CN112528535B - 基于热-力-流多场耦合的榫槽拉削工艺仿真分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于热‑力‑流多场耦合的榫槽拉削工艺仿真分析方法，包括步骤：根据刀具和工件的尺寸、材料相关参数、切削相关参数和热传导特征建立拉削热‑力模型并进行模拟仿真；根据刀具、工件和冷却液的冷却相关参数建立拉削热‑流模型并进行模拟仿真；将所述拉削热‑力模型和拉削热‑流模型的仿真结果进行耦合得到拉削热‑力‑流多场耦合模型，模拟拉削过程中冷却液对工件、刀具和切屑的冷却降温作用。本发明建立了拉削过程中的热‑力、热‑流仿真分析模型，搭建了模型之间的数据传输平台，实现了拉削热‑力‑流三场之间的耦合仿真分析，冷却液的流速、温度和冲击压力得到充分考虑，仿真精度大幅提升。
Description
技术领域
本发明涉及拉削工艺仿真领域，特别地，涉及一种基于热-力-流多场耦合的榫槽拉削工艺仿真分析方法。
背景技术
榫齿—榫槽装配是涡轮发动机中常用的装配方法，具有尺寸精度高的特点，广泛应用于航空机械领域中，如叶片零件的精确定位等。轮盘是核心部件之一，其工作时长期承受高温、高压的交变载荷。叶片通过叶根榫齿与轮盘榫槽连接，榫接结构(榫齿-榫槽)的可靠性直接决定了系统的服役寿命。叶片榫齿—榫槽结构的定位准确性直接影响到叶片的装配精度和使用服役性能，由榫槽和榫齿自身的尺寸精度决定，据统计，约20％的系统故障是由于轮盘榫槽-叶片榫齿连接结构失效导致的。因此，轮盘榫槽的加工是涡轮发动机制造的关键质量控制工序之一，其加工精度和加工表面完整性直接决定了轮盘榫槽部位配合牢固程度和传力特性、抗疲劳断裂性能、抗蠕变性能、耐腐蚀性能等，最终决定了系统工作可靠性和服役性能。
目前已有技术中，采用ABAQUS,DEFROM,ADVANTEDGE等商用软件均可以对拉削物理过程进行仿真来辅助对拉刀结构进行优化设计，大幅度的降低制造成本。ABAQUS软件具有较强的非线性处理能力，可以很好的模拟拉削过程中工件材料的大变形和刀具材料的应力分布。DEFORM软件在切削、轧制、滚压等领域已经建立起相对完善的仿真界面，但是整体上计算结果与试验仍有些差距，其在切削领域采用的仍为网格重画方法。ADVANTAGE软件具有完善的切削、铣削、钻削等加工方法的仿真分析。但是这些商用软件仅能对单物理场(主要为机械应力场)进行模拟，无法将冷却液的流场加入到仿真中，因此无法准确模拟拉削过程中冷却液对工件和刀具的冷却和润滑作用。因此，采用目前的单一软件平台开展仿真，获得的模拟结果精度不够。
发明内容
本发明提供了一种基于热-力-流多场耦合的榫槽拉削工艺仿真分析方法，以解决目前采用单一软件平台开展仿真时仅能对单物理场(主要为机械应力场)进行模拟，无法准确模拟拉削过程中冷却液对工件和刀具的冷却和润滑作用导致获得的模拟结果精度不够的技术问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于热-力-流多场耦合的榫槽拉削工艺仿真分析方法，包括步骤：
根据刀具和工件的尺寸、材料相关参数、切削相关参数和热传导特征建立拉削热-力模型并进行模拟仿真；
根据刀具、工件和冷却液的冷却相关参数建立拉削热-流模型并进行模拟仿真；
将所述拉削热-力模型和拉削热-流模型的仿真结果进行耦合得到拉削热-力-流多场耦合模型，模拟拉削过程中冷却液对工件、刀具和切屑的冷却降温作用。
进一步地，所述的根据刀具和工件的尺寸、材料相关参数、切削相关参数和热传导特征建立拉削热-力模型并进行模拟仿真，具体包括步骤：
建立刀具拉削初步三维物理模型；
确定拉削过程中的切屑热来源及传递路径：
简化几何模型，相应缩小刀具模型与工作区域；
确定工件及其尺寸，将工件的高度定义为切削量的5倍以上；
输入工件和刀具的材料属性；
