基于ANSYS车削加工中切削热对工件变形的分析

孙 莹

(东北电力大学 工程训练教学中心，吉林 吉林 132012)

基于ANSYS车削加工中切削热对工件变形的分析

孙 莹

(东北电力大学 工程训练教学中心，吉林 吉林 132012)

切削热是影响零件加工误差的一个主要因素，同时也影响零件的表面质量。对Φ50长100 mm的45#棒料进行实验，得到工件不同长度下对应节点的各个变形量，通过理论计算和有限元仿真的方法比较了工件在切削热下的变形，分析两者的数据得到了工件受切削热引起的变形误差曲线，相对误差在5%以内，从而验证了有限元方法的有效性。

切削热；加工误差；变形量；有限元仿真

切削温度与切削热一直都是金属切削理论研究的重点与难点，切削热的传递规律和控制问题长期以来受到国内外学者的广泛关注[1]。美国Ohio State University工程研究中心采用模拟仿真与实验结合的方法研究切削热，认为80%左右热量由切屑变形产生，18%产生在切屑与刀具接触面上，2%产生在刀刃上[2]。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[3-5]。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。因此，研究切削热对加工精度影响具有很重要的意义。

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Φ50长100 mm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。

1 工件热变形的理论计算

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[6-8]

Q=Pzvτk ，

(1)

式中：Pz为主切削力，N；v为切削速度，m/s；τ为切削时间，s；k为切削热中传到工件中的百分比。

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：

Q′=asAΔt ，

式中：Q′为工件的散热量，w；as为工件的表面散热系数，W/m2·℃；A为工件散热表面的面积，m2；Δt为工件与周围空间的温差，℃。

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

Pzvτk=asAΔt ，

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

Pzvτk=cmΔt ，

(2)

式中： c为刀具的比热，J/kg·℃；m为工件的质量，m=ρνkg；ν为工件的体积，mm3；ρ为工件的比热容，J/kg·℃。

所以，工件温升为

(3)

工件直径或长度的热伸长量为

(4)

式中： a为工件热膨胀系数，1/℃；D为工件待加工表面直径，mm；d为工件直径或长度，mm。

根据公式(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 加工误差的理论预测与有限元仿真的对比分析

在进行有限元分析前首先需要建立针对具体问题的有限元模型，能否建立准确而合理的有限元模型，直接关系到有限元分析的结果是否正确[9]，进行切削热变形有限元分析时首先建立有限元模型，定义单元类型和材料属性[10]，然后加载求解。通过ANSYS的通用后处理器，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，可以得到工件不同长度下对应节点的各个变形量，对Φ50长100 mm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

图1 X轴为工件轴距，Y轴为变形

3 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Φ50长100 mm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，对以后的车削实践具有一定的指导作用。

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[2] 何振威，全燕鸣，乐有树.基于有限元模拟的高速切削中切削热的研究[J].工具技术，2006，40(3)：60-63.

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[6] 白明光.工件不均匀受热热变形计算[J].机械，1999，26(2)：30-33.

[7] 刘旺玉，张勇，李静，刘鑫堏.高速切削分配的有限元模拟[J].工具技术，2009，43(8)：14-17.

[8] 杜宏益，何林，赵先锋.用于ANSYS切削温度场仿真的刀具传热边界分析[J].工具技术，2015，49(4)：12-15.

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A Research on the Effect of Cutting Heat to the Workpiece Deformation in Lathe Machining Based on ANSYS

SUN Ying

(The Engineering Training Teaching Center，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012)

Cutting heat is a major factor in affecting the processing errors of parts，as well as the surface quality of parts.The author conducted an experiment on 45#bar stock of 50x100，and then got the deformation of the corresponding pitch point in the different length of workpiece.Comparing the deformation of the workpiece in the cutting heat through theoretical calculations and finite element simulation，the author obtained the deformation error curve in cutting heat condition by analyzing the data.If the relative error is within 5%，the simulation result is acceptable.Accordingly，the author verified the effectiveness of the finite element method.

Cutting heat；Processing error；Deformation；Finite element simulation

2016-05-18

孙 莹(1973-)，女，吉林省吉林市人，东北电力大学工程训练中心实验师，硕士，主要研究方向：数控教学与研究.

1005-2992(2016)06-0064-03

G642.44

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