技术领域
[0001] 本
发明涉及整体式平头立铣刀领域，特别是涉及一种整体式平头立铣刀前刀面的瞬时温度确定方法及系统。
背景技术
[0002]
钛合金具有良好的比强度、比
刚度、耐热性、耐
腐蚀性，所有广泛应用在航空、航天、
能源、建筑和军事等领域。钛合金的导热率低，因而
铣削加工钛合金时，铣刀和钛合金
工件之间会产生大量的切削热，瞬间导致铣刀温度急剧上升，从而加剧铣刀磨损。切削温度的变化会直接影响工件表面的
质量和加工
精度，所以对铣刀温度的研究尤为重要。
[0003]
现有技术中针对平面周铣加工提出了一个刀-屑
接触面平均温度解析计算的预报模型，并通过
热电偶测量得到硬质合金铣刀前刀面的平均瞬态温度来验证模型的有效性。采用有限差分法建立直齿铣削加工过程中确定刀具温度分布的数值模型。应用有限元法对高速铣削
铝合金薄壁件过程中的工件与刀具接触面温度及工件内部的温度分布进行了仿真。采用移动热源法，考虑真实的铣削加热和冷却时间，建立了符合高速铣削特点的有限元温度仿真模型。难切削材料铣削过程中刀-屑接触面的温度和热分配，利用单根热电偶被用来测量工刀-屑接触面的温度，采用响应面法对刀-屑接触面的热量分配比进行优化。还提出了一种考虑
后刀面摩擦因素来描述端铣加工中工件温度循环变化的热模型，从理论和实验上表明了不同加工条件、后刀面磨损宽度和刀具
位置对工件温度变化的影响。并且实现了工件温度变化的精确仿真，
算法的计算时间明显短于有限元法。采用半解析的方法首次考虑了铣刀底刃对于切削温度的影响的情况下建立了一种新的端面铣削热模型，模型仿真结果和实验结果表明，温度场对不同钴粘结浓度的WC刀具的扩散磨损有非常重要的影响。
采用一系列有限元数值仿真和实验并且考虑尺寸效应，开展了切削热对于微端铣加工
铝合金过程影响的研究，发现随着刀尖半径的增加，刀刃上的平均切削温度会降低。考虑第一
变形区的剪切热源和第二变形区的刀屑摩擦热源，提出了基于有限差分技术建立的数值分析方法的刀具温度场，发现
碳化钨刀具在铣削加工时，刀具中钴含量对于其后刀面磨损影响较明显。
[0004] 根据目前
机械加工中刀具温度建模研究现状，研究工作主要集中在具有断续加工特点的可转位铣刀温度建模，没有涉及对于螺旋刃立铣刀前刀面瞬态温度场建模的相关研究，无法准确地确定铣刀前刀面的温度场。
发明内容
[0005] 本发明的目的是提供一种能够准确确定铣刀前刀面的温度场的整体式平头立铣刀前刀面的瞬时温度确定方法及系统。
[0006] 为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
[0007] 一种整体式平头立铣刀前刀面的瞬时温度确定方法，所述确定方法包括：
[0008] 将
坐标系XYZ转换到铣刀前刀面对应的坐标系X'Y'Z'；
[0009]
[0010] 其中，γn为法向前
角，lc为刀屑接触长度；
[0011] 建立所述铣刀与工件之间的瞬时接触角θ的模型；
[0012] 在所述铣刀加工所述工件过程中，两者均未变形和振动，切削刃每次铣削均从距离已加工表面处切入的条件下，建立未变形切屑厚度h模型；
[0013] 根据所述未变形切屑厚度h模型计算未变形切屑厚度h；
[0014] 建立第一变形区热源对所述铣刀前刀面产生温升影响的温度场模型，获得第一温度场模型，所述第一变形区热源为所述切屑在剪切面内的剪切滑移中产生的热量；
[0015] 建立第二变形区热源对所述铣刀前刀面产生温升影响的温度场模型，获得第二温度场模型，所述第二变形区热源为所述切屑与所述铣刀的前刀面接触产生的热量；
[0016] 建立铣刀前刀面对应的坐标系X'Y'Z'下的温度场模型，获得铣刀前刀面温度场模型；
[0017] 根据所述第一温度场模型、所述第二温度场模型和所述铣刀前刀面温度场模型计算所述铣刀前刀面的瞬时温度。
[0018] 可选的，所述建立所述铣刀与工件之间的瞬时接触角θ的模型具体包括：
[0019] 将所述铣刀沿着轴向切削方向离散为m个厚度为dz＝Ap/m的圆片，Ap为铣削深度，当每个所述圆片的厚度足够小时，
螺纹为直线BD，以所述直线BD为斜边，建立直角三角形ABD，
水平方向的直角边为AB，竖直方向的直角边为AD；
[0020]
[0021]
