CN109815563A - 一种基于镜像热源和非均匀热分配的三维热建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于镜像热源和非均匀热分配的三维热建模方法，以车削加工参数、材料热力学参数和刀位点参数等作为输入量，以切削温度数值和分布作为输出；通过有限元仿真和实验数据的验证和完善，用于在不同切削参数和工况下对圆形车刀车削工件过程中的刀具、切屑和工件建立三维温度场模型，预测圆形车刀加工难加工金属时的切削温度大小及分布情况。

Description

一种基于镜像热源和非均匀热分配的三维热建模方法

技术领域

本发明属于金属高效高精切削加工技术领域，具体涉及一种基于镜像热源和非均匀热分配的三维热建模方法。

背景技术

切削热的预测对车削这种典型减材加工方式的机械加工性能的评估具有重要的指导意义；在加工Inconel 718、Ti6Al4V等难加工金属材料时，切削热的大小和分布对刀具的寿命和已加工工件表面的质量都有极大的影响。目前，国内外在常规菱形车刀和三角形车刀的切削热建模领域的研究已经成熟，而圆形车刀由于其切削域几何形状的复杂性和热源强度分布的不规则形，导致国内外对圆形车刀的切削热建模方面的研究较少。

已经有学者针对这种二维车削环境下的切削热的预测做了相关研究，例如Y.Huang和S.Y.Liang(“Cutting Temperature Modeling Based on Non-Uniform HeatIntensity And Partition Ratio,Mach.Sci.Technol,9(2005)301-323.)针对摩擦热源强度在刀具-切屑接触面两侧的分配问题提出了一种基于矩阵运算的温度值单点匹配方法，该方法能够较快并且百分之百匹配该接触面上刀具侧和切屑侧的切削温度值，但是该模型也存在一侧热分配比超过1的情况，所以对某些刀具-工件组合和特殊工况，该方法也存在些许不足。R.Komanduri和Z.B.Hou(“Thermal modeling of the metal cutting process-Part II:temperature rise distribution due to frictional heat source at thetool-chip interface,Int.J.Mech.Sci,43(2001)57-88)研究了摩擦热源对刀具-切屑接触面两侧的温升匹配问题，并通过数学分析方法提出了一种摩擦热源强度沿该接触面上的非均匀热分配系数模型，该模型能够较好的匹配接触面上各点的切削温度，刀具侧和切屑侧的热分配比都在0到1之间，而且和为1，这个模型相对Y.Huang和S.Y.Liang的更为合理，但是该方法在计算摩擦热源强度时，没有考虑刀具-切屑接触面上双区接触的影响，因而如今对于圆形车刀的切削力预测还不够全面；另外，对于圆形车刀来说，其剪切热源和摩擦热源的空间位置关系较二维切削更为复杂，所以还需对此建立一个统一的坐标系进行分析。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于镜像热源和非均匀热分配的三维热建模方法，用于预测圆形车刀加工难加工金属时的切削温度大小及三维分布情况，减少实验的浪费。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于镜像热源和非均匀热分配的三维热建模方法，用于在不同切削参数和工况下对圆形车刀车削工件过程中的刀具、切屑和工件建立三维温度场模型，包括以下步骤：

步骤S1：向待建立的温度场模型输入刀具的加工参数、刀具的材料参数和工件的材料参数。

步骤S2：根据步骤S1输入的参数，将切削过程中刀具的前刀面产生的热源分为剪切热源和摩擦热源；以刀具圆心为三维坐标系的空间圆点，将剪切热源按刀具半径方向划分为N个微元，将摩擦热源按切屑流动方向划分为N个微元；计算微元的几何参数。

步骤S3：根据步骤S1输入的参数和步骤S2计算得出的参数，运用热源强度公式计算热源微元的剪切热源强度和摩擦热源强度。

步骤S4：根据步骤S1输入的参数和步骤S2、步骤S3计算得出的参数，依据温升公式计算每个点的初始温升值，包括切屑上任意一点受第j对剪切热源微元和摩擦热源微元共同作用引起的温升和刀具上任意一点受第j对剪切热源微元和摩擦热源微元共同作用引起的温升。

步骤S5：根据步骤S1输入的参数和步骤S2、步骤S3、步骤S4计算得出的参数，通过非均匀热分配模型匹配刀具-切屑交界面两侧的温升，得到摩擦热源对切屑侧和刀具侧的热分配系数；根据热传导理论分别得到刀具、切屑的温升模型。

