本發(fā)明涉及立銑刀銑削加工過程中，一種使用有限元確定切削熱分配比例系數(shù)的方法。

背景技術(shù)：

銑削是一種常見的金屬冷加工方式，和車削不同之處在于銑削加工中刀具在主軸驅(qū)動下高速旋轉(zhuǎn)，而被加工工件處于相對靜止。此工藝可以用來加工平面、成形面、齒輪、溝槽(包括鍵槽、V形槽、燕尾槽、T形槽、圓弧槽、螺旋槽等)，還可進(jìn)行孔加工，如鉆孔、擴(kuò)孔、等。由于加工范圍之廣，所以在金屬切削中占有很高的地位。然而，銑削過程中產(chǎn)生的溫度是影響刀具壽命和工件表面加工質(zhì)量的重要因素,對銑削溫度的產(chǎn)生和變化進(jìn)行研究,找到銑削溫度隨工藝參數(shù)的變化規(guī)律一直是高速銑削研究領(lǐng)域的重要方向。因此，探究切削溫度在刀具、切屑及工件中的分配比例是非常重要的。

對于熱分配系數(shù)，通常認(rèn)為熱量傳入刀具與其余部分的比例為1：1?；蛘?，通過經(jīng)驗公式可以得到分配系數(shù)的大致范圍。由于在銑削過程中工件材料、加工條件以及刀具材料的不同，熱分配系數(shù)也會隨之而變化，而并不是固定不變的，所以本發(fā)明旨在研究精確的熱分配系數(shù)數(shù)值，以滿足工業(yè)需要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

現(xiàn)有的探究熱分配系數(shù)的方法中絕大部分都是依靠經(jīng)驗或公式得出的大致范圍，本發(fā)明的目的在于在現(xiàn)有的技術(shù)方面提供一種基于有限元分析和實驗對比相結(jié)合的確定銑削過程熱分配系數(shù)精確數(shù)值的方法。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種確定立銑刀銑削過程切削熱分配比例的方法，包括以下步驟：

步驟一、計算刀屑接觸區(qū)的表面熱流密度g，包括：

首先，根據(jù)式(1)求出銑刀切削熱功率P，

式(1)中：V為切削速度，α_n為法向前角，α_n＝tan^-1(tanα_rcosα_h)，α_r為徑向前角，α_h為螺旋升角；φ_n為法向剪切角，λ為刀屑摩擦角，λ＝19.1+0.29α_n(°)；

式(2)中，dF_s為微元的剪切力，η_c為切屑流出速度，令η_c＝α_h，η_s為剪切帶流動方向角，

式(3)中，λ_s為刃傾角等于α_h，

式(4)中，h為每齒進(jìn)給量，dz為微元長度，τ為平均剪切應(yīng)力，

式(5)中，A為工件材料屈服強度，B為工件材料硬化模量，γ為應(yīng)變，n為加工硬化指數(shù)，C為應(yīng)變率敏感性因數(shù)，為應(yīng)變率，其中，Δy為剪切帶厚度，剪切速度為參考應(yīng)變率，T為剪切帶溫度，T₀為參考溫度，T_m為材料溶化溫度，m為熱軟化系數(shù)；

然后，由上述得出的熱功率P求得面熱流密度其中，l_contact為銑刀與切屑的接觸長度，

步驟二：利用ABAQUS軟件對銑刀三維模型進(jìn)行熱傳遞有限元分析，包括：

2-1)根據(jù)所用銑刀建立銑刀三維模型及網(wǎng)格劃分；

2-2)設(shè)定銑刀三維模型材料屬性，包括銑刀材料的密度、比熱容、熱傳導(dǎo)系數(shù)、楊氏模量、泊松比；

2-3)載荷及邊界條件設(shè)定：以步驟一的面熱流密度乘以熱分配系數(shù)即g×A％作為載荷施加到銑刀三維模型刀刃上的刀屑接觸區(qū)域，其中，A％的初設(shè)值為50％；對整個銑刀施加邊界條件，邊界條件為空氣自然對流；

2-4)熱傳遞有限元仿真分析后得到銑刀的溫度場；

步驟三：利用OMEGA軟件得到刀具測溫實驗中刀桿上部多個測溫點的溫度：

對刀具進(jìn)行測溫實驗：在銑刀柄上安裝多個溫度采集模塊，在銑刀的上部設(shè)有多個測溫點，所述溫度采集模塊具有熱電偶插頭，所述熱電偶插頭與測溫點之間均分別連接有熱電偶，所述溫度采集模塊與所述計算機之間設(shè)有匹配的插接件；利用上述銑刀對工件進(jìn)行銑削加工，銑削過程結(jié)束后，所述溫度采集模塊將采集到的銑削過程銑刀的溫度傳輸給計算機；所述計算機利用OMEGA軟件得到刀桿上所述多個測溫點的溫度；

