(2021年整理)切削熱分析的研究

1、切削熱分析的研究切削熱分析的研究 編輯整理：尊敬的讀者朋友們：這里是精品文檔編輯中心，本文檔內(nèi)容是由我和我的同事精心編輯整理后發(fā)布的，發(fā)布之前我們對文中內(nèi)容進行仔細校對，但是難免會有疏漏的地方，但是任然希望（切削熱分析的研究）的內(nèi)容能夠給您的工作和學(xué)習(xí)帶來便利。同時也真誠的希望收到您的建議和反饋，這將是我們進步的源泉，前進的動力。本文可編輯可修改，如果覺得對您有幫助請收藏以便隨時查閱，最后祝您生活愉快 業(yè)績進步，以下為切削熱分析的研究的全部內(nèi)容。切削熱分析的研究概述學(xué)生姓名 學(xué)院名稱 專 業(yè) 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 目 錄第一部分 綜述部分11.1 切削熱簡介11。2 早期切削熱理論31。3 切削熱

2、理論的研究現(xiàn)狀41.3.1 刀具表面的切削熱問題41。3。2 基于高速切削加工的切削熱問題51.3.3 切削熱對加工材料表面的影響61.4 參考文獻7第二部分 理論部分82.1 計算切削溫度的經(jīng)典理論82.2 計算切削溫度的有限元法122。3 獲取切削溫度的實驗方法162.4 參考文獻22切削熱分析的研究概述根據(jù)林老師的要求，本題目將針對切削熱問題分綜述和理論介紹兩部分進行簡單的介紹。主要內(nèi)容為金屬切削過程中所產(chǎn)生的熱量即切削熱的基本概念、基本理論以及用數(shù)值計算和實驗獲取切削熱的方法。第一部分 綜述部分本部分將主要介紹與切削熱有關(guān)的一些基本定義以及理論發(fā)展歷程，為第二部分內(nèi)容的講解做鋪墊.并對

3、近年來國內(nèi)學(xué)者對切削熱方面的研究現(xiàn)狀做簡單梳理。主要內(nèi)容如下:1、切削熱簡介 ;2、早期切削熱理論；3、切削熱理論的研究現(xiàn)狀。1。1 切削熱簡介研究表明金屬切削過程中所產(chǎn)生的熱量對于加工過程中積屑瘤的形成、切削力的大小、刀具磨損和使用壽命、加工后材料的表面質(zhì)量和性能都有著重要的影響。在一些精密加工系統(tǒng)中，不合理的切削熱甚至?xí)构に囅到y(tǒng)產(chǎn)生熱變形從而影響加工精度。此外，切削過程中所消耗的能量有98% 99% 都將轉(zhuǎn)化為熱能。即幾乎所有與切屑形成有關(guān)的能量最終都將轉(zhuǎn)化為熱能的形式。 從以上兩點我們可以看出，切削熱的研究是至關(guān)重要的。那么什么是切削熱呢？切削熱：在切削加工過程中，由于被切削材料層的變

4、形、分離及刀具和材料間的摩擦而產(chǎn)生的熱量.可見切削熱的來源主要有兩個:其一是材料彈性和塑性變形,切削變形功;其二是切屑、工件以及刀面之間的摩擦，即摩擦功。如右圖所示在加工過程中存在著三個發(fā)熱區(qū)域：剪切面、切屑與前刀面接觸區(qū)、后刀面與過渡表面接觸區(qū).一般認(rèn)為金屬切削熱主要集中在和變形區(qū)。在區(qū)：工件以較高的應(yīng)變率承受大的剪切變形，所以該區(qū)域溫度的升高主要是由塑性變形產(chǎn)生的.在區(qū):溫度的升高則主要是由刀具和切屑間的相互摩擦產(chǎn)生的。但是2011年,汪世益等人在金屬切削刀具后刀面的切削熱研究一文中指出：當(dāng)?shù)毒呷心ヤh利時,后刀面與工件表面幾乎不接觸，所以摩擦力極小，與之對應(yīng)的所產(chǎn)生的摩擦熱就很小。但是隨著