步骤S6：根据步骤S1输入的参数和步骤S2、步骤S3、步骤S4、步骤S5计算得出的参数，叠加N个热源微元对M点的温升作用和室温，得到M点的切削温度，建立刀具、切屑和工件的三维温度场。

按上述方案，在所述步骤S1中，向待建立的温度场模型输入刀具的加工参数、刀具的材料参数和工件的材料参数，具体步骤为：

步骤S11：输入所述的刀具的加工参数，包括刀具半径r、前角α_n、切削深度a_p、切削速度V和每齿进给量f。

步骤S12：输入所述的刀具的材料参数，包括刀具的导热系数λ_t和刀具的热扩散系数a_t；输入所述的工件的材料参数，包括工件的导热系数λ_w和工件的热扩散系数a_w。

进一步的，在所述步骤S2中，根据步骤S1输入的参数，将切削过程中刀具的前刀面产生的热源分为剪切热源和摩擦热源；以刀具圆心为三维坐标系的空间圆点，将剪切热源按刀具半径方向划分为N个微元，将摩擦热源按切屑流动方向划分为N个微元；计算微元的几何参数，具体步骤为：

步骤S21：设未变形切削域的第j个切削刃微元对应的浸入角为j为自然数；根据沿刀具的半径将所述的工件的未变形切削域划分为N个切削刃微元。

步骤S22：设未变形切削域的微元之间的相互作用力之和为0，计算未变形切削域的第j个切削刃微元对应的切屑流角

步骤S23：通过坐标变换计算刀具的第j个切削刃微元对应的法向前角

步骤S24：通过最小能量法则的方程迭代计算刀具的第j个切削刃微元对应的切屑流动速度法向剪切角法向摩擦角和切屑厚度计算刀具的第j个切削刃微元的剪切斜角φ_i：

计算第j个微元的剪切速度V_s ^j：

步骤S25：通过不等分剪切区原理和Johnson-Cook材料本构方程计算第一变形区主剪切面上的流动剪切应力τ_s ^j。

步骤S26：设双区接触现象中挤压区的长度为l_p，滑动区的长度为l_c,滑动区的滑动摩擦系数为μ_s，刀具-切屑接触面上的压力分布为P,接触面起始端剪切应力为τ₁，通过双区模型计算第二变形区刀具-切屑接触面上的摩擦剪切应力

进一步的，在所述步骤S3中，根据步骤S1输入的参数和步骤S2计算得出的参数，运用热源强度公式计算热源微元的剪切热源强度和摩擦热源强度，具体步骤为：

步骤S31：运用热源强度公式计算热源微元的剪切热源强度：

q_shear ^j＝τ_s ^jV_s ^j。

步骤S32：运用热源强度公式计算热源微元的摩擦热源强度：

q_friction ^j＝τ_f ^jV_ch ^j。

进一步的，在所述步骤S4中，根据步骤S1输入的参数和步骤S2、步骤S3计算得出的参数，依据温升公式计算每个点的初始温升值，包括切屑上任意一点受第j对剪切热源微元和摩擦热源微元共同作用引起的温升和刀具上任意一点受第j对剪切热源微元和摩擦热源微元共同作用引起的温升，具体步骤为：

步骤S41：设任意一点M的坐标为(x，y，z)，计算中间量X^j：

步骤S42：建立笛卡尔空间坐标系，运用镜像热源理论求解任意一点到热源本体和镜像积分微元的距离；设第j个微元剪切带的长度为l_s ^j，刀具-切屑接触面的长度为l_c ^j；设第j个微元的主偏角为k_c ^j；计算中间量

计算切屑上任意一点到剪切热源微元的距离R_s：

计算切屑上任意一点到剪切热源微元的镜像热源的距离R_s’：

计算切屑上任意一点到摩擦热源微元的距离R_f：

计算切屑上任意一点到摩擦热源微元的镜像热源的距离R_f’：

计算刀具上任意一点到摩擦热源微元的距离R_tf：

计算刀具上任意一点到摩擦热源微元的镜像热源的距离R_tf’：

步骤S43：设摩擦热源在刀具-切屑接触面的刀具侧的热源强度分配系数为B_tool，摩擦热源在刀具-切屑接触面的切屑侧的热源强度分配系数B_chip；计算切屑上任意一点受第j对剪切热源微元和摩擦热源微元共同作用引起的温升

