基于ANSYS的高速五轴数控加工中心球头铣刀切削温度仿真研究

以VMC656高速五轴数控加工中心为研究对象,研究了采用球头铣刀进行切削时,切削热所产生的温度对工件加工精度的影响。基于传热学和金属切削理论,建立了数控加工中心高速切削铝材时球头铣刀温度场数学模型,利用有限元软件ANSYS,仿真分析了球头铣刀在典型工况不同切削参数条件下温度场分布及变化规律,以及切削速度、切削厚度、进给量等参数对切削温度的影响。研究结果表明,在金属切削过程中,切削温度对刀具寿命和工件加工精度都有很大影响,因此必须采取措施,降低切削温度,有助于提高刀具寿命和加工质量。     

外圆车刀刀体部分温度场和热变形计算

一、刀体的热变形在车削加工中,传给刀具的切削热量一般不超过5％,但由于刀体小,故有相当程度的温升,特别是从刀架悬伸出来的刀体部分温升较高,因而有很大的热伸长。刀具的这种热变形影响了工件的尺寸精度,因此对刀具的温度场和热变形的分析和研究是很有必要     

金属切削过程物理仿真技术的应用

为提高薄壁弱刚度零件的加工质量及加工效率,提出了基于金属切削过程物理仿真软件AdvantEdge,对铝合金材料薄壁弱刚性零件的切削过程进行了物理仿真分析,得到了不同几何参数的刀具在切削过程中所产生的切削力和切削热分布趋势。通过分析切削力、切削热,对刀具几何参数进行了优化;同时以切削力为优化目标对切削参数进行了优化。利用优化后的刀具及切削参数指导实际生产,使得该零件在实际加工过程中,切削变形得到了控制,尺寸精度和几何精度满足了设计要求,并使铣削加工效率提高了15%以上。     

数控加工机床内冷刀具热传分析与结构优化

由于切削温度会直接影响工件表面的加工质量以及刀具的使用寿命，为提高切削的加工精度和延长刀具的使用寿命，采用正交试验的方法设计一种数控加工机床内冷刀具的传热性能试验方案。使用ANSYS热-流-固耦合进行数值模拟，分析内冷刀具刀片结构参数和工况参数对切削温度的影响；通过分析传热性能，对刀片结构参数进行优化。结果表明：在试验参数范围内，刀片出液孔径、支液孔径和散热元件个数对刀具切削温度均有影响，刀具切削温度会随着支液孔径和散热元件个数的增大呈迅速下降趋势；在其他边界条件均不变的情况下，优化后的刀具切削温度可降低至177.87℃，大幅延长了刀具的使用寿命并提高了加工精度。     

高硬度合金高速加工刀具温度场的研究进展

高硬度合金高速加工时,切削区域因剧烈摩擦产生的切削热是影响刀具磨损的重要因素。本文围绕前刀面温度场和内部温度场两个方面,总结近年来刀具温度场的研究进展。从已有研究来看,对刀具前刀面温度场的研究主要在于热源和热分配比的确定,刀具内部的热传导过程主要为非傅里叶热传导模型的建立。本文系统梳理了刀具前刀面温度场模型、测量技术和刀具内部热传导模型的理论和方法,分析了当前研究存在的不足,并对未来高速加工刀具温度场的研究方向进行了展望。     

基于刀具进让式进给数控加工技术的研究

通过分析常规数控加工中存在的问题,提出了一种刀具在进给方向上可进让式进给切削工件曲面轮廓的新工艺方法,建立了进让式进给切削数学模型,并从被加工工件的几何形状、切削过程中刀具受力情况及切削区的切削热释放情况等方面,具体分析了采用该方法对加工精度的改善情况,并给出了算法步骤。试验结果表明,新方法有利于减小工艺系统的变形,显著提高了工件的加工精度。     

不同条件下的正交切削温度场的数值分析

建立正交切削加工过程中的传热数学模型,基于Lagrange描述法和有限元法对正交切削的温度场进行数值计算,应用Deform有限元分析软件对不同加工材料、不同切削前角以及不同切削参数下的切削过程进行仿真,得出影响温度场的变化规律.研究结果表明,切削过程的热量主要由材料的塑性变形和切屑与刀具的摩擦产生的,在不改变材料属性的前提下,通过调整切削参数和刀具的形状来降低切削过程的温度,并给出具体刀具前角大小的温度影响分布曲线,为切削加工过程的优化提供参考依据.     

