1. Введение

Тепло резания является неизбежным физическим явлением в процессе резания металла, которое напрямую влияет на стойкость инструмента, качество поверхности заготовки и точность обработки. В процессе резания тепло, выделяемое деформацией и трением материала, передается стружке, заготовкам и инструментам, где коэффициент распределения тепла инструмента (т. е. отношение тепла к общему теплу от поступающего инструмента) является критическим параметром при анализе теплоты резания. Точное определение коэффициента теплового распределения инструмента имеет решающее значение для прогнозирования распределения температуры резания, оптимизации параметров резания и повышения эффективности обработки.

Изучение коэффициента теплового распределения инструмента включает в себя многие области, такие как термодинамика, трибология и материаловедение, а его теоретические модели и экспериментальные методы постоянно совершенствуются с развитием вычислительной техники и методов измерения. В последние годы, с применением высокопроизводительных компьютеров и передовых датчиков, также был достигнут значительный прогресс в исследованиях коэффициента теплового разделения при резке. Однако из-за сложности и нелинейных характеристик процесса резания точное определение коэффициента теплового распределения инструмента по-прежнему сталкивается со многими проблемами.

Целью данной работы является всесторонний анализ проблемы коэффициента теплового разделения инструмента при моделировании резания, а также обсуждение ее теоретических основ, экспериментальных методов, влияющих факторов и практических приложений с двух аспектов: академических исследований и промышленного применения. Благодаря систематическому анализу различных сценариев обработки резания, таких как токарная обработка, фрезерование и сверление, выявлен закон изменения и механизм влияния коэффициента теплового распределения инструмента, а также предоставлено теоретическое руководство и техническая поддержка для оптимизации технологии обработки резания.

2. Основная теория и модель коэффициента теплового распределения инструмента

2.1 Определение и физическое значение коэффициента теплового распределения инструмента

Коэффициент теплового распределения инструмента (THPC) — это доля тепла, выделяемого инструментом в процессе резки, обычно выражаемая символом R_T. В процессе резки металла тепло в основном поступает из трех зон деформации: первой зоны деформации (зона деформации сдвига), второй зоны деформации (зона трения нож-стружка) и третьей зоны деформации (зона трения нож-рабочий). Тепло, выделяемое каждой зоной деформации, пропорционально распределяется по стружке, заготовкам и инструментам.

В частности, коэффициент теплового распределения инструмента можно разделить на три части: коэффициент теплораспределения поверхности сдвига R_1 (доля тепла деформации сдвига, поступающей к инструменту), коэффициент теплораспределения поверхности контакта ножа со стружкой R_2 (доля тепла трения, поступающего к инструменту) и коэффициент теплораспределения контактной поверхности ножа R_3 (доля тепла трения, поступающего к инструменту). Для неизношенных инструментов тепло в третьей зоне деформации обычно незначительно, поэтому в исследовании основное внимание уделяется R_1 и R_2. Физическое значение коэффициента тепловыделения инструмента заключается в том, что он отражает способность инструмента поглощать тепло в процессе резания, что напрямую влияет на распределение температуры инструмента и термическую деформацию, что, в свою очередь, влияет на износ инструмента и точность обработки. Для разных методов обработки коэффициент тепловыделения инструмента также отличается. Например, в процессе токарной обработки около 50-80% тепла уносится стружкой, 10-40% передается в заготовку, при этом тепло поступающего инструмента обычно составляет менее 5%; В процессе фрезерования теплота входящего инструмента составляет около 5%; Во время сверления и растачивания теплота входящего инструмента составляет около 15%.

2.2 Классическая модель коэффициента теплового распределения и теоретические основы

Теоретические исследования коэффициента теплового распределения инструментов начались в середине 20 века, и после многих лет разработок было сформировано множество теоретических моделей. Ниже приведены несколько классических моделей коэффициента теплораспределения инструмента: Блока, Шоу, Като-Фудзии, Листа-Саттера, Гецима-Вайнера, Резникова, Берлинера-Крайнова, Тяня-Кеннеди, эти классические модели заложили теоретический фундамент для исследования коэффициента теплораспределения инструмента, но в связи с их упрощенными допущениями они имеют определенные ограничения в практическом применении. В последние годы, с развитием вычислительной техники, исследователи предложили более сложные и точные модели коэффициентов теплового распределения, такие как модели неравномерного распределения тепла и модели изменяющегося во времени теплового разделения, которые будут подробно рассмотрены в последующих главах.