[0022]
[0023] 根据公式(2)、(3)、(4)计算所述铣刀与工件之间的瞬时接触角θ；
[0024] 其中，Ap为铣削深度，β为所述铣刀的
螺旋角，R为所述铣刀的半径。
[0025] 可选的，所述建立未变形切屑厚度h模型具体包括：
[0026] 切削刃每次铣削均从距离已加工表面处切入
[0027] 其中，
[0028]
[0029] 其中，
[0030]
[0031] 其中，vf为进给速度，Ae为铣削宽度，fz为每齿进给量，z为铣刀刃数，n为机床转速，θen为切入角，θex为切出角，R为所述铣刀的半径，∠XOD为未变形切屑厚度达到最大时的铣刀切入角度。
[0032] 可选的，所述建立第一变形区热源对所述铣刀前刀面产生温升影响的温度场模型，获得第一温度场模型具体包括：
[0033] 建立第一变形区原生热源点dl与所述第一变形区原生热源点的镜像热源点dl'对沿着X方向上任意点PI(0,0,z)的温升模型，分别计算第一变形区原生热源点的温度升高值ΔTI(x,0,z)和所述镜像热源点的温度升高值ΔTI'(x,0,z)；
[0034]
[0035]
[0036]
[0037] 计算沿着X方向上所述第一变形区的任意点PI(0,0,z)的温度升高值ΔTrake-I(0,0,z)；
[0038] ΔTrake-I(x,0,z)＝ΔTI(x,0,z)+ΔTI'(x,0,z) (9)
[0039] 其中，λt为所述铣刀的热导率，h(θ)为未变形切屑厚度，φn法向剪切角，ηc为切屑流出角，αw为所述工件的热扩散率，l为所述第一变形区原生热源点dl到原点(0,0,0)的距离；K0为第二类修正贝塞尔函数的零阶，Rl为所述第一变形区原生热源的热源点dl到点PI(x,0,0)的距离，R’l为所述第一变形区镜像热源的热源点dl到点PI(x,0,0)的距离；
[0040] 建立的第一变形区热强度qI模型
[0041]
[0042]
[0043] Vsh＝Vcosλs (12)
[0044] 其中，τABCD-max为剪切面ABCD的极限剪切应
力，σABCD为剪切面ABCD的屈服
应力，A为参考应变率和参考温度下的初始屈服应力，B为所述工件的应变硬化模量，εABCD-P为剪切面ABCD的有效塑性应变，n为所述工件的应变硬化指数，C为所述工件的应变率强化参数，为剪切面ABCD的有效塑性应变率， 为参考应变率，T为当前温度，Tr为参考温度，Tm为所述工件的
熔化温度，m为所述工件的热
软化指数，Vsh为第一变形区热源的运动速度，V为切削速度，λs为刃倾角。
[0045] 可选的，所述建立第二变形区热源对所述铣刀前刀面产生温升影响的温度场模型，获得第二温度场模型具体包括：
[0046] 建立第二变形区原生热源点与第二变形区镜像热源点对沿着X'方向上任意点PII(x',0,0)的温度升高模型，分别计算所述第二变形区原生热源点的温升ΔTII(x',0,0)和所述第二变形区镜像热源点ΔTII'(x',0,0)；
[0047]
[0048]
[0049]
[0050] 计算沿着X'方向上所述第二变形区热源内的任意点PII(x',0,0)的温升ΔTrake-II(x',0,0)；
[0051] ΔTrake-II(x',0,0)＝ΔTII(x',0,0)+ΔTII'(x',0,0) (16)
[0052] 其中，lc(θ)为不同瞬时接触所对应的切屑长度，nr为所述铣刀前刀面的应变硬化指数，Ri-2为所述第二变形区热源点到点PII(x',0,0)的距离，Ri-2'为所述第二变形区热源的镜像热源上的热源点到点PII(x',0,0)的距离，w为斜角
车削宽度，λs为刃倾角，w′为斜角车削宽度沿着切削刃方向上的分量；
[0053] 建立所述第一变形区热强度qI模型；
[0054]
[0055]
[0056]
[0057] Achip(θ)＝lc(θ)wc (20)
[0058]
[0059] 其中，σs-w为工件材料的屈服应力，ηc为切屑流出角，frake-chip(θ、x′)为刀屑接触面之间的
摩擦力，σn-r(θ、x′)为铣刀与工件之间的瞬时接触角为θ、坐标为x′时的前刀面上的正应力，σtip为所述铣刀的刀尖处的正应力，V为切削速度，Vc为切屑运动速度，为所述铣刀和所述切屑接触面平均摩擦角，Achip(θ)为所述铣刀和所述切屑接触面积，wc为切屑宽度，ζ为决定刀屑接触面压力分布的系数，φn为法向剪切角；