5、切削時間的延長，刀具后刀面的磨損逐漸加大，當(dāng)磨損到一定程度，摩擦熱會急劇增大.甚至可能超過前刀面的發(fā)熱量.盡管切削熱是切削溫度上升的根源,但直接影響切削過程的卻是切削溫度。切削溫度是一個很寬泛的概念.切削區(qū)的平均溫度、切屑上的溫度分布、刀具上的溫度分布以及加工表面、剪切面上的溫度分布都可以稱之為切削溫度。但是我們通常所提到的切削溫度則是：溫度達到穩(wěn)定狀態(tài)時的刀具前刀面與切屑的接觸面上的平均溫度。切削溫度是由切削熱的產(chǎn)生與傳出的平衡條件所決定的.產(chǎn)生的切削熱越多、傳出越慢，切削溫度就越高。如下圖所示，切削溫度場是另一個研究切削熱的有力工具。根據(jù)該圖我們可以發(fā)現(xiàn)切削溫度場有著如下的一些規(guī)律：1、剪

6、切區(qū)內(nèi)沿剪切面方向溫度相同，垂直于剪切面方向上溫度梯度大.這說明在該區(qū)剪切滑移變形強烈；2、前后刀面上最高溫度點距切削刃有一定距離，這是由于摩擦熱逐漸累加造成的;3、靠近前刀面的切削底層上溫度梯度很大，摩擦熱集中于切屑底部。4、刀面的接觸長度較小，刀具經(jīng)過加工表面時會受到一次熱沖擊.刀具內(nèi)部溫度方面，其主要受一下四個因素的影響:1、刀具的初始溫度;2、工件與刀具摩擦而引起的溫升；3、工件的熱傳導(dǎo)而引起的溫升；4、對流和熱輻射引起的溫度降低. 1。2 早期切削熱理論在金屬切削理論誕生之初，人們對它的認(rèn)識還比較粗淺。切除單位體積材料所需的功以及刀具幾何參數(shù)對切削過程的影響等等是那時的人們最為關(guān)心的

7、兩個問題。直到1896年，俄國人.布里克斯將塑性變形的概念引入金屬切削理論.至此金屬切削理論才有了較完整的解釋.隨著人們對金屬切削機理認(rèn)識的進一步深入，對于切削熱的研究開始逐步拓寬。切削速度對刀具壽命的影響、刀具表面溫度的獲取、切削溫度與切削條件的關(guān)系等等較為深入的課題開始受到學(xué)者們的重視。1907年美國人f.w。泰勒研究了切削速度對刀具壽命的影響，發(fā)表了著名的泰勒公式。泰勒證明了熱量對刀具磨損的重要性。此外他還開發(fā)了一種更耐熱的材料，命名為高速鋼。至今仍然被廣泛用于速度要求不高的機械加工中.1915年，俄國人。.烏薩喬夫?qū)犭娕疾宓娇拷邢魅械男】字袦y得了刀具表面的溫度(常稱人工熱電偶法）

8、.19241926年，英國人e。g.赫伯特、美國人h。肖爾和德國人k.科特文,分別獨立地利用刀具同工件間自然產(chǎn)生熱電勢的原理測出了切削溫度（常稱自然熱電偶法）.二十世紀(jì)五十年代trigger和chao采用剪切面作為熱源，加工表面和加工過的表面作為絕熱邊界建立切削熱模型。如下圖所示：這是早期切削熱模型的典型代表,在隨后的研究中,學(xué)者對這個模型進行了一些改進。1。3 切削熱理論的研究現(xiàn)狀近年來，隨著刀具制造技術(shù)和高速切削加工技術(shù)的飛速發(fā)展，切削熱理論的研究熱點也開始向這個方向轉(zhuǎn)移。其中較為突出的幾個課題如下：1、刀具表面的切削熱問題 ；2、基于高速切削加工的切削熱問題 ；3、切削熱對加工材料表面的

9、影響。下面我將就每個方向分別舉例，對國內(nèi)學(xué)者今年來的研究課題做簡單的介紹。1。3。1 刀具表面的切削熱問題我們知道切削溫度對刀具壽命、磨損等有著重要的影響，因此,在實際加工之前如果能夠科學(xué)準(zhǔn)確的預(yù)測出刀具在切削過程中的溫度意義重大。2012年山東大學(xué)的張帆、劉占強在平面銑削刀具前刀面瞬態(tài)切削溫度的研究中建立了平面銑削過程刀具的一維傳熱學(xué)模型,并用解析的方法預(yù)測平面銑削過程中刀具前刀面的溫度分布。計算結(jié)果表明，刀具切入時間和切出時間對刀具溫度有較大影響。2010年清華大學(xué)的張京京,馮平法，吳志軍等人在一種借助有限元傳熱仿真的刀尖點切削溫度精確測量方法中提出了一種人工熱電偶法和有限元傳熱仿真相結(jié)合

