基于Ti(CN)基金屬陶瓷刀具的金屬切削過(guò)程的有限元分析【學(xué)位論文】

1、基于ti(c,n)基金屬陶瓷刀具的金屬切削過(guò)程的有限元分析fea of metal cutting process based on ti(c,n)-based cermets cutter 作 者 姓 名 學(xué) 位 類(lèi) 型 學(xué) 歷 碩 士 學(xué) 科、專(zhuān) 業(yè) 材料加工工程 研 究 方 向 材料成形模擬及模具cad/cam 導(dǎo) 師 及 職 稱(chēng) 2007年3月合 肥 工 業(yè) 大 學(xué)本論文經(jīng)答辯委員會(huì)全體委員審查，確認(rèn)符合合肥工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文質(zhì)量要求。答辯委員會(huì)簽名：（工作單位、職稱(chēng)） 主席： 委員： 導(dǎo)師： 獨(dú) 創(chuàng) 性 聲 明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果

2、。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)志和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果，也不包含為獲得 合肥工業(yè)大學(xué) 或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示謝意。學(xué)位論文作者簽字： 簽字日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者完全了解 合肥工業(yè)大學(xué) 有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤(pán)，允許論文被查閱或借閱。本人授權(quán) 合肥工業(yè)大學(xué) 可以將學(xué)位論文的全部或部分論文內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。（保密的學(xué)

3、位論文在解密后適用本授權(quán)書(shū)）學(xué)位論文者簽名： 導(dǎo)師簽名： 簽字日期： 年 月 日 簽字日期： 年 月 日學(xué)位論文作者畢業(yè)后去向：工作單位： 電話(huà)：通訊地址： 郵編：基于ti(c,n)基金屬陶瓷刀具的金屬切削過(guò)程的有限元分析摘 要金屬切削加工是機(jī)械制造中最常用也是最重要的加工工藝。隨著電子、光學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等精密設(shè)備的需求不斷增加，產(chǎn)品的體積越來(lái)越小，對(duì)切削加工的質(zhì)量就提出了更高的要求。因此，研究切削過(guò)程、掌握切削規(guī)律、實(shí)現(xiàn)優(yōu)化切削，不論對(duì)傳統(tǒng)切削還是對(duì)新型切削技術(shù)均有非常重要的意義。本文首先基于液相燒結(jié)法制備出了ti(c,n)基金屬陶瓷刀具，并通過(guò)試驗(yàn)和計(jì)算的方法獲得了材料性能；其次，采用剛粘塑

4、性有限元法，以新型ti(c,n)基金屬陶瓷刀具為研究對(duì)象，建立了不同前角的切削有限元模型，實(shí)現(xiàn)了金屬切削過(guò)程的模擬，從主切削力、刀具的溫度分布和應(yīng)力狀態(tài)等方面分析了刀具磨損的原因，得到了刀具的磨損曲線(xiàn)；最后，對(duì)試驗(yàn)制備出的新型ti(c,n)基金屬陶瓷刀片進(jìn)行了切削物理試驗(yàn)，并得出不同前角刀具的磨損量曲線(xiàn)。通過(guò)分析得到以下結(jié)論：增大刀具前角，主切削力減小，切削溫度降低，刀具上的等效應(yīng)力減小；切削初期，刀具上的磨損區(qū)面積迅速增加，然后緩慢增長(zhǎng)，且10刀具的磨損性能最好；綜合上述因素得出ti(c,n)基金屬陶瓷刀具切削45鋼的最優(yōu)前角；另外，切屑的卷曲半徑與材料有關(guān)：工件材料中含碳量越低，塑性越好，

5、切屑的卷曲半徑越大，切屑越不容易斷裂；模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的正確性。論文的研究結(jié)果表明，金屬切削有限元模擬能夠?qū)η邢鬟^(guò)程的各主要物理要素進(jìn)行理論預(yù)報(bào)，可以為研究金屬切削理論以及研發(fā)新型刀具材料提供可行的方法，對(duì)高效、低耗地進(jìn)行金屬切削研究具有重要意義。關(guān)鍵詞：ti(c,n)基金屬陶瓷 切削性能 有限元模擬 刀具前角 刀具磨損fea of metal cutting process based on ti(c,n)-based cermets cutterabstractmachining of metals is a major processing technique. a

6、s the increasing demands of precision equipments in electronic, optical and biological field, the dimension of the product becomes smaller; as a result, the quality requirements of cutting product becomes higher. consequently, it is significant for either traditional or advanced machining technique

7、to study cutting process, master the law of machining and to optimize the cutting process.firstly, the ti(c,n)-based cermet cutters were prepared through liquid-phase sintering method; the material performance were measured and calculated. secondly, based on rigid-plastic finite element method, mach

8、ining finite element models of different rake angles were built, and the cutting process of ti(c,n)-based cermet cutters were simulated; the reasons of tool wear were analyzed through main cutting force, distribution of cutting temperature as well as stress condition. lastly, machining tests of ti(c

9、,n)-based cermet cutters were implemented; the tool wear curves of different rake angles were obtained.some important conclusions from the study are drawn as follows: firstly, with the increasing of rake angle, main cutting force, cutting temperature and also equivalent stress on tools are falling d

10、own. secondly, at the early stage of metal cutting, the wear area on tool is increasing rapidly, then slowing down; and the wear performance of 10 cutter is the best of all. generalized from all the factors above, the optimum rake angle of ti(c,n)-based cermet cutters can be inferred when machining

11、aisi1045 steel. thirdly, the chip curling radius is related with the workpiece material: workpiece of better plasticity will turn up bigger curling radius of chip, so the chip will break more easily. the results of simulation and machining test are of well coincident, which proves the validity of th

12、e numerical simulation.the consequence of the issue indicates that the fem of metal cutting could not only predict the main physical elements in cutting process, but also provide a feasible method for both the study of metal cutting theory and the development-research of new style cutter; furthermor

13、e, it is very significant to study metal cutting more effectively.keywords: ti(c,n)-based cermet cutter, cutting performance, finite element simulation; rake angle, tool wear致 謝本論文是在導(dǎo)師 副教授悉心指導(dǎo)下完成的。在三年的學(xué)習(xí)和科研工作中導(dǎo)師對(duì)我一直辛勤培養(yǎng)、不倦教誨，在生活上給予我無(wú)微不至的關(guān)懷。本研究論文在實(shí)驗(yàn)選題、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、論文寫(xiě)作和論文修改等方面都得到導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)。導(dǎo)師高尚的思想品德、卓越的領(lǐng)導(dǎo)才能、淵博的