根据热分配理论将剪切热源对刀具的温升影响并入到摩擦热源对刀具温升影响的热分配系数里，设第j个微元对应的摩擦热源微元宽度为w ^j，计算刀具上任意一点受第j对剪切热源微元和摩擦热源微元共同作用引起的温升

进一步的，在所述步骤S5中，根据步骤S1输入的参数和步骤S2、步骤S3、步骤S4计算得出的参数，通过非均匀热分配模型匹配刀具-切屑交界面两侧的温升，得到摩擦热源对切屑侧和刀具侧的热分配系数；根据热传导理论分别得到刀具、切屑的温升模型，具体步骤为：

步骤S51：设摩擦热源微元在刀具侧的初始热源强度分配系数为B_t，摩擦热源微元在切屑侧的初始热源强度分配系数为B_c；设m、C、k、ΔB为引入非均匀热分配模型的相关调节系数。

步骤S52：刀具的温升模型为：

切屑的温升模型为：

进一步的，在所述步骤S6中，根据步骤S1输入的参数和步骤S2、步骤S3、步骤S4、步骤S5计算得出的参数，叠加N个热源微元对M点的温升作用和室温，得到M点的切削温度，建立刀具、切屑和工件的三维温度场，具体步骤为：

步骤S61：设室温为T_m。

步骤S62：根据步骤S1输入的参数和步骤S2、步骤S3、步骤S4、步骤S5计算得出的参数，得到M点的切削温度，建立刀具、切屑和工件的三维温度场：

本发明的有益效果为：

1.本发明的一种基于镜像热源和非均匀热分配的三维热建模方法，基于圆形车刀切削加工的特点，将不规则的热源沿不同方向离散处理，并且加入不均匀热分配模型进行刀具-切屑交界面温度匹配，用于预测圆形车刀车削加工时的切削温度场。

2.本发明采用解析模型法求解刀具-切屑上各点的切削温度温度，建立三维坐标系下切削微元的温升模型，并结合有限元仿真进行验证，避免了大量切削实验。

附图说明

图1是本发明实施例的流程图。

图2是本发明实施例的切削微元示意图。

图3是本发明实施例的切削域的前刀面视角的划分示意图。

图4是本发明实施例的切削过程中热源的分类和离散示意图。

图5是本发明实施例的刀具-切屑交界面上的双区现象示意图。

图6是本发明实施例的XYZ坐标系下剪切热源微元及其镜像微元的分布示意图。

图7是本发明实施例的XY坐标平面上摩擦热源微元及其镜像微元的分布示意图。

图8是本发明实施例的剪切热源强度和摩擦热源强度沿切削域的分布图。

图9是本发明实施例的非均匀热分配模型匹配前的刀具-切屑接触面两侧的温度分布曲线图。

图10是本发明实施例的非均匀热分配模型匹配后的刀具-切屑接触面两侧的温度分布曲线图。

图11是本发明实施例的前刀面温度分布的模型预测情况与仿真结果对比图。

图12是本发明实施例在不同切削速度的前刀面最高切削温度的理论预测值与实测值的对比图。

图13是本发明实施例在不同进给量的前刀面最高切削温度的理论预测值与实测值的对比图。

图14是本发明实施例在不同切削深度的前刀面最高切削温度的理论预测值与实测值的对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见图1，本发明提供了一种以车削加工参数，包括刀具半径r、前角α_n、切削深度a_p、切削速度V和每齿进给量f，材料热力学参数，包括刀具的导热系数λ_t、刀具的热扩散系数a_t、工件的导热系数λ_w和工件的热扩散系数a_w，刀位点参数等作为输入量，以切削温度数值和分布作为输出量的适用于圆形车刀的基于镜像热源和非均匀热分配的三维热建模方法，用于在不同切削参数和工况下对圆形车刀车削工件过程中的刀具、切屑和工件建立三维温度场模型，包括以下步骤：

步骤S1：向待建立的温度场模型输入刀具的加工参数、刀具的材料参数和工件的材料参数。

步骤S2：根据步骤S1输入的参数，将切削过程中刀具的前刀面产生的热源分为剪切热源和摩擦热源；以刀具圆心为三维坐标系的空间圆点，将剪切热源按刀具半径方向划分为N个微元，将摩擦热源按切屑流动方向划分为N个微元；计算微元的几何参数。