2.3 Современная модель коэффициента теплового распределения и тенденции развития

С развитием компьютерных технологий и методов численного моделирования модель коэффициентов теплораспределения современных инструментов постепенно развивалась в сторону утонченности и многомерности. Ниже приведены несколько современных моделей коэффициентов теплового распределения, предложенных в последние годы: неравномерная модель теплового распределения, модель изменяющегося во времени теплового распределения, модель теплового распределения инструмента покрытия, модель теплового распределения с учетом нелинейности материала, многомасштабная модель теплового разделения, тенденция развития современной модели коэффициента теплового распределения в основном отражается в следующих аспектах: во-первых, от равномерного распределения тепла к неравномерному распределению тепла; во-вторых, от установившегося распределения тепла к изменяющемуся во времени распределению тепла; в-третьих, от простых геометрических моделей к сложным трехмерным моделям; в-четвертых, от модели одного материала к модели композитного материала; В-пятых, она превратилась из чисто теоретической модели в экспериментально-численную гибридную модель. Эти тенденции позволяют современным моделям коэффициентов теплового распределения более точно описывать фактический процесс резки и обеспечивают более надежную теоретическую поддержку для моделирования резки и оптимизации процесса.

3. Анализ влияющих факторов на коэффициент теплового распределения инструмента

3.1 Влияние материала заготовки на коэффициент теплового распределения

Теплофизические свойства и механические свойства материала заготовки оказывают существенное влияние на коэффициент теплораспределения инструмента. Ниже приведены факторы влияния нескольких основных материалов заготовки на коэффициент теплового распределения:

1. Влияние теплопроводности: Теплопроводность материала заготовки является одним из наиболее важных факторов, влияющих на коэффициент теплового распределения. Чем больше теплопроводность, тем сильнее теплоотдача заготовки и тем меньше теплоотдача входящего инструмента. Например, теплопроводность алюминия составляет около 200-240 Вт/(м·К), теплопроводность стали – около 30-50 Вт/(м·К), а теплопроводность титанового сплава – всего 6-8 Вт/(м·К). Поэтому при одинаковых режимах резания теплосопричастность входящего инструмента при обработке титановых сплавов намного выше, чем при обработке стали или алюминия.

2. Влияние удельной теплоемкости и плотности: Удельная теплоемкость и плотность материала заготовки определяют ее теплоемкость, влияя на хранение и передачу тепла. Чем больше теплоемкость, тем сильнее способность заготовки поглощать тепло и тем меньше доля тепла, поступающего к инструменту. Например, удельная теплоемкость титанового сплава составляет около 520 Дж/(кг· K), а удельная теплоемкость стали составляет около 460 Дж/(кг· K), а удельная теплоемкость алюминия составляет около 900 Дж/(кг· K)。 В сочетании с коэффициентом плотности теплоемкость титанового сплава составляет около 3,1×10^6 Дж/(м³· K), а сталь составляет около 3,6×10^6 Дж/(м³· K), а алюминий составляет около 2,4×10^6 Дж/(м³· K)。 Поэтому при обработке титанового сплава, несмотря на его низкую теплопроводность, теплоемкость относительно велика, а теплоотдача входящего инструмента все еще высока.

3. Влияние твердости и прочности: твердость и прочность материала заготовки влияют на силу резания и температуру резания, что, в свою очередь, влияет на коэффициент теплового распределения. Чем выше твердость и прочность материала, тем больше сила резания, тем больше выделяется тепла, а также может увеличиться доля тепла, поступающего к инструменту. Например, при обработке высокопрочной стали сила резания и температура резания высоки, а доля тепла, поступающего к инструменту, может увеличиться.

4. Влияние микроструктуры материала: Микроструктура материала заготовки (например, размер зерна, фазовый состав и т. Д.) Также может влиять на коэффициент теплового разделения. Например, для композитов, армированных волокном, ориентация волокна влияет на направление и скорость теплообмена, что, в свою очередь, влияет на коэффициент теплового распределения. Результаты показывают, что направление волокон оказывает существенное влияние на коэффициент теплового распределения при резке композитов с матрицей из термопластичной смолы, армированных углеродным волокном, а коэффициент нагрева входящего инструмента наименьший при резке в направлении волокон под углом 90°.

3.2 Влияние материала инструмента и геометрических параметров на коэффициент теплового распределения

Материал инструмента и геометрические параметры являются еще одним важным фактором, влияющим на коэффициент теплового распределения. Ниже приведено влияние нескольких основных параметров инструмента на коэффициент теплового распределения:

1. Влияние теплопроводности материала инструмента: Теплопроводность материала инструмента напрямую влияет на передачу тепла от зоны контакта ножа со стружкой внутрь инструмента. Чем больше теплопроводность, тем сильнее теплоотдача инструмента, и доля тепла во входящем инструменте может увеличиться. Например, теплопроводность алмаза составляет около 1000-2000 Вт/(м·К), теплопроводность твердого сплава – около 50-100 Вт/(м·К), а теплопроводность быстрорежущей стали – около 20-30 Вт/(м·К). Таким образом, при одинаковых условиях резания теплоотдача входящего инструмента больше при использовании алмазных инструментов, чем при использовании твердосплавных инструментов, в то время как теплоотдача входящих инструментов наименьшая при использовании инструментов из быстрорежущей стали.