步驟四：確定熱分配系數(shù)A％的終值：

根據(jù)步驟三中刀桿上多個測溫點的位置將步驟二仿真結(jié)果中對應(yīng)點的溫度提取出來與步驟三得到的刀桿上所述多個測溫點的溫度進(jìn)行對比，如果仿真結(jié)果大于測溫實驗結(jié)果則按照5％減小熱分配系數(shù)A％，反之增大熱分配系數(shù)A％，重復(fù)依次執(zhí)行步驟2-3)、2-4)和步驟四，當(dāng)滿足仿真結(jié)果與測溫實驗結(jié)果相差±15％時，從而得出熱分配系數(shù)A％。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案，可以對銑刀進(jìn)行連續(xù)測溫獲得銑刀穩(wěn)態(tài)下的溫度場，并且應(yīng)用有限元建模方法，將實際工況參數(shù)代入不但可以使仿真結(jié)果更加接近真實狀況，還可以減少實驗次數(shù)，降低實驗成本。并且經(jīng)過實驗與仿真的對比，可以獲得各種不同工況下具體的熱分配系數(shù)值。

附圖說明

圖1是本發(fā)明方法的流程圖；

圖2是本發(fā)明中安裝有測溫裝置的刀柄與銑刀裝配體的主視全剖視圖；

圖3是圖2中所示安裝有測溫裝置的刀柄立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是圖3中所示測溫模塊支架的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是圖2中所示刀柄的主視圖；

圖6是本發(fā)明實施例中銑刀上熱電偶測溫?zé)峁?jié)點測布置示意圖；

圖7是本發(fā)明實施例中采用立銑刀方肩銑的示意圖；

圖8是圖7中I部局部放大示意圖；

圖9是圖8所示的切削過程中立銑刀與工件接觸長度及加工時間的示意圖；

圖10是圖9所示切削過程的ABAQUS熱載荷幅值曲線圖

圖中：1-銑刀柄，2-上蓋板，3-熱電偶插頭，4-溫度采集模塊，5-測溫點，6-鎖緊螺母，7-銑刀，8-銑刀夾塊，9-下蓋板，10-測溫模塊支架，11-熱電偶，12-鎖緊螺釘13-頂絲，14-工件，15-頂絲孔，16-測溫模塊安裝孔，17-螺釘孔，18-熱電偶過線槽，19-熱電偶穿線孔，20-頂絲平臺。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作詳細(xì)說明，本實施例以發(fā)明技術(shù)方案為前提，做出了詳細(xì)的實施方法和具體操作過程，工件材料為TC4航空用鈦合金，銑刀為sandvick四刃10mm直徑立銑刀，徑向前角α_r為15°，螺旋升角α_h為41°；如圖1所示，本發(fā)明提出的一種確定立銑刀銑削過程切削熱分配比例的方法，包括以下步驟：

步驟一、計算刀屑接觸區(qū)的表面熱流密度g，包括：

首先，根據(jù)式(1)求出銑刀切削熱功率P，

式(1)中：V為切削速度，α_n為法向前角，α_n＝tan^-1(tanα_rcosα_h)，α_r為徑向前角，α_h為螺旋升角，本實施例中，α_r＝15°，α_h＝41°；φ_n為法向剪切角，λ為刀屑摩擦角，λ＝19.1+0.29α_n(°)；

式(2)中，dF_s為微元的剪切力，η_c為切屑流出速度，令η_c＝α_h，η_s為剪切帶流動方向角，

式(3)中，λ_s為刃傾角等于α_h，

式(4)中，h為每齒進(jìn)給量，dz為微元長度，τ為平均剪切應(yīng)力，

式(5)中，A為工件材料屈服強度，B為工件材料硬化模量，γ為應(yīng)變，為加工硬化指數(shù)，C為應(yīng)變率敏感性因數(shù)，為應(yīng)變率，其中，Δy為剪切帶厚度(通過材料晶體鏡像實驗獲得)，剪切速度為參考應(yīng)變率，T為剪切帶溫度，T₀為參考溫度，T_m為材料溶化溫度，m為熱軟化系數(shù)；本實施例中，工件為TC4，材料的各個參數(shù)如下表所示：

