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高速铣削刀具和工件瞬态切削温度研究

张帆  
【摘要】:高速切削技术是目前国内外制造业研究的热点问题之一,也是先进制造技术的主要发展方向。高速切削机理研究是高速切削技术发展的基础,高速切削温度的研究是高速切削机理研究的重要组成部分。金属切削过程中,切削温度对刀具寿命、刀具磨损和零件加工质量等具有重要的影响,因此切削温度已成为目前高速加工领域的研究重点。 本文采用解析法、有限元仿真和实验测量相结合,对高速铣削过程中的切削温度进行研究,揭示高速铣削过程中切削速度对切削温度的影响规律,探索随切削速度变化的切削温度拐点的出现及其存在条件。 首先,建立平面铣削过程中刀片前刀面瞬态切削温度解析模型,通过经典文献中的实验数据对切削温度解析模型的有效性进行验证。分析切削速度对刀片前刀面温度的影响,结果表明:在铣削等断续切削过程中,每齿切削弧长一定的情况下,当切削速度增加到一定程度,切削时间足够短,刀片前刀面的瞬态温度出现拐点。继续切削后,刀片前刀面的温度持续上升并达到稳态,切削温度拐点现象消失。切削时间足够短是刀片切削温度拐点现象产生的基本条件。 其次,基于移动热源法和反求法建立高速铣削过程中工件瞬态切削温度解析模型,用45号钢铣削温度测试实验验证模型的准确性。分析和实验结果表明:热源强度和进给速度对工件温度的影响最大。进给速度增加、流入工件的热流量并非随着速度的增加而线性增长是造成工件切削温度出现拐点的两个主要原因。 然后,借助有限元软件AdvantEdge仿真分析二维正交高速切削高温合金Inconel718和45号钢切削温度随切削速度的变化趋势。结果表明:在二维正交切削中,当切削速度高于某一临界值时,刀具前刀面上的切削温度出现下降,即所谓的切削温度拐点。 最后,采用热电偶法测量高速侧铣过程工件的温度,研究AerMet100和Inconel718在铣削过程中工件温度随切削速度的变化规律。结果表明:在刀刃锋利时,随着切削速度的提高,热电偶测量得到的工件已加工表面层内工件温度出现下降趋势。 本课题得到国家重点基础研究发展计划(2009CB724401)和高档数控机床V与基础制造装备科技重大专项(2010ZX04017-012、2012ZX04003-041)的资助。


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