一种用于脆性材料切削加工中切削热仿真计算的方法
专利汇可以提供一种用于脆性材料切削加工中切削热仿真计算的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种用于脆性材料切削加工中切削热仿真计算的方法，包括如下步骤：获取刀具的结构参数、陶瓷 工件 的材料特性；根据所获得的刀具结构参数、陶瓷工件的材料特性，在离散元 软件 中分别建立与实际相符的刀具、陶瓷工件离散元模型；再通过添加热交换 接触 模型、刀具的转速、切削深度、进给速度等条件，建立陶瓷工件切削加工的离散元仿真；通过离散元仿真研究陶瓷工件在切削加工时“切削 力 - 温度 场- 应力 场”的相互耦合作用规律。本发明利用离散元仿真技术研究陶瓷工件在切削加工条件下的热-力耦合作用规律，有利于进一步研究材料在切削加工时考虑热-力耦合情况下出现的裂纹扩展、表面损伤等响应行为。，下面是一种用于脆性材料切削加工中切削热仿真计算的方法专利的具体信息内容。
1.一种用于脆性材料切削加工中切削热仿真计算的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)分析刀具的形状、尺寸、角度等结构特征，并通过红外测温仪监测并获得切削过程中刀具表面温度的分布及其变化；
(2)脆性材料工件的材料特性参数的获取：通过技术手段(如超声扫描显微镜)分析脆性材料工件表面/亚表面常见缺陷(如微裂纹、孔洞)的尺寸、形状及密度分布，并对其进行参数化和特征化描述；
(3)基于步骤(1)所获得的刀具结构特征参数，使用折叠墙(wall)的方法建立刀具的二维离散元模型，并利用分段技术对组成刀具的墙进行分段处理；
(4)基于步骤(2)所获得的工件材料特性以及形貌特征，使用颗粒紧密堆积的方法建立脆性材料工件离散元模型，并对颗粒赋予接触键参数，生成脆性材料工件的BPM模型，并对其赋予初始温度场；
(5)基于步骤(1)所获得的刀具表面温度分布情况，对步骤(3)分段处理后的刀具模型中不同的墙(wall)施加动态温度条件，使其作为热边界，同时赋予刀具模型移动速度v，生成切削仿真过程中的热源移动模型；
(6)将刀具模型与脆性材料工件模型接触的区域定义为切削区(热源面)，该切削区(热源面)由切削所产生的热量为：
Qs＝Ft·vs·t0 (1)
其中Ft为切向切削力，vs为切削速度，t0为刀具经过一个完整切削区的时间；对切削过程进行仿真时，刀具与脆性材料工件之间、脆性材料工件内部颗粒与颗粒之间进行热交换；
(7)假定切削温度场服从三角形热源分布模型，得到切削加工条件下工件内任意点的温度为：
式中：ν-热源移动速度(cm/s)；
λ-热导率(W/m·K)；
a-热扩散率(cm2/s)；
K0(u)-零阶二类修正贝塞尔函数；
qm-热源强度， 其中q为切削接触区的总发热功率
(J/s)，ls为刀具与工件接触的长度，b为切削宽度，RW(RW＝0.4～0.6)为脆性材料工件的切削热分配系数；依照公式(2)对脆性材料工件模型施加动态温度场；
(8)分别设置切削刀具与脆性材料工件之间、脆性材料工件模型内部的热传导系数，该系数为热传导张量：
其中n为测量范围内的孔隙度，Nb为颗粒数量，Np为热管数量，V(b)为球的体积(b)，l(p)为测量范围内与球相关的热管长度(p)；如果球的质心位于测量范围内，则将其纳入计算范围；如果管道使用的两个颗粒均在测量范围内，则l＝L(管道长度)；如果测量范围内只有一个颗粒，则l＝LV1/(V1+V2)，其中V1和V2分别是测量范围内部和外部颗粒的体积；
此外，式(3)中 为沿管道(p)定向的单位法向矢量，η(p)为管道(p)的热阻，qi为热通量，且 Cv为恒热比容，T为温度，qv体积热源强度，t为时间，ρ为质量密度；
同时设置刀具与脆性材料工件之间的热扩散系数κ，计算公式为：
其中热扩散系数为：
(9)基于步骤(4)所建立的脆性材料工件模型，工件受热时产生的热应变通过考虑颗粒的热膨胀实现，通过设置颗粒的热膨胀系数α，便可实现脆性材料工件模型在受热下模型内部颗粒的热膨胀：
ΔR＝αRΔT (5)