[0060] 计算第二变形区热源流向前刀面的热量分配比
[0061]
[0062] 其中，αw为所述工件的热扩散率，λt为所述铣刀的热导率，λw为工件材料导热系数，CB为计算BII-rake(θ)公式中的系数。
[0063] 可选的，所述建立铣刀前刀面对应的坐标系X'Y'Z'下的温度场模型，获得铣刀前刀面温度场模型具体包括：
[0064] 计算所述建立铣刀前刀面对应的坐标系X'Y'Z'下沿着X'方向上任意点P(x'，0，0)的温度Trake(x',0,0)
[0065] Trake(x',0,0)＝ΔTrake-I(lc+Z,0,0)+ΔTrake-II(x',0,0)+T0 (23)[0066] 其中，T0为切削前铣刀前刀面的初始温度。
[0067] 一种整体式平头立铣刀前刀面的瞬时温度确定系统，所述确定系统包括：
[0068] 坐标系建立模
块，用于将坐标系XYZ转换到铣刀前刀面对应的坐标系X'Y'Z'；
[0069] 瞬时接触角模型建立模块，用于建立所述铣刀与工件之间的瞬时接触角θ的模型；
[0070] 未变形切屑厚度模型建立模块，在所述铣刀加工所述工件过程中，两者均未变形和振动，切削刃每次铣削均从距离已加工表面处切入的条件下，建立未变形切屑厚度h模型；
[0071] 未变形切屑厚度计算模块，用于根据所述未变形切屑厚度h模型计算未变形切屑厚度h；
[0072] 第一温度场模型建立模块，用于建立第一变形区热源对所述铣刀前刀面产生温升影响的温度场模型，获得第一温度场模型，所述第一变形区热源为所述切屑在剪切面内的剪切滑移中产生的热量；
[0073] 第二温度场模型建立模块，用于建立第二变形区热源对所述铣刀前刀面产生温升影响的温度场模型，获得第二温度场模型，所述第二变形区热源为所述切屑与所述铣刀的前刀面接触产生的热量；
[0074] 铣刀前刀面温度场模型建立模块，用于建立铣刀前刀面对应的坐标系下的温度场模型，获得铣刀前刀面温度场模型；
[0075] 瞬时
温度计算模块，用于根据所述第一温度场模型、所述第二温度场模型和所述铣刀前刀面温度场模型计算所述铣刀前刀面的瞬时温度。
[0076] 根据本发明提供的具体
实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明公开了一种整体式平头立铣刀前刀面的瞬时温度确定方法及系统，采用分别对第一变形区热源和第二变形区热源的温度场模型的建立，提高了切削过程中的铣刀温度监测的准确性，延长了所述铣刀的使用寿命，同时提高了加工工件表面的质量和加工的精度。
附图说明
[0077] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0078] 图1为本发明提供的整体式平头立铣刀前刀面的瞬时温度确定方法的
流程图；
[0079] 图2为本发明提供的第一变形区热源和第二变形区热源的热量分布示意图；
[0080] 图3为本发明提供的所述铣刀微元刀刃示意图；
[0081] 图4为本发明提供的未变形切屑厚度示意图；
[0082] 图5为本发明提供的第一变形区热源示意图；
[0083] 图6为本发明提供的第二变形区热源示意图；
[0084] 图7为本发明提供的所述铣刀前刀面瞬态温度场的示意图；
[0085] 图8为本发明提供的所述铣刀前刀面瞬态温度场随铣销时间变化示意图；
[0086] 图9为本发明提供的整体式平头立铣刀前刀面的瞬时温度确定系统的组成
框图。
具体实施方式
[0087] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0088] 本发明的目的是提供一种能够准确确定铣刀前刀面的温度场的整体式平头立铣刀前刀面的瞬时温度确定方法及系统。
[0089] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0090] 如图1所示，一种整体式平头立铣刀前刀面的瞬时温度确定方法，所述确定方法包括：