然后，由上述得出的熱功率P求得面熱流密度其中，l_contact為銑刀與切屑的接觸長度，

步驟二：利用ABAQUS軟件對銑刀三維模型進(jìn)行熱傳遞有限元分析，具體內(nèi)容如下：

根據(jù)所用銑刀建立銑刀的三維模型，運行ABAQUS有限元仿真軟件，將立銑刀的三維模型導(dǎo)入該軟件中，由于銑刀外形的復(fù)雜性，需要對模型進(jìn)行外形修復(fù)；

2-2)將銑刀材料的材料屬性輸入并分配在銑刀模型上，材料屬性包括銑刀材料的密度、比熱容、熱傳導(dǎo)系數(shù)、楊氏模量、泊松比；

2-3)將步驟一得到的面熱流密度乘以熱分配系數(shù)即g×A％以面熱流密度的形式作為載荷施加到銑刀三維模型刀刃上的刀屑接觸區(qū)域，如圖7和圖8所示，其寬度為步驟一計算得到的l_contact，長度為實際切深，其中，A％的初設(shè)值為50％；

本實施例中銑刀具有四個切削刃，對銑刀的四個切削刃上的熱源設(shè)置幅值曲線，如圖10所示，其中峰值加載時間周期時間這里d為切削深度，D為銑刀直徑。圖9中，時間為一個刀刃離開工件至下一個刀刃進(jìn)入工件的時間間隔，此曲線可以實現(xiàn)在同一分析步中按照時間順序依次循環(huán)加載，每個曲線的總時間為分析步總時間；

因為實際工況銑刀與空氣接觸會出現(xiàn)換熱現(xiàn)象，所以邊界條件設(shè)置為銑刀整體施加換熱表層，換熱系數(shù)其中k＝0.024W/m℃為導(dǎo)熱系數(shù)，D為銑刀直徑；對于未知量N_u＝0.318R_er0.571，其中系數(shù)ω為銑刀的角速度，ρ＝1.29kg/m³為空氣密度，μ＝1.983×10^-5kg/m·s為空氣動態(tài)粘滯度；

2-4)采用DC3D10網(wǎng)格形式對銑刀進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格形狀為四面體，運行作業(yè)程序后得到仿真的銑刀溫度隨時間變化曲線，即為熱傳遞有限元仿真分析后得到銑刀的的連續(xù)變化的溫度場。

步驟三：利用OMEGA軟件得到刀具測溫實驗中刀桿上部四個測溫點的溫度：

對刀具進(jìn)行測溫實驗的實施例如下：

如圖2和圖3所示，所采用的銑刀測溫裝置包括通過溫度采集模塊支架10安裝在銑刀柄1上的四個溫度采集模塊4，如圖6，銑刀7的上部設(shè)有四個測溫點5，如圖2所示，所述溫度采集模塊4具有熱電偶插頭3，所述熱電偶插頭3與測溫點5之間均分別連接有熱電偶11；所述溫度采集模塊4與所述計算機之間設(shè)有匹配的插接件即相吻合的插接頭和插接口。為了保證刀桿測溫裝置銑削過程動平衡的要求，各組成零件的加工具有較高的精度要求。所述溫度采集模塊支架10采用高強度鋁合金加工而成，如圖3和圖4所示，其主體為圓筒狀，所述主體上設(shè)有八個頂絲孔15，八個頂絲孔15按照徑向上均布，即在主體的側(cè)面加工有成90°分布的四個頂絲孔，所述銑刀柄1上設(shè)有與八個頂絲孔15位置對應(yīng)的頂絲平臺20，該頂絲平臺20可以采用外圓磨的方法磨出成90°分布的四個寬度為5mm的平面，用以頂絲鎖緊溫度采集模塊支架10，裝配時，鎖緊上下兩對位置對應(yīng)且成90°分布的四個頂絲，另外四個頂絲起配重作用。