步骤S3：根据步骤S1输入的参数和步骤S2计算得出的参数，运用热源强度公式计算热源微元的剪切热源强度和摩擦热源强度。

步骤S4：根据步骤S1输入的参数和步骤S2、步骤S3计算得出的参数，依据温升公式计算每个点的初始温升值，包括切屑上任意一点受第j对剪切热源微元和摩擦热源微元共同作用引起的温升和刀具上任意一点受第j对剪切热源微元和摩擦热源微元共同作用引起的温升。

步骤S5：根据步骤S1输入的参数和步骤S2、步骤S3、步骤S4计算得出的参数，通过非均匀热分配模型匹配刀具-切屑交界面两侧的温升，得到摩擦热源对切屑侧和刀具侧的热分配系数；根据热传导理论分别得到刀具、切屑的温升模型。

步骤S6：设室温为T_m，根据步骤S1输入的参数和步骤S2、步骤S3、步骤S4、步骤S5计算得出的参数，叠加N个热源微元对M点的温升作用得到M点的切削温度，建立刀具、切屑和工件的三维温度场：

参见图2，圆形车刀车削工件时，工件沿自身轴线旋转，圆形车刀沿工件的轴线方向进给，工件的同一条母线上相邻刀具位置的错开部分为工件旋转一圈被削去的材料，即切削域。

参见图3，从前刀面视角看，以刀具的圆心为角点，沿刀具的半径方向，通过未变形切削域起始点A的浸入角φ_st，未变形切削域分区点B的浸入角φ_mid和未变形切削域终止点C的浸入角φ_ex三个角度把未变形切削域划分为切削域1和切削域2两个部分；设未变形切削域的第j个切削刃微元对应的浸入角为j为自然数；根据沿刀具的半径将所述的工件的未变形切削域划分为N个微元，设划分微元的角度增量为dφ_s。

沿每齿进给f的方向，计算刀具的切入点到刀具的中心的距离l_a：

计算每齿进给f在前刀面的投影f_c：

f_c＝fcos(α_n)；

计算未变形切削域起始点A的浸入角φ_st：

计算未变形切削域分区点B的浸入角φ_mid：

计算未变形切削域终止点C的浸入角φ_ex：

计算未变形切削域1的第j个切削刃微元对应的主偏角

设未变形切削域的微元之间的相互作用力之和为0，计算未变形切削域的第j个切削刃微元对应的切屑流角

通过坐标变换计算刀具的第j个切削刃微元对应的刃倾角和法向前角

通过最小能量法则的方程迭代计算刀具的第j个切削刃微元对应的切屑厚度以及法向摩擦角

第j个切削刃微元对应的法向剪切角

第j个切削刃微元对应的切屑流动速度

计算第j个切削刃微元对应的摩擦系数f ^j：

第j个切削刃微元的剪切斜角φ_i：

计算第j个微元的剪切速度V_s ^j：

设剪切变形区域为第一变形区，即剪切热源所在位置；通过不等分剪切区原理和Johnson-Cook材料本构方程计算第一变形区主剪切面的主剪切区切入面上的流动剪切应力τ₀、切出面上的流动剪切应力γ₁以及第j个微元对应的流动剪切应力τ_s ^j。

计算第j个微元的宽度

计算第j个微元对应的摩擦热源微元宽度w ^j：

计算第j个微元在参考平面(进给方向的水平面)上投影的未变形切屑厚度

其中时为切削域1；时为切削域2。

参见图4，以刀具圆心为三维坐标系的空间圆点，将切削过程中刀具的前刀面产生的热源分为剪切热源和摩擦热源；将剪切热源按刀具半径方向划分为N个微元，将摩擦热源按切屑流动方向划分为N个微元。