2. Влияние покрытия инструмента: инструменты с покрытием широко используются в современных режущих операциях, а наличие покрытий изменяет теплофизические свойства инструмента, что в свою очередь влияет на коэффициент теплового распределения. Результаты показывают, что чем ниже теплопроводность материала покрытия, тем ниже температура матрицы инструмента и тем меньше теплоотдача входящего инструмента. Например, теплопроводность покрытия TiAlN составляет около 4-6 Вт/(м·К), что значительно ниже, чем у матрицы с твердым сплавом, поэтому теплопроводность входящего инструмента снижается при использовании инструментов с покрытием TiAlN. Кроме того, толщина покрытия также влияет на коэффициент теплового разделения, обычно чем толще покрытие, тем больше термическое сопротивление и тем меньше доля тепла, поступающего к инструменту.

3. Влияние переднего угла инструмента: передний угол инструмента влияет на силу резания и температуру резания, что, в свою очередь, влияет на коэффициент теплового распределения. Чем больше передний угол, тем меньше сила резания, тем меньше выделяется тепла, и доля тепла, поступающего к инструменту, может уменьшиться. Кроме того, передний угол также влияет на длину контакта ножа со стружкой и состояние трения, а также косвенно влияет на коэффициент теплового распределения. Результаты показывают, что увеличение переднего угла может уменьшить длину контакта ножа со стружкой, уменьшить тепло трения и уменьшить коэффициент нагрева входящего инструмента.

4. Влияние основного угла склонения инструмента: основной угол склонения инструмента влияет на толщину и ширину реза, что, в свою очередь, влияет на температуру резания и коэффициент теплового распределения. Чем больше основной угол склонения, тем больше толщина реза, чем меньше ширина реза, тем выше сила резания на единицу площади, температура резки может увеличиться, а коэффициент нагрева входящего инструмента может увеличиться. Тем не менее, основное склонение оказывает относительно небольшое влияние на коэффициент теплового распределения, обычно не столь значительное, как скорость резки и подача.

5. Влияние износа инструмента: износ инструмента может изменить состояние контакта ножа со стружкой и условия трения, тем самым влияя на коэффициент распределения тепла. С увеличением износа инструмента увеличивается ширина полосы износа на задней поверхности инструмента, увеличивается площадь контакта инструмента с рабочим, увеличивается теплота трения, а коэффициент нагрева входящего инструмента может увеличиваться. Результаты показывают, что влияние износа инструмента на коэффициент распределения тепла более существенно при низкоскоростном резании, но относительно невелико при высокоскоростном резании.

3.3 Влияние параметров резания на коэффициент теплового распределения

Параметры резания (скорость резания, скорость подачи, глубина резания) являются наиболее активными факторами, влияющими на коэффициент тепловыделения. Ниже приведено влияние нескольких основных параметров резания на коэффициент теплового распределения:

1. Влияние скорости резки: Скорость резки является одним из наиболее важных факторов, влияющих на коэффициент теплового распределения. По мере увеличения скорости резки теплосоотношение, как правило, сначала увеличивается, а затем уменьшается. В области низкоскоростной резки скорость резки увеличивается, температура резки увеличивается, а коэффициент нагрева входящего инструмента увеличивается. В зоне высокоскоростного резания скорость резания увеличивается, доля тепла, отводимого стружкой, увеличивается, а доля тепла, отводимого поступающим инструментом, уменьшается. Исследования показали, что при увеличении скорости резания со 100 м/мин до 500 м/мин тепловый коэффициент входящего инструмента может быть снижен с 35% до 15%.

2. Влияние скорости подачи: Влияние подачи на коэффициент теплового распределения относительно невелико, но все же существуют определенные закономерности. С увеличением подачи увеличивается количество съема металла в единицу времени, а общая теплота резания увеличивается, но коэффициент нагрева входящего инструмента обычно имеет тенденцию к снижению. Это связано с тем, что увеличение скорости подачи приводит к увеличению длины контакта ножа со стружкой и увеличению площади рассеивания тепла, при этом толщина стружки увеличивается, а доля тепла, отводимого стружкой, увеличивается.

3. Влияние глубины резания: влияние глубины резания на коэффициент теплового распределения минимально и обычно незначительно. С увеличением глубины резания сила резания и общая теплота резания увеличиваются, но нагрузка на единицу длины режущей кромки относительно стабильна, поэтому теплосоотношение входящего инструмента не сильно меняется. Однако в некоторых случаях увеличение глубины резания может привести к изменению распределения температуры резания, косвенно влияя на коэффициент теплового распределения.

4. Влияние смазочно-охлаждающей жидкости: использование смазочно-охлаждающей жидкости может значительно изменить коэффициент тепловыделения. Смазочно-охлаждающая жидкость не только снижает температуру резания, но и изменяет состояние трения и характеристики теплопередачи площади контакта инструмента со стружкой. Исследования показали, что доля тепла, поступающего к инструменту, может быть уменьшена при использовании смазочно-охлаждающих жидкостей, особенно в условиях высокоскоростного резания. Кроме того, тип, давление и расход смазочно-охлаждающей жидкости также влияют на коэффициент теплового распределения. Например, при использовании криогенного газообразного CO2 в качестве смазочно-охлаждающей жидкости температура резки может быть значительно снижена, а коэффициент распределения тепла может быть изменен.