枞树型轮槽精铣刀热—力耦合场分析

以汽轮机转子轮槽加工中枞树型轮槽精铣刀的热变形为研究对象,对刀具切削过程中受力、受热进行分析计算。采用ANSYS作为有限元分析软件平台,通过建立精铣刀的有限元模型和加载计算,模拟实际切削中刀具的热变形。研究结果在一定程度上实现了对精铣刀热变形的定量计算,为进一步的机夹式轮槽精铣刀结构设计及刀片重构奠定了良好的研究基础。     

基于有限元的机床导轨热特性研究

在高速高精度机床切削加工过程中,导轨在多种热源的作用下会产生热变形,影响工件与刀具间的相对位置,造成加工误差。找出导轨热位移较大的点,并分析其对加工精度的影响,对于减小加工误差、提高加工精度至关重要。在对导轨热边界条件进行分析的基础上,应用有限元分析方法,建立了立式机床主轴导轨的有限元热变形分析模型,并进行了热变形分析,为分析导轨热变形对加工精度的影响提供了依据。     

切削热对双台肩螺纹加工精度与连接强度影响研究

双台肩螺纹以其高抗扭能力,在钻井作业过程中得到广泛应用。然而双台肩螺纹加工精度要求高,致使国内很多厂家生产的双台肩钻杆螺纹接头达不到设计要求。切削热是影响双台肩螺纹接头加工精度的主要因素之一。为研究切削热对双台肩螺纹加工精度和连接强度的影响,建立了一种基于CAE协同仿真的方法:通过建立双台肩螺纹车削加工的有限元模型,分析其在加工过程中的温度场分布情况;然后建立双台肩螺纹接头的温度-变形模型,研究温度场对螺纹变形的影响,即加工精度影响;通过建立三维的螺纹接头有限元计算模型,评价切削热所引起的加工误差对双台肩钻杆螺纹接头连接强度的影响。通过研究得出,切削热引起的螺纹牙单侧面轴向变形约0.014 8 mm,该变形量将导致接头抗扭和抗拉性能下降30%,且大幅度降低了压缩载荷或弯曲载荷作用时的使用寿命。因此加工应考虑切削热的影响,提出了相应的改进措施,并计算了多种常用切削用量下的变形量。     

基于热四极法的涂层刀具切削温度分布研究

为研究涂层在切削过程中对刀具温度分布的影响,建立了涂层刀具的三维瞬态热传导分析模型,发展了基于热四极法的切削过程涂层刀具三维温度场求解算法,得到了涂层刀具的瞬态温度分布。研究了涂层厚度、热对流以及界面热阻对涂层刀具切削温度分布的影响,为切削加工中涂层厚度的确定、切削液的选择以及涂层刀具的失效诊断提供了理论依据。     

用解析法计算高速切削单涂层刀具瞬态温度分布

为研究涂层在切削中对刀具温度的影响,为设计刀具涂层提供理论依据,分析高速切削过程中切削热的产生和刀具边界情况,建立单涂层刀具热传导物理模型和数学模型,用数学解析的方法推导出正交高速干切削过程中单涂层刀具体内部的温度分布公式。利用推导出的温度公式对TiN、TiC、Al2O3涂层刀具的切削温度分布进行解析计算,并将解析计算结果与数值分析结果进行比较。结果表明,解析计算结果与数值计算结果吻合很好;涂层材料与基体材料的热物理性能以及涂层的厚度对刀具的温升有重要影响;随着热流密度的增加,涂层厚度对刀具内部的温度影响增大。     

不锈钢板激光切割速度预测方法研究

基于激光与材料相互作用的原理，分析了激光切割不锈钢板过程中的热量传导规律，建立了切割热量模型和热平衡方程，即材料所吸收的总热量等于熔化切缝材料吸收的热量与热传导损失的热量之和，推导出切割速度与其他工艺参数的函数关系。通过此关系，能够对切割速度进行预测。试验结果表明，预测得到的切割速度与试验得到的最佳切割速度十分吻合，切割速度的预测方法可以指导实际加工。     

[绿色制造工艺和系统]基于切削比能的高速干切工艺刀具温升调控方法

高速干切中,较高的切削速度和切削液的缺失使得切削热短时间内在刀具上大量聚集,造成刀具磨损并影响使用寿命,解决该问题的有效手段是控制刀具温度升高。通过分析高速干切削加工过程中切削热在刀具中的传递与作用特性,基于切削比能和切屑几何形貌建立高速干切刀具的温升模型,在此基础上以温升最小为目标,以切削速度、进给量、刀具主偏角为变量,提出一种刀具温度调控方法,并结合高速干式车削加工案例进行应用与验证分析。     