10、的測量車削刀尖點溫度的方法，并利用ansys軟件進行驗證。下圖為測量方法的技術(shù)路線示意圖。該方法解決了傳統(tǒng)熱電偶方法難于獲得刀尖點溫度的缺陷。在測量時，首先用熱工熱電偶法測量刀劍附近某點的溫度值.再通過建立刀具切削熱仿真的有限元模型來計算出刀尖點與測量點溫度的函數(shù)關(guān)系模型。這樣通過實驗與理論計算相結(jié)合的辦法就能計算出較為準(zhǔn)確的刀尖點溫度值。1。3.2 基于高速切削加工的切削熱問題2011年,南京航空航天大學(xué)以及南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的肖茂華，何寧，李亮等人在鎳基高溫合金高速銑削的切削熱研究中做了如下工作：1、用量熱法測量了高速銑削鎳基高溫合金試驗中的切屑熱功率；2、研究了切削參數(shù)對切削功率以及切削熱分配

11、的影響；3、采用有限元軟件deform2d對切削熱進行了仿真計算；（正交切削仿真試驗：剪切角、刀屑接觸長度以及x、y 方向分力）.在這里簡單介紹一下量熱法。所謂量熱法，就是利用某種傳熱介質(zhì)來收集切屑和工件、刀具散失的熱,根據(jù)測量系統(tǒng)切削前后的溫差來計算切削熱。在本文中作者采用的實驗設(shè)備原理圖如下：銑刀銑削工件型腔的內(nèi)表面，加工所產(chǎn)生的切屑則落入下方的一個裝有水的容器中.在容器中裝入熱傳感器，通過測量水的溫升就可以得到切屑熱量.但是需要注意的是此方法在實踐過程中應(yīng)保持容器與周圍環(huán)境的絕熱。2011年，南京航空航天大學(xué)、南京工程學(xué)院的葛英飛,邊衛(wèi)亮，傅玉燦等人在pcd刀具高速銑削sicp/al復(fù)合

12、材料切削溫度試驗研究中采用夾絲半人工熱電偶法測量了高速銑削某種復(fù)合材料時的切削溫度。得出了切削參數(shù)對切削溫度的影響程度關(guān)系.在試驗條件下，切削參數(shù)對切削溫度影響程度由大到小依次是：切削速度、增強顆粒體分比（材料參數(shù)）、徑向切寬、每齒進給量。其中每齒進給量是指多齒刀具每轉(zhuǎn)或每行程中單個齒相對于工件在進給運動方向上的相對位移（feed per tooth）。在文中作者采用的夾絲半人工熱電偶法步驟如下：首先將加工工件分為兩片,銅絲水平穿過其中，其間涂有絕緣層。當(dāng)?shù)毒咔邢髦量点~絲所在部位時，絕緣層被破壞，康銅絲搭接在工件上。會在回路中產(chǎn)生熱電勢。將測得的電勢與標(biāo)定后的溫度對比即可得出高速銑削時的溫度。

13、實驗原理圖如下:在有限元分析原理方面，2009年華南理工大學(xué)的劉旺玉，張勇，李靜等人在高速切削熱分配的有限元模擬介紹了一種基于有限元法建立了典型的正交切削模型。將該模型與切削熱分配的解析法相結(jié)合，作者研究了高速切削中切削熱在切屑、工件和刀具上的分配規(guī)律.在分析過程中,作者采用lagrange方法,網(wǎng)格可重畫。并且在摩擦方面區(qū)分了摩擦區(qū)和粘結(jié)區(qū)，采用修正的庫侖定律摩擦模型：滑動摩擦區(qū)的摩擦系數(shù)0.6,而在黏著區(qū)使用常摩擦(摩擦系數(shù)=1).計算得到的結(jié)果有：切削厚度、刀屑接觸長度、切削分力、剪切區(qū)以及刀屑接觸區(qū)平均溫度.作者指出模擬所得數(shù)據(jù)與實驗測得的數(shù)據(jù)有差距，但具有同樣的趨勢。需建立更合理的模