3.4 Влияние способа обработки на коэффициент теплового распределения

Различные методы обработки (такие как токарная обработка, фрезерование, сверление и т. д.) имеют разные режущие механизмы и характеристики теплопередачи, что приводит к значительным различиям в коэффициентах теплового распределения. Ниже приведено влияние нескольких основных методов обработки на коэффициент теплового распределения:

1. Токарная обработка: Токарная обработка - это непрерывный процесс резки с длительным временем контакта ножа со стружкой и относительно стабильным распределением тепла. В процессе токарной обработки около 50-80% тепла уносится стружкой, 10-40% поступает на заготовку, в то время как тепло поступающего инструмента обычно составляет менее 5%. Коэффициент тепловыделения в процессе токарной обработки в основном зависит от скорости резания и материала заготовки, а с увеличением скорости резания коэффициент нагрева поступающего инструмента уменьшается.

2. Фрезерование: Фрезерование представляет собой прерывистый процесс резки с коротким временем контакта ножа со стружкой и периодическими изменениями в распределении тепла. Во время фрезерования стружка забирает около 70% тепла, менее 30% входящей заготовки и около 5% тепла, поступающего в инструмент. Из-за прерывистого характера фрезерования время контакта ножа со стружкой короткое, а нагрев входящего инструмента относительно низкий. Исследования показали, что влияние скорости фрезерования на коэффициент теплового распределения аналогично влиянию токарной обработки, и по мере увеличения скорости фрезерования теплоотдача входящего инструмента уменьшается.

3. Сверление: Сверление - это полузакрытый процесс резания с плохими условиями рассеивания тепла и высокой долей тепла, поступающего к заготовке. В процессе сверления стружка забирает около 30% тепла, более 50% входящей заготовки и около 15% тепла, поступающего к инструменту. Коэффициент тепловыделения в процессе сверления в значительной степени зависит от геометрических параметров сверла, скорости резания и скорости подачи. Из-за особенностей сверления существует значительная разница между распределением тепла на поперечной кромке сверла и режущей кромке, причем тепло на поперечной кромке в основном передается заготовке.

4. Шлифовальная обработка: Шлифование - это многолезвийный процесс микрокромочной резки с небольшой нагрузкой на режущую кромку, но чрезвычайно высокой скоростью резания, а выделяемое тепло концентрируется на поверхности заготовки. В процессе шлифования стружка забирает около 4% тепла, более 80% входящей заготовки, и около 12% тепла, поступающего к инструменту (шлифовальному кругу). Благодаря чрезвычайно высокой скорости шлифования, тепло не передается вовремя, а большая часть тепла передается заготовке, в результате чего повышается температура поверхности заготовки, что может вызвать ожоги и трещины.

5. Вибрационная резка: Вибрационная резка - это новый метод обработки, который изменяет режущий механизм и характеристики теплопередачи путем наложения высокочастотных вибраций на традиционные процессы резки. Исследования показали, что резка с вибрацией может значительно изменить коэффициент распределения тепла и снизить коэффициент нагрева поступающего инструмента. Например, при вибрационной точке сплавов Ti6Al4V в качестве охлаждающей среды используется газообразный CO2, что позволяет значительно снизить температуру резки и изменить коэффициент распределения тепла.

3.5 Анализ комплексных влияющих факторов коэффициента теплового распределения инструмента

Коэффициент теплового распределения инструмента является результатом комбинации факторов, и между этими факторами существует сложное взаимодействие. Ниже приведен всесторонний анализ факторов, влияющих на коэффициент теплового распределения инструмента:

1. Комплексное влияние материальных факторов: Теплофизические свойства материалов заготовок и инструментальных материалов (теплопроводность, теплопроводность, удельная теплоемкость и т.д.) являются основными факторами, влияющими на коэффициент теплового распределения. Между этими факторами существует сложное взаимодействие, например, теплопроводность и удельная теплоемкость материала заготовки вместе определяют теплоотдачу заготовки, в то время как теплопроводность материала инструмента определяет теплоотдачу инструмента. Результаты показывают, что коэффициент теплового распределения тесно связан с коэффициентом теплопроводности и коэффициентом теплопроводности материала заготовки и материала инструмента.

2. Комплексное влияние геометрических факторов: Геометрические параметры инструмента (передний угол, основной угол склонения, радиус режущей кромки и т.д.) и параметры резания (скорость резания, скорость подачи, глубина резания и т.д.) совместно определяют геометрические характеристики и траекторию теплопередачи области деформации резания. Например, передний угол и скорость резания вместе влияют на длину контакта ножа со стружкой и состояние трения, что, в свою очередь, влияет на коэффициент теплового распределения. Кроме того, износ инструмента также может изменить геометрию инструмента, что косвенно влияет на коэффициент теплораспределения.