参见图5，由于切屑初始端压力较大，使刀具-切屑的接触面表现为两个不同的接触区域，即挤压区和滑动区；本发明在计算每个摩擦热源微元强度时加入了斜角切削双区接触模型。

设工件材料密度为ρ，计算接触面起始端剪切应力τ₁：

设刀具-切屑接触面的不均匀应力分布的指数项为ξ＝3，计算初始压力P₀：

通过实验获得的摩擦力F_fr和正压力F_n计算刀具-切屑接触面的表观摩擦系数μ_a：

计算滑动区的滑动摩擦系数μ_s：

计算挤压区的长度l_p：

计算滑动区的长度l_c：

计算刀具-切屑接触面上的压力分布P(l_i)：

设刀具-切屑接触区域为第二变形区，即摩擦热源所在位置；通过双区模型计算第二变形区刀具-切屑接触面上的摩擦剪切应力

运用热源强度公式计算热源微元的剪切热源强度：

q_shear ^j＝τ_s ^jV_s ^j；

计算热源微元的摩擦热源强度：

q_friction ^j＝τ_f ^jV_ch ^j。

参见图8为通过圆形车刀切削模型计算得到的剪切热源强度和摩擦热源强度沿第j个切削刃微元对应的浸入角变化的图像。从图8中可以看到，在切削域1上两者的强度分布有一个微小的下降趋势，在切削域2上前大部分接近平稳状态，后小部分由于切削微元面积急剧变小，两者也呈现陡增趋势；并且剪切热源强度是摩擦热源强度的数倍，所以该工况下剪切热源占主导。

参见图6为剪切热源微元及其镜像微元的三维分布示意图，计算切屑上的温度分布时，将切屑上表面作为绝热边界，所以剪切热源微元与镜像微元关于切屑上表面对称。

参见图7为摩擦热源微元及其镜像微元在刀具前刀面上的分布示意图，计算刀具上的温度分布时，将刀具后刀面看作绝热边界，所以摩擦热源微元与镜像微元关于刀具后刀面对称。

设任意一点M的坐标为(x，y，z)，建立笛卡尔空间坐标系，运用镜像热源理论求解任意一点M到热源微元和镜像微元的距离。计算中间量：

设第j个微元剪切带的长度为l_s ^j，刀具-切屑接触面的长度为l_c ^j；计算中间量：

计算切屑上任意一点到剪切热源微元的距离R_s：

计算切屑上任意一点到剪切热源微元的镜像热源的距离R_s’：

计算切屑上任意一点到摩擦热源微元的距离R_f：

计算切屑上任意一点到摩擦热源微元的镜像热源的距离R_f’：

计算刀具上任意一点到摩擦热源微元的距离R_tf：

计算刀具上任意一点到摩擦热源微元的镜像热源的距离R_tf’：

设摩擦热源在刀具-切屑接触面的刀具侧的热源强度分配系数为B_tool，摩擦热源在刀具-切屑接触面的切屑侧的热源强度分配系数B_chip；计算切屑上任意一点受第j对剪切热源微元和摩擦热源微元共同作用引起的温升

根据热分配理论将剪切热源对刀具的温升影响并入到摩擦热源对刀具温升影响的热分配系数里，计算刀具上任意一点受第j对剪切热源微元和摩擦热源微元共同作用引起的温升

设摩擦热源微元在刀具侧的初始热源强度分配系数为B_t，摩擦热源微元在切屑侧的初始热源强度分配系数为B_c，设m、C、k、ΔB为引入非均匀热分配模型的相关调节系数，各参数取值为：B_t＝0.238，B_c＝0.762，ΔB＝0.222，m＝0.26，C＝2.2，k＝16；对上述热分配系数和温升模型进行调节，计算刀具侧的热源强度分配系数B_tool：

计算切屑侧的热源强度分配系数B_chip：

得到刀具的温升模型为：

切屑的温升模型为：

设室温为T_m，叠加N个热源微元对M点的温升作用和室温，得到M点的切削温度，建立刀具、切屑和工件的三维温度场，

参见图9和图10分别为非均匀热分配模型匹配前后的刀具-切屑接触面两侧的温度分布曲线图。可见匹配前刀具-切屑接触面两侧的温度分布趋势不同，差别较大；匹配后两侧的温度分布趋同，差别显著减小。

参见图11为加入匹配后的非均匀热分配模型的圆形车刀三维温度场预测方法的计算结果与用有限元软件AdvantEdge仿真得到的结果的对比图像。如图所示，本发明计算结果的最高温度和位置，均与仿真得到的数据接近。

在本发明实施例中采用直径为12.7mm圆形陶瓷刀片(型号为RNGN120400)；安装时前刀面最低点为沿工件轴向进给的最前端，刀柄前角为-6°。工件材料为Inconel 718，车床的型号为CAK5085nzj，测力仪的型号为Kistler9257B，采样频率为40kHz，红外热成像仪的型号为FLIR A325，采集温度图像的分辨率为406×240，具体的切削温度值通过提取热成像图中刀具切屑接触区域最高温度值得到。参见图12、图13和图14，为不同工况(切削速度、进给量、切削深度)下前刀面最高切削温度的实测值与本发明的计算值的对比图像，在不同的切削参数下，预测值与实验值的误差不超过9％。该实验结果验证了本发明所述切削温度场预测方法的准确性。