14、型。左圖為切削模擬幾何模型。1.3.3 切削熱對加工材料表面的影響2007年北京理工大學(xué)的龍震海，趙文祥,王西彬在基于切削熱-力耦合效應(yīng)的表面強化技術(shù)及其工藝試驗研究一文中提出了一種利用切削過程中的熱力耦合效應(yīng)來提高加工所得工件表面質(zhì)量的方法。在加工過程中，通過合理的控制切削條件來實現(xiàn)理想的切削熱力耦合效應(yīng).這樣一來就可以利用該效應(yīng)提高工件表面的質(zhì)量。作者對于該方法進行了一些初步的探索，指出合理的切削參數(shù)組合將會在超高強度鋼的加工表面產(chǎn)生有益的殘余壓應(yīng)力，而且有助于提高材料表面硬度。另外在高速切削過程所伴生的切削熱切削力耦合作用是產(chǎn)生理想殘余應(yīng)力分布的主要原因。2010年，丁建生，韓建峰，劉藺

15、勛在切削熱對超臨界kt5331as0 鋼表面成分的影響一文中介紹了切削熱對kt5331as0 鋼(一種超臨界材料）表面成分的影響。研究結(jié)果表明:在切削加工過程中產(chǎn)生的切削熱可以引起鋼中合金元素含量不同程度的變化. 1.4 參考文獻1 張世昌,李旦，高航。機械制造技術(shù)基礎(chǔ)m.北京：高等教育出版社，20072 葛英飛，邊衛(wèi)亮,傅玉燦等.pcd刀具高速銑削sicp/al復(fù)合材料切削溫度試驗研究j.工具技術(shù),2011,45:31-353 汪世益，滿忠偉,方勇。金屬切削刀具后刀面的切削熱研究j.制造技術(shù)與機床,2011 ，（1）：92-974 肖茂華，何寧,李亮等。鎳基高溫合金高速銑削的切削熱研究j。哈

16、爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2011 , 43(11)：105-1095 張帆，劉戰(zhàn)強。平面銑削刀具前刀面瞬態(tài)切削溫度的研究j。現(xiàn)代制造工程，2012 ，（1）：8-116 丁建生,韓建峰,劉藺勛.切削熱對超臨界kt5331as0 鋼表面成分的影響j。材料熱處理技術(shù),2010 ， 39（24）：70-727 劉旺玉,張勇,李靜等.高速切削熱分配的有限元模擬j.工具技術(shù)，2009,43(8)：14178 張京京,馮平法,吳志軍等。一種借助有限元傳熱仿真的刀尖點切削溫度精確測量方法j。工具技術(shù),2010,44(1）：85-889 龍震海，趙文祥，王西彬?；谇邢鳠?力耦合效應(yīng)的表面強化技術(shù)及其工藝試驗研究j

17、。航空材料學(xué)報,2007,27（6）:454910chao bt, trigger kj. the significance of thermal number in metal machining。 transactions of asme 1953.11trigger kj, chao bt. an analytical evaluation of metal cutting temperature. transactions of asme 1954.第二部分 理論部分切削溫度是金屬切削過程中重要的現(xiàn)象，它可以影響積屑瘤的形成、切削力的大小、刀具磨損和使用壽命、加工后材料的表面質(zhì)量和性能

18、等等。在一些精密加工系統(tǒng)中，不合理的切削熱甚至?xí)构に囅到y(tǒng)產(chǎn)生熱變形從而影響加工精度。因此，切削溫度的研究至關(guān)重要.那么如何獲取切削溫度呢，這是本部分討論的主要內(nèi)容。1、計算切削溫度的經(jīng)典理論 ；2、計算切削溫度的有限元法；3、獲取切削溫度的實驗方法。2。1 計算切削溫度的經(jīng)典理論國內(nèi)外的諸多學(xué)者給出了很多切削溫度的理論推算方法，這里主要分一下幾個方面進行介紹：1、導(dǎo)熱微分方程及邊界條件；2、切削溫度的近似解法:熱源法；3、剪切面溫度的計算；4、加工過程中工件溫升的影響因素。2.1.1 基礎(chǔ)方程式導(dǎo)熱微分方程及邊界條件導(dǎo)熱是物體內(nèi)部溫度場不均勻分布的必然結(jié)果。假設(shè)物體的溫度分布式為= f（x，

19、y,z,t),那么t時刻點（x，y，z)處的熱流密度q(x,y,z,t)的表達式為：q=qx+qy+qz=-xx+-yy+-zz對于各向同性體:x=y=z則可得:q=-grad。其中g(shù)rad表示的是溫度的梯度。上面的公式說明：導(dǎo)熱理論任務(wù),就是要找出在所給定的條件下，物體內(nèi)部溫度分布的具體函數(shù)。為此目的,像其他數(shù)學(xué)物理問題一樣，首先要找到它的微分方程,把臨近各點的溫度聯(lián)系起來，然后就可在導(dǎo)熱基本定律的基礎(chǔ)上,借助能量守恒的自然法則，建立起溫度場的通用微分方程,叫做導(dǎo)熱微分方程。由= f（x，y，z，t），根據(jù)全微分的概念：d=t+xdxdt+ydydt+zdzdt其中dxdt、dydt、dzd