3. Комплексное влияние технологических факторов: СОЖ, способ охлаждения, метод обработки и другие технологические факторы оказывают существенное влияние на коэффициент теплового распределения. Эти факторы косвенно влияют на коэффициент теплового распределения, изменяя температурное поле, состояние трения и характеристики теплопередачи области резания. Например, при использовании в качестве смазочно-охлаждающей жидкости низкотемпературного газообразного СО2 он может не только снизить температуру резания, но и изменить состояние трения зоны контакта ножа со стружкой, что в свою очередь влияет на коэффициент теплового распределения.

4. Всестороннее влияние временных факторов: Для прерывистого резания (например, фрезерования, сверления и т. д.) время контакта инструмента со стружкой является важным фактором, влияющим на коэффициент теплового разделения. По мере увеличения времени контакта доля тепла во входящем инструменте постепенно увеличивается до тех пор, пока не будет достигнуто значение стационарного состояния. Исследования показали, что существует нелинейная зависимость между временем контакта ножа и чипа и коэффициентом теплового распределения, которую часто можно описать как экспоненциальную функцию.

5. Многофакторное взаимодействие: Существует сложное взаимодействие между вышеуказанными факторами, и изменения одного фактора могут влиять на влияние других факторов на коэффициент теплового распределения. Например, изменения скорости резания не только напрямую влияют на коэффициент теплового распределения, но и могут косвенно влиять на коэффициент теплового распределения, изменяя степень размягчения материала заготовки и состояние износа инструмента. Поэтому при анализе коэффициентов теплового распределения необходимо учитывать взаимодействие между различными факторами. В совокупности коэффициент теплового распределения инструмента является сложным параметром, на который влияет множество факторов, которые трудно описать с помощью простой линейной зависимости. В практических приложениях необходимо всесторонне учитывать влияние различных факторов в соответствии с конкретными условиями обработки и выбирать соответствующие модели коэффициентов теплового распределения и методы измерения для получения точных результатов прогнозирования.

4. Применение и проблемы коэффициента теплораспределения инструмента в моделировании резания

4.1 Метод обработки коэффициента теплового распределения при моделировании резки

При моделировании резки коэффициент теплового распределения является критическим входным параметром, который напрямую влияет на точность прогнозирования температурного поля. Ниже приведены некоторые часто используемые методы обработки коэффициента теплового распределения инструмента:

1. Равномерный метод распределения тепла: Метод равномерного распределения тепла является самым простым методом обработки, предполагающим, что коэффициент распределения тепла на поверхности контакта ножа со стружкой равномерно распределен. Этот метод часто используется для упрощения моделей, таких как 2D-моделирование ортогональной резки. Преимущество метода равномерного распределения тепла заключается в том, что его легко рассчитать, а недостатком является то, что он игнорирует различия в распределении тепла в разных областях области контакта ножа и чипа, что может привести к ошибкам прогнозирования температурного поля. 2. Сегментированный метод распределения тепла: Сегментированный метод распределения тепла делит контактную поверхность ножа и стружки на несколько сегментов, каждый из которых имеет свой коэффициент теплового распределения. Например, поверхность контакта ножа и стружки может быть разделена на зону адгезии и зону скольжения, и соответственно могут использоваться различные коэффициенты теплового разделения. Этот метод может более точно описать неравномерность распределения тепла, но требует больше входных параметров и вычислительных ресурсов.

3. Метод распределения тепла на основе физической модели: метод распределения тепла на основе физической модели рассчитывает коэффициент распределения тепла на основе теоретических моделей (таких как модель Блока, модель Шоу и т. д.). Этот метод может учитывать влияние теплофизических свойств материала и условий резки, но требует точных параметров материала и выбора подходящей модели. В практических приложениях часто возникает необходимость калибровки параметров модели с помощью экспериментальных данных для повышения точности прогнозирования.

4. Метод разделения тепла на основе экспериментальных данных: метод распределения тепла, основанный на экспериментальных данных, напрямую использует экспериментально измеренный коэффициент распределения тепла в качестве входных данных для моделирования. Преимуществом этого метода является высокая точность, но недостатком является то, что для его подтверждения требуется большое количество экспериментальных данных, а условия эксперимента могут отличаться от реальных условий обработки. В практических приложениях обычно необходимо установить эмпирическую формулу или таблицу для коэффициента теплового распределения на основе экспериментальных данных для моделирования.

5. Метод обратной теплопередачи: Метод обратной теплопередачи - это метод инвертирования коэффициента распределения тепла на основе данных измерения температуры. В этом методе используется обратный алгоритм теплопроводности, чтобы отодвинуть назад распределение плотности теплового потока и коэффициент распределения тепла в зоне контакта ножа со стружкой путем измерения изменения температуры известного положения внутри инструмента или заготовки. Преимущество метода обратной теплопередачи заключается в том, что он может откалибровать коэффициент распределения тепла на основе фактических данных измерений и повысить точность моделирования, но недостатком является то, что он сложен и требует много вычислительных ресурсов.

