超高速銑削加工的溫度場(chǎng)計(jì)算及生產(chǎn)應(yīng)用

1、文章編號(hào) :1004-132 (2003 13-1158-03超高速銑削加工的溫度場(chǎng)計(jì)算及生產(chǎn)應(yīng)用周憶副教授周憶梁錫昌陳斌摘要 :通過(guò)對(duì)超高速銑削加工中切削區(qū)動(dòng)態(tài)熱力學(xué)行為的計(jì)算和分析 ,推導(dǎo)了切削區(qū)溫度場(chǎng)的分布模型 。計(jì)算結(jié)果表明 , 切削區(qū)工件表層的最高溫度可達(dá) 922 , 工件內(nèi)最高溫度點(diǎn)不在刀具與切屑的接觸面上 , 件表層的內(nèi)部某處 。 在此基礎(chǔ)上 , 工件切削區(qū)的溫度遠(yuǎn)高于材料的再結(jié)晶溫度 , 件的易切削性能大大提高 , 關(guān)鍵詞 :; 有限元法 G . :A收稿日期 :2002 09 24修回日期 :2002 12 15切削速度 140m s 以上的超高速銑削加工已 經(jīng)在生產(chǎn)中應(yīng)用

2、13, 如無(wú)縫鋼管連軋線 (切削速 度達(dá) 140m s 已成功地采用了超高速銑削加工 。 在超高速銑削加工過(guò)程中 , 切削區(qū)溫度及溫 度場(chǎng)是影響切削機(jī)理和材料加工性能的關(guān)鍵因 素 。 本文首先對(duì)切削區(qū)溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算和分析 , 推 斷出加工過(guò)程的動(dòng)態(tài)熱力學(xué)行為 ; 進(jìn)而提出超高 速銑削的加工機(jī)理并通過(guò)金相分析加以驗(yàn)證 。1超高速銑削加工溫度場(chǎng)的理論計(jì)算1. 1切削加工溫度的產(chǎn)生d 銑刀直徑 v s 切削速度 v w進(jìn)給速度圖 1超高速銑削加工示意圖超高速銑削加工示 意圖見(jiàn)圖 1。在 切 削 加 工 時(shí) , 切 除單位體積金屬消耗的 能量為 4e s =v w a p f a(1式中 , F t

3、為切向切削力 ; a p 為 切削深度 ; f a 為銑刀軸向?qū)挾?。研 究 表 明 , 該 能 量絕大部分轉(zhuǎn)化為切削熱 , 使切削區(qū)的溫度升高 。 同 時(shí) , 高速切削時(shí) , 由于工件受強(qiáng)力摩擦 , 造成工件 局部高溫并有很大的溫度變化率 。 1. 2 超高速銑削加工溫度場(chǎng)分布模型本文討論用熱源法求解切削區(qū)溫度場(chǎng)的分布 問(wèn)題 。 為簡(jiǎn)化計(jì)算 , 設(shè)切削區(qū)熱源為運(yùn)動(dòng)持續(xù)線熱源 , 發(fā)熱功率為 q s , 并在開(kāi)始發(fā)熱的同時(shí) , 以速度 v 沿 x 軸平移 。 由熱傳導(dǎo)微分方程可得到切削區(qū)微 元體 (d x , d y , d z 在 d i 瞬時(shí) , 發(fā)熱源 q s d i 對(duì) M (x ,y

4、 , z 點(diǎn)所造成的溫升為5d =c (4a e -(x -v 2+z 24a (2式中 , q s 為熱源功率 ; v 為熱源運(yùn)動(dòng)速度 ; c 為比熱容 ; 為密度 ; a 為導(dǎo)溫系數(shù) , a =(c ; 為熱導(dǎo)率 ; 為時(shí)間 。 在 分析切削區(qū)溫度場(chǎng)時(shí) , 主要考慮切削區(qū)附近各點(diǎn)的溫升及熱源運(yùn)動(dòng)方向前后若干距離處的溫度 , 為此 , 建立相對(duì)熱源的相對(duì)坐標(biāo)系 (動(dòng)坐標(biāo) 系 。 式 (2 坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系為x -v i =x -v (t - =x -v t +v (3式中 , x -v t 為 M 點(diǎn)在觀察時(shí)刻 i =t 時(shí) x 方向的位置 , 即 x 方向的動(dòng)坐標(biāo) , 以 X 表示 。動(dòng)坐