20、t分別具有分速度的含義。將其用x、y、z來表示，則可得流動物質(zhì)溫度隨時間的總變化率：其中前一項表示溫度的局部變化,后一項則表示由于位置遷移引起的對流變化。設(shè)物質(zhì)密度為：。則物質(zhì)平均每升高溫度1的“蓄熱能力”為：cp,溫升為：則可得熱量收支平衡方程:初始條件和邊界條件：初始條件和邊界條件是導(dǎo)熱微分方程積分的“區(qū)域條件”。初始條件是時間意義上的區(qū)域條件，它描述的是t=0時刻區(qū)域內(nèi)的溫度分布；邊界條件則是空間意義上的區(qū)域條件，它所描述的是在區(qū)域邊界上的溫度或熱流密度。注意: 1、無論穩(wěn)定或不穩(wěn)定導(dǎo)熱，都必須明確邊界條件;2、不穩(wěn)定的過程，還要給定初始條件。2.1。2 切削問題中的熱源法如右圖所示，金

21、屬切削過程中有兩個主要的熱源，其中（1）是剪切區(qū)，（2)是前刀面區(qū).為了解決切削熱計算的問題，我們可以做如下的假設(shè)：1、消耗在兩區(qū)域中的所有能量均轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽?、兩個區(qū)域中的能量分別集中在一個平面上；3、在上述兩個平面上能量分布是均勻的。這樣假設(shè)的好處就是可以免去求發(fā)熱量分布的繁瑣實驗。但是即使按照上述假設(shè)，計算兩個面上平均溫度也是一個復(fù)雜問題。因為剪切區(qū)所產(chǎn)生的熱量有一部分會流入切屑，而另一部分會流入工件；與此相對應(yīng)的，前刀面區(qū)產(chǎn)生的熱量也會分別流入切屑和刀具。為此，我們還要做以下兩點補充假設(shè):1、所有的熱都傳入固定熱源，即沒有熱能散入周圍環(huán)境中；2、所有的熱傳入半無限體。所謂半無限體就是在

22、特定方向上可以近似為無限大.如下圖中加工后表面向下傳熱時的情況.這樣一來就可以運用1942年由吉格（jaeger）提出的對于一個絕熱的面熱源在半無限體上滑動時所得出的移動熱源解。對于上述所做出的五條假設(shè)的解釋:設(shè)r1為剪切區(qū)流入切屑的能量比，r2為前刀面流入切屑的能量比。則根據(jù)補充假設(shè)（1）： 剪切區(qū)流入切屑的變形能：uc1=r1us前刀面區(qū)流入切屑的變形能:uc2=r2uf 其中us、uf分別為剪切區(qū)和摩擦區(qū)的比能。再根據(jù)補充假設(shè)（2）,令由(1-r）q熱流密度計算所得平均溫度與rq熱流密度計算所得平均溫度相等就可以得出r的值。q為單位面積和時間內(nèi)全部熱量。下面對平面熱源即摩擦塊做簡單介紹。

23、所謂摩擦滑塊相當(dāng)于一個強度為q的2l2m的均勻矩形熱源，在半無限體表面上移動。除接觸面外其他各處絕熱。溫度和輸入能量之間的偏微分方程關(guān)系式：如下圖所示,當(dāng)在無限體內(nèi)點(x,y，z）處瞬時釋放出熱量q時，經(jīng)過時間 t 以后在無限體內(nèi)點（x，y,z）處的溫度可按下式求得:式中： r2=x-x2+y-y2+z-z2半無限體內(nèi)尺寸為lxl和mym，強度為 q 的均勻熱源對體內(nèi)任意一點處的穩(wěn)態(tài)溫升方程為:=q2-lldx-mm1x-x2+y-y2+z2dy熱源面上的平均表面溫升可以從上式在熱源區(qū)域內(nèi)進行積分后除以熱源面積求得：=-lldx-mmdy4lm2。1.3 剪切面溫度的計算耗費在剪切面上的剪切能

