基于ANSYS車削加工中切削熱對工件變形的分析

孫 瑩

(東北電力大學(xué) 工程訓(xùn)練教學(xué)中心，吉林 吉林 132012)

基于ANSYS車削加工中切削熱對工件變形的分析

孫 瑩

(東北電力大學(xué) 工程訓(xùn)練教學(xué)中心，吉林 吉林 132012)

切削熱是影響零件加工誤差的一個主要因素，同時也影響零件的表面質(zhì)量。對Φ50長100 mm的45#棒料進行實驗，得到工件不同長度下對應(yīng)節(jié)點的各個變形量，通過理論計算和有限元仿真的方法比較了工件在切削熱下的變形，分析兩者的數(shù)據(jù)得到了工件受切削熱引起的變形誤差曲線，相對誤差在5%以內(nèi)，從而驗證了有限元方法的有效性。

切削熱；加工誤差；變形量；有限元仿真

切削溫度與切削熱一直都是金屬切削理論研究的重點與難點，切削熱的傳遞規(guī)律和控制問題長期以來受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1]。美國Ohio State University工程研究中心采用模擬仿真與實驗結(jié)合的方法研究切削熱，認為80%左右熱量由切屑變形產(chǎn)生，18%產(chǎn)生在切屑與刀具接觸面上，2%產(chǎn)生在刀刃上[2]。工藝系統(tǒng)在摩擦熱、切削熱、環(huán)境溫度、熱輻射等多種熱源的作用下，發(fā)生熱脹冷縮產(chǎn)生熱變形，影響工件與刀具的正確位移，進而影響零件的加工誤差[3-5]。尤其在精密加工中，由于熱變形引起的加工誤差占加工總誤差的40%-70%。其中，切削熱是影響零件加工誤差的一個主要因素。因為切削熱以及由它產(chǎn)生的切削溫度，直接影響了刀具的磨損和使用壽命，同時也影響零件的加工誤差和表面質(zhì)量。因此，研究切削熱對加工精度影響具有很重要的意義。

工件在切削過程中的熱變形一般分兩種情況：

(1)均勻受熱或可以看作均勻受熱；

(2)不均勻受熱。

以Φ50長100 mm的45#棒料為基礎(chǔ)車削一個軸類零件來做實驗，可以看作切削熱比較均勻地傳入工件。因此，可根據(jù)其平均溫升來估算其熱變形。

1 工件熱變形的理論計算

形狀較簡單的軸類零件的外圓加工時，切削熱比較均勻地傳入工件。如不考慮工件溫升后的散熱，其溫度在沿工件全長和沿圓周上都是比較一致的，熱變形也比較均勻。因此，可根據(jù)其平均溫升來估算其熱變形。工件獲得的熱量為[6-8]

Q=Pzvτk ，

(1)

式中：Pz為主切削力，N；v為切削速度，m/s；τ為切削時間，s；k為切削熱中傳到工件中的百分比。

工件與周圍空間的溫差不大，通過對流、輻射而散失的熱量，可用以下公式進行估算，即：

Q′=asAΔt ，

式中：Q′為工件的散熱量，w；as為工件的表面散熱系數(shù)，W/m2·℃；A為工件散熱表面的面積，m2；Δt為工件與周圍空間的溫差，℃。

實際上，工件各點的溫度常常是不同的，故各點與周圍空間的溫差也就不同。為把問題簡化而假定工件是等溫體，即各點的溫度是均勻的。

由工件傳入的熱量等于散失的熱量時，則

Pzvτk=asAΔt ，

在加工過程中，工件一般不易達到熱平衡狀態(tài)，其升溫Δt可用下式進行粗略估算，忽略工件向四周散失的熱量，即：

Pzvτk=cmΔt ，

(2)

式中： c為刀具的比熱，J/kg·℃；m為工件的質(zhì)量，m=ρνkg；ν為工件的體積，mm3；ρ為工件的比熱容，J/kg·℃。

所以，工件溫升為

(3)

工件直徑或長度的熱伸長量為

(4)