式中：α-颗粒的热膨胀系数，且α为一个微观属性，但是可以由连续固体材料的宏观线性热膨胀系数αt来设定，即α＝αt；
R-颗粒半径；ΔT-温度增量；ΔR-颗粒半径增量；
由于平行粘结存在与和热接触相关的力接触，则通过假定只有粘结力向量的法向分量受温度变化的影响考虑粘结键的热膨胀；设想可以有效地改变粘结键长 的各向同性膨胀，则有：
式中： -粘结的法向刚度；
A-粘结键的横截面积；
-粘结材料的线性热膨胀系数(默认等于与粘结键相关的热管两端颗粒的线性热膨胀系数平均值)；
-粘结键长(等于与粘结键相关的热管两端颗粒的中心间距)；
ΔT-温度增量(等于与粘结键相关的热管两端颗粒的平均温度增量)；
(10)基于步骤(1)-(9)，通过设置不同的切削参数、公比系数、刀具及工件的热传导系数、工件热扩散率、刀具-工件间的热扩散系数、工件的热膨胀系数，并进行脆性材料工件切削过程的离散元仿真，记录在不同切削情况下的切削加工过程中基于分段技术构建的刀具所受的载荷，并记录工件内部的温度场及应力场，通过进行不同条件下的实验仿真(如单因素实验、正交实验)，并深入分析“切削力-温度场-应力场”之间的相互耦合作用。
2.根据权利要求1所述的一种用于脆性材料切削加工中切削热仿真计算的方法，其特征在于所述刀具的二维模型由折叠墙(wall)构成，该折叠墙为两段长度为lA、lB的线段A和B以及一段长度为lC的圆弧C构成，该圆弧的半径为刀尖圆弧半径r0，且两段线段的夹角θ＝
90°-γ0-α0，其中γ0为刀具前角，α0为刀具后角。
3.根据权利要求1所述的一种用于脆性材料切削加工中切削热仿真计算的方法，其特征在于所述的分段技术为：将构成刀具的折叠墙A、B、C分别按不同的公比系数划分为i、j、k段，并对每一段赋予不同的温度场，划分步骤如下：
(1)以线段A、B的交点为坐标原点O，并以线段A为x轴建立直角坐标系，划分线段A、B与圆弧C的公比系数分为sA、sB与sC；
(2)以线段A与圆弧C相连的端点为起点，该点横坐标为 纵坐标为 线段A另一端点为终点，该点横坐标为 纵坐标为 对线段A赋予一个初始增量
δA，且该增量满足 线段A按照等比系数sA划分之后，任意节点(i≥n≥1)的横坐标为 纵坐标为0；
(3)以线段B与圆弧C相连的端点为起点，该点横坐标为 纵坐标为 线段B另一端点为终点，该点横坐标为 纵坐标为 对线段A赋予
一个初始增量δB，且该增量满足 线段B按照等比系数sB划分之后，任意节点(j≥m≥1)的横坐标为 纵坐标为
(4)以圆弧C与线段A相连的点为起点，即 纵坐标为 与线段B相连点为
终点，即 纵坐标为 对圆弧C赋予一个初始增量δC，且该增量满足
圆弧C按照等比系数sC划分之后，任意节点(k≥p≥1)的横坐标为
纵坐标为
(5)基于以上步骤所建立的节点，将折叠墙打断，并对打断的折叠墙按分段进行编号，完成对折叠墙的分段处理。
4.根据权利要求1所述的一种用于脆性材料切削加工中切削热仿真计算的方法，其特征在于已分段墙可以对每一段赋予不同的动态温度场，该步骤为：将由红外测温仪所测得的加工过程中刀具表面温度分布及其变化规律对应折叠墙A、B、C所划分的不同段分别拟合成平均温度-时间变化函数 并将不同的平均温度-时间函数分
别赋予到对应的折叠墙分段区域。
5.根据权利要求1所述的一种用于脆性材料切削加工中切削热仿真计算的方法，其特征在于所述脆性材料工件的材料特性包括：颗粒密度ρ、颗粒热膨胀系数α、恒定体积比热容Cv以及热接触单位长度热阻η。
6.根据权利要求1所述的一种用于脆性材料切削加工中切削热仿真计算的方法，其特征在于所述的脆性材料工件离散元模型中颗粒的接触模型为线性平行粘结键模型。
一种用于脆性材料切削加工中切削热仿真计算的方法
技术领域
背景技术
发明内容
个初始增量δA，且该增量满足 线段A按照等比系数sA划分之后，任意节点 (i≥n≥1)的横坐标为 纵坐标为0；
足 圆弧C按照等比系数sC划分之后，任意节点 (k≥p≥1)的横坐标为
纵坐标为
具体实施方式
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