4.2 Влияние коэффициента теплового распределения инструмента на результаты моделирования резания

Коэффициент теплового распределения инструмента является ключевым параметром, влияющим на прогнозирование температурного поля при моделировании резания, а его точность напрямую влияет на достоверность результатов моделирования. Ниже приведены основные влияния коэффициента теплового распределения инструмента на результаты моделирования резания:

1. Влияние распределения температурного поля: коэффициент теплового распределения напрямую влияет на распределение температурного поля в инструментах, заготовках и стружке. Ошибки в коэффициентах теплового распределения могут привести к значительным отклонениям в прогнозировании температурного поля, особенно в критических областях, таких как зона контакта ножа со стружкой. Исследования показали, что погрешность коэффициента теплового распределения может привести к ошибке прогнозирования в 10-20% от максимальной температуры инструмента.

2. Влияние поля напряжений и поля деформации: Поле температуры является основой для расчета поля напряжений и поля деформации, поэтому ошибка коэффициента распределения тепла будет косвенно влиять на прогнозирование поля напряжений и поля деформации. Отклонение прогноза температуры может привести к ошибкам в расчете конститутивных параметров материала (таких как модуль упругости, предел текучести и т.д.), что в свою очередь влияет на точность прогнозирования полей напряжений и деформаций.

3. Влияние прогнозирования износа инструмента: Износ инструмента представляет собой комбинацию температуры, напряжения и химических воздействий, поэтому ошибка коэффициента теплового распределения может напрямую влиять на точность прогнозирования износа инструмента. Отклонение прогноза температуры может привести к ошибкам прогнозирования в моделях износа (таких как модель износа Аршара, модель диффузного износа и т. д.), что, в свою очередь, влияет на прогнозирование стойкости инструмента и оптимизацию параметров резания.

4. Влияние прогнозирования качества обрабатываемой поверхности: Температура резания является важным фактором, влияющим на качество обрабатываемой поверхности, поэтому ошибка коэффициента теплового разделения будет косвенно влиять на прогнозирование качества обрабатываемой поверхности. Отклонения в прогнозировании температуры могут привести к ошибкам прогнозирования таких параметров, как остаточное напряжение поверхности, изменения микроструктуры и шероховатость поверхности, что, в свою очередь, влияет на оценку и контроль качества обрабатываемой поверхности.

5. Влияние прогнозирования стабильности обработки: Температура резания и термическая деформация являются важными факторами, влияющими на стабильность обработки, поэтому ошибка коэффициента теплового распределения будет косвенно влиять на прогнозирование стабильности обработки. Отклонения в прогнозировании температуры могут привести к ошибкам в прогнозировании порогов флаттера и диаграмм устойчивых лепестков, что, в свою очередь, влияет на оптимизацию параметров резания и контроль стабильности процесса обработки.

5. Характеристики коэффициента теплораспределения инструмента при различных сценариях резания

5.1 Характеристики и применение коэффициента теплового распределения при токарной обработке

Токарная обработка является одним из наиболее распространенных методов резки, обладающим характеристиками непрерывной резки и стабильного процесса. Ниже приведен анализ характеристик и применения коэффициента теплового распределения инструмента при токарной обработке:

1. Основные характеристики коэффициента распределения тепла токарной обработки: В процессе токарной обработки около 50-80% тепла уносится стружкой, 10-40% передается в заготовку, а тепло поступающего инструмента обычно составляет менее 5%. Основными характеристиками коэффициента теплораспределения поворота являются:

(1) Распределение тепла относительно стабильно и мало изменяется со временем;

(2) Скорость резания оказывает значительное влияние на коэффициент теплового распределения, а коэффициент нагрева входящего инструмента уменьшается с увеличением скорости резания.

(3) Теплопроводность материала заготовки является наиболее важным фактором, влияющим на коэффициент теплоразделения, и чем больше теплопроводность, тем меньше тепловая способность входящего инструмента.

4. Случаи применения коэффициента теплового распределения токарной обработки: Коэффициент теплового распределения токарной обработки имеет широкий спектр применения для оптимизации процесса резания и проектирования инструмента. Например, в конструкции высокопроизводительного токарного инструмента коэффициент тепловыделения является важным показателем для оценки характеристик рассеивания тепла инструмента. Оптимизируя материал инструмента и конструкцию покрытия, можно изменить коэффициент распределения тепла, снизить температуру инструмента и увеличить срок службы инструмента. При оптимизации параметров точения коэффициент теплового распределения является ключевым параметром для прогнозирования температуры резания и износа инструмента и может использоваться для определения оптимального сочетания скорости резания и подачи.