本发明实施例加工的工件材料为Inconel 718，这种镍基高温合金是典型难加工合金,在航空工业和核工业中应用十分广泛，其优点明显，但是缺点在于难以加工，切削温度极高，对刀具的损耗很大，难以获得较好的零件表面完整性。本发明针对这类难加工材料的加工工况，很好地预测了难加工材料在加工过程中的切削热，进一步研究了切削热与切削加工参数的关系。针对Inconel 718这种典型难加工金属材料进行了多组实验，验证了本发明的准确性和高效性。本发明用于在高效高精加工中的对切削温度实现实时监控，在加工过程控制以及对切削优化等方面提供更加完善的技术研发指导。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于镜像热源和非均匀热分配的三维热建模方法，用于在不同切削参数和工况下对圆形车刀车削工件过程中的刀具、切屑和工件建立三维温度场模型，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：向待建立的温度场模型输入刀具的加工参数、刀具的材料参数和工件的材料参数；

步骤S2：根据步骤S1输入的参数，将切削过程中刀具的前刀面产生的热源分为剪切热源和摩擦热源；以刀具圆心为三维坐标系的空间圆点，将剪切热源按刀具半径方向划分为N个微元，将摩擦热源按切屑流动方向划分为N个微元；计算微元的几何参数；

步骤S3：根据步骤S1输入的参数和步骤S2计算得出的参数，运用热源强度公式计算热源微元的剪切热源强度和摩擦热源强度；

步骤S4：根据步骤S1输入的参数和步骤S2、步骤S3计算得出的参数，依据温升公式计算每个点的初始温升值，包括切屑上任意一点受第j对剪切热源微元和摩擦热源微元共同作用引起的温升和刀具上任意一点受第j对剪切热源微元和摩擦热源微元共同作用引起的温升；

步骤S5：根据步骤S1输入的参数和步骤S2、步骤S3、步骤S4计算得出的参数，通过非均匀热分配模型匹配刀具-切屑交界面两侧的温升，得到摩擦热源对切屑侧和刀具侧的热分配系数；根据热传导理论分别得到刀具、切屑的温升模型；

步骤S6：根据步骤S1输入的参数和步骤S2、步骤S3、步骤S4、步骤S5计算得出的参数，叠加N个热源微元对M点的温升作用和室温，得到M点的切削温度，建立刀具、切屑和工件的三维温度场。

2.根据权利要求1所述的一种基于镜像热源和非均匀热分配的三维热建模方法，其特征在于：在所述步骤S1中，向待建立的温度场模型输入刀具的加工参数、刀具的材料参数和工件的材料参数，具体步骤为：

步骤S11：输入所述的刀具的加工参数，包括刀具半径r、前角α_n、切削深度a_p、切削速度V和每齿进给量f；

步骤S12：输入所述的刀具的材料参数，包括刀具的导热系数λ_t和刀具的热扩散系数a_t；输入所述的工件的材料参数，包括工件的导热系数λ_w和工件的热扩散系数a_w。

3.根据权利要求2所述的一种基于镜像热源和非均匀热分配的三维热建模方法，其特征在于：在所述步骤S2中，根据步骤S1输入的参数，将切削过程中刀具的前刀面产生的热源分为剪切热源和摩擦热源；以刀具圆心为三维坐标系的空间圆点，将剪切热源按刀具半径方向划分为N个微元，将摩擦热源按切屑流动方向划分为N个微元；计算微元的几何参数，具体步骤为：

步骤S21：设未变形切削域的第j个切削刃微元对应的浸入角为j为自然数；根据沿刀具的半径将所述的工件的未变形切削域划分为N个切削刃微元；

步骤S22：设未变形切削域的微元之间的相互作用力之和为0，计算未变形切削域的第j个切削刃微元对应的切屑流角

步骤S23：通过坐标变换计算刀具的第j个切削刃微元对应的法向前角

步骤S24：通过最小能量法则的方程迭代计算刀具的第j个切削刃微元对应的切屑流动速度法向剪切角法向摩擦角和切屑厚度计算刀具的第j个切削刃微元的剪切斜角φ_i：

计算第j个微元的剪切速度V_s ^j：

步骤S25：通过不等分剪切区原理和Johnson-Cook材料本构方程计算第一变形区主剪切面上的流动剪切应力τ_s ^j；

步骤S26：设双区接触现象中挤压区的长度为l_p，滑动区的长度为l_c,滑动区的滑动摩擦系数为μ_s，刀具-切屑接触面上的压力分布为P,接触面起始端剪切应力为τ₁，通过双区模型计算第二变形区刀具-切屑接触面上的摩擦剪切应力

