一种确定立铣刀铣削过程切削热分配比例的方法与流程

本发明涉及立铣刀铣削加工过程中，一种使用有限元确定切削热分配比例系数的方法。

背景技术：

铣削是一种常见的金属冷加工方式，和车削不同之处在于铣削加工中刀具在主轴驱动下高速旋转，而被加工工件处于相对静止。此工艺可以用来加工平面、成形面、齿轮、沟槽(包括键槽、V形槽、燕尾槽、T形槽、圆弧槽、螺旋槽等)，还可进行孔加工，如钻孔、扩孔、等。由于加工范围之广，所以在金属切削中占有很高的地位。然而，铣削过程中产生的温度是影响刀具寿命和工件表面加工质量的重要因素,对铣削温度的产生和变化进行研究,找到铣削温度随工艺参数的变化规律一直是高速铣削研究领域的重要方向。因此，探究切削温度在刀具、切屑及工件中的分配比例是非常重要的。

对于热分配系数，通常认为热量传入刀具与其余部分的比例为1：1。或者，通过经验公式可以得到分配系数的大致范围。由于在铣削过程中工件材料、加工条件以及刀具材料的不同，热分配系数也会随之而变化，而并不是固定不变的，所以本发明旨在研究精确的热分配系数数值，以满足工业需要。

技术实现要素：

现有的探究热分配系数的方法中绝大部分都是依靠经验或公式得出的大致范围，本发明的目的在于在现有的技术方面提供一种基于有限元分析和实验对比相结合的确定铣削过程热分配系数精确数值的方法。

为了解决上述技术问题，本发明提出一种确定立铣刀铣削过程切削热分配比例的方法，包括以下步骤：

步骤一、计算刀屑接触区的表面热流密度g，包括：

首先，根据式(1)求出铣刀切削热功率P，

式(1)中：V为切削速度，α_n为法向前角，α_n＝tan^-1(tanα_rcosα_h)，α_r为径向前角，α_h为螺旋升角；φ_n为法向剪切角，λ为刀屑摩擦角，λ＝19.1+0.29α_n(°)；

式(2)中，dF_s为微元的剪切力，η_c为切屑流出速度，令η_c＝α_h，η_s为剪切带流动方向角，

式(3)中，λ_s为刃倾角等于α_h，

式(4)中，h为每齿进给量，dz为微元长度，τ为平均剪切应力，

式(5)中，A为工件材料屈服强度，B为工件材料硬化模量，γ为应变，n为加工硬化指数，C为应变率敏感性因数，为应变率，其中，Δy为剪切带厚度，剪切速度为参考应变率，T为剪切带温度，T₀为参考温度，T_m为材料溶化温度，m为热软化系数；

然后，由上述得出的热功率P求得面热流密度其中，l_contact为铣刀与切屑的接触长度，

步骤二：利用ABAQUS软件对铣刀三维模型进行热传递有限元分析，包括：

2-1)根据所用铣刀建立铣刀三维模型及网格划分；

2-2)设定铣刀三维模型材料属性，包括铣刀材料的密度、比热容、热传导系数、杨氏模量、泊松比；

2-3)载荷及边界条件设定：以步骤一的面热流密度乘以热分配系数即g×A％作为载荷施加到铣刀三维模型刀刃上的刀屑接触区域，其中，A％的初设值为50％；对整个铣刀施加边界条件，边界条件为空气自然对流；

2-4)热传递有限元仿真分析后得到铣刀的温度场；

步骤三：利用OMEGA软件得到刀具测温实验中刀杆上部多个测温点的温度：

对刀具进行测温实验：在铣刀柄上安装多个温度采集模块，在铣刀的上部设有多个测温点，所述温度采集模块具有热电偶插头，所述热电偶插头与测温点之间均分别连接有热电偶，所述温度采集模块与所述计算机之间设有匹配的插接件；利用上述铣刀对工件进行铣削加工，铣削过程结束后，所述温度采集模块将采集到的铣削过程铣刀的温度传输给计算机；所述计算机利用OMEGA软件得到刀杆上所述多个测温点的温度；

步骤四：确定热分配系数A％的终值：

根据步骤三中刀杆上多个测温点的位置将步骤二仿真结果中对应点的温度提取出来与步骤三得到的刀杆上所述多个测温点的温度进行对比，如果仿真结果大于测温实验结果则按照5％减小热分配系数A％，反之增大热分配系数A％，重复依次执行步骤2-3)、2-4)和步骤四，当满足仿真结果与测温实验结果相差±15％时，从而得出热分配系数A％。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

通过本发明所构思的以上技术方案，可以对铣刀进行连续测温获得铣刀稳态下的温度场，并且应用有限元建模方法，将实际工况参数代入不但可以使仿真结果更加接近真实状况，还可以减少实验次数，降低实验成本。并且经过实验与仿真的对比，可以获得各种不同工况下具体的热分配系数值。