5、標(biāo)系隨熱源一起運(yùn)動(dòng) , 則有x -v i =X +v 代入式 (2 , 得d =c (4a e -224a (4從 i =0到 i =t 的整個(gè)過(guò)程中 , 運(yùn)動(dòng)線熱源 造成切削區(qū) M 點(diǎn)的溫升可由式 (4 積分得=4 t0e-224a (5式 (5 即為超高速銑削切削區(qū)的溫升模型 。式 (5 中 =t -i , 故 d i =-d 。 當(dāng) i =0時(shí) , =t ; 當(dāng) i =t 時(shí) , =0, 式 (5 可寫(xiě)成=4e -2ate -224a e-24a (61. 3 切削區(qū)溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果及分析對(duì) 式 (6 的計(jì)算采用增量步法 。 由熱力學(xué)理8511 中國(guó)機(jī)械工程第 14卷第 13期 2003

6、年 7月上半月論 , 軸對(duì)稱溫度場(chǎng)計(jì)算中 , 控制方程為 62r 2+r r +2z2+=a t(7式中 , T 為工件任一點(diǎn)的溫度 (K ; r 為極坐標(biāo)中的徑向坐標(biāo) 。給定表面溫度 、 熱流密度 、 對(duì)流的邊界條件分別為T(mén) =T s -n =q w -n=h (T -T e 初始條件為T(mén) (r , z , t t =0=T 0(r , z 式中 , T s 為表面溫度 ; q w 為熱流密度 , 流出為正 ; n 為邊界 面某處的法線方向 ; T e 為介質(zhì)溫度 , T e =T (r , z ; h 為傳 熱系數(shù) ; T 0為初始溫度 。代 入 如 下 超 高 速 銑 削 條 件 :切

7、削 v s 140m s, 切向切削力 F t =0. 05, 107, =6015W(m K , c = (kg K , 密度 =7. 8103kg m 3。用有限元法對(duì)工件切削區(qū)溫度場(chǎng)進(jìn)行分析 , 得出的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖 2圖 4 。圖 2 切削區(qū)溫度場(chǎng)分布情況1. 摩擦表面 2. 距表面 1mm 3. 距表面 2mm圖 3 溫度沿管件半徑的分布1. 管件表面 2. 距表面 3mm圖 4 冷卻過(guò)程溫度隨時(shí)間的變化 圖 2為溫度場(chǎng)的分布 , 可見(jiàn) , 切削中心區(qū)溫度高 達(dá) 900 以上 , 工件溫度場(chǎng)隨切削點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)而 向前移動(dòng) ; 圖 3為工件材料內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布 , 可 見(jiàn) , 接近切削中心區(qū)

8、的工件表層處的溫度最高 , 達(dá) 到 922 , 材料內(nèi)部的溫度依次降低 ; 圖 4為切削 加工結(jié)束后工件表面及內(nèi)部的瞬時(shí)溫度隨時(shí)間的 變化 (冷卻過(guò)程 , 可見(jiàn) , 材料外表面較內(nèi)部有更快 的冷卻速度 , 這與材料冷卻過(guò)程相符 。2 2. , 其機(jī)理模型可用圖 5加以描述 。 圖中上部為刀具 , 下部為工件 , 進(jìn)給圖 5 超高速銑削機(jī)理模型示意圖速度 v w =6m m in (0. 1m s , 同時(shí) , 刀具作高速切 向運(yùn)動(dòng) , v s =140m s 。 當(dāng)單位正壓力超過(guò)材料屈 服 強(qiáng)度但低于強(qiáng)度極限時(shí) , 在工件表面沿 45方向產(chǎn)生剪切滑移變形 , 并產(chǎn)生 大量的內(nèi)摩擦熱 。 根據(jù)