14、專(zhuān)業(yè)知識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、孜孜不倦的進(jìn)取精神，給我留下了深刻印象，并激勵(lì)著我不斷進(jìn)步。正是導(dǎo)師的嚴(yán)格要求、大力支持和無(wú)私幫助，才使我的論文研究工作得以順利進(jìn)行。值此論文完成之際，謹(jǐn)表示我對(duì)導(dǎo)師最衷心的感謝！真誠(chéng)感謝在論文選題、課題研究和評(píng)閱中給予我?guī)椭?教授、 教授、教授、 教授、 副教授，他們給我提供了寶貴的建議。感謝材料學(xué)院所有關(guān)心我的各位老師！感謝師兄 等同學(xué)的熱心幫助，在此表示衷心的感謝!深深的感謝我的父母家人和朋友對(duì)我的關(guān)愛(ài)與支持！作者： 2007年3月12日目 錄第一章 緒 論11.1 引言11.2 金屬切削過(guò)程有限元模擬技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀11.3 金屬陶瓷刀具21.4 課題背景概述

15、31.4.1 課題來(lái)源31.4.2 課題研究目的31.4.3 課題內(nèi)容3第二章 金屬切削基本理論42.1 金屬切削變形理論42.1.1 金屬切削變形區(qū)的劃分42.1.2 切削變形程度的衡量52.2 刀具材料簡(jiǎn)介62.2.1 刀具材料應(yīng)當(dāng)具備的性能62.2.2 常用刀具材料的種類(lèi)62.2.2.1 高速鋼62.2.2.2 硬質(zhì)合金62.2.2.3 陶瓷62.2.3 ti(c,n)基金屬陶瓷材料72.2.3.1 ti(c,n)基金屬陶瓷材料的發(fā)展背景72.2.3.2 ti(c,n)基金屬陶瓷及其制備方法72.2.3.3 ti(c,n)基金屬陶瓷的發(fā)展趨勢(shì)82.3 刀具磨損基本理論82.3.1 影響刀

16、具磨損的基本因素82.3.2 刀具的磨損類(lèi)型9第三章 剛塑性有限元法及熱力耦合分析基本理論103.1 引言103.2 剛粘塑性有限元法103.2.1 剛粘塑性流動(dòng)基本方程103.2.2 剛粘塑性有限元的變分原理123.3 變形與傳熱過(guò)程的耦合分析12第四章 ti(c,n)基金屬陶瓷的制備及材料性能的獲取154.1 ti(c,n)基金屬陶瓷刀具的制備154.1.1 成分配比設(shè)計(jì)154.1.2 粒度組合設(shè)計(jì)154.1.3 制備過(guò)程154.2 ti(c,n)基金屬陶瓷刀具性能的測(cè)定與計(jì)算15第五章 金屬切削有限元模型的建立185.1 概述185.2 幾何模型的簡(jiǎn)化185.2.1 二維切削幾何模型的簡(jiǎn)

17、化185.2.2 三維切削幾何模型的簡(jiǎn)化195.3 材料模型的建立195.4 摩擦模型的建立205.5 二維切削有限元模型的建立215.5.1 幾何模型轉(zhuǎn)化為有限元網(wǎng)格模型215.5.2 材料性能參數(shù)設(shè)置215.5.3 接觸條件設(shè)置225.5.4 網(wǎng)格重劃分225.6 三維切削有限元模型的建立225.7 金屬切削有限元模型的切削參數(shù)設(shè)置23第六章 有限元模擬結(jié)果246.1 金屬切削二維有限元模擬結(jié)果246.1.1 金屬切削過(guò)程中切削力變化246.1.2 金屬切削過(guò)程中的溫度場(chǎng)分析256.1.3 金屬切削過(guò)程中的應(yīng)力場(chǎng)分析296.1.3.1 刀具的應(yīng)力分布296.1.3.2 工件上的應(yīng)力分布31

18、6.1.4 金屬切削過(guò)程中的應(yīng)變場(chǎng)分析326.2 金屬切削三維有限元模擬結(jié)果346.2.1 ti(c,n)基金屬陶瓷刀具的磨損分析346.2.2 不同材料刀具磨損性能對(duì)比366.3 切屑卷曲變形及斷裂分析376.3.1 切屑卷曲程度的研究386.3.1.1 切屑的等效應(yīng)力分布396.3.1.2 切屑的剪應(yīng)力分布396.3.2 切削金屬斷裂臨界值的探討39第七章 切削物理試驗(yàn)437.1 物理試驗(yàn)方法437.2 物理試驗(yàn)結(jié)果43第八章 結(jié)論與展望47參考文獻(xiàn)49碩士期間發(fā)表論文51插圖清單圖2-1 切削變形區(qū)示意圖4圖2-2 剪切角示意圖4圖2-3 切削變形系數(shù)的計(jì)算參數(shù)5圖2-4 ti(c,n)

19、基金屬陶瓷典型顯微結(jié)構(gòu)示意圖7圖5-1 二維切削簡(jiǎn)化模型19圖5-2 三維切削簡(jiǎn)化模型19圖5-3 45鋼流動(dòng)應(yīng)力曲線(xiàn)20圖5-4 刀屑接觸表面的摩擦模型20圖5-5 二維切削幾何模型21圖5-6 二維切削有限元網(wǎng)格模型21圖5-7 二維切削模型接觸體設(shè)置22圖5-8 網(wǎng)格重劃窗設(shè)置23圖6-1 主切削力隨時(shí)間變化曲線(xiàn)24圖6-2 二維切削刀具表面熱交換25圖6-3 切削過(guò)程熱源云圖26圖6-4 二維切削溫度分布云圖27圖6-5 不同前角切削時(shí)切削溫度分布28圖6-6 刀具最高溫度隨前角變化曲線(xiàn)28圖6-7 刀具節(jié)點(diǎn)溫度變化曲線(xiàn)29圖6-8 刀具正應(yīng)力云圖30圖6-9 刀具正應(yīng)力最大值曲線(xiàn)30

