变形和削屑的形成。在高速切削淬硬钢中，切削过程中工件表面受到高温的瞬间加热，瞬间达到淬火温度，而内部仍处于未回火的高硬度状态。由于该材料的韧性差，容易形成较大的削屑，导致加工表面质量较差，加工效率降低。

切屑形成机理主要有切削轨迹、塑性变形和断裂三种，具体如下：

（1）切削轨迹

切削轨迹是切屑生成的最初阶段，其主要由以下几个因素影响：切削深度、转速、进给速度、刀具形状、刀具材料和切削角等。这些因素的不同组合会导致不同的切削轨迹，从而影响切削屑的形成和排出。

（2）塑性变形

在切削过程中，钢材受到巨大的塑性变形而形成削屑。塑性变形过程中，由于材料受到压缩作用，其原子结构发生变化，从而形成切屑。在切削淬硬钢中，由于其硬度高，材料的韧性差，导致在切削轨迹阶段时，即受到切削力的作用下，钢材很容易发生塑性变形，最终形成削屑。

（3）断裂

断裂是切屑形成的最后一个阶段，其主要是由于材料的抗拉强度不够，而受到切力拉伸导致，从而在局部区域发生失效，断裂成为削屑，并随着速度的加快，迅速排出。在淬硬钢中，其强度高、韧性低，加工条件不当，容易导致切削力过大，从而引起材料的应力集中和断裂，最终形成大量不规则的削屑。

2.温度场有限元模拟研究

温度场是影响切削淬硬钢切削质量和工具寿命的关键因素之一。对于高速切削淬硬钢，温度场的分布不均匀，有时会达到高温区，容易导致刀具刃口烧损，并严重影响工件表面质量。为了更好地理解温度场的变化规律，需要进行有限元模拟研究，得到实验数据，推导出相应的切削参数。

通过有限元模拟，可以找到影响温度场的主要因素，并对模拟结果进行优化，从而更好地控制淬硬钢的加工质量。温度场的数值模拟可以通过ANSYS软件来实现，根据切屑形成过程中的切削动力学方程和热力学方程，建立相应的热-力学耦合有限元模型，并进行计算。具体步骤如下：

（1）获取实验数据，包括材料性质和工艺参数等。

（2）建立热-力学耦合有限元模型