5.2 Характеристики и применение коэффициента теплового распределения при фрезерной обработке

Фрезерование – это метод прерывистого резания, который имеет характеристики многолезвийного резания и периодического воздействия. Ниже приведен анализ характеристик и применения коэффициента теплового распределения инструмента при фрезеровании:

1. Основные характеристики коэффициента теплового распределения фрезерования: в процессе фрезерования стружкой забирается около 70% тепла, от поступающей заготовки – менее 30%, а тепло поступающего инструмента составляет около 5%. Основными характеристиками коэффициента теплового распределения фрезерования являются: (1) Распределение тепла имеет характеристики периодического изменения, которое изменяется при резке и вырезании заготовки;

(2) Время контакта ножа со стружкой короткое, а тепло входящего инструмента относительно невелико;

(3) Скорость фрезерования оказывает значительное влияние на коэффициент теплового распределения, а коэффициент нагрева входящего инструмента уменьшается с увеличением скорости фрезерования.

(4) Метод фрезерования (прямое фрезерование и обратное фрезерование) оказывает определенное влияние на коэффициент теплового распределения.

2. Случаи применения коэффициента теплового распределения при фрезеровании: Коэффициент теплового распределения при фрезеровании имеет важное значение для оптимизации процесса фрезерования и проектирования инструмента. Например, при фрезеровании титановых сплавов на высоких скоростях коэффициент распределения тепла может быть изменен за счет оптимизации покрытия инструмента и геометрических параметров, снижения температуры инструмента и повышения эффективности обработки. При синхронном фрезеровании по 5 осям коэффициент теплового распределения является ключевым параметром для прогнозирования износа инструмента и деформации заготовки, который может быть использован для оптимизации траекторий резания и стратегий подачи.

5.3 Характеристики и применение коэффициента теплового распределения при бурении

Сверление – это метод полузакрытого резания, который отличается сложным отводом стружки и плохими условиями отвода тепла. Ниже приведен анализ характеристик и применения коэффициента теплового распределения инструмента при бурении:

1. Основные характеристики коэффициента теплового распределения сверления: в процессе сверления стружкой забирается около 30% тепла, более 50% входящей заготовки, а тепло поступающего инструмента составляет около 15%. Основными характеристиками коэффициента теплового распределения бурения являются:

(1) Тепло в основном передается заготовке, что связано с полузакрытыми характеристиками сверления;

(2) Существуют значительные различия в коэффициенте распределения тепла различных частей сверла, тепло на поперечной кромке в основном передается на заготовку, в то время как распределение тепла на режущей кромке аналогично распределению при точении.

(3) Влияние подачи на коэффициент теплового распределения больше, чем влияние скорости резания;

(4) Диаметр сверла и угол наклона спирали оказывают существенное влияние на коэффициент теплового распределения.

2. Случаи применения коэффициента теплового распределения при бурении: Коэффициент теплового распределения при бурении имеет важное значение для проектирования сверл и оптимизации процесса сверления. Например, при бурении глубоких отверстий за счет оптимизации системы охлаждения сверла и геометрических параметров можно изменить коэффициент теплового распределения, снизить температуру сверла, а также повысить качество и эффективность сверления. При сверлении труднообрабатываемых материалов (таких как титановые сплавы, жаропрочные сплавы и т. д.) коэффициент теплового распределения является важной основой для выбора материалов инструмента и покрытий, которые могут использоваться для управления конструкцией сверла и оптимизации технологических параметров.

5.4 Характеристики и применение коэффициента теплового распределения при резке труднообрабатываемых материалов

Резка труднообрабатываемых материалов (таких как титановые сплавы, суперсплавы, высокопрочные стали и т. д.) всегда была сложной задачей в обрабатывающей промышленности. Ниже приведено исследование характеристик и применения коэффициентов теплового распределения при резке нескольких типичных труднообрабатываемых материалов:

1. Коэффициент теплового распределения при обработке титанового сплава: Титановый сплав имеет такие преимущества, как высокая прочность, низкая плотность и устойчивость к высоким температурам, но он также имеет недостатки, такие как низкая теплопроводность и высокая химическая активность, что делает его типичным материалом, сложным для механической обработки. Исследования показали, что коэффициент теплового распределения при резке титанового сплава имеет следующие характеристики:

(1) Низкая теплопроводность (около 6-8 Вт/(м·К)), что приводит к высокому коэффициенту нагрева входящего инструмента;

(2) Высокая температура резки, до более чем 1000 °C;

(3) Длина контакта ножа со стружкой невелика, а тепло трения концентрируется вблизи режущей кромки;

(4) Высокая химическая активность, легко вступает в реакцию с материалами инструмента, влияет на характеристики распределения тепла. При резке титановых сплавов коэффициент теплового распределения может быть изменен за счет оптимизации материала инструмента (например, с использованием инструментов с алмазным покрытием) и методов охлаждения (например, криогенного охлаждения), снижения температуры инструмента и повышения эффективности обработки.