[0091] 步骤100：将坐标系XYZ转换到铣刀前刀面对应的坐标系X'Y'Z'；
[0092]
[0093] 其中，γn为法向前角，lc为刀屑接触长度；
[0094] 步骤200：建立所述铣刀与工件之间的瞬时接触角θ的模型；
[0095] 步骤300：在所述铣刀加工所述工件过程中，两者均未变形和振动，切削刃每次铣削均从距离已加工表面处切入的条件下，建立未变形切屑厚度h模型；
[0096] 步骤400：根据所述未变形切屑厚度h模型计算未变形切屑厚度h；
[0097] 步骤500：建立第一变形区热源对所述铣刀前刀面产生温升影响的温度场模型，获得第一温度场模型，所述第一变形区热源为所述切屑在剪切面内的剪切滑移中产生的热量；
[0098] 步骤600：建立第二变形区热源对所述铣刀前刀面产生温升影响的温度场模型，获得第二温度场模型，所述第二变形区热源为所述切屑与所述铣刀的前刀面接触产生的热量；
[0099] 步骤700：建立铣刀前刀面对应的坐标系X'Y'Z'下的温度场模型，获得铣刀前刀面温度场模型；
[0100] 步骤800：根据所述第一温度场模型、所述第二温度场模型和所述铣刀前刀面温度场模型计算所述铣刀前刀面的瞬时温度。
[0101] 所述建立所述铣刀与工件之间的瞬时接触角θ的模型具体包括：
[0102] 如图3所示，将所述铣刀沿着轴向切削方向离散为m个厚度为dz＝Ap/m的圆片，Ap为铣削深度，当每个所述圆片的厚度足够小时，螺纹为直线BD，以所述直线BD为斜边，建立直角三角形ABD，水平方向的直角边为AB，竖直方向的直角边为AD；
[0103]
[0104]
[0105]
[0106] 根据公式(2)、(3)和(4)计算所述铣刀与工件之间的瞬时接触角θ；
[0107] 其中，Ap为铣削深度，β为所述铣刀的螺旋角，R为所述铣刀的半径。
[0108] 如图4所示，所述建立未变形切屑厚度h模型具体包括：
[0109] 切削刃每次铣削均从距离已加工表面处切入
[0110] 其中，
[0111]
[0112] 其中，
[0113]
[0114] 其中，vf为进给速度，Ae为铣削宽度，fz为每齿进给量，z为铣刀刃数，n为机床转速，θen为切入角，θex为切出角，R为所述铣刀的半径，∠XOD为未变形切屑厚度达到最大时的铣刀切入角度。
[0115] 如图2、图5和图6所示，所述建立第一变形区热源对所述铣刀前刀面产生温升影响的温度场模型，获得第一温度场模型具体包括：
[0116] 建立第一变形区原生热源点dl与所述第一变形区原生热源点的镜像热源点dl'对沿着X方向上任意点PI(0,0,z)的温升模型，分别计算第一变形区原生热源点的温度升高值ΔTI(x,0,z)和所述镜像热源点的温度升高值ΔTI'(x,0,z)；
[0117]
[0118]
[0119]
[0120] 计算沿着X方向上所述第一变形区的任意点PI(0,0,z)的温度升高值ΔTrake-I(0,0,z)；
[0121] ΔTrake-I(x,0,z)＝ΔTI(x,0,z)+ΔTI'(x,0,z) (9)
[0122] 其中，λt为所述铣刀的热导率，h(θ)为未变形切屑厚度，φn法向剪切角，ηc为切屑流出角，αw为所述工件的热扩散率，l为所述第一变形区原生热源点dl到原点(0,0,0)的距离；K0为第二类修正贝塞尔函数的零阶，Rl为所述第一变形区原生热源的热源点dl到点PI(x,0,0)的距离，R’l为所述第一变形区镜像热源的热源点dl到点PI(x,0,0)的距离；
[0123] 建立的第一变形区热强度qI模型
[0124]
[0125]
[0126] Vsh＝Vcosλs (12)
[0127] 其中，τABCD-max为剪切面ABCD的极限
剪切应力，σABCD为剪切面ABCD的屈服应力，A为参考应变率和参考温度下的初始屈服应力，B为所述工件的应变硬化模量，εABCD-P为剪切面ABCD的有效塑性应变，n为所述工件的应变硬化指数，C为所述工件的应变率强化参数，为剪切面ABCD的有效塑性应变率， 为参考应变率，T为当前温度，Tr为参考温度，Tm为所述工件的熔化温度，m为所述工件的热软化指数，Vsh为第一变形区热源的运动速度，V为切削速度，λs为刃倾角。
[0128] 所述建立第二变形区热源对所述铣刀前刀面产生温升影响的温度场模型，获得第二温度场模型具体包括：