20、圖6-10 刀具等效應(yīng)力云圖31圖6-11 刀具等效應(yīng)力最大值曲線(xiàn)31圖6-12 切屑等效應(yīng)力云圖32圖6-13 工件剪應(yīng)力云圖32圖6-14 鋸齒屑的外形32圖6-15 切削過(guò)程中的塑性應(yīng)變?cè)茍D33圖6-16 切削過(guò)程中的彈性應(yīng)變?cè)茍D34圖6-17 切削過(guò)程中塑性應(yīng)變速率云圖34圖6-18 刀具的磨損過(guò)程35圖6-19 不同前角刀具磨損總量曲線(xiàn)35圖6-20 不同前角刀具當(dāng)前磨損值曲線(xiàn)36圖6-21 ti(c,n)刀具與yt15刀具磨損總量曲線(xiàn)37圖6-22 ti(c,n)刀具與yt15刀具當(dāng)前磨損量曲線(xiàn)37圖6-23 不同材料切屑形態(tài)與等效應(yīng)變?cè)茍D38圖6-24 不同材料切屑表面等效應(yīng)力云

21、圖39圖6-25 不同材料切屑表面剪應(yīng)力云圖39圖6-26 刀屑接觸表面取樣點(diǎn)示意圖40圖6-27 刀屑接觸表面速度曲線(xiàn)40圖6-28 刀屑接觸表面等效應(yīng)變曲線(xiàn)40圖6-29 刀屑接觸表面等效應(yīng)力曲線(xiàn)41圖6-30 工件材料流動(dòng)方向示意圖42圖7-1 cnma120408型刀具外形尺寸簡(jiǎn)圖43圖7-2 ti(c,n)基金屬陶瓷刀具磨損試驗(yàn)曲線(xiàn)44圖7-3 刀具磨損電鏡掃描圖44圖7-4 刀具磨損eds能譜分析45圖7-5 0刀具后刀面磨損形貌46表格清單表4-1 材料性能測(cè)試數(shù)據(jù)表16表4-2 各組分的材料性能16表4-3 ti(c,n)基金屬陶瓷其它材料性能17表6-1 不同前角的主切削力2

22、5表6-2 ti(c,n)基金屬陶瓷與硬質(zhì)合金yt15的材料性能36表6-3 卷屑模型切削參數(shù)設(shè)置37表6-4 部分節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)41第一章 緒 論1.1 引言切削工藝是通過(guò)刀具在工件表面切除多余的材料層來(lái)獲得理想的工件形狀、尺寸以及表面光潔度的機(jī)械加工方法。如今，精密切削和超精密切削已經(jīng)可以代替研磨等很費(fèi)工的手工精加工工序，同時(shí)可以提高加工精度和加工質(zhì)量。隨著電子、光學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等精密設(shè)備的使用需求不斷增加，產(chǎn)品的體積越來(lái)越小，對(duì)切削加工的質(zhì)量就提出了更高的要求。為了提高切削產(chǎn)品特別是精密和超精密切削的生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量，需要深入的研究切削機(jī)理、切削加工和切屑形成理論。在金屬切削加工過(guò)程中，直接完

23、成切削加工的是刀具的切削部分。刀具性能的好壞，主要決定于構(gòu)成刀具切削部分的材料。切削加工生產(chǎn)率和刀具耐用度的高低、刀具消耗和加工成本的多少、加工精度和表面質(zhì)量的優(yōu)劣等等，在很大程度上都取決于刀具材料切削性能的好壞。近年來(lái)，隨著工件材料，特別是各種難加工材料的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了以金屬陶瓷材料為代表的新型高生產(chǎn)率的刀具材料；金屬陶瓷材料是繼金屬材料、高分子材料之后出現(xiàn)的第三大類(lèi)材料，這種材料一般具有彈性模量大、極不容易變形、熱穩(wěn)定性好、高溫耐氧化能力強(qiáng)，以及重量輕、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。因此，深受人們的青睞，并被廣泛應(yīng)用于金屬切削領(lǐng)域。過(guò)去，人們對(duì)金屬切削過(guò)程以及刀具切削性能的研究主要是利用切削試驗(yàn)的方法

24、，這種方法既費(fèi)時(shí)費(fèi)力，又增加了成本，不利于切削技術(shù)的發(fā)展。近幾十年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的功能逐漸強(qiáng)大，數(shù)值技術(shù)得到不斷完善和發(fā)展，一些數(shù)值方法，例如：有限單元法（fem）、有限差分法（fdm）以及人工智能技術(shù)被廣泛應(yīng)用于切削加工行業(yè)。其中，有限單元法成為了模擬切削加工過(guò)程的一個(gè)強(qiáng)有力的工具，通過(guò)對(duì)切屑形成以及切削過(guò)程中熱傳導(dǎo)的分析，可以預(yù)測(cè)切削過(guò)程中的很多變量，例如：切削力，切削溫度、應(yīng)變、應(yīng)變率以及應(yīng)力、刀具磨損量等。1.2 金屬切削過(guò)程有限元模擬技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀有限元法的基本思想是把連續(xù)體視為離散單元的集合體來(lái)考慮。在應(yīng)用有限元法分析問(wèn)題時(shí)，首先采用“化整為零”的辦法，將連續(xù)體分解

25、為有限個(gè)性態(tài)比較簡(jiǎn)單的“單元”，對(duì)這些單元分別進(jìn)行分析；然后采用“積零為整”的辦法，將各個(gè)單元重新組合為原連續(xù)體的簡(jiǎn)化“模型”，通過(guò)求解這個(gè)模型得到問(wèn)題的基本未知量（例如：位移）在若干離散點(diǎn)上的數(shù)值解；最后，根據(jù)得到的數(shù)值解，再回到各個(gè)單元中計(jì)算其它物理量(例如應(yīng)變、應(yīng)力)1，2。目前為止，可以用于研究金屬切削過(guò)程的商業(yè)有限元軟件主要有：nike2， abaqus/standard，marc，superform，deform，algor，fluent， abaqus/explicit以及l(fā)s-dyna等。另一方面，利用以上這些有限元軟件，已經(jīng)可以對(duì)很多種刀具和工件材料進(jìn)行切削過(guò)程的模擬；其中，