确定刀具结构参数，所述刀具结构参数包括切削刃钝圆半径、齿升量、前角和后角；
绘制有限元网格模型；
设置工件和刀具之间的摩擦系数；
输入拉削参数，根据实际作业工况，确定拉削速度、拉削长度、工件及刀具的初始温度；
进行有限元迭代求解：以拉削速度为依据，确定刀具每秒行进的距离为步长，计算每一步的拉削变形量、变形热、变形应力、传热量，将上述参数在每个网格上进行分布，设置各个节点达到平衡状态为收敛依据，重复上述迭代使整个网格模型收敛即获得仿真计算结果。
进一步地，建立刀具拉削初步三维物理模型具体包括步骤：
根据榫槽的宽度尺寸、轮盘的厚度尺寸，以单个轮盘厚度方向分布2～5个齿的原则设计初步齿间距，齿之间按照总拉削量和齿数初步方案设计一定的齿升量，建立前刀角度为85°～90°、后刀角为0°～10°的初步三维物理模型。
进一步地，确定拉削过程中的切屑热来源及传递路径时，将金属拉削过程中，剪切面的塑性变形热、刀具前刀面与切屑的摩擦热和刀具后刀面与工件的摩擦热设为三个主要的热源，所产生的热量由拉削力、拉削行进量和拉削速度的乘积确定；切削产生的热量分别传给切屑、工件及刀具，而传给周围介质的热量最少。
进一步地，所述工件和刀具的材料属性包括抗拉强度、屈服强度、硬度、材料成分、断裂应变，采用商用软件中自带的材料数据库卡片或通过实验测量应力—应变曲线输入。
进一步地，所述绘制有限元网格模型具体包括步骤：
根据刀具结构特点，以三角形、四边形、正六边形的形状，绘制刀具前刀面长度和后刀面长度、最大刀具单元网格尺寸、最小单元网格尺寸和网格梯度，将几何模型转化为有限元模型。
进一步地，所述根据刀具、工件和冷却液的冷却相关参数建立拉削热-流模型并进行模拟仿真，具体包括步骤：
建立刀具、工件和冷却液喷管的三维物理模型；
对刀齿、轮盘以及冷却液喷管周围区域网格划分：采用Poly-Hexcore划分方法，对刀齿、轮盘以及却液喷管周围区域进行加密；
设置流体材料的属性，包括液态水和空气；
设置边界条件：将上下喷管入口均设为速度入口，其值设为5m/s，出口为压力出口，为标准大气压，出口表压设为0；
求解设置：选择压力基求解器Pressure-Baesd type，为模拟冷却液的流动过程，选择Transient模型，重力加速度为9.8m/s2；湍流模型选择RNG k-ε模型，多相流模型使用VOF模型追踪液面。
进一步地，建立刀具、工件和冷却液喷管的三维物理模型时，取1/4轮盘和部分刀齿建立模型；建立两根冷却液喷管，冷却液喷管的喷嘴出口直径为2mm，冷却液喷管与水平方向成45°，分别对拉刀的上下面喷射冷却液。
进一步地，所述将所述拉削热-力模型和拉削热-流模型的仿真结果进行耦合得到拉削热-力-流多场耦合模型，模拟拉削过程中冷却液对工件、刀具和切屑的冷却降温作用，具体包括步骤：
载入拉削热-力模型和拉削热-流模型；
指定拉削热-力模型和拉削热-流模型中需要耦合的面；
设置耦合参数及时间步长Δt，所述耦合参数包括：在拉削热-力仿真中，变形分析给出节点速度由/>计算得到应变率和应变，同时对工件和刀具进行热分析所得出的工件和刀具表面的温度分布TB；在拉削热-流仿真中，对冷却液的流动进行分析，所获得在冷却液作用下的工件和刀具表面温度TD；
根据所述耦合参数及时间步长Δt，采用变形分析和热分析反复交替进行迭代求解，直到两个解都收敛为止。
进一步地，所述根据所述耦合参数及时间步长Δt，采用变形分析和热分析反复交替进行迭代求解，直到两个解都收敛为止，具体包括步骤：
(1)根据节点速度和时间步长Δt更新模型的有限元网格，并给出ti+1时刻的网格构形，随后计算得到新构形的等效应变/>
(2)将ti时刻节点速度和温度的收敛解作为第i+1时间步的初始猜测，即：
式中，i表示变形和热分析迭代循环的迭代次序号；
(3)迭代循环，直至收敛：
根据进行工件和刀具的变形分析，结果收敛至/>