24、為： us=fsvs式中fs為沿著剪切方向上的合力，vs為切屑相對于工件的速度.耗費在每單位剪切面上的能為： us=fsvsapawcsc式中ap變形前的切屑厚度，aw切削寬度,csc剪切角。根據(jù)假設(shè)：剪切過程中機械能均轉(zhuǎn)化為熱能,可求得剪切區(qū)流出來的每單位面積和時間的熱量:q1=fsvsjapawcsc=usvsinj式中:j為熱功當(dāng)量;us為被切金屬每單位體積上的剪切能；v是切削速度。從剪切區(qū)流出熱量設(shè)為q1 ，則流入切屑能量為r1q1，流入工件能量為（1-r1）q1，則可得剪切面附近的金屬切屑的平均溫度為：s=r1q1apawcscc11vapaw+0=r1usjc11+0式中第一項為單

25、位體積比熱，第二項為環(huán)境溫度.由之前通過摩擦塊求得的任意一點處的穩(wěn)態(tài)溫升方程：=q2-lldx-mm1x-x2+y-y2+z2dy就可以求出剪切面附近的金屬切屑的平均溫度的另一表達式：令上述兩個s表達式相等就可求得2。1。4 加工過程中工件溫升的影響因素對于工件溫升的度量采用工件剪切面的加工溫升 1這個量來衡量。該加工溫升取決于單位時間內(nèi)流入工件的總熱量、該時刻的瞬時速度、工件的熱物理性能、切削深度和寬度等參數(shù)。 詳細分析（以車削一根棒料為例）： 1、 1與單位體積剪切能增加成正比，而剪切能大致與工件材料布氏硬度成正比，刀具磨損時會增加；2、 1與工件直徑成反比;3、 1與工件材料導(dǎo)熱系數(shù)成反

26、比；4、 1隨切削深度變化成線性變化;5、 1大致與進給量成0。8次方的關(guān)系;6、冷卻可以使 1下降;7、切削速度的影響較復(fù)雜，影響也較小,且可正也可負(fù)。2.2 計算切削溫度的有限元法有限元法的產(chǎn)生為切削溫度的研究提供了極大的便利，本節(jié)主要就有限元模型的建立方法加以簡單的介紹。其建立方法主要有兩種:基于給定熱源的有限元模型和基于大塑性變形的有限元模型?；诮o定熱源的有限元模型是將已知線熱源或面熱源作為已知邊界條件加載，從而求出溫度場的分布，其基礎(chǔ)是基于能量守恒原理的熱平衡方程。其優(yōu)點是能夠比較直觀的反映出切削溫度場的熱傳導(dǎo)過程；缺點是采用這種方法通常需要比較多的假設(shè)來簡化邊界條件，有時候過多的

27、假設(shè)會降低仿真的真實度。隨著有限元軟件的發(fā)展,耦合場的問題得以解決.基于切削過程的有限元模型被引入到切削溫度場的研究，并且得到了廣泛的認(rèn)可。通過基于大塑性變形的有限元模型能夠比較真實地仿真金屬切削的過程；其不足之處在于：切削過程是一個復(fù)雜的過程，具有大應(yīng)變、高應(yīng)變率和高梯度分布的溫度場，在目前還沒有合適的本構(gòu)方程來描述這種變形，這個模型目前主要應(yīng)用于二維直角切削。2。2。1 建模過程簡介首先對熱量的產(chǎn)生進行研究.對于第一剪切區(qū)，假設(shè)加工變形產(chǎn)生的能量全部轉(zhuǎn)化為熱能，每單元變形產(chǎn)生的熱量比率為：q=對于第二變形區(qū)，該區(qū)的塑性變形受切削速度的影響很大.在低速切削時，第二變形區(qū)可以認(rèn)為是摩擦表面熱源

28、;在高速切削時，觀察發(fā)現(xiàn)第二變形區(qū)更接近于一個三角形區(qū)域。在切屑與刀具接觸面上形成一個在接觸長度上的彈性壓力。 第二變形區(qū)任意一單元的傳熱比率：qs=secsecsec為切屑與刀具接觸面上的壓力，sec為最大壓力比率.下面就熱量的傳導(dǎo)進行討論，在建立熱傳導(dǎo)模型時要遵循下列原則：1、整個過程是穩(wěn)定的；2、在二維情況下解決問題 ；3、熱量在第一、二變形區(qū)上平均分布；4、對流損耗可以通過損耗系數(shù)來近似。傳熱過程的數(shù)學(xué)表達式為：k2tx2+2ty2+qx,y=cputx+vty=0邊界條件為：t=t-ktn=hct-t下圖為一有限元模型的實例。2。2.2 實際舉例山東大學(xué)的孟輝高速切削溫度動態(tài)有限元建