26、可模擬的刀具材料包括無(wú)涂層碳化物刀具、涂層碳化物刀具、立方氮化硼刀具、金屬陶瓷刀具、陶瓷刀具以及金鋼石刀具；工件材料包括碳鋼、復(fù)合材料、高合金鋼、鑄鐵、球墨鑄鐵等?；谟邢拊椒?，各國(guó)學(xué)者對(duì)金屬切削過(guò)程都進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)性研究。ship-penglo3使用有限元法分析了在精密加工中，刀具前角對(duì)切削力、切屑形狀、等效應(yīng)力以及殘余應(yīng)力的分布和加工表面質(zhì)量的影響；xiaopingyang和c.richard liu4建立了切削加工中摩擦力隨壓力變化的有限元模型，并研究了它對(duì)殘余應(yīng)力的影響；yung-changyen5分析了切削刃的形狀對(duì)切屑成形、切削力和其它變量(切削溫度、應(yīng)力和應(yīng)變)的影響；合肥工

27、業(yè)大學(xué)的謝峰等人利用數(shù)值模擬的方法對(duì)金屬切削起始階段切削力變化過(guò)程進(jìn)行了研究6。國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究表明，切削過(guò)程的有限元模擬對(duì)了解切削機(jī)理、提高切削質(zhì)量以及研發(fā)新型刀具材料都是有幫助的。但目前大多數(shù)的研究都停留在二維模擬上，在實(shí)際切削過(guò)程中，切削是在三維變形域內(nèi)進(jìn)行的，工件和刀刃具有三維的幾何形狀，為了更加深入的研究切削加工過(guò)程，對(duì)切削過(guò)程進(jìn)行三維模擬是很有必要的。1.3 金屬陶瓷刀具金屬陶瓷硬度高，強(qiáng)度高，韌性低，與傳統(tǒng)的wc-co基硬質(zhì)合金相比具有以下特點(diǎn)：高的紅硬性，高溫抗氧化性，高的熱導(dǎo)率。這些性能使得金屬陶瓷刀具更適合于進(jìn)行高速切削以及半精加工、精加工7；另外，金屬陶瓷刀具使用壽命長(zhǎng)，

28、適于干切削，用金屬陶瓷刀具加工的工件表面光潔度和尺寸精度都較傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金刀具高8。日本對(duì)金屬陶瓷特別青睞，目前，在日本的金屬切削領(lǐng)域中，金屬陶瓷刀片已占可轉(zhuǎn)位刀片總數(shù)的30% ，迄今仍在擴(kuò)大應(yīng)用范圍；美國(guó)雖只占5% ，但有人預(yù)示美國(guó)制造業(yè)中已經(jīng)能看到大量應(yīng)用金屬陶瓷的前景9。如今，金屬陶瓷的發(fā)展方向是超細(xì)晶?；蛯?duì)其進(jìn)行表面涂層。超細(xì)晶粒金屬陶瓷可以提高切削速度，也可用來(lái)制造小尺寸刀具。納米tin占2%15%改性的tic或ti(c,n)基金屬陶瓷刀具，硬度高、耐磨性好，其熱穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性、耐蝕性、抗氧化性及高溫硬度、高溫強(qiáng)度等都有明顯優(yōu)勢(shì)。與硬質(zhì)合金刀具相比，該刀具的耐用度和使用壽命都有很大

29、的提高，切削速度提高1.53倍，成本與其相當(dāng)或略高，而金屬切削加工費(fèi)用下降20%40%。與普通ti(c,n)基金屬陶瓷刀具相比，該刀具可靠性更高10。目前，ti(c,n)基金屬陶瓷材料應(yīng)用于切削加工領(lǐng)域也已成現(xiàn)實(shí)，并逐步取代tic基金屬陶瓷，被廣泛用于碳鋼和不銹鋼的高速銑削、精加工和半拋光等領(lǐng)域。另外，它還可用于各類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫部件或石化工業(yè)中各種密封環(huán)和閥門(mén)，以及作各種量具。因此，其發(fā)展空間很大，是一種值得研究和探討的材料。1.4 課題背景概述1.4.1 課題來(lái)源本課題來(lái)源于日本玻璃板基金項(xiàng)目（no.103-413371），安徽省自然科學(xué)基金（no.01044107）“超細(xì)ti(c,n)基金

30、屬陶瓷組織、力學(xué)性能和切削行為的研究”。1.4.2 課題研究目的由于金屬切削過(guò)程的特殊性和復(fù)雜性，利用傳統(tǒng)的試驗(yàn)法或者解析法很難精確的計(jì)算出切削過(guò)程中溫度和應(yīng)力應(yīng)變的分布規(guī)律以及刀具的磨損情況。本文基于金屬切削原理及金屬塑性變形原理，以ti(c,n)基金屬陶瓷刀具為研究對(duì)象，建立不同前角刀具切削過(guò)程的有限元模型，研究切削過(guò)程中切削力，溫度場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的分布規(guī)律以及刀具磨損情況，并進(jìn)行切削物理試驗(yàn)驗(yàn)證模擬結(jié)果。為研究金屬切削理論和研發(fā)新型刀具產(chǎn)品提供一種更為有效、可靠的方法。1.4.3 課題內(nèi)容本文的主要內(nèi)容有：1) 介紹金屬切削有限元模擬以及金屬陶瓷材料的相關(guān)知識(shí)及其發(fā)展現(xiàn)狀；2) 分析金屬

31、切削過(guò)程中的材料變形規(guī)律并介紹刀具材料及刀具磨損規(guī)律；3) 針對(duì)數(shù)值模擬技術(shù)，介紹剛塑性有限元基本理論及熱力耦合分析的基本原理；4) 基于液相燒結(jié)法制備新型ti(c,n)基金屬陶瓷刀具，并測(cè)試計(jì)算其材料性能；5) 建立二維切削剛塑性有限元模型，分析不同前角的ti(c,n)基金屬陶瓷刀具切削過(guò)程中的切削力變化規(guī)律以及溫度場(chǎng)和應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的分布情況，研究工件材料與切屑卷曲半徑的關(guān)系，得出工件材料的斷裂參數(shù)； 6) 建立三維切削剛塑性有限元模型，分析不同前角ti(c,n)基金屬陶瓷刀具切削過(guò)程中刀具的磨損情況；7) 進(jìn)行切削試驗(yàn)，對(duì)有限元分析結(jié)果進(jìn)行論證。第二章 金屬切削基本理論2.1 金屬切削變形理

