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基于ANSYS的车削加工中切削热对工件变形的研究
来源:互联网 luo | 孙斌 东北电力大学
【分  类】 机械与建筑工程
【关 键 词】 切削热;加工误差;变形量;有限元仿真
【来  源】 互联网
【收  录】 中文学术期刊网
正文:

  工艺系统在摩擦热、切削热、环境温度、热辐射等多种热源的作用下,发生热胀冷缩产生热变形,影响工件与刀具的正确位移,进而影响零件的加工误差。尤其在精密加工中,由于热变形引起的加工误差占加工总误差的40%-70%。其中切削热是影响零件加工误差的一个主要因素,因为切削热以及由它产生的切削温度,直接影响了刀具的磨损和使用寿命,同时也影响零件的加工误差和表面质量.

  工件在切削过程中的热变形一般分两种情况:

  (1)均匀受热或可以看作均匀受热;

  (2)不均匀受热。

  以50x100的45#棒料为基础车削一个轴类零件来做实验,可以看作切削热比较均匀地传入工件,因此,可根据其平均温升来估算其热变形。 二、工件热变形的理论计算1.工件均匀受热的热变形

  形状较简单的轴类零件的外圆加工时,切削热比较均匀地传入工件。如不考虑工件温升后的散热,其温度在沿工件全长和沿圆周上都是比较一致的,热变形也比较均匀,因此,可根据其平均温升来估算其热变形。工件获得的热量为:

Q=(1)

  工件与周围空间的温差不大,通过对流、辐射而散失的热量,可用以下公式进行估算,即:

  实际上,工件各点的温度常常是不同的,故各点与周围空间的温差也就不同。为把问题简化而假定工件是等温体,即各点的温度是均匀的。

  由工件传入的热量等于散失的热量时,则

=

=

在加工过程中,工件一般不易达到热平衡状态,其升温可用下式进行粗略估算,忽略工件向四周散失的热量,即:

=(2)

  所以工件温升为:

(3)

  工件直径或长度的热伸长量为:

(4)

  根据式(4)可计算出工件直径或长度的热伸长,对于一般工件,因轴向尺寸精度要求大多低于径向尺寸精度要求,故影响不大。

  2.工件不均匀热变形

在加工过程中,除在沿进给方向有温度差外,由于工件只在单面受到切削热作用,上下表面间的温度差会导致工件拱起见图1。加工完毕表面就产生中凹误差,误差值估算如下:设加工表面的温度是均匀的,上下表面间的温度差为,温度梯度是线性的,故x处的温度为:

(5)

  图1 工件热变形计算

  Figure 1 Calculation of heat deformation of workpiece

  工件受热后的热应力为:

(6)

  因此工件的热变形相当于两端各受弯曲力矩M的作用。

M=

=(7)

根据材料力学梁变形公式得热变形挠度误差有:

(8)

  将式(7)代入式(8)得:

(9)

  通过以上分析,可知工件热变形产生的加工误差不能忽视,同时还应注意由于热变形而产生的热应力,否则会导致工件弯曲变形而影响加工精度。 三、加工误差的理论预测与有限元仿真的对比分析通过ANSYS的通用后处理器,可以提取切削过程中部分节点受热的变形数值。通过理论计算和有限元仿真分析,我们可以得到工件不同长度下对应节点的各个变形量,对50x100的45#棒料进行了计算数值和仿真数值的对比分析。表1为计算数值和有限元仿真数值的比较,图2反映了计算结果B和有限元仿真结果C的变化趋势,相对误差在5%以内,这个模拟结果是可以接受的,从而验证了有限元方法的有效性。

  表1.工件受热变形的计算数值和有限元仿真的数值

Table 1 Calculated values of heat deformation of workpiece and values of finite element simulation 工件长度mm 20 40 60 80 100 对应工件节点 211 246 279 312 212 计算数值mm 0.02595 0.02076 0.01557 0.01038 0.00519 仿真数值mm 0.02642 0.021429 0.01608 0.01066 0.00526 仿真-计算mm 0.00047 0.000669 0.00051 0.00028 0.00007 (仿真-计算)/计算 1.81% 3.22% 3.27% 2.69% 1.35%

  图2.X轴为工件轴距,Y轴为变形

  Figure 2 X-axis is wheel base of workpiece, Y-axis is the deformation 四、结语针对切削热对加工误差的影响,对工件受切削热引起的热变形做了系统的分析,以50x100的45#棒料为基础车削一个轴类零件做实验,提取切削过程中部分节点受热的变形数值,进行了计算数值和有限元仿真数值的对比分析,得出了工件受切削热引起的变形误差曲线,从该曲线中可以看出计算结果和有限元仿真结果的变化趋势是一致的,相对误差在5%以内,从而进一步验证了ANSYS有限元仿真结果的精确性。

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