9、H ertz 理論 , 工件的最大應(yīng)力不在工件與刀 具的接觸面上 , 而在距接觸面一定距離處 , 即圖 5中的 E FG 區(qū) 。刀具在水平方向的高速移動(dòng) , 除將 工件表層剪出明顯的剪切線和剪切角外 , 在接觸 面工件與刀具互相嚙緊 , 甚至尖點(diǎn)焊接 。 因此 , 首 先會(huì)在距接觸面以下的 E FG 區(qū)域產(chǎn)生裂紋 , 并 沿 E FG 面相對(duì)滑動(dòng) 。 刀具與工件的相對(duì)滑動(dòng)將 產(chǎn)生外摩擦熱 , 一方面會(huì)引起刀具與工件接觸面的溫度升高 ; 另一方面 , 由于刀具表面是經(jīng)冷卻后 再工作 , 溫度較低 , 會(huì)帶走一定的熱量 , 此時(shí) , 刀具 與工件接觸面的溫度相對(duì)較低 , 而工件材料的強(qiáng) 度相對(duì)較高

10、 , 因此 , 兩者的滑移面常常不在刀具與 工件的接觸面處 , 而是在工件材料內(nèi)部 。 2. 2超高速銑削溫度的趨同性在常速銑削時(shí) , 工件銑削區(qū)溫度隨切削速度 的增加而上升 。 這是由于切削速度提高后 , 單位時(shí) 間增加的熱量來(lái)不及散出而使銑削溫度升高 。 若按此推論 , 速度愈高 , 切削溫度愈高 , 則超高速銑 削時(shí)的溫度可能達(dá)幾千攝氏度 , 也就是說(shuō) , 超高速 銑削是不可能的 。9511 超高速銑削加工的溫度場(chǎng)計(jì)算及生產(chǎn)應(yīng)用 周憶梁錫昌陳斌但研究表明 , 除了上述速度影響溫度的原因 外 , 結(jié)合具體的工件材料 , 還有矛盾的另一面 。 圖 6為工件材料強(qiáng)度 (或硬度 與溫度的關(guān)系 ,

11、 一般 結(jié)構(gòu)材料的溫度達(dá)到相變線時(shí) (約 800 , 強(qiáng)度 將急劇下降 , 達(dá)到 A C 2線時(shí) (約 1100 , 其晶界 開(kāi)始熔融 。圖 6因 此 , 切 削 速 度一方面使變形加 快 , 使溫度上升 ; 另 一方面 , 溫度上升后 , 材料強(qiáng)度下降 , 剪切強(qiáng)度下降 , 溫度則不再上升 。 實(shí)驗(yàn)表明 , 在超高速銑削時(shí) , 900, 見(jiàn)圖 7中的 1。 若某一瞬時(shí) t 12, 則其強(qiáng)度 很低 , 立刻被切掉了 , 新的工件表層溫度將下降到 1表層溫度穩(wěn)態(tài)值 2、 3 t 1時(shí) 刻表層的溫度圖 7溫度趨同性示意圖1; 另一方面 , 若某 一瞬時(shí) t 1摩擦溫度 降 到 3, 此 時(shí) 工 件

12、 表 層 材 料 強(qiáng) 度 升 高 , 導(dǎo) 致 摩 擦 力 增 加 , 表 層 溫 度 將 立 即 上 升 趨 于 1, 即 超高速銑削時(shí)工件 表層溫度具有趨同性 , 見(jiàn)圖 7。2. 3超高速銑削的金相實(shí)驗(yàn)分析為了解超高速銑削加工中刀具 、 工件材料的 圖 8金相分析選取位置示意圖溫度場(chǎng)計(jì)算與實(shí)際情況 的符合程度 , 對(duì)超高速銑削切削區(qū)的工件材料進(jìn) 行了金相組織分析 , 工件 材料為合金結(jié)構(gòu)鋼 。 對(duì)切 屑在圖 8中的位置 1和工件已加工表面的位置 2作金相磨片圖 , 圖 9a 為切屑縱向截面圖 , 可以看出 , 切屑的金相組織多數(shù) 已是再結(jié)晶的較細(xì)顆粒的正火組織 , 表明切屑的 溫度已超過(guò)再結(jié)