4.根据权利要求3所述的一种基于镜像热源和非均匀热分配的三维热建模方法，其特征在于：在所述步骤S3中，根据步骤S1输入的参数和步骤S2计算得出的参数，运用热源强度公式计算热源微元的剪切热源强度和摩擦热源强度，具体步骤为：

步骤S31：运用热源强度公式计算热源微元的剪切热源强度：

q_shear ^j＝τ_s ^jV_s ^j；

步骤S32：运用热源强度公式计算热源微元的摩擦热源强度：

q_friction ^j＝τ_f ^jV_ch ^j。

5.根据权利要求4所述的一种基于镜像热源和非均匀热分配的三维热建模方法，其特征在于：在所述步骤S4中，根据步骤S1输入的参数和步骤S2、步骤S3计算得出的参数，依据温升公式计算每个点的初始温升值，包括切屑上任意一点受第j对剪切热源微元和摩擦热源微元共同作用引起的温升和刀具上任意一点受第j对剪切热源微元和摩擦热源微元共同作用引起的温升，具体步骤为：

步骤S41：设任意一点M的坐标为(x，y，z)，计算中间量X^j：

步骤S42：建立笛卡尔空间坐标系，运用镜像热源理论求解任意一点到热源本体和镜像积分微元的距离；设第j个微元剪切带的长度为l_s ^j，刀具-切屑接触面的长度为l_c ^j；设第j个微元的主偏角为k_c ^j；计算中间量

计算切屑上任意一点到剪切热源微元的距离R_s：

计算切屑上任意一点到剪切热源微元的镜像热源的距离R_s’：

计算切屑上任意一点到摩擦热源微元的距离R_f：

计算切屑上任意一点到摩擦热源微元的镜像热源的距离R_f’：

计算刀具上任意一点到摩擦热源微元的距离R_tf：

计算刀具上任意一点到摩擦热源微元的镜像热源的距离R_tf’：

步骤S43：设摩擦热源在刀具-切屑接触面的刀具侧的热源强度分配系数为B_tool，摩擦热源在刀具-切屑接触面的切屑侧的热源强度分配系数B_chip；计算切屑上任意一点受第j对剪切热源微元和摩擦热源微元共同作用引起的温升

根据热分配理论将剪切热源对刀具的温升影响并入到摩擦热源对刀具温升影响的热分配系数里，设第j个微元对应的摩擦热源微元宽度为w^j，计算刀具上任意一点受第j对剪切热源微元和摩擦热源微元共同作用引起的温升

6.根据权利要求5所述的一种基于镜像热源和非均匀热分配的三维热建模方法，其特征在于：在所述步骤S5中，根据步骤S1输入的参数和步骤S2、步骤S3、步骤S4计算得出的参数，通过非均匀热分配模型匹配刀具-切屑交界面两侧的温升，得到摩擦热源对切屑侧和刀具侧的热分配系数；根据热传导理论分别得到刀具、切屑的温升模型，具体步骤为：

步骤S51：设摩擦热源微元在刀具侧的初始热源强度分配系数为B_t，摩擦热源微元在切屑侧的初始热源强度分配系数为B_c；设m、C、k、ΔB为引入非均匀热分配模型的相关调节系数；

步骤S52：刀具的温升模型为：

切屑的温升模型为：

7.根据权利要求6所述的一种基于镜像热源和非均匀热分配的三维热建模方法，其特征在于：在所述步骤S6中，根据步骤S1输入的参数和步骤S2、步骤S3、步骤S4、步骤S5计算得出的参数，叠加N个热源微元对M点的温升作用和室温，得到M点的切削温度，建立刀具、切屑和工件的三维温度场，具体步骤为：

步骤S61：设室温为T_m；

步骤S62：根据步骤S1输入的参数和步骤S2、步骤S3、步骤S4、步骤S5计算得出的参数，得到M点的切削温度，建立刀具、切屑和工件的三维温度场：