式中： a為工件熱膨脹系數(shù)，1/℃；D為工件待加工表面直徑，mm；d為工件直徑或長度，mm。

根據(jù)公式(4)可計算出工件直徑或長度的熱伸長，對于一般工件，因軸向尺寸精度要求大多低于徑向尺寸精度要求，故影響不大。

2 加工誤差的理論預(yù)測與有限元仿真的對比分析

在進行有限元分析前首先需要建立針對具體問題的有限元模型，能否建立準(zhǔn)確而合理的有限元模型，直接關(guān)系到有限元分析的結(jié)果是否正確[9]，進行切削熱變形有限元分析時首先建立有限元模型，定義單元類型和材料屬性[10]，然后加載求解。通過ANSYS的通用后處理器，提取切削過程中部分節(jié)點受熱的變形數(shù)值。通過理論計算和有限元仿真分析，可以得到工件不同長度下對應(yīng)節(jié)點的各個變形量，對Φ50長100 mm的45#棒料進行了計算數(shù)值和仿真數(shù)值的對比分析。表1為計算數(shù)值和有限元仿真數(shù)值的比較，圖2反映了計算結(jié)果B和有限元仿真結(jié)果C的變化趨勢，相對誤差在5%以內(nèi)，這個模擬結(jié)果是可以接受的，從而驗證了有限元方法的有效性。

表1 工件受熱變形的計算數(shù)值和有限元仿真的數(shù)值

圖1 X軸為工件軸距，Y軸為變形

3 結(jié) 語

針對切削熱對加工誤差的影響，對工件受切削熱引起的熱變形做了系統(tǒng)的分析，以Φ50長100 mm的45#棒料為基礎(chǔ)車削一個軸類零件做實驗，提取切削過程中部分節(jié)點受熱的變形數(shù)值，進行了計算數(shù)值和有限元仿真數(shù)值的對比分析，得出了工件受切削熱引起的變形誤差曲線，從該曲線中可以看出計算結(jié)果和有限元仿真結(jié)果的變化趨勢是一致的，相對誤差在5%以內(nèi)，從而進一步驗證了ANSYS有限元仿真結(jié)果的精確性，對以后的車削實踐具有一定的指導(dǎo)作用。

[1] 楊瀟，曹華軍，陳永鵬，張成龍.機床加工系統(tǒng)切削熱全過程傳遞模型研究[J].制造技術(shù)與機床，2015，26(1)：66-71.

[2] 何振威，全燕鳴，樂有樹.基于有限元模擬的高速切削中切削熱的研究[J].工具技術(shù)，2006，40(3)：60-63.

[3] 關(guān)耀奇.熱變形對精密加工的影響與控制[J].機械研究與應(yīng)用，2001，14(2)：13-15.

[4] 梁允奇.機械制造中的傳熱與熱變形基礎(chǔ)[M].機械工業(yè)出版社，1982：57-58.

[5] 李明艷.高速切削溫度場的有限元數(shù)值模擬[D].青島：山東科技大學(xué)，2005.

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[7] 劉旺玉，張勇，李靜，劉鑫堏.高速切削分配的有限元模擬[J].工具技術(shù)，2009，43(8)：14-17.

[8] 杜宏益，何林，趙先鋒.用于ANSYS切削溫度場仿真的刀具傳熱邊界分析[J].工具技術(shù)，2015，49(4)：12-15.

[9] 葛瑋，左言言，沈哲.車身有限元簡化建模與幾何清理研究[J].拖拉機與農(nóng)用運輸車，2009，36(4)：97-99.

[10] 汪世益，滿忠偉，方勇.回轉(zhuǎn)支承加工裝夾布點與熱變形誤差分析[J].加工制造，2010，4(26)：96-99.

A Research on the Effect of Cutting Heat to the Workpiece Deformation in Lathe Machining Based on ANSYS

SUN Ying

(The Engineering Training Teaching Center，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012)

Cutting heat is a major factor in affecting the processing errors of parts，as well as the surface quality of parts.The author conducted an experiment on 45#bar stock of 50x100，and then got the deformation of the corresponding pitch point in the different length of workpiece.Comparing the deformation of the workpiece in the cutting heat through theoretical calculations and finite element simulation，the author obtained the deformation error curve in cutting heat condition by analyzing the data.If the relative error is within 5%，the simulation result is acceptable.Accordingly，the author verified the effectiveness of the finite element method.

Cutting heat；Processing error；Deformation；Finite element simulation

2016-05-18

孫 瑩(1973-)，女，吉林省吉林市人，東北電力大學(xué)工程訓(xùn)練中心實驗師，碩士，主要研究方向：數(shù)控教學(xué)與研究.

1005-2992(2016)06-0064-03

G642.44

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