32、論2.1.1 金屬切削變形區(qū)的劃分在金屬壓縮試驗(yàn)中，當(dāng)金屬試件受壓時(shí)，在其內(nèi)部產(chǎn)生主應(yīng)力的同時(shí)還將在與作用力大致成45方向的斜截面產(chǎn)生最大切應(yīng)力，在切應(yīng)力達(dá)到材料的剪切屈服強(qiáng)度時(shí)，金屬材料將在此方向發(fā)生剪切滑移；切削過(guò)程中，刀具相當(dāng)于局部壓縮金屬的壓塊，使金屬沿最大剪應(yīng)力方向產(chǎn)生滑移。當(dāng)切屑層金屬達(dá)到始滑移面處時(shí)，切應(yīng)力達(dá)到材料屈服強(qiáng)度，產(chǎn)生剪切滑移，切削層金屬移到終滑移面上時(shí)，剪切滑移終止，金屬離開(kāi)切削刃后形成切屑并沿前刀面流出。在切削過(guò)程中，根據(jù)金屬材料的塑性變形特點(diǎn)，可分為圖2-1中的三個(gè)變形區(qū)：圖2-1 切削變形區(qū)示意圖圖2-2 剪切角示意圖 第變形區(qū)：始滑移面oa與終滑移面om之間的

33、變形區(qū)；由于這一區(qū)域的寬度很窄(約0.020.2mm)，故常用om剪切面亦稱(chēng)滑移面來(lái)表示，它與切削速度的夾角稱(chēng)為剪切角，如圖2-2所示。這一區(qū)間內(nèi)金屬的變形特點(diǎn)是只發(fā)生沿滑移線(xiàn)的剪切變形以及隨之產(chǎn)生的加工硬化，因此這一區(qū)間又叫做剪切區(qū)。第變形區(qū)：當(dāng)切屑沿前刀面流出時(shí)，由于受到前刀面的擠壓和摩擦作用，切屑底部的一層金屬流動(dòng)滯緩并再次產(chǎn)生剪切變形，流動(dòng)滯緩的金屬層稱(chēng)為滯流層，這一區(qū)域稱(chēng)為第二變形區(qū)。第變形區(qū)：由于受到切削刃的擠壓和后刀面的摩擦，已加工表面上的金屬再次發(fā)生嚴(yán)重變形，已加工表面與后刀面的接觸區(qū)稱(chēng)為第三變形區(qū)。2.1.2 切削變形程度的衡量實(shí)踐證明，在金屬切削加工中，刀具切下的切屑厚度通

34、常都要大于工件上切削層的厚度；而切屑長(zhǎng)度卻小于切削層長(zhǎng)度，如圖2-3所示。根據(jù)這一事實(shí)來(lái)衡量切削變形程度，就得出了切削變形系數(shù)的概念。切屑厚度與切削層的厚度之比，稱(chēng)為厚度變形系數(shù)；而切屑長(zhǎng)度與切削層長(zhǎng)度之比稱(chēng)為長(zhǎng)度變形系數(shù)，即： （2-1） （2-2）工件上的切削層金屬變成切屑后，寬度變化很小，根據(jù)體積不變?cè)?，顯然： （2-3）變形系數(shù)直觀地反映了切削變形程度，且比較容易測(cè)量；是試件對(duì)應(yīng)于切屑長(zhǎng)度的切削層長(zhǎng)度；可以在試驗(yàn)時(shí)用電器保險(xiǎn)絲量出。顯見(jiàn)，值越大，表示切屑越厚越短，標(biāo)志著切削變形越大11。圖2-3 切削變形系數(shù)的計(jì)算參數(shù) 從圖2-3中可以推出和的關(guān)系：故 （2-4） 從圖2-3及式2-

35、4可知，剪切角和切削變形有十分密切的關(guān)系。若減小，切屑便變厚、變短，變形系數(shù)增大。2.2 刀具材料簡(jiǎn)介在切削過(guò)程中，刀具直接完成切除余量和形成已加工表面的任務(wù)。刀具切削性能的優(yōu)劣，取決于構(gòu)成切削部分的材料、幾何形狀和刀具結(jié)構(gòu)。由此可見(jiàn)刀具材料的重要性，它對(duì)刀具使用壽命、加工效率、加工質(zhì)量和加工成本影響極大。因此，應(yīng)當(dāng)正確選擇和合理使用刀具材料，同時(shí)重視新型刀具材料的研制。2.2.1 刀具材料應(yīng)當(dāng)具備的性能切削加工時(shí)，刀具切削部分與切屑、工件相互接觸的表面上承受很大的壓力和強(qiáng)烈的摩擦，刀具在高溫下進(jìn)行切削的同時(shí)，還承受切削力、沖擊和振動(dòng)。因此刀具材料應(yīng)具備高硬度（特別是較高的高溫硬度）、高耐磨性

36、、足夠的強(qiáng)度和韌性、良好的抗擴(kuò)散及抗氧化性、良好的導(dǎo)熱性和較小的線(xiàn)膨脹系數(shù)等性能。2.2.2 常用刀具材料的種類(lèi)2.2.2.1 高速鋼高速鋼是一種加入了較多鎢、鉬、鉻、釩等合金元素的高合金工具鋼，常用的牌號(hào)有w18cr4v，w6mo5cr4v2等，高速鋼具有較高的熱穩(wěn)定性、高的強(qiáng)度，刀具制造工藝簡(jiǎn)單，是使用得較多的一種刀具材料。2.2.2.2 硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金是由難熔金屬碳化物（wc，tic等，又稱(chēng)高溫碳化物）和金屬粘結(jié)劑（如co）的粉末高溫下燒結(jié)而成的，具有高耐磨性和高耐熱性，但抗彎強(qiáng)度低、沖擊韌性差，很少用于制造整體刀具。硬質(zhì)合金可分為wc基和tic基兩大類(lèi)。我國(guó)最常用的wc基硬質(zhì)合金有鎢

