刀具温度场的有限元分析

根据传统切削理论，前刀面上的高温度不在切削刃上，而是在离切削刃有一定距离的地方。这是因为摩擦热沿着刀面不断加的缘故。前刀面上后边一段的接触长度上，由于摩擦逐渐减少，热量又在不断传出，所以切削温度开始逐渐下降。由可以看出，刀具前刀面高温度出现在距离刀刃02mm左右的地磨损以及被加工材料的切削加工性能，并能直接影响刀具的使用寿命。因此分析刀具在切削过程中温度的分布情况对研究金属切削过程具有重要意义。
 
金属切削加工的有限元模拟考虑了材料属性、刀具的几何条件、切削加工参数（切削速度、进给量、切削深度）等因素。因此通过对金属切削加工过程进行物理可以预知刀具、切屑以及工件的温度场分布。本文利用有限元技术对直角切削加工过程进行物理，模拟在不同进给量以及不同刀具前角下的刀具温度场分布，为研究刀具磨损机理、优化切削参数提供有益的数据。
 
刀具温度场的数值模型直角切削过程中，由于切削宽度远大于切削深度，因此可以将三维模型简化为二维。根据有限元法在传热学中的应用，可以建立直角切削条件下无内热源非稳态温度场的微分方程：为刀具材料的密度；c为材料比热容；T/为介质温度，可设为20°c.由有限元的变分法原理，求解式（）即求泛函数的极值，因此根据欧拉方程：（2）根据边界条件的不同可以求得其泛函数为：知初始温度值矩阵；At为时间间隔。由以上公式就可求出时间间隔为At的各时刻的温度场。
 
2切削加工过程的模拟本文建立的直角切削模型如所示。在切削模拟时，将刀具固定，使工件以切削速度相对于刀具移动。刀具从初始位置开始切入工件，随着刀具不断地切入，连续切屑形成，直到切削达到稳定状态。有限元模拟时将刀具和工件进行网格划分，将刀具分成762个单元，工件单元划分随切削过程的进行使用自适应划分网格。
 
本文按照所提供的刀具几何参数以及切削条件对45钢进行了切削加工模拟，如表所示。切削速度为300m /min条件下，改变刀具前角以及进给量，分别得出在不同情况下刀具温度场的分布情况。
 
方。由于刀具的高切削温度离切削刃有一定距离，在高压、高温的作用下，刀具前刀面极易形成月牙洼磨损。
 
22刀具前角对切削温度的影响在切削加工过程中，切削温度的升高主要是由于局部的能量消耗引起的。切削温度随着前角的大而降低，这主要是因为前角大，改善了刀具前刀面的摩擦和切屑的变形状态，加强了刀具的切割作用，使得单位切削力下降，从而降低了切削温度。但是，前角过大，会使刀具的楔角过小，从而使刀刃的散热面积和容热体积减小，因此并不是刀具的前角越大越好。
 
所示的是刀具前角Y分别为-0°、5°、5°、20时刀具的温度场分布情况。可以看出，在切削达到稳定状态后刀具高温度随着前角的大而减小，其分布如所示。
 
3进给量对切削温度的影响随着进给量的加，使得单位时间内刀具的切削量成比例地大，切削温度上升，但是切屑所带走的剪切热和摩擦热亦加，所以刀具温度上升比较缓慢，如所示。
 
刀具温度随进给量变化分布3结论与展望本文采用弹塑性有限元方法中的Lagrange法对金属的直角切削过程进行了模拟，并分析了刀具在切削时温度场的分布情况，以及前角对刀具温度分布的影响，所得的结果与传统切削理论相符。其模拟结果可以指导切削条件的合理确定、刀具几何参数及切削用量的合理选择、提高刀具寿命、降低生产成本。
 
金属切削加工过程涉及到弹、塑性变形、断裂、剧烈摩擦、相变以及刀具磨损等，这些现象是相互影响，相互关联的。尽管切削加工的有限元模拟与实际相比还有一些不足，但是该项技术己成为今后发展的主要方向。