29、模與數(shù)值模擬中從金屬切削原理入手，建立了金屬切削加工的有限元模型，對高速切削加工過程中溫度場的產(chǎn)生與分布進行了研究.下圖為有限元法（fem）仿真過程圖。v 切削模型建立及網(wǎng)格劃分: 金屬切削加工是一個典型地局部變形過程，屬于高梯度問題，在局部區(qū)域內(nèi)材料產(chǎn)生高溫和大變形.作者采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)。其特點是能夠利用中間計算結(jié)果自動計算所需網(wǎng)格自動判斷在何處加密網(wǎng)格，提高了計算精度.下圖為作者所采用的自適應(yīng)網(wǎng)格劃分圖示。v 對于摩擦區(qū)的處理: 正確建立刀具與工件之間的摩擦關(guān)系是金屬切削仿真是否成功的關(guān)鍵技術(shù)之一。大量實驗證明,前刀面上的應(yīng)力分布是不均勻的,可以分為兩個工作區(qū):滑動區(qū)和粘結(jié)區(qū)。 在滑

30、動區(qū)，由于正應(yīng)力小所以摩擦較小，屬于外摩擦。在粘結(jié)區(qū)，由于刀具前刀面和切屑間的高溫高壓，使得前刀面和切屑之間變?yōu)閮?nèi)摩擦。內(nèi)摩擦實際上就是金屬內(nèi)部的剪切滑移。本文作者采用如下的模型：tf=n 滑動區(qū)tf=s 粘結(jié)區(qū)其中tf為摩擦應(yīng)力，為摩擦系數(shù)，n為正應(yīng)力,s為工件材料極限剪切流動應(yīng)力.v 切屑的分離準(zhǔn)則： 在金屬切削的有限元仿真中采用何種分離準(zhǔn)則是必須解決的問題。合理的分離準(zhǔn)則應(yīng)真實地反映切削加工材料的力學(xué)和物理性質(zhì),只有這樣才能得到合理的結(jié)果。目前為止，切屑的分離準(zhǔn)則可以分為兩種： 幾何方法：假定在預(yù)定義的加工路徑上，刀尖與刀尖前單元節(jié)點的距離變化來判斷分離與否；物理方法:制定的一些物理量是

31、否達到臨界值而進行判斷,這些物理量有應(yīng)變、應(yīng)力等。 本文選用的是基于物理方法的切屑分離準(zhǔn)則,依照刀尖的有限元節(jié)點是否達到設(shè)定值來判斷該節(jié)點是否分開。v 進行有限元仿真時的給定條件：1、工件材料是各向同性的；2、忽略加工過程中由于溫度變化引起的金相組織及其它的化學(xué)變化；3、工件相對于刀具運動；4、刀具為剛性材料，工件材料為彈塑性材料。下圖為作者進行的切削過程模擬結(jié)果。2。3 獲取切削溫度的實驗方法用實驗方法獲取切削溫度是切削實驗研究中的重要組成部分，其作用主要有: 1、用來研究各因素對切削溫度的影響；2、用來校核理論計算的準(zhǔn)確性；3、把所測得的切削溫度做為控制切削過程的信號源。 2。3。1 自然

32、熱電偶法從1925年起使用至今.自然熱電偶法是利用刀具和工件材料化學(xué)成分不同而組成熱電偶的兩極。工件與刀具在接觸區(qū)內(nèi)因切削熱的作用而使溫度升高，從而形成熱電偶的熱端；刀具的尾端和工件的引出端保持室溫形成熱電偶的冷端。熱端與冷端之間有熱電動勢產(chǎn)生.溫度與輸出電壓的關(guān)系曲線應(yīng)事先標(biāo)定，根據(jù)測得的熱電動勢，就可在標(biāo)定的曲線上查出對應(yīng)的溫度值。下圖即為自然熱電偶法的測溫原理圖。自然熱電偶法的優(yōu)缺點：v 優(yōu)點：簡便可靠，可方便地研究切削條件（如切削速度、進給量等）對切削溫度的影響.v 缺點：只能測出切削區(qū)的平均溫度，無法測得指定點的溫度；同時,當(dāng)?shù)毒卟牧匣蚬ぜ牧献儞Q后，切削溫度毫伏值曲線也必須重新標(biāo)定