37、鉆類(lèi)（如ygs等）和鎢鈦鈷類(lèi)（如yt30、yt15、yt5等），由ni粘結(jié)的ti(c,n)基硬質(zhì)合金也稱(chēng)為金屬陶瓷是本文重點(diǎn)研究的刀具材料。2.2.2.3 陶瓷陶瓷刀具是以a12o3為基本成份在高溫下燒結(jié)而成的陶瓷，最近幾年也發(fā)展了以氮化硅為基本成分的陶瓷。這類(lèi)材料硬度高、耐用度高，還可用于沖擊負(fù)荷下的粗加工，切削效率顯著提高。2.2.2.4 超硬刀具材料超硬刀具材料是指金剛石和立方氮化硼，金剛石的顯微硬度達(dá)hv10000左右，是世界上己經(jīng)發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)中最硬的，比硬質(zhì)合金和陶瓷刀具的硬度要高好幾倍。金剛石具有極高的耐磨性，天然金剛石的耐磨性為硬質(zhì)合金的80120倍，人造金剛石的耐磨性為硬質(zhì)合金的

38、6080倍。立方氮化硼具有閃鋅礦型晶體結(jié)構(gòu)，屬立方晶系，是一種硬度高、耐磨性好的材料，具有很強(qiáng)的切削能力。2.2.3 ti(c,n)基金屬陶瓷材料2.2.3.1 ti(c,n)基金屬陶瓷材料的發(fā)展背景ti(c,n)基金屬陶瓷是在tic基金屬陶瓷基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種具有高強(qiáng)度、高硬度以及優(yōu)良的高溫、耐磨性能的新型金屬陶瓷。其研制與開(kāi)發(fā)已歷經(jīng)三代12，13：第一代是二戰(zhàn)期間，德國(guó)以ni粘結(jié)tic生產(chǎn)金屬陶瓷；第二代是60年代美國(guó)福特汽車(chē)公司發(fā)明的，將mo添加到ni粘結(jié)相中改善tic與其它碳化物的潤(rùn)濕性，從而提高材料的韌性；第三代金屬陶瓷則是將氮化物引入合金的硬質(zhì)相，改單一相為復(fù)合相，并通過(guò)添加co

39、和其它元素改善了粘結(jié)相。2.2.3.2 ti(c,n)基金屬陶瓷及其制備方法金屬陶瓷因其制造工藝與硬質(zhì)合金相似，只是所含成分有所差異，所以有人將金屬陶瓷歸入硬質(zhì)合金類(lèi)。ti(c,n)基金屬陶瓷顯微組織較為復(fù)雜，借用掃描電子顯微鏡(sem)的背散射電子(bse)成像觀察，芯-環(huán)包覆相(core-rim)顯微結(jié)構(gòu)的襯度呈現(xiàn)三層14，15：芯部為黑色未溶解的ti(c,n)或tin，其相鄰?fù)鈱訛榘咨沫h(huán)形結(jié)構(gòu)內(nèi)環(huán)相，因其內(nèi)含最高濃度的重金屬元素如w、mo、ta、nb、hf等，在bse下呈現(xiàn)最高的亮度；內(nèi)環(huán)相之外是外環(huán)相，其內(nèi)也含有重金屬元素，但濃度低于內(nèi)環(huán)相，呈現(xiàn)出灰色襯度；硬質(zhì)相嵌入在金屬粘結(jié)相中，

40、如圖2-4所示。圖2-4 ti(c,n)基金屬陶瓷典型顯微結(jié)構(gòu)示意圖金屬陶瓷的制備方法主要有以下兩種：1） 液相燒結(jié)法（常規(guī)制備方法）液相燒結(jié)法主要包括球磨、干燥、造粒、壓制、燒結(jié)等幾個(gè)步驟：首先按試驗(yàn)配方將試驗(yàn)用原料粉末稱(chēng)量后，倒入尼龍球磨罐中并放入硬質(zhì)合金球，采用酒精濕磨；球磨后將混合料放入遠(yuǎn)紅外烘箱中烘干，然后加入乙醇水溶液造粒；混合料經(jīng)造粒后，放入模具中進(jìn)行壓制成形；將壓制成形的毛坯放入烘箱中烘干后，再放入真空爐中進(jìn)行脫脂；將脫脂后的試樣放入真空爐中進(jìn)行最終燒結(jié)，燒結(jié)后即制得金屬陶瓷材料。2） 機(jī)械合金化方法機(jī)械合金化（mechanical alloying）是在一個(gè)常溫下利用高效球磨

41、過(guò)程完成的非平衡固態(tài)反應(yīng)過(guò)程。通常將欲合金化的元素粉末按一定的比例，機(jī)械混合于高能球磨機(jī)中，在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中將回轉(zhuǎn)能傳遞給合金粉末，粉末在球磨介質(zhì)的反復(fù)沖擊下經(jīng)歷反復(fù)的擠壓和粉碎過(guò)程，最后形成固態(tài)合金材料。目前利用機(jī)械合金化方法制備ti(c,n)基金屬陶瓷還不是很成熟，但其作為一種新的復(fù)相金屬陶瓷制備方法，已經(jīng)引起了廣大材料工作者的關(guān)注。2.2.3.3 ti(c,n)基金屬陶瓷的發(fā)展趨勢(shì)經(jīng)過(guò)三十多年的發(fā)展，ti(c,n)基金屬陶瓷的研究和應(yīng)用取得了很大進(jìn)展，但與傳統(tǒng)wc基硬質(zhì)合金相比仍有不足，突出表現(xiàn)在強(qiáng)度和韌性上。為此，今后的研究工作一方面要圍繞著ti(c,n)基金屬陶瓷強(qiáng)韌性的提高，包括

42、選擇加入新的添加劑和進(jìn)行后續(xù)熱處理工藝以進(jìn)一步細(xì)化晶粒，從而提高材料強(qiáng)度，并采用諸如復(fù)合合金化和相變?cè)鲰g等方法提高材料韌性，使其可與涂層硬質(zhì)合金相競(jìng)爭(zhēng)；另一方面，進(jìn)一步改善ti(c,n)基金屬陶瓷的耐磨性，使其達(dá)到陶瓷材料的水平。同時(shí)采用多種手段，如預(yù)燒結(jié)固溶處理(pre-sintering solid solution)，簡(jiǎn)稱(chēng)(psss)，加入新的添加成分等方法解決ti(c,n)基金屬陶瓷燒結(jié)時(shí)的脫氮等問(wèn)題，在保證ti (c,n)基金屬陶瓷良好的燒結(jié)性能和機(jī)械加工性能的前提下，不用或少用鈷等稀缺資源，進(jìn)一步降低成本，拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域16。2.3 刀具磨損基本理論2.3.1 影響刀具磨損的基本因

