DEFROM-3D冷风切削加工过程三维建模与仿真(2)

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第三章三维切削有限元模型的建立 17

3.1 有限元软件DEFORM-3D的简介 17

3.2 刀具与材料模型的建立 19

3.4 模拟条件的设定 20

3.5 程序模拟 20

第四章冷风切削仿真结果分析 22

4.1 有限元模拟冷风切削的温度变化规律 22

4.1.1 不同冷风温度下的刀具温度变化 23

4.1.2 不同切削速度下的刀具温度变化 25

4.2 有限元模拟冷风切削主切削力变化规律 26

4.3 切屑的分析 27

结论与展望 29

总结 29

展望 29

致谢 31

参考文献 32

第一章绪论

1.1 冷风切削技术的发展应用及课题

1.1.1 金属切削基本技术的进步

机床、刀具及冷却条件是金属切削加工过程所必须的三个基本条件，也称为金属切削三素。尽管它们的发展很不平衡，却相互依存，直接影响到金属切削加工业的技术进步与生产效率。机床制造技术的发展，从皮带传动向带刚性传动链通用设备开始，经历了适合大批量单一品种生产使用的专用设备及适合大批量多品种混流生产使用的柔性、高速、高效加工设备的发展过程。数十年来，机床的结构、性能都伴随着先进制造技术的应用发生着革命性的变化。为了满足用户需求、适应机床结构的调整，现代刀具制造技术的研究大致从刀具材料、刀具结构、刀具几何角度、切削用量的合理优选以及刀具表面处理技术等几个方面展开，确实有效地提高了现代刀具的切削性能。随着数字化控制技术的进步，数控机床改变了机床的传统结构，缩短刚性传动链，专用设备的逐步退潮，标志着金属切削加工业已经或正在进入柔性、高速、高效加工的新时代。然而，作为金属切削加工的重要一环，冷却条件的技术发展却相对滞后。在现代装备单位时间金属切除量成倍增加、产能大幅度提高的同时，也加大了切削剂对环境的污染。切削剂是金属切削加工业的主要污染源，这些有害液体的随意排放，粘附切削剂的切屑暴露在空气中，加工时的飞溅、升腾，长时间的泄漏，最终污染到饮用水源、土地和空气，破坏生态环境，严重影响人类键康。长期使用切削剂也给企业增添负担。为此，这问题引起了各国的高度重视。为了解决上述问题，上世纪 90年代中期，国上制订了非常严格的环境标准，并加大了对切削剂污染的处罚力度。随着大量政府拨款及民间研究资金的到位，以庞大的市场需求为动力，围绕干式切削及设备清洁化的研究工作非常活跃。大量研究及应用成果已经证明合理改善冷却条件，不仅清洁也样能够大幅度提高加工性能，起到事半功倍的效果现在，柔性化的绿色、高速、高效、清洁加工设备的研究已成为金属切削加工业的一个主要课题。

1.1.2 低温空气代替切削剂

用低温空气代替切削剂，是改善冷却条件的新办法。目前改善冷却条件的措施主要是：大流量使用冷却剂。过去的观念认为：切削效率越高、切削温升越高，就必须加大冷却剂的用量。但全新的观念认为：冷却剂主要是冷却在切屑上的，它的大量使用不仅污染环境，并且还会对刀具切削点造成不必要的损害，滥用冷却剂并不能获得最佳的冷却、润滑效果。这是因为切削剂的热容量比空气大得多，瞬时散热速度快，由于膜态沸腾和离心力的作用，切削剂很难连续地注入切屑与刀刃、刀刃与工件相接触部的狭窄空问，容易对刀具材料构成较强的热冲击得不到连续的润滑效果。美国密西根工艺大学的研究发现：“当切削速度达到V=130m／min以上时，如果向切削区大量加注冷却剂就会出现加注过程没有连续性和切削点冷却不均的现象，刀具的刃尖会产生不规则的冷热交替变化，形成热冲击，损害刀具的使用”。由此说明，大量使用切削剂并没有起到连续而有效的冷却和润滑作用。