A 3-D finite element method for non-isothermal sheet-forming processes

In sheet forming of ductile materials, the forming limit and strain distribution are governed by plastic instability and fracture following strain localization. A number of phenomena influence the localization process, including the best-known plastic properties of strain hardening, strain-rate sensitivity and yield-surface shape. The temperature gradient caused by deformation heating, heat transfer, and friction between sheet and tools also controls strain localization. In this paper, a numerical method for analyzing the non-isothermal, rigid-viscoplastic deformation of sheets is presented. The method consists of two parts: a rigid-viscoplastic finite element model (FEM) to solve the plastic deformation, and transient heat transfer FEM to evaluate the temperature change throughout the specimen during the deformation process. Bishop's step-wise decoupled method is adopted to handle coupling between mechanical deformation and the temperature change. Using this method, the effect of temperature distribution on strain patterns was investigated. As illustrative 3-D examples, hemispherical punch-stretching and square punch-stretching operations have been analyzed, including deformation heating, frictional heating, heat transfer to tooling and air, and internal heat conduction in the workpiece. The role of temperature gradients is revealed by examination of the simulation results.     

机床床身模拟件的弯曲刚度对其热态几何精度影响规律的应用研究

针对弯曲刚度大小不等的两种床身模拟件,采用与环境温度变化或摩擦热作用相似的热源对其进行热态模拟,讨论了在稳定热源下的三维传热特性.并利用有限元程序计算出同一热源在放出热能不同情况下模拟件的温度场分布.与实验测得的温度场对比结果表明,二者基本吻合.热变形实验结果表明,在相同的温差情况下,刚度较小的床身模拟件的热态几何精度明显优于刚度较大的床身模拟件的热态几何精度.因而,从改善机床床身的结构出发,本文创造性地提出的通过适当降低床身模拟件的弯曲刚度,并解除其它部件对床身模拟件变形的束缚,使其床身模拟件的重力变形能自动地补偿环境温度变化或床身与工作台之间摩擦等热源引起的热变形的这一原理.该原理为基本消除大型精密机床的热变形提供了一种新方法.     

主轴三维温度场及热变形分析

基于热传导及热弹性力学知识,建立了主轴工作状态下的稳态温度场和热变形的三维热分析有限元模型。运用ANSYS有限元软件,准确分析了主轴在工作过程中处于热平衡状态下的温度分布及热变形特点,计算结果为后续加工中心主轴系统的优化提供了理论背景。     

Temperature measurement and machining damage in slotting of multidirectional CFRP laminate

Compared to metallic materials, carbon fiber-reinforced plastics (CFRPs) have lower thermal conductivity and minor thermal expansion coefficient. Despite this, their machining can generate accuracy errors if the cutting temperature is not controlled. In this paper, an experimental study of slotting of multidirectional CFRP laminate (G803/914) with three micrograin carbide burr tools with different geometries is considered in order to investigate tool-workpiece contact point temperature, chip temperature, machined surface damage, subsurface defects and tool degradation. The experiment is made on a computer numerical control (CNC) machine with cutting speed ranging from 80 to 200 m/min and feed per tooth from 0.008 to 0.060 mm/rev/tooth. The data were analyzed in order to establish empirical models showing the dependence of cutting temperature on tool geometry and cutting conditions. Based on the results, it is concluded that cutting speed is the factor influencing cutting temperature the most, the heat generated during slotting is removed mainly by chips and the chip temperature is greater than the tool-workpiece contact temperature of about 18.5°C on average for the three burr tools.     

基于温度场的螺旋锥齿轮啮合热特性分析

根据螺旋锥齿轮啮合方程,采用“自底向上”的实体建模方法和八节点六面体等参元,建立其三齿的有限元分析3D模型;采用热传导理论,求解了螺旋锥齿轮本体稳态温度场。由此,对热和结构两个物理场进行耦合,仿真分析了啮合过程热应力和热变形。实例分析结果表明,螺旋锥齿轮副多齿啮合时其中一个齿的啮合中心稳态温度较高,热应力最大处在齿根部位,靠近啮合中心的齿顶部位的热变形最大;由于结构、材料特性等多因素影响,最大热应力和热变形部位不与最高温度点重合。这些为螺旋锥齿轮的设计制造和使用提供了一定依据。