[0129] 建立第二变形区原生热源点与第二变形区镜像热源点对沿着X'方向上任意点PII(x',0,0)的温度升高模型，分别计算所述第二变形区原生热源点的温升ΔTII(x',0,0)和所述第二变形区镜像热源点ΔTII'(x',0,0)；
[0130]
[0131]
[0132]
[0133] 计算沿着X'方向上所述第二变形区热源内的任意点PII(x',0,0)的温升ΔTrake-II(x',0,0)；
[0134] ΔTrake-II(x',0,0)＝ΔTII(x',0,0)+ΔTII'(x',0,0) (16)
[0135] 其中，lc(θ)为不同瞬时接触所对应的切屑长度，nr为所述铣刀前刀面的应变硬化指数，Ri-2为所述第二变形区热源点到点PII(x',0,0)的距离，Ri-2'为所述第二变形区热源的镜像热源上的热源点到点PII(x',0,0)的距离，w为斜角车削宽度，λs为刃倾角，w′为斜角车削宽度沿着切削刃方向上的分量；
[0136] 建立所述第一变形区热强度qI模型；
[0137]
[0138]
[0139]
[0140] Achip(θ)＝lc(θ)wc (20)
[0141]
[0142] 其中，σs-w为工件材料的屈服应力，ηc为切屑流出角，frake-chip(θ、x′)为刀屑接触面之间的摩擦力，σn-r(θ、x′)为铣刀与工件之间的瞬时接触角为θ、坐标为x′时的前刀面上的正应力，σtip为所述铣刀的刀尖处的正应力，V为切削速度，Vc为切屑运动速度，为所述铣刀和所述切屑接触面平均摩擦角，Achip(θ)为所述铣刀和所述切屑接触面积，wc为切屑宽度，ζ为决定刀屑接触面压力分布的系数，φn为法向剪切角；
[0143] 如图7和图8所示，计算第二变形区热源流向前刀面的热量分配比
[0144]
[0145] 其中，αw为所述工件的热扩散率，λt为所述铣刀的热导率，λw为工件材料导热系数，CB为计算BII-rake(θ)公式中的系数。
[0146] 所述建立铣刀前刀面对应的坐标系X'Y'Z'下的温度场模型，获得铣刀前刀面温度场模型具体包括：
[0147] 计算所述建立铣刀前刀面对应的坐标系X'Y'Z'下沿着X'方向上任意点P(x'，0，0)的温度Trake(x',0,0)
[0148] Trake(x',0,0)＝ΔTrake-I(lc+Z,0,0)+ΔTrake-II(x',0,0)+T0 (23)[0149] 其中，T0为切削前铣刀前刀面的初始温度。
[0150] 如图9所示，一种整体式平头立铣刀前刀面的瞬时温度确定系统，所述确定系统包括：
[0151] 坐标系建立模块1，用于将坐标系XYZ转换到铣刀前刀面对应的坐标系X'Y'Z'；
[0152] 瞬时接触角模型建立模块2，用于建立所述铣刀与工件之间的瞬时接触角θ的模型；
[0153] 未变形切屑厚度模型建立模块3，在所述铣刀加工所述工件过程中，两者均未变形和振动，切削刃每次铣削均从距离已加工表面处切入的条件下，建立未变形切屑厚度h模型；
[0154] 未变形切屑厚度计算模块4，用于根据所述未变形切屑厚度h模型计算未变形切屑厚度h；
[0155] 第一温度场模型建立模块5，用于建立第一变形区热源对所述铣刀前刀面产生温升影响的温度场模型，获得第一温度场模型，所述第一变形区热源为所述切屑在剪切面内的剪切滑移中产生的热量；
[0156] 第二温度场模型建立模块6，用于建立第二变形区热源对所述铣刀前刀面产生温升影响的温度场模型，获得第二温度场模型，所述第二变形区热源为所述切屑与所述铣刀的前刀面接触产生的热量；
[0157] 铣刀前刀面温度场模型建立模块7，用于建立铣刀前刀面对应的坐标系下的温度场模型，获得铣刀前刀面温度场模型；
[0158] 瞬时温度计算模块8，用于根据所述第一温度场模型、所述第二温度场模型和所述铣刀前刀面温度场模型计算所述铣刀前刀面的瞬时温度。
[0159] 本
说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0160] 本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