43、素切削過(guò)程中，造成刀具磨損的主要原因是刀具和工件之間的接觸和摩擦以及刀刃附近高溫高壓的極端惡劣的條件。切削區(qū)域任何一個(gè)單元接觸條件的改變都會(huì)影響刀具的磨損，這些條件包括：1）工件：包括工件材料及其物理性能（力學(xué)性能、熱學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)、硬度等），這些性能也決定了一定切削條件下的切削力和切削功；2）刀具：不同的切削工藝（粗加工、半精加工或者精加工）需要選擇相應(yīng)的刀具材料、刀具涂層以及刀具幾何規(guī)格（刃磨質(zhì)量、刀具角度等）。只有選擇了正確的刀具參數(shù)和合適的切削條件（切削速度、進(jìn)給量、切削深度等）才能發(fā)揮刀具最優(yōu)的切削性能；3）界面條件：即冷卻潤(rùn)滑條件。大約80的切削加工中都需要使用冷卻液來(lái)降低切削溫

44、度以減小刀具磨損；4）動(dòng)態(tài)切削條件：刀具的動(dòng)態(tài)性能受到整個(gè)加工系統(tǒng)的影響，同時(shí)它也是影響切削加工質(zhì)量的一個(gè)重要因素。當(dāng)切削過(guò)程中車(chē)床振動(dòng)較大或者刀跳較嚴(yán)重時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致刀具出現(xiàn)波動(dòng)的過(guò)載現(xiàn)象，其最終結(jié)果是加速刀具的磨損甚至是使切削刃過(guò)早斷裂。2.3.2 刀具的磨損類(lèi)型 刀具磨損經(jīng)常是機(jī)械、熱、化學(xué)三種作用的綜合結(jié)果，可以產(chǎn)生磨料磨損、冷焊磨損、擴(kuò)散磨損和氧化磨損等11：1）磨料磨損。切屑、工件的硬度雖然低于刀具的硬度，但其結(jié)構(gòu)中經(jīng)常含有的一些硬度極高的微小的硬質(zhì)點(diǎn)，能在刀具表面刻劃出溝紋，這就是磨料磨損。硬質(zhì)點(diǎn)有碳化物（如fe3c、tic、vc等）、氮化物（如tin、si3n4等）、氧化物（如s

45、io2、al2o3等）和金屬間化合物。磨料磨損在各種切削速度下都存在，但對(duì)于低速切削的刀具（如拉刀、板牙等），磨料磨損為磨損的主要原因。2）冷焊磨損。切削時(shí)，切屑、工件與前后刀面之間存在很大的壓力和強(qiáng)烈的摩擦，因而它們之間會(huì)發(fā)生冷焊；由于摩擦副之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，將產(chǎn)生冷焊結(jié)，破裂的一方被另一方帶走，從而造成冷焊磨損。一般來(lái)說(shuō)，工件或切屑的硬度較刀具材料的低，冷焊結(jié)的破裂往往發(fā)生在工件或切屑一方；但由于交變應(yīng)力、接觸疲勞、熱應(yīng)力以及刀具表層結(jié)構(gòu)等缺陷原因，冷焊結(jié)的破裂也可能發(fā)生在刀具一方，這時(shí)，刀具材料的顆粒被切屑或工件帶走從而造成刀具磨損。3）擴(kuò)散磨損。高溫下，切屑、工件與刀具接觸過(guò)程中，雙方的

46、化學(xué)元素在固態(tài)下相互擴(kuò)散，改變了材料原來(lái)的成分與結(jié)構(gòu)，使刀具表層變得脆弱，從而加劇了刀具的磨損。4）氧化磨損。切削溫度達(dá)到700800時(shí)，空氣中的氧與硬質(zhì)合金中的鈷及碳化鈷、碳化鈦等發(fā)生氧化作用，產(chǎn)生較軟的氧化物（如co3o4、coo、wo3、tio2等）被切屑或工件擦掉而形成磨損，這稱(chēng)為氧化磨損。第三章 剛塑性有限元法及熱力耦合分析基本理論3.1 引言有限元法起源于20世紀(jì)40年代的結(jié)構(gòu)力學(xué)中的矩陣算法，在切削加工方面的應(yīng)用始于20世紀(jì)70年代；與其它傳統(tǒng)的方法相比，有限元法具有以下一些特點(diǎn)：l 材料性能可以看作是應(yīng)變、應(yīng)變率以及溫度的函數(shù)；l 切屑和刀具間的相互作用可以看作粘結(jié)摩擦和滑動(dòng)摩

47、擦；l 可以得到切削力、進(jìn)給力以及切屑形態(tài)、局部應(yīng)力、溫度分布以及刀具磨損等變量。在切削過(guò)程的有限元模擬中，根據(jù)材料本構(gòu)關(guān)系的不同可將有限元法分為彈塑性有限元法、剛塑性有限元法和剛粘塑性有限元法。彈塑性有限元法是1967年由marcal和king首先提出的17，1968年山田嘉昭根據(jù)屈服準(zhǔn)則的微分形式和法向流動(dòng)法則，推導(dǎo)出彈塑性應(yīng)力應(yīng)變矩陣。彈塑性有限元法宜于處理板料成形等問(wèn)題，而處理變形較大的切削加工問(wèn)題時(shí)，所需計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，并且隨著變形的逐步增大會(huì)出現(xiàn)明顯的誤差。針對(duì)彈塑性有限元法存在的問(wèn)題，lee和kobayashi于1973年提出了剛塑性有限元法18。該法采用剛塑性材料模型，忽略材料的彈