33、。此外，在采用自然熱電偶法測溫時，存在一個溫度補償?shù)膯栴}.即由于溫升的影響,導(dǎo)線引出點的溫度已不是標(biāo)定時的室溫，因此需要進行冷端溫度補償。采用方法一般有一下幾種：1、加大刀具或工件尺寸；2、附加電勢消除法;3、等效熱電偶法；下面將重點對等效熱電偶法加以介紹。如圖下所示即為等效熱電偶法的測溫原理圖。在測量過程中,刀具引出點b由于距離刀尖較近而有溫升，但b點溫度又是測量計算切削溫度所必須的.測量得到兩個熱電動勢：e1為工件刀具導(dǎo)線所構(gòu)成的主測量回路產(chǎn)生的熱電動勢；e2為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢。等效熱電偶法計算公式：=1bwte1+bbw+bwtbbbwte2+0式中：bwt為工件-刀具的熱電特性

34、曲線斜率；bbw為導(dǎo)線工件的熱電特性曲線斜率;bb為刀具引出點測量熱電偶熱電特性曲線斜率.2.3.2 人工熱電偶法人工熱電偶法是將兩種預(yù)先經(jīng)過標(biāo)定的金屬絲組成熱電偶來使用的方法。它的熱端固定于要測的溫度點上,冷端則通過導(dǎo)線串接在電位計或毫伏計上。根據(jù)電表的讀數(shù)及標(biāo)定曲線，就可以測得熱端溫度。在測量過程中應(yīng)注意:1、為使孔底和熱電偶接觸點有良好的熱接觸應(yīng)用釬焊固定,但熱電偶其他部分應(yīng)與孔壁之間保持絕緣。2、為了不干擾溫度場，孔和熱電偶應(yīng)盡量細小。按熱端固定方式可分為埋入刀具內(nèi)的方法和埋入工件內(nèi)的方法v 把熱電偶埋入刀具內(nèi)的方法：最早由奧匹茲提出。如右圖所示,在車刀下面向刀尖刃口附近開一小孔，在孔

35、中放入熱電偶來測孔底溫度。v 把熱電偶埋入工件內(nèi)的方法:如圖，原理同埋入刀具的方法。人工熱電偶法也可以測量切屑上指定點的溫度，并可測得溫度分布場和最高溫度的位置。人工熱電偶法的優(yōu)缺點:v 優(yōu)點：對于特定的人工熱電偶材料只需標(biāo)定一次；熱電偶材料可靈活選擇,以改善熱電偶的敏感性和響應(yīng)速度，提高熱電偶傳感質(zhì)量。v 缺點：由于將人工熱電偶埋入超硬刀具材料（如陶瓷）內(nèi)比較困難,因此限制了該方法的推廣應(yīng)用。2.3。3 半人工熱電偶法將自然熱電偶法和人工熱電偶法結(jié)合起來即組成了半人工熱電偶法.它是將一根熱電偶（如康銅）焊在待測溫點上作為一極；以工件材料或刀具材料作為另一極而構(gòu)成的熱電偶.工作原理與自然熱電偶

36、法和人工熱電偶法相同。由于半人工熱電偶法測溫時采用單根導(dǎo)線連接，不必考慮絕緣問題，因此得到了較廣泛的應(yīng)用。半人工熱電偶法測溫示意圖：2。3.4 紅外熱像儀法紅外熱像儀的基本工作原理是利用了斯蒂芬波爾茲曼定律,即e=t4式中：e 物體輻射單元單位面積的輻射能量； 物體輻射單元表面輻射率(物體表面性質(zhì))； - 斯蒂芬波爾茲曼常數(shù)；t - 物體輻射單元的表面溫度。紅外熱像儀工作流程如下圖所示:顯示的熱像圖代表被測表面的二維輻射能量場，若輻射單元的表面輻射率已知，則可通過斯蒂芬波爾茲曼定律求出輻射單元表面的溫度分布場及動態(tài)變化。 紅外熱像儀的優(yōu)點：直觀、簡便、可遠距離非接觸監(jiān)測；在惡劣環(huán)境下測量物體表面溫度時具有較大優(yōu)越性。2。3.5 實際舉例例一：華南理工大學(xué)的全燕鳴等切削溫度測量信號的獲取與處理，文中作者應(yīng)用人工熱電偶法測量了車刀的切削溫度。作者提出了實際測溫中常遇到幾個問題：1、如何合理地選取工件或刀具上的測溫點；2、如何固定熱電偶；3、如何測量旋轉(zhuǎn)體的溫度；4、如何對微弱熱電勢信號進行動態(tài)保真采集和傳輸。v 如何合理的選取工件或刀具上的測溫點：將熱電偶埋入測溫