基于热源法的涡旋盘高速精密铣削切削热研究
刘〓涛，韩晓静
(兰州理工大学机电工程学院，甘肃 兰州〓730050)
摘要：针对高速精密铣削过程中涡旋盘的热变形问题，基于热源法建立了工件温度场模型,分析其任意位置任意时刻的温度变化情况。根据Cr15Mo材料的J-C本构模型和剪切面温度场模型,推导出剪切面温度和剪切应力的数学模型，探讨了不同应变下应力-温度的关系和不同温度下应力-应变的关系。数值模拟结果表明,当数控机床主轴转速达到7 000r/min时，切削温度保持在753.957℃左右，转速每升高1 000r/min，涡旋盘应变变化213/s，应力约增加20MPa。研究结果对于涡旋盘高速精密铣削中合理选择加工参数、有效控制热变形具有一定的指导意义。
关键词：涡旋压缩机；高速精密铣削加工；热源法；温度；应力-应变
中图分类号：TH122〓文献标识码：A〓文章编号：2095-509X(2018)02-0025-05

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涡旋压缩机是一种新型容积式流体机械，其核心部件是具有微米级尺寸精度和形位精度的动、静涡旋盘，涡旋盘的精度直接影响压缩机的性能，目前一般采用数控技术对其进行加工。涡旋盘的加工精度受到切削温度、冷却方式、刀具精度等因素的影响。高速切削时，刀具和涡旋盘之间的相互作用导致涡旋盘局部产生剧烈的塑性变形，刀具与涡旋盘间的摩擦产生大量的切削热，导致刀具磨损过快，换刀频繁，使得涡旋盘的加工精度达不到技术要求。针对工件和刀具铣削过程中的切削热问题，LOEWEN和SHAW提出了用热源解析法来研究切削热［1-2］：第一、二变形区切削变形功全部转化为热量，变形区的热源可以看作为平面热源，而且没有热量传递到外界环境中，各个变形区热量均匀分布。关立文等［3］结合热源法、热量分配模型和温度实验结果，提出并建立了“S”形试件完整的间歇性切削温度场模型。〖HJ*5/9〗刘胜［4］研究了切削加工钛合金工件时工件、刀具和切屑的温度分布及切削力，给出了求解切削温度场和切削力的有限元模型。文献［5］研究了高速断续切削过程中刀具及工件切削温度随切削速度的变化规律，认为合理地控制切削速度可以降低切削温度以及抑制断续切削过程中的热冲击。文献［6］利用传热反求法建立了〖CM(21*2〗45钢断续切削过程的分析和实验模型，预测了传入刀具和工件的热源热量分布规律。文献［7］以Al2O3陶瓷材料激光铣削为例,建立了激光多道铣削的三维温度场有限元模型,并利用ANSYS软件进行仿真分析。

本文针对变截面涡旋盘加工中的热变形问题，基于热源法建立点和线热源模型，分析了其任意时刻和位置的温升变化规律。利用Cr15Mo材料的J-C (Johnson-Cook)本构模型和剪切面温度场模型，推导出了剪切温度和剪切应力的数学模型，探讨了不同应变下应力-温度的关系和不同温度下应力-应变的关系，对于合理选择铣削参数、控制热变形有一定的理论指导意义。

1〓涡旋盘铣削过程中温度的产生及来源
涡旋盘加工过程中形成了3个变形区域，如图1所示。第Ⅰ变形区：在剪切作用下刀具与工件发
生相对滑移形成切屑，是切削热产生的主要区域，也被称为剪切区，在该区剪切热全部会转化为热源。。。。。

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51265027,51665035）
作者简介：刘涛（1971—），女，甘肃武威人，兰州理工大学教授，博士，主要研究方向为机械设计及理论。


（文章来源《机械设计与制造工程》杂志如需详细资料请联系江苏机械门户网客服QQ:2980918915,电话025-83726289）

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