(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111356537.8 (22)申请日 2021.11.16 (71)申请人 哈尔滨工程大 学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区南 通大街145号哈尔滨工程大学科技处 知识产权办公室 (72)发明人 邓奇　盖京波　杜雪娇　闫轲　 常智勇　 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 111/04(2020.01) G06F 119/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 摆线铣削中的切削温度预测方法 (57)摘要 本发明一种摆线铣削中的切削温度预测方 法， 包括如下步骤： 步骤1： 求解铣削过程中第二 变形区消耗的能量Qf； 步骤2： 建立铣削中的切削 温度模型； 步骤3： 第二变形区消耗能量经前刀面 流入刀具的能量分配系数R2的标定； 步骤4： 求解 摆线铣削中流入刀具能量的输入规律； 步骤5： 求 解摆线铣削中的切削温度T(x,y,z,t)。 本发明方 法可用于高精、 高效求解摆线铣削中的切削温 度， 其可求解切削刃上任意点处切削温度随时间 的变化曲线， 克服了以往摆线铣 削中切削温度难 以定量分析的不足； 该方法综合运用有限元法和 解析法， 克服了单纯有限元法求解切削温度效率 低的不足， 以及单纯解析法求解流入刀具能量密 度困难的不足。 权利要求书4页 说明书10页 附图5页 CN 114091194 A 2022.02.25 CN 114091194 A 1.一种摆线铣削中的切削温度预测方法， 其特 征在于， 包括如下步骤： 步骤1： 求 解铣削过程中第二变形区消耗的能量 Qf； 步骤2： 建立 铣削中的切削温度模型； 步骤3： 第二变形区消耗能量经 前刀面流入刀具的能量分配系数R2的标定； 步骤4： 求 解摆线铣削中流入刀具能量的输入规 律； 步骤5： 求 解摆线铣削中的切削温度T(x,y,z,t)。 2.根据权利要求1所述的线铣削中的切削温度预测方法， 其特征在于， 所述步骤1的具 体实现方法是： 1.1在金属切削过程中的静切削功全部转化为热， 并且金属切削中第二变形区消耗的 能量对刀具的切削温度具有决定性的影响， 求解第二变形区消耗的能量Qf以求解切削温 度， 铣削过程中流入刀具的热流密度qc可由下式计； qc＝R2·Qf/As 其中， R2为能量分配系数， 表示在第二变形区经前刀面流入刀具的能量占第二变形区消 耗总能量的百分比； As为铣削过程中刀具和 切屑的接触面积， 其 值可由下式计算； As＝lcn·ap 其中， lcn为刀具和 切屑的接触长度， ap为轴向切深； 1.2金属切削过程中第二变形区消耗的能量 Qf可以表示 为 Qf＝Fu·Vc 其中， Fu为切屑在前刀面上受到的摩擦力； Vc为切屑相对于前刀面的滑动速度， Fu可由 下式计算： Fu＝Ftc·sin( αr)+Ffc·cos( αr) Ftc为沿切削速度V方向的主切削力， Ffc的方向与Ftc的方向垂直； αr为刀具前角， 依据切 削中的运动学关系， 切屑滑动速度Vc可以表示 为： 其中， φc为剪切角； 1.3在铣削中切削力(Ftc,Ffc)、 剪切角φc、 刀‑屑接触长度lcn随未变形切屑厚度h的变化 关系复杂， 采用有限元法来计算给定未变形切屑厚度时的切削力、 剪切角和刀 ‑屑接触长 度， 在刀具切削工件旋转一周的过程中， 单个切削刃切下 的未变形切屑厚度h在0和每齿进 给fz之间变化； 取m个未变形切屑厚度hi(i＝1,2,…,m)， 其中 hi＝i·fz/m,i＝1,2,…,m. 将每一个未变形切屑厚度hi连同切削速度V， 刀具前角 αr， 刀‑屑之间的摩擦系数 μ， 刀具 和工件的材料参数以及刀具几何输入有限元软件即可求得给定切 削厚度hi及相应切 削条 件下的切削力(Ftci,Ffci)， 刀‑屑接触长度lcni以及剪切角φci的数值， 其中切削力(Ftci,Ffci) 及刀屑接触长度lcni的数值可由有限元软件直接输出； 基于经典切削力模 型， 切削力、 刀 ‑屑 接触长度可以分别由关于未变形切屑厚度hi的函数表示， 具体如下式所示； 权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 114091194 A 2lcn(h)＝k1·h+k0 剪切角φci的数值可由应力分布图测量得到， 具体的在第二变形区， 应力相近的区域画 三条等应力线段s1i， s2i， S3i， 然后分别测量三条线段与切削速度方向V的夹角 α1i， α2i， α3i； 则 当未变形切屑厚度为hi时对应的剪切角φci可以下式计算， 至此求得了计算Qf所需要的所 有参数： φci＝( α1i+α2i+α3i)/3。 3.根据权利要求2所述的线铣削中的切削温度预测方法， 其特征在于， 所述步骤2 的具 体实现方法是： 2.1建立坐标系， 则平面y＝0， z＝0都是绝热面， 并且在平面x＝0上除了切削过程中的 刀‑屑接触区域， 其它区域也是绝热的， 若刀具材料各项同性且其传热学特性不随温度的变 化而变化， 则 刀具上的一点A(x,y,z)在t时刻的温度场T(x,y,z,t)满足微分方程 上述方程的约束条件为 其中， k为刀具材料的导热系数， qc(t)为经前刀面刀 ‑屑接触区域流入刀具的热流密度， 若qc(t)在前刀面上均匀分布， 即与刀 ‑屑接触区域的位置无关； 此时， 上述微分方程的解由 下式求得； 上式中A(x,y,z,D)可以表示 为 其中， D＝K(t ‑τ )1/2； t为时间， τ表示前刀面上B(0,yp,zp)处的单位热源在τ时刻加热了 刀具， K为刀具 材料的热扩散系数； erf为 误差函数， 表示 为 结合步骤1求得的经前刀面流入刀具的热流密度qc， 求解上述积分即可求得铣 削中任意 瞬时t、 刀具 上任意位置A(x,y,z)处的切削温度T(x,y,z,t)。 4.根据权利要求3所述的线铣削中的切削温度预测方法， 其特征在于， 所述步骤3的具 体实现方法是：权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 114091194 A 3