超声振动辅助车削切削温度场分析

２０１０年第４４卷№７

超声振动辅助车削切削温度场分析

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石新华，李志，邵华

上海交通大学

摘要：通过数值模拟的方法研究了超声辅助振动车削中刀具温度场分布及切削热变化规律，并对仿真结果进行了试验验证。利用红外温度传感器测量了超声辅助振动切削过程中刀具前刀面上不同位置的温度值，该模拟反应了刀具的温度场分布，试验结果验证了仿真结果的准确性。

关键词：超声振动车削；红外温度；数值模拟；温度场

中图分类号：ＴＧＳｌ；ＴＰ３９１．９文献标志码：Ａ

ＣｕｔｔｉｎｇＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＵｌｔｒａｓｏｎｉｃａｌｌｙＶｉｂｒａｔｉｏｎＡｓｓｉｓｔｅｄＴｕｒｎｉｎｇ

ＳｈｉＸｉｎｈｕａ，ＬｉＺｈｉ，ＳｈａｏＨｕａ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｏｆｃｕｔｔｉｎｇｔｏｏｌａｎｄｔｈｅｃｈａｎｓｅｏｆｃｕｔｔｉｎｇｈｅａｔｉｎＵｌｔｒａｓｏｎｉｃａｌｌｙＶｉｂｒａｔｉｏｎａｓｓｉｓｔｅｄＴｕｒｎｉｎｇ（ＵＶＴ）ａｒｅｓｔｕｄｉｅｄｆｒｏｍｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｄｅｓｃｒｉｂｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｏｆｃｕｔｔｉｎｇ

ｔｏｏｌｔｈｒｏｕｇｈｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ａｒｌｉｎｆｒａｒｅｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｅｎｓｏｒｉｓｕｓｅｄｔｏｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｃｈａｎｇｅｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｉｔｅｏｆｒａｋｅｆａｃｅ，ａｎｄｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｇｏｏｄａｇｒｅｅｍｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＵＶＴ：ｉｎｆｒａｒｅｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ

１引言

车削是一个复杂的热力耦合过程，金属材料的塑性变形及摩擦会产生大量的热。切削热会改变材料的属性，从而对切削力、刀具状态及工件表面粗糙度产生较大的影响¨Ｊ。如何降低切削温度，从而有效提高刀具寿命、降低表面粗糙度一直是金属切削领域重要研究课题之一旧Ｊ。

传统车削过程中，由于刀具与工件始终处于接触状态，所以切削区聚集了大量的切削热，这些切削热部分随切屑排出，但仍然有大量的切削热残留于刀尖与工件接触区。研究表明，将连续切削方式改为断续切削，使切削过程中刀具与切屑产生问断的瞬时分离，可降低切削热１３“Ｊ。这种加工方式被称为振动辅助切削加工。而当振动频率达到超声频域时，则为超声振动切削。

超声振动切削通常将一种振幅为１０—２０／ｍａ左右的高频振动施加在刀具上，当最大振动速度大于切削速度，切削方式由连续切削变为断续切削。试验研究表明，与传统车削相比，超声振动车削有很多的优点，如有效降低切削力【７。９ｊ、表面光洁度提高近５０％、刀具寿命提高近２０倍一Ｊ等。然而，超声振动切削如何能实现优良切削性能的机理，特别是超声振动车削切削温度的变化规律尚有待进一步探索。Ａｍｉｎｉ等人利用有限元仿真了振动车削的温度

收稿日期９２００９年加月场［１０］，但是他们的研究只能反映工件的温度及应力场变化，而不能反映刀具的温度场变化。本文拟基于数值模拟，探索超声振动辅助车削４５＃钢的过程，研究刀具的温度场和切削热变化规律，并进行试验验证。

２仿真建模

图１所示为基于ＭＳＣ．ＭＡＲＣ软件建立的二维振动车削的有限元模型，选取２×ｌｍｍ的长方形工件，仿真参数：车刀前角为ｌＯ。，后角为１５。，切削深度为０．１Ｂｉｎ。

图１二维振动车削有限元模型

在刀具上施加频率ｆ＝２０ｋＨｚ、振幅ａ＝１０ｗｎ的高频振动，由振动辅助车削技术１１１Ｊ可知超声振动车削的临界速度为ｚ）。：＝２７ｃ廊＝１．２５７ｍ／ｓ，为达到良好的断续切削效果，切削速度应小于临界速度的三分之一［１引。因此，仿真时取切削速度口＝０．３５ｍ／ｓ，即对工件施加０．３５ｍ／ｓ的速度。

Ｖｔｏｏｌ＝２７ａｆｓｉ．（２．）），其中厂＝２０ｋＨｚ，ａ＝１０ｔａｎ，

万方数据