2. Коэффициент теплового разделения при резке из жаропрочных сплавов: Суперсплавы (такие как Inconel 718, Hastelloy и т. Д.) Обладают отличной термостойкостью и коррозионной стойкостью, но у них также есть недостатки, такие как сильное деформационное упрочнение и низкая теплопроводность. Исследования показали, что коэффициент теплового распределения при резке из жаропрочных сплавов имеет следующие характеристики:

(1) Теплопроводность низкая (около 10-20 Вт/(м·К)), а теплосоотношение входящего инструмента высокое;

(2) Сильное деформационное упрочнение, приводящее к увеличению силы резания и температуры резания;

(3) Коэффициент сохранения прочности материала при высокой температуре, что увеличивает сложность резки;

(4) Механизм износа инструмента в основном представляет собой диффузный износ и окислительный износ. При резке из жаропрочных сплавов можно изменить коэффициент распределения тепла, снизить температуру инструмента и повысить срок службы инструмента за счет использования высокопроизводительных инструментов для нанесения покрытий, таких как покрытия AlTiN, и оптимизации систем охлаждения.

3. Коэффициент теплового разделения при резке высокопрочной стали: высокопрочная сталь обладает характеристиками высокой прочности и твердости и широко используется в автомобилестроении, аэрокосмической и других областях. Исследования показали, что коэффициент теплового распределения при резке высокопрочной стали имеет следующие характеристики:

(1) Теплопроводность низкая (около 30-50 Вт/(м·К)), а теплосоотношение входящего инструмента высокое.

(2) Высокая сила резания и выделяемое тепло;

(3) Высокая температура резки, до 800°C и более;

(4) Износ инструмента - это в основном абразивный износ и износ сцепления. При резке высокопрочной стали с помощью твердосплавных инструментов и оптимизации параметров резания можно изменить коэффициент распределения тепла, снизить температуру инструмента и повысить эффективность обработки.

4. Коэффициент теплового разделения при резке композитов, армированных волокном: композиты, армированные волокном (такие как пластики, армированные углеродным волокном, пластики, армированные стекловолокном, и т. Д.), Обладают такими преимуществами, как высокая прочность, высокий модуль упругости и низкая плотность, но также имеют недостатки, такие как анизотропия и низкая прочность межслойного слоя. Исследования показали, что коэффициент теплового распределения при резке композитных материалов, армированных волокном, имеет следующие характеристики:

(1) Анизотропия значительна, а направление волокон оказывает значительное влияние на коэффициент теплового распределения;

(2) Теплопроводность низкая, а теплоотдача входящего инструмента высокая;

(3) Высокая температура резки может легко привести к размягчению смоляной матрицы и повреждению волокон;

(4) Режущий механизм сложен и включает в себя различные механизмы, такие как разрыв волокон, разрыв матрицы и разделение межслойных слоев. При резке композитных материалов, армированных волокном, за счет оптимизации геометрии инструмента и параметров резания можно изменить коэффициент теплового распределения, снизить температуру резания и повысить качество обработки.

5. Примеры применения коэффициента теплового распределения при резке для труднообрабатываемых материалов: Исследование коэффициента теплового распределения при резании для труднообрабатываемых материалов имеет широкий спектр применений в аэрокосмической, автомобильной и энергетической областях. Например, в авиационном двигателестроении, изучая коэффициент теплового распределения при резании из жаропрочных сплавов, оптимизируются материалы инструмента и конструкции покрытий, что повышает эффективность и качество обработки. В автомобилестроении эффективные процессы резания и инструментальные системы были разработаны путем изучения коэффициентов распределения тепла при резке высокопрочной стали, что снижает производственные затраты. При производстве композитных материалов изучается коэффициент теплового разделения при резке композитных материалов, оптимизируется процесс обработки и конструкция инструмента, а также повышается точность изготовления и надежность композитных конструкций.

6. Выводы и перспективы

Таким образом, коэффициент теплового распределения инструмента является ключевым параметром в обработке резания, и его точное прогнозирование и контроль имеют большое значение для повышения эффективности и качества обработки. С непрерывным развитием вычислительной техники, измерительной техники и материаловедения, исследования коэффициента теплового разделения будут продолжать углубляться, обеспечивая сильную поддержку для развития современного производства. В то же время, изучение коэффициента теплового распределения инструмента также является важной областью, имеющей как теоретическую глубину, так и практическое применение. Всесторонне рассматривая влияние различных факторов, таких как материалы, геометрия и технологии, создавая точную модель коэффициента теплового распределения в сочетании с передовыми технологиями измерения и методами моделирования, он может обеспечить теоретическое руководство и техническую поддержку для оптимизации и инноваций обработки резки, а также способствовать высококачественному развитию современного производства. Исследование коэффициента теплового распределения имеет широкие перспективы применения при проектировании высокопроизводительного режущего инструмента, оптимизации процесса резания и контроле качества обработки. Благодаря глубокому изучению коэффициентов теплового распределения можно получить теоретическую поддержку и технические рекомендации для повышения эффективности обработки, снижения затрат на обработку и улучшения качества обработки.