48、性部分，比較適宜于模擬切削過(guò)程。金屬在高溫下或某些對(duì)應(yīng)變速率敏感的材料在常溫下表現(xiàn)出來(lái)的材料粘性，對(duì)材料塑性變形規(guī)律有較大的影響，在有限元模擬中必須加以考慮。zienkiewicz于1972年提出了粘塑性材料的有限元法，進(jìn)一步擴(kuò)展了有限元法在切削過(guò)程中的應(yīng)用。在切削過(guò)程中，溫度對(duì)加工的影響是不容忽視的，工件在發(fā)生變形的同時(shí)伴隨著溫度的變化。因此在分析切削過(guò)程時(shí)，還必須考慮溫度的影響，即進(jìn)行溫度場(chǎng)與變形場(chǎng)的耦合計(jì)算。采用剛粘塑性有限元法分析切削問(wèn)題，可以對(duì)切削過(guò)程中工件材料的變形過(guò)程、工件與刀具的溫度場(chǎng)變化、切削力，以及刀具受力及磨損甚至失效原因等進(jìn)行詳細(xì)的熱力耦合分析，從而可以分析和防止產(chǎn)品的

49、缺陷問(wèn)題，為保證工件質(zhì)量、選擇機(jī)床設(shè)備、指定合理加工工藝、改善刀具性能以及研發(fā)新型刀具材料提供可靠依據(jù)。3.2 剛粘塑性有限元法材料在一定的條件下的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)是應(yīng)變速率的函數(shù)，這就是所謂的材料粘性變形性質(zhì)，碳鋼的切削過(guò)程可以看作是一種粘塑性流動(dòng)。剛粘塑性有限元法就是只考慮粘塑性變形而忽略其彈性變形的一種數(shù)值計(jì)算方法。3.2.1 剛粘塑性流動(dòng)基本方程用剛粘塑性有限元法分析金屬塑性變形時(shí)，材料應(yīng)滿(mǎn)足以下基本假設(shè)：1）只考慮材料的塑性變形，而忽略其彈性變形；2）材料連續(xù)、均質(zhì)、各向同性；3）材料服從mises屈服條件，且等向強(qiáng)化；4）材料在變形過(guò)程中滿(mǎn)足體積不變條件；5）不計(jì)體積力和慣性力；6）材

50、料同時(shí)存在應(yīng)變強(qiáng)化和應(yīng)變率強(qiáng)化。設(shè)某一剛粘塑性體的體積為v，在表面力作用下這個(gè)變形體處于塑性狀態(tài)，表面積為s，分為力面和速度面，其中上給定表面力，上給定速度，則剛粘塑性材料的塑性變形過(guò)程中滿(mǎn)足以下基本方程19，20：（1） 平衡微分方程： （3-1）式中，為應(yīng)力張量，（下同）。（2） 幾何方程：（3-2）式中，為應(yīng)變速率。（3） 本構(gòu)關(guān)系： （3-3）式中，為等效應(yīng)力，為等效應(yīng)變速率，為應(yīng)力偏張量。（4） 屈服條件： （3-4）式中，為變形溫度。（5） 體積不可壓縮條件： （3-5）式中 為克氏符號(hào)。（6） 邊界條件應(yīng)力邊界條件： （3-6）速度邊界條件： （3-7）式中，表示表面上任一點(diǎn)處單

51、位外法線(xiàn)矢量的分量。3.2.2 剛粘塑性有限元的變分原理剛粘塑性有限元的基礎(chǔ)理論是基于markov變分原理，表述為：在所有滿(mǎn)足動(dòng)可容條件和速度容許條件的速度場(chǎng)中，真實(shí)的速度場(chǎng)使下列泛函取最小值： （3-8）引入材料的不可壓縮條件后，該泛函的一階變分為： （3-9）式中，為邊界上的給定外力，為工件與工具邊界上的摩擦力，為工件與工具邊界上的相對(duì)滑動(dòng)速度，為罰因子，通常取。求使得上述泛函的變分為零的速度場(chǎng)便是真實(shí)的速度場(chǎng)。3.3 變形與傳熱過(guò)程的耦合分析材料變形過(guò)程中的溫度變化會(huì)引起材料力學(xué)性能的改變，材料力學(xué)性能的改變又會(huì)影響到材料的變形過(guò)程；同樣，材料的變形過(guò)程在很大程度上影響了材料的溫度分布。

52、在變形過(guò)程的分析中，溫度場(chǎng)是通過(guò)改變材料的本構(gòu)關(guān)系以及熱應(yīng)變來(lái)實(shí)現(xiàn)和傳熱過(guò)程的耦合。在傳熱過(guò)程的分析中，變形場(chǎng)是通過(guò)改變傳熱空間、邊界條件和能量轉(zhuǎn)化來(lái)實(shí)現(xiàn)和變形過(guò)程的耦合。在切削加工過(guò)程中，工件既通過(guò)其自由表面以對(duì)流和輻射的方式與周?chē)沫h(huán)境進(jìn)行熱交換，又通過(guò)其接觸表面以傳導(dǎo)方式向刀具傳熱。伴隨著變形過(guò)程的進(jìn)行，自由表面不斷減少，接觸表面不斷增大，工件的散熱條件不斷發(fā)生變化。與此同時(shí)，工件內(nèi)部所消耗的塑性變形功絕大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊?，引起工件溫度的升高，這種溫度的升高變化與工件內(nèi)部的變形分布有關(guān)。切削加工的傳熱問(wèn)題屬于含內(nèi)熱源的瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問(wèn)題，可將塑性變形過(guò)程中的塑性功能轉(zhuǎn)換看成是內(nèi)熱源，假設(shè)材料導(dǎo)熱各向同性，則工件控制溫度分布和熱流傳導(dǎo)的熱傳導(dǎo)方程，即能量平衡方程為： （3-10）式中，為材料的傳熱系數(shù)，為分別為x,y,z方向的熱流密度，、分別為材料的密度和質(zhì)量熱容，為內(nèi)熱源率，即塑性變形能內(nèi)熱源比率，可用下式表示： （3-11）式中，為塑性功轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿谋壤禂?shù)，常稱(chēng)為塑性變形熱排出率，一般取0.9。其他塑性變形功則消耗在如位錯(cuò)密度、晶界和相變等材料微觀變化上。為得到方程（3-10）的定解，需要有初始條件和邊界條件，初始條件指的是工件變形的初始溫度分布，表示為： （3-12）邊界條件是指物體表面與周?chē)橘|(zhì)熱交換的情況，通常有以下