高速切削有限元模拟加工温度场

高速切削有限元模拟加工温度场分析

黄晓华

（苏州工业职业技术学院 精密制造工程系 江苏 苏州 215008）

摘 要： 以高速切削条件下的数控车刀为研究对象，利用ANSYS有限元仿真软件对刀具的温度场进行模拟和分析，得出温度场的分布规律，验证切削速度对温度场的影响，为优化切削参数，延长刀具寿命提供一定的依据。

关键词： 切削热；切削温度；有限元

中图分类号：TG506 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）1110012－01

0 引言

切削过程中，由变形和摩擦所消耗功的98%～99%都转变为热能，即若切削热不及时传散，则切削区的平均温度将大幅度地上升。切削温度的升高一方面会加剧刀具的磨损，影响刀具的使用寿命，另一方面会使工件和机床产生热变形，影响零件的加工精度，因此切削温度的研究至关重要。高速切削加工状态下的切削温度和切削热不同于传统切削加工过程，利用有限元软件对高速切削状态下的温度场进行仿真模拟分析，为延长刀具使用寿命及刀具变形分析提供一定的数值依据。

1 刀具热变形的ANSYS计算步骤

高速切削刀具热变形有限元仿真主要包括以下主要步骤：前处理（即三维建模）、定义单元类型并设定单元属性、定义单元实常数、定义材料热性能参数、创建几何模型并划分网格、热载荷计算、热载荷及边界条件加载。

2 高速切削刀具热变形有限元模型的建立

2.1 刀具高速车削温度模型建立的假设条件

1）假设刀具、工件组成的系统温度场不随时间变化，即达到了稳态传热。

2）第一变形区切削热是切削层的变形热，第二变形区的切削热是切屑与前刀面的摩擦热，假设刀具高速车削温度场分析属于平面热源传热模型。

2.2 刀具高速车削ANSYS分析试验条件

选用GSK980TDb 型高速数控车床，确定载荷工况1：主轴转速V c =500m/min ，进给量f=0.5mm/r ，背吃刀量a p =3mm ；确定载荷工况2：主轴转速V c =200m/min ，进给量f=0.5mm/r ，背吃刀量a p =3mm 。选用的车刀刀杆是几何尺寸为B×H=16×25，L=200的45钢，刀片材料为涂层硬质合金YT15，查文献[1]得刀具材料的强度极限σb =600MPa ，屈服极限σs =355Mpa ，弹性模量E=206GPa ，泊松比μ=0.27，导热系数=67W/（m ·ºC ）。车刀主要角度：主偏角K γ=75゜，副偏角K γ'=10゜，前角γ0=5゜，后角α0=α0'=8゜，刃倾角λs =-5゜。被加工材料为σb =637MPa 的碳素结构钢。

3 热载荷计算及加载

由于切削过程中，切屑发生塑性变形所消耗的功率主要转化为热量，因此要计算热载荷就必须依次进行切削力、切削功率、切削热和热流密度的计算。本文主要是详细进行了载荷工况1的热载荷计算，载荷工况2的热载荷计算从略。

3.1 切削力的计算

硬质合金车刀车削外圆过程中产生的切削合力F r 可以分解为三个分力，即主切削力F C ，进给抗力F f 和切深抗力F p 。查文献式中：

a p 为背吃刀量，mm ；f 为进给量，mm/r ；v c 为切削速度，m/min ；

C Fc 、C Fp 、C Ff 表示取决于被加工材料和切削条件的系数；xF 、yF 表示各参数对切削力影响程度的指数；

K F 表示实际加工条件各种因素对切削力的修正系数的乘积。

以上系数和指数可通过查文献[3]而得，并代入切削分力计算公式，得各切削分力如下：

3.2 切削功率的计算

查文献[4]得刀具切削功率的计算公式：

P m =F z V

c +F x n w f ∕1000

式中：F z 表示主切削力；V c 表示切削速度；F x 表示进给力，n w 表示工件转速；f 表示进给量。

由于F x 相对于F z 消耗的功率一般很小，可忽略不计，因而可得切削功率：

P m =F z V c =1860×500∕60=15500W 3.3 切削热的计算

由于切削过程中，绝大部分热量由切屑带走，车削过程中10%～40%的热量由车刀传出[2]，根据传入刀具的热量Q 的计算公式可得：

Q= K 1·K 2·P m =0.99×0.1×15500=1534.5W

式中：K 1为切削功率转化为切削热的比重；K 2为车刀中传出切削热的比重。

3.4 热流密度的计算

切削过程中切屑与刀具前刀面主要接触面积约为刀片面积的1∕5，结合刀片的实际测量面积，计算得出热载荷作用面积-62约为19.2×10m 。根据热流密度µ的计算公式可得：

