面向硬切削的切削區(qū)域溫度場解析建模及實(shí)驗(yàn)研究

論文作者：華中科技大學(xué) / 李林文

指導(dǎo)教師： 李斌《研究領(lǐng)域：數(shù)控裝備技術(shù)、智能制造，網(wǎng)絡(luò)制造和智能控制技術(shù)、數(shù)控裝備動(dòng)力學(xué)等領(lǐng)域）

Kornel F. Ehmann《研究領(lǐng)域：Micro/meso-scale manufacturing;precision engineering; machine tool dynamics and control; material removal processes; automation and robotics》

硬切削加工是一種以切代磨的高效精加工工藝，但是硬切削加工過程中在切削作用區(qū)域形成的惡劣熱力環(huán)境一直是嚴(yán)重影響刀具使用壽命和工件加工質(zhì)量的重要原因之一。其中造成這一問題的原因是切削作用區(qū)域的熱力耦合機(jī)理不清楚，而深入開展這一機(jī)理性研究的瓶頸問題和基本方法是切削作用區(qū)域的溫度及其分布的準(zhǔn)確測(cè)量和高精度預(yù)測(cè)。上述問題也是當(dāng)今高速、高精切削加工機(jī)理研究的熱點(diǎn)和前沿。

論文針對(duì)以上難題，以硬切削加工過程中切削作用區(qū)域（刀尖區(qū)域~1mm2）溫度分布的實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法和溫度場預(yù)測(cè)建模兩個(gè)方面的內(nèi)容作為研究對(duì)象。在實(shí)驗(yàn)研究方面，采用了在PCBN刀具中無縫嵌入微尺度薄膜熱電偶陣列的方法，對(duì)切削作用區(qū)域的切削溫度及其分布進(jìn)行了近距離的原位測(cè)量，解決了切削加工過程中切削溫度分布的高分辨率精確測(cè)量的難題。在建模研究方面，建立了一個(gè)改進(jìn)并修正了的全熱力耦合正交切削模型，模型的預(yù)測(cè)結(jié)果得到了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確驗(yàn)證，能用于切削作用區(qū)域溫度場及應(yīng)力分布等切削參數(shù)的高精度準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。論文提出的實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法和溫度預(yù)測(cè)模型，是硬切削加工機(jī)理研究和切削溫度高精監(jiān)控的新方法。

論文的主要?jiǎng)?chuàng)新性工作有：

對(duì)現(xiàn)有正交切削模型的平行邊剪切理論進(jìn)行了改進(jìn)，基于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)研究所觀察到的第二變形區(qū)存在的切屑流動(dòng)滯留現(xiàn)象，首次提出了切屑沿前刀面非線性流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型；

改進(jìn)了現(xiàn)有切削溫度預(yù)測(cè)模型的絕熱假設(shè)邊界，提出了一個(gè)更符合干切削加工條件的切削溫度預(yù)測(cè)模型；

實(shí)驗(yàn)研究首次采用的無縫嵌入式微尺度薄膜熱電偶傳感器陣列，解決了切削溫度分布高分辨率、近距離原位測(cè)量的實(shí)驗(yàn)測(cè)量難題，并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了解析模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性和有效性；

最后應(yīng)用實(shí)驗(yàn)測(cè)量和模型預(yù)測(cè)得到的熱力數(shù)據(jù)，對(duì)硬切削加工過程中發(fā)生在狹小切削作用區(qū)域的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)熱力耦合行為開展了相應(yīng)的研究，得出了一些有價(jià)值、有新意的機(jī)理性結(jié)論。