13、晶溫度 650 , 變形后的切屑經(jīng) 過(guò)再結(jié)晶 , 已看不出剪切變形的痕跡了 ; 圖 9b 為 工件表面的大剪切變纖維化組織 , 表明切削溫度 低于再結(jié)晶溫度 650 , 未經(jīng)過(guò)再結(jié)晶 , 使變形顆 粒保留了下來(lái) 。(a 93(1 切削區(qū)溫度場(chǎng)的分析和計(jì)算表明 , 超高速銑削溫度在接近切削中心區(qū)的工件表層處的溫度 最高 , 可達(dá) 900以上 , 材料內(nèi)部的溫度依次降低 。(2 超高速銑削時(shí) , 由于高溫使材料硬度下 降 , 因此 , 不存在切削速度愈高 , 切削溫度愈高的 規(guī)律 , 切削溫度達(dá)到 900920時(shí) , 切削速度的 升高不會(huì)導(dǎo)致溫度再升高 。 在超高速切削的速度 范圍內(nèi) , 切削溫度

14、基本上保持穩(wěn)定 , 存在切削溫度 的趨同性 。(3 刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)面常常在工件材 料內(nèi)部 , 同時(shí)有一層工件材料被粘在刀具表面上 , 因此 , 最高切削溫度區(qū) 、 最大相對(duì)滑移變形區(qū)均不 在工件與刀具的接觸面處 , 因而顯著減輕了刀具 的負(fù)荷 。參考文獻(xiàn) :1梁錫昌 , 鄭小光 , 徐國(guó)斌 . 超高速銑削的新理論 . 機(jī)械工程學(xué)報(bào) , 2001, 37(3 :1091122張伯霖 , 謝影明 . 超高速切削的原理與應(yīng)用 . 中國(guó)機(jī)械工程 , 1995, 6(1 :14173陸海鈺 . 高速及超高速切削加工技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用 . 機(jī)械制造 , 1999, 37(5 :684吳善元 . 金屬切

15、削原理與刀具 . 北京 :機(jī)械工業(yè)出版社 , 19905侯鎮(zhèn)冰 , 何紹杰 , 李恕先 . 固體熱傳導(dǎo) . 上海 :上?？茖W(xué)技術(shù)出版社 , 19846孔祥謙 . 有限單元法在傳熱學(xué)中的應(yīng)用 . 北京 :科學(xué)出版社 , 1995 (編輯蘇衛(wèi)國(guó) 作者簡(jiǎn)介 :周憶 , 女 , 1957年生 。重慶大學(xué) (重慶市 400044 機(jī) 械工程學(xué)院副教授 、 在職博士研究生 。 研究方向?yàn)榫?、 超精密加 工和機(jī)電集成技術(shù) 。 獲省部級(jí)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng) 2項(xiàng) 。 發(fā)表論文 20余篇 。 梁錫昌 , 男 , 1934年生 。 重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 教授 、 博士研究生導(dǎo)師 。陳斌 , 男 , 196

16、4年生 。重慶大學(xué)資源及 環(huán)境學(xué)院工程力學(xué)系副教授 、 博士 。0611 中國(guó)機(jī)械工程第 14卷第 13期 2003年 7月上半月cients . It p rovides theo retical base fo r app raising thek inem atic p roperties of C MM . T hen its dynam ic si m ula 2ti on is set up w ith the help of softw are ADAM S . T he co r 2rectness of theo retical inference is checked an

17、d the k ine 2m atic p roperty diagram of the m echanis m is also p rovid 2ed .Key words :coo rdinate m easuring m ach ine paral 2lel m echanis m influence coefficients k inem atic analysisResearch on Faults D i agnosis i n Rotor Run -up Process Based on 2D H idden M arkov M odel Ye D apeng (Zhe 2jia

18、ng U niversity , H angzhou , Ch ina D ing Q iquan W u Zhao tong p 114921151Abstract :T here is a large amount non -stati onary , w o rse reappearance signal in the ro to r run -up p rocess . 2DHMM is suitable to deal w ith these signals . So a new fault diagno sis strategy based on 2-di m ensi onal

19、h M arkov w as p roduced in th is paper . T of is model and its param eters w ere F , the new model w as llect 2ed from Bently ro to r ental system (M odel 24755 and that it is very effective to diagno se to r faults .Key words :ro tating m ach inery fault diagno sis 2DHMM (2D h idden M arkov M odel

20、 conditi on monito ringNu m er ical Si m ulation for Laser Curve Bendi ng of Sheets Chen D unjun (N o rthw estern Po lytechnical U niversi 2ty , X ian , Ch ina L ong L i W u Sh ichun Zheng Youdou p 115221154Abstract :In th is paper , the finite elem ent computa 2ti onal fo r m ulas of temperature fi