附图说明

图1是本发明方法的流程图；

图2是本发明中安装有测温装置的刀柄与铣刀装配体的主视全剖视图；

图3是图2中所示安装有测温装置的刀柄立体结构示意图；

图4是图3中所示测温模块支架的立体结构示意图；

图5是图2中所示刀柄的主视图；

图6是本发明实施例中铣刀上热电偶测温热节点测布置示意图；

图7是本发明实施例中采用立铣刀方肩铣的示意图；

图8是图7中I部局部放大示意图；

图9是图8所示的切削过程中立铣刀与工件接触长度及加工时间的示意图；

图10是图9所示切削过程的ABAQUS热载荷幅值曲线图

图中：1-铣刀柄，2-上盖板，3-热电偶插头，4-温度采集模块，5-测温点，6-锁紧螺母，7-铣刀，8-铣刀夹块，9-下盖板，10-测温模块支架，11-热电偶，12-锁紧螺钉13-顶丝，14-工件，15-顶丝孔，16-测温模块安装孔，17-螺钉孔，18-热电偶过线槽，19-热电偶穿线孔，20-顶丝平台。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作详细说明，本实施例以发明技术方案为前提，做出了详细的实施方法和具体操作过程，工件材料为TC4航空用钛合金，铣刀为sandvick四刃10mm直径立铣刀，径向前角α_r为15°，螺旋升角α_h为41°；如图1所示，本发明提出的一种确定立铣刀铣削过程切削热分配比例的方法，包括以下步骤：

步骤一、计算刀屑接触区的表面热流密度g，包括：

首先，根据式(1)求出铣刀切削热功率P，

式(1)中：V为切削速度，α_n为法向前角，α_n＝tan^-1(tanα_rcosα_h)，α_r为径向前角，α_h为螺旋升角，本实施例中，α_r＝15°，α_h＝41°；φ_n为法向剪切角，λ为刀屑摩擦角，λ＝19.1+0.29α_n(°)；

式(2)中，dF_s为微元的剪切力，η_c为切屑流出速度，令η_c＝α_h，η_s为剪切带流动方向角，

式(3)中，λ_s为刃倾角等于α_h，

式(4)中，h为每齿进给量，dz为微元长度，τ为平均剪切应力，

式(5)中，A为工件材料屈服强度，B为工件材料硬化模量，γ为应变，为加工硬化指数，C为应变率敏感性因数，为应变率，其中，Δy为剪切带厚度(通过材料晶体镜像实验获得)，剪切速度为参考应变率，T为剪切带温度，T₀为参考温度，T_m为材料溶化温度，m为热软化系数；本实施例中，工件为TC4，材料的各个参数如下表所示：

然后，由上述得出的热功率P求得面热流密度其中，l_contact为铣刀与切屑的接触长度，

步骤二：利用ABAQUS软件对铣刀三维模型进行热传递有限元分析，具体内容如下：

根据所用铣刀建立铣刀的三维模型，运行ABAQUS有限元仿真软件，将立铣刀的三维模型导入该软件中，由于铣刀外形的复杂性，需要对模型进行外形修复；

2-2)将铣刀材料的材料属性输入并分配在铣刀模型上，材料属性包括铣刀材料的密度、比热容、热传导系数、杨氏模量、泊松比；

2-3)将步骤一得到的面热流密度乘以热分配系数即g×A％以面热流密度的形式作为载荷施加到铣刀三维模型刀刃上的刀屑接触区域，如图7和图8所示，其宽度为步骤一计算得到的l_contact，长度为实际切深，其中，A％的初设值为50％；

本实施例中铣刀具有四个切削刃，对铣刀的四个切削刃上的热源设置幅值曲线，如图10所示，其中峰值加载时间周期时间这里d为切削深度，D为铣刀直径。图9中，时间为一个刀刃离开工件至下一个刀刃进入工件的时间间隔，此曲线可以实现在同一分析步中按照时间顺序依次循环加载，每个曲线的总时间为分析步总时间；

因为实际工况铣刀与空气接触会出现换热现象，所以边界条件设置为铣刀整体施加换热表层，换热系数其中k＝0.024W/m℃为导热系数，D为铣刀直径；对于未知量N_u＝0.318R_er0.571，其中系数ω为铣刀的角速度，ρ＝1.29kg/m³为空气密度，μ＝1.983×10^-5kg/m·s为空气动态粘滞度；

2-4)采用DC3D10网格形式对铣刀进行网格划分，网格形状为四面体，运行作业程序后得到仿真的铣刀温度随时间变化曲线，即为热传递有限元仿真分析后得到铣刀的的连续变化的温度场。