如圖4所示，在該主體上徑向?qū)ΨQ的設(shè)有四個用于安裝溫度采集模塊4的安裝孔16，可以采用線切割的加工方式加工出四個間隔90°分布的溫度采集模塊4的安裝孔，所述溫度采集模塊4與所述安裝孔16之間為過渡配合。每個安裝孔16內(nèi)側(cè)的頂部設(shè)有熱電偶過線槽18，所述銑刀柄1上設(shè)有與熱電偶過線槽18位置對應(yīng)、且與銑刀柄1的軸孔貫通的熱電偶穿線孔19，如圖4和圖5所示，該熱電偶穿線孔19可以采用在銑刀柄1中距端面指定距離處電火花加工出相互垂直、直徑約為5mm的通孔，用以穿過熱電偶線。所述主體的上下端加工有螺釘孔17，所述主體的頂部設(shè)有上蓋板2，所述主體的底部設(shè)有下蓋板9,所述上蓋板2與所述主體之間、所述下蓋板9與所述主體之間分別通過鎖緊螺釘12連接。

所述熱電偶11自所述熱電偶插頭3依次通過所述主體上的熱電偶過線槽18、所述銑刀柄1上的熱電偶穿線孔19后固定于所述銑刀7上部的測溫點5；相鄰的兩個頂絲孔15內(nèi)分別旋入一個頂絲13，頂絲13頂住頂絲平臺20，從而將所述溫度采集模塊支架10鎖緊在所述銑刀柄1上。

安裝在銑刀柄1上的溫度采集模塊4的個數(shù)為四個，如圖2和圖6所示，所述銑刀7上部設(shè)有四個測溫點5，四個熱電偶插頭3與所述銑刀7上部四個測溫點5之間連接有四個熱電偶11，四個熱電偶11與四個測溫點5之間的固定結(jié)構(gòu)是：所述銑刀7頂面上、與圓心不同的位置處加工兩個直徑均為1mm、深度分別為2mm和10mm的熱電偶安裝小孔，同時在銑刀7的側(cè)面、自銑刀頂面向下至20mm及30mm處分別加工出一個2mm深度的熱電偶安裝槽。一般可根據(jù)實際加工的溫度范圍選擇熱電偶的分度類型，如T型、K型等，將四個熱電偶11的一端分別各自插入兩個熱電偶安裝小孔和兩個熱電偶安裝槽中、并保證熱電偶節(jié)點接觸到加工孔的底部即測溫點5，并采用具有較好熱傳導(dǎo)性能的樹脂固定。

如圖2所示，裝配時，先將上蓋板2穿到銑刀柄1上，將連接有熱電偶11的銑刀7插入到銑刀夾塊8中，將熱電偶線通過銑刀柄1上的熱電偶穿線孔19穿出，將熱電偶線與熱電偶插頭3連接，將下蓋板9通過鎖緊螺釘與溫度采集模塊支架10連接，將具有自供電功能的溫度采集模塊4放入溫度采集模塊支架10當(dāng)中的測溫模塊安裝孔16中，兩者為過渡配合，通過溫度采集模塊支架10的加工精度予以保證，將溫度采集模塊支架10安裝到銑刀柄1上，將熱電偶插頭3與溫度采集模塊4連接，并將多余的熱電偶線固定到刀柄外圓上，將上蓋板2與溫度采集模塊支架10采用鎖緊螺釘12進(jìn)行連接，然后采用成90°分布的四個頂絲13將溫度采集模塊支架10固定到刀柄1上，另外四個頂絲安裝到相應(yīng)的頂絲孔作為配重，最后將鎖緊螺母6安裝到刀柄1上以鎖緊銑刀夾塊8，從而固定銑刀7。

利用上述裝配好的銑刀7對工件14進(jìn)行銑削加工，銑削過程結(jié)束后，所述溫度采集模塊4將采集到的銑削過程銑刀的溫度傳輸給計算機；所述計算機利用OMEGA軟件得到刀桿上所述四個測溫點5處的溫度，即利用OMEGA軟件溫度提取得出測溫點處溫度隨時間變化曲線；

步驟四：確定此工況下的具體的熱分配系數(shù)值A(chǔ)％：

根據(jù)步驟三中刀桿上四個測溫點的位置將步驟二仿真結(jié)果中對應(yīng)點的溫度提取出來與步驟三得到的刀桿上所述四個測溫點的溫度進(jìn)行對比，如果仿真結(jié)果大于測溫實驗結(jié)果則按照3％減小熱分配系數(shù)A％，反之增大熱分配系數(shù)A％，重復(fù)依次執(zhí)行步驟2-3)、2-4)和步驟四，當(dāng)滿足仿真結(jié)果與測溫實驗結(jié)果是否吻合即相差±15％時，從而得出此工況下的具體的熱分配系數(shù)值A(chǔ)％。

盡管上面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以做出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。