整体硬质合金立铣刀高速切削温度场建模及仿真研究

【摘要】：高速刀具是实现高速铣削的关键因素。高速铣削过程中刀具会因铣削温度、热力耦合场影响等因素而发生破损。由于高速合金立铣刀在汽车、航天、模具等行业的应用，高速铣削技术将成为每个国家先进制造水平的重要标志之一。铣削温度作为加工过程中的物性指标，是影响铣削刀具磨损和破损的重要因素。因此，本文针对整体硬质合金立铣刀高速铣削时的温度场进行了深入的研究。 首先，运用螺旋线螺旋面理论，基于立铣刀的结构特征，通过端面轮廓沿立铣刀刃线扫描，建立了立铣刀三维螺旋面。铣刀刃口特征的参数由软件实测得到，完成整体立铣刀三维模型的建立。 其次，侧铣是立铣刀常态的切削方式，但横刃也同时参加切削，所以它属于斜角自由切削。本论文在温度建模时，也考虑横刃切削产生的热量，通过立铣刀横刃不等厚度切削建立了横刃温度场预测模型；通过线热源微元沿着立铣刀螺旋刃的轨迹进行轴向积分，建立了立铣刀侧刃的温度场预测模型。由横刃和侧刃的温度场叠加，完成整个立铣刀温度场预测模型，最后对立铣刀的积分限进行了界定。 然后，进行平底铣刀温度场仿真分析。在立铣刀刀-屑接触面一步一步施加线性热载荷，经求解得到立铣刀随相位变化的温度分布状况。随着立铣刀铣削相位的不断变化，立铣刀最大温度始终分布在立铣刀刀尖，在立铣刀的前刀面距离刃口一定位置也存在较高的温度分布。在螺旋面沟槽产生高温点是由摩擦热源及剪切热源共同作用引起的，在立铣刀刀尖产生最大温度是由于侧刃和横刃的剪切热源及摩擦热源热量积聚作用而引起的。剪切热源和摩擦热源随着铣削过程的深入而不断增大，立铣刀铣削温度也不断升高。通过对平底铣刀温度场进行仿真，可求出立铣刀的温度分布，从而为改进立铣刀受周期性热冲击状况、进行立铣刀失效分析及优化设计立铣刀结构提供了理论依据。 最后，研究了立铣刀铣削过程中的导热反求应用，建立了立铣刀铣削过程中的反求传热学模型。用试验值反求出立铣刀表面的热流密度，并用有限元方法仿真出该热流密度下平底立铣刀的三维温度场分布，与红外成像仪热成像结果进行对比分析，验证了立铣刀温度场导热反求的可行性。