21、eld and defo r m ati on field fo r laser curve bending of sheets have been established on the basis of the non -Fourier heat transfer equati on . T hen , on the p rem ise of neglecting inner heat generated due to a s m all p lastic defo r m ati on of sheets , the FE M si m ulati on of the laser curv

22、e bending of sheets has been carried out by so lving the temperature field and defo r m a 2ti on field separately . Further mo re , acco rding to the si m u 2lated results , the defo r m ati on behavi o r of laser curve bending p rocess is exp lained theo retically from the ther 2mo -m echanics po i

23、nt of view .Key words :sheet laser curve bending num eri 2cal si m ulati on ther mo -elasto -p lasticity Notch Strength and Prediction of A l 2O 3Ceram ic under Co m bi ned Ten sion Torsion L oadi ng Zhao Kang (X ian U niversity of T echno logy , X ian , Ch ina Yan M angong W ang Hong Yan Junhui Zhe

24、ng X iulin p 115521157Abstract :In the p resent study , a fracture criteri on fo r ceram ics under com bined tensi on to rsi on loading is p ropo sed , w h ich does no t contain any emp irical con 2stants . T he fracture strength of A l 2O 3tubes under com 2bined tensi on to rsi on loading w as m ea

25、sured by using testspeci m ens w ith different stress concentrati on facto rs. T est results show that the above criteri on is available and generally app licable fo r bo th s moo th -and no tched ele 2m ents of ceram ics . Som e existing test results in literature are also used to objectively check

26、 the above criteri on . M o reover , the fracture criteria of ceram ics w ith given survivability under com bined tensi on to rsi on can be p re 2dicted from the above fracture criteri on and the p robabili 2ty distributi on param eters of tensile strength of ceram ics. It m ay be though t that the

27、fracture criteri on fo r ceram ics under com bined tensi on to rsi on loading p ropo sed in th is study is of p ractical significance in engineering .Key words :fracture criteri on A l 2O 3ceram ic com bined tensi on to rsi on loading no tched elem ent Calculation s on Te m perature F ield for Super

28、 H igh -speed M illi ng and its Application s Zhou Y i (Chongqing U 2niversity , Chongqing , Ch ina L iang X ichang Chen B in p 115821160Abstract :In th is paper , the calculati on and analysis fo r ther modynam ic of cutting zone on super h igh -speed m illing have been finished , and the model and

29、 results fo r temperature field of cutting zone have been finished . T he calculati ons show that the h ighest temperature outside surface of cutting zone can be as . T he h ighest tem 2perature w o rkp iece the contact surface of the too l som e po int near w o . O n the basis of , igh m illing m e

30、chanis m model is p It s that the cutting perfo r m ance of w o rk 2i p roved largely because the hardness of the w o rkp iece m aterial is sharp ly decreased w h ile the temper 2ature of cutting zone is far h igher than that of the recrys 2tallized . T hat is testified by the analyzing fo r m icro

31、-speci m en of ch i p .Key words :super h igh -speed m illing tempera 2ture field cutting temperature finite elem ent m ethodPr i nc iple and Application of M icro M otor D r iven by Gi -an t M agnetostr ictive M ater i al J ia Zhenyuan (D alian U niversity of T echno logy , D alian , L iaoning , Ch

32、 ina W ang Fuji Zhang Yongshun Guo Dongm ing p 116121165Abstract :T he paper expatiated the p rinci p le of giant m agneto strictive mo to r from structure and p roperties , and the app licati on status in m icro electro m echanical sys 2tem s (M E M S . F rom analyzing p rinci p le of som e typ ica

33、l giant m agneto strictive mo to rs at hom e and abroad , the app roaches and m ethodo logies settling p roblem s of giant m agneto strictive mo to r are analyzed and discussed , such as m iniaturizati on , integrati on and h igh frequency vibra 2ti on . T he theo retical basis and research directi

34、on are of 2fered to the further developm ent of giant m agneto strictive m icro mo to r .Key words :giant m agneto strictive m aterial m icro mo to r analysis p rinci p le and app licati onOn D evelop m en t of D i am ond Tool Technology Zong W enjun (H arbin Institute of T echno logy , H arbin , Ch