步骤三：利用OMEGA软件得到刀具测温实验中刀杆上部四个测温点的温度：

对刀具进行测温实验的实施例如下：

如图2和图3所示，所采用的铣刀测温装置包括通过温度采集模块支架10安装在铣刀柄1上的四个温度采集模块4，如图6，铣刀7的上部设有四个测温点5，如图2所示，所述温度采集模块4具有热电偶插头3，所述热电偶插头3与测温点5之间均分别连接有热电偶11；所述温度采集模块4与所述计算机之间设有匹配的插接件即相吻合的插接头和插接口。为了保证刀杆测温装置铣削过程动平衡的要求，各组成零件的加工具有较高的精度要求。所述温度采集模块支架10采用高强度铝合金加工而成，如图3和图4所示，其主体为圆筒状，所述主体上设有八个顶丝孔15，八个顶丝孔15按照径向上均布，即在主体的侧面加工有成90°分布的四个顶丝孔，所述铣刀柄1上设有与八个顶丝孔15位置对应的顶丝平台20，该顶丝平台20可以采用外圆磨的方法磨出成90°分布的四个宽度为5mm的平面，用以顶丝锁紧温度采集模块支架10，装配时，锁紧上下两对位置对应且成90°分布的四个顶丝，另外四个顶丝起配重作用。

如图4所示，在该主体上径向对称的设有四个用于安装温度采集模块4的安装孔16，可以采用线切割的加工方式加工出四个间隔90°分布的温度采集模块4的安装孔，所述温度采集模块4与所述安装孔16之间为过渡配合。每个安装孔16内侧的顶部设有热电偶过线槽18，所述铣刀柄1上设有与热电偶过线槽18位置对应、且与铣刀柄1的轴孔贯通的热电偶穿线孔19，如图4和图5所示，该热电偶穿线孔19可以采用在铣刀柄1中距端面指定距离处电火花加工出相互垂直、直径约为5mm的通孔，用以穿过热电偶线。所述主体的上下端加工有螺钉孔17，所述主体的顶部设有上盖板2，所述主体的底部设有下盖板9,所述上盖板2与所述主体之间、所述下盖板9与所述主体之间分别通过锁紧螺钉12连接。

所述热电偶11自所述热电偶插头3依次通过所述主体上的热电偶过线槽18、所述铣刀柄1上的热电偶穿线孔19后固定于所述铣刀7上部的测温点5；相邻的两个顶丝孔15内分别旋入一个顶丝13，顶丝13顶住顶丝平台20，从而将所述温度采集模块支架10锁紧在所述铣刀柄1上。

安装在铣刀柄1上的温度采集模块4的个数为四个，如图2和图6所示，所述铣刀7上部设有四个测温点5，四个热电偶插头3与所述铣刀7上部四个测温点5之间连接有四个热电偶11，四个热电偶11与四个测温点5之间的固定结构是：所述铣刀7顶面上、与圆心不同的位置处加工两个直径均为1mm、深度分别为2mm和10mm的热电偶安装小孔，同时在铣刀7的侧面、自铣刀顶面向下至20mm及30mm处分别加工出一个2mm深度的热电偶安装槽。一般可根据实际加工的温度范围选择热电偶的分度类型，如T型、K型等，将四个热电偶11的一端分别各自插入两个热电偶安装小孔和两个热电偶安装槽中、并保证热电偶节点接触到加工孔的底部即测温点5，并采用具有较好热传导性能的树脂固定。

如图2所示，装配时，先将上盖板2穿到铣刀柄1上，将连接有热电偶11的铣刀7插入到铣刀夹块8中，将热电偶线通过铣刀柄1上的热电偶穿线孔19穿出，将热电偶线与热电偶插头3连接，将下盖板9通过锁紧螺钉与温度采集模块支架10连接，将具有自供电功能的温度采集模块4放入温度采集模块支架10当中的测温模块安装孔16中，两者为过渡配合，通过温度采集模块支架10的加工精度予以保证，将温度采集模块支架10安装到铣刀柄1上，将热电偶插头3与温度采集模块4连接，并将多余的热电偶线固定到刀柄外圆上，将上盖板2与温度采集模块支架10采用锁紧螺钉12进行连接，然后采用成90°分布的四个顶丝13将温度采集模块支架10固定到刀柄1上，另外四个顶丝安装到相应的顶丝孔作为配重，最后将锁紧螺母6安装到刀柄1上以锁紧铣刀夹块8，从而固定铣刀7。

利用上述装配好的铣刀7对工件14进行铣削加工，铣削过程结束后，所述温度采集模块4将采集到的铣削过程铣刀的温度传输给计算机；所述计算机利用OMEGA软件得到刀杆上所述四个测温点5处的温度，即利用OMEGA软件温度提取得出测温点处温度随时间变化曲线；

步骤四：确定此工况下的具体的热分配系数值A％：

根据步骤三中刀杆上四个测温点的位置将步骤二仿真结果中对应点的温度提取出来与步骤三得到的刀杆上所述四个测温点的温度进行对比，如果仿真结果大于测温实验结果则按照3％减小热分配系数A％，反之增大热分配系数A％，重复依次执行步骤2-3)、2-4)和步骤四，当满足仿真结果与测温实验结果是否吻合即相差±15％时，从而得出此工况下的具体的热分配系数值A％。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。