7-62

µ= Q ∕A=1534.5∕19.2×10=7.99×10W/m 式中：A 为切屑与前刀面的主要接触面积，即热流密度载荷主要作用面积。

3.5 施加载荷

2施加刀具上表面的对流换热载荷为2000W/（m ·℃），下2表面的对流换热载荷为10W/（m ·℃），其余侧表面的对流换2热载荷为1000W/（m ·℃），施加刀具初始温度为20℃，并在前刀面上施加热流载荷。

4 ANSYS模拟结果及后处理

通过仿真模拟分析，得到载荷工况1和载荷工况2的刀具温[2]得切削力的经验计算公式为：

度场分布情况分别如图1和如图2所示。由图中可以看出，金属

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＜0.8dB，通带外的衰减满足设计要求，但带内波纹未＜0.5dB。

2.3 三阶切比雪夫型带通滤波器的优化

仿真优化能改善射频系统的性能，必须首要改进其各个功能部件的性能指标。软件仿真是提高工作效率的一条捷径，利图3 三阶切比雪夫带通滤波器ADS中仿真结果

从图3中的S21仿真曲线可以看出，设计的三阶切比雪夫滤波器在中心频率200MHz插入损耗较小，达到指标要求，但是整个设计通带内，插入损耗较大，在f＜180MHz和f＞220MHz处阻带衰减分别为20.797dB和17.847dB，都大于15dB，且带内波纹

用ADS对此电路进行优化，主要对反应通带和阻带的插入损耗和带内波纹的S21进行优化。其优化仿真结果如图4。

通过图4优化仿真的结果可以看出，该滤波器优化后得到在截止频率190MHz和210MHz处的插损都分别为0.505dB和0.520dB，和设计要求的0.5dB相差不大，基本符合设计要求，通带内波纹起伏也很小，控制在3dB以内，其整体设计结果基本都满足指标要求。

3 结束语

总结了由归一化低通滤波器设计带通滤波器的方法。利用ADS仿真软件对滤波器进行设计、仿真、优化，并最终达到设计指标。

参考文献：

[1]薛培鼎（译），LC滤波器设计与制作，北京：科学出版社，2005.

[2]周兰飞、王璟、张玲，一种高频带通LC滤波器的设计方法[J].电讯技术，2008（06）.

[3]刘砚涛、刘玉蓓、尹伟，LC滤波器设计方法介绍及其仿真特性比较[J].电子测量技术，2010（5）.

[4]轩秀巍、董健、滕建辅，LC滤波器设计的优化解析公式[J].南京信息工程大学学报（自然科学版），2009（02）.

[5]夏铭、陈晓光，交叉耦合技术及LC滤波器设计分析[J].电视技

术，2008（10）.

图4 三阶切比雪夫带通滤波器优化仿真曲线

作者简介：

李艳莉（1982-），女，硕士，讲师，主要从事射频、微波、毫米

波的元件和电路设计。

结果与实验经典公式反映的结论相一致。但由于硬质合金YT15的最高耐热硬度一般为1000℃及以下，因此，在实际加工中，需不断优化切削速度参数来提高刀具使用寿命。

5 总结

本文利用ANSYS 有限元软件，对高速切削状态下的数控车刀进行了温度场的模拟分析，得出最高切削温度一般位于刀尖及其附近区域，为提高刀具使用寿命降低切削速度能起到很好的效果，利用ANSYS 软件对切削参数进行优化是实际可行的。

参考文献：

[1]艾兴等，高速切削加工技术[M].北京：国防工业出版社，2003.

[2]机械设计手册编委会，机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2008.

[3]陆建中、孙家宁，金属切削原理与刀具[M].北京：机械工业出版

社，2004.

[4]张小栋等，机床刀具热变形有限元分析与计算[J].机床与液压，2011（5）：15-17.

[5]迟晓明等，高速数控车床刀具热变形的计算分析[J].机械设计，切削时刀具温度从刀尖处到刀具末端逐渐降低，刀尖及附近区2011（11）：74.

域的切削温度最高，载荷工况1的最高切削温度约为1328℃，载荷工况2的最高切削温度约为201℃。一方面，进一步验证了高作者简介：

1981-黄晓华（），女，汉族，江苏常州人，硕士，苏州工业职业速切削温度场分析规律，另一方面说明为有效控制切削温度提技术学院讲师，研究方向：数控技术应用。

高刀具寿命，降低切削速度能起到相当大的作用，有限元分析

图1：载荷工况1刀具温度场分布云图；图2：载荷工况2刀具温度场分布云图。

图1 图2

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