根据和/>进行工件和刀具的热分析，结果收敛至/>
根据进行工件/刀具和冷却液的热分析，结果收敛至/>
根据收敛性，查看和/>是否分别与/>和/>差异超阀值，如超阀值，则收敛性不满意，将迭代循环序号j加1，并返重复步骤(3)继续进行迭代循环；如收敛性满意，则将时间步序号i+1，返回至步骤(1)。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的基于热-力-流多场耦合的榫槽拉削工艺仿真分析方法，通过对拉削仿真过程进行模拟，建立了拉削过程中的热-力、热-流仿真分析模型，搭建了模型之间的数据传输平台，实现了拉削热-力-流三场之间的耦合仿真分析，冷却液的流速、温度和冲击压力得到充分考虑，仿真精度大幅提升。热-力-流多场耦合模型可以再现冷却液在工件和刀具表面的分布规律，真实反映工件、刀具和冷却液之间的热传递过程，模型还可以准确输出拉削过程中工件和刀具的温度分布、应力应变分布、成屑形状以及拉削力变化曲线，能有效指导拉刀结构参数的设计。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的基于热-力-流多场耦合的榫槽拉削工艺仿真分析方法的流程示意图。
图2是本发明另一优选实施例的步骤S1的子步骤流程示意图。
图3是本发明优选实施例的拉刀及榫槽拉削等效示意图。
图4是本发明优选实施例的拉削刀具及工件网格模型示意图。
图5是本发明另一优选实施例的步骤S2的子步骤流程示意图。
图6是本发明另一优选实施例的步骤S3的子步骤流程示意图。
图7是边界之间的网格关联及数据映射示意图。
图8是本发明另一优选实施例的步骤S34的子步骤流程示意图。
图9(a)是未考虑冷却液冷却的模型拉削过程中的温度分布云图。
图9(b)是考虑冷却液冷却的模型拉削过程中的温度分布云图。
图10(a)是未考虑冷却液冷却的模型拉削过程中的应力分布云图。
图10(b)是考虑冷却液冷却的模型拉削过程中的应力分布云图。
图11是不同模型拉削过程中X、Y方向拉削力曲线的对比示意图。
图12是实施例1的拉刀整体结构示意图。
图13是实施例1的拉刀局部放大图。
图14是刀具前角对切削温度影响对比图。
图15是X、Y方向切削分力随前角和时间变化曲线图。
图16是实施例2的拉刀整体结构示意图。
图17是实施例2的拉刀局部放大图。
图18是不同钝圆半径对切削应力的影响对比图。
图19是X、Y方向切削力随刃口钝圆半径和时间变化示意图。
图20是实施例3的拉刀整体结构示意图。
图21是实施例3的拉刀局部放大图。
图22是不同齿升量对残余应力(X方向)影响的仿真对比结果。
图23是X、Y方向切削力随齿升量和时间变化的曲线示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
参照图1，本发明的优选实施例提供了一种基于热-力-流多场耦合的榫槽拉削工艺仿真分析方法，包括步骤：
S1、根据刀具和工件的尺寸、材料相关参数、切削相关参数和热传导特征建立拉削热-力模型并进行模拟仿真；
S2、根据刀具、工件和冷却液的冷却相关参数建立拉削热-流模型并进行模拟仿真；
S3、将所述拉削热-力模型和拉削热-流模型的仿真结果进行耦合得到拉削热-力-流多场耦合模型，模拟拉削过程中冷却液对工件、刀具和切屑的冷却降温作用。
本实施例提供的基于热-力-流多场耦合的榫槽拉削工艺仿真分析方法，通过对拉削仿真过程进行模拟，建立了拉削过程中的热-力、热-流仿真分析模型，搭建了模型之间的数据传输平台，实现了拉削热-力-流三场之间的耦合仿真分析，冷却液的流速、温度和冲击压力得到充分考虑，仿真精度大幅提升。热-力-流多场耦合模型可以再现冷却液在工件和刀具表面的分布规律，真实反映工件、刀具和冷却液之间的热传递过程，模型还可以准确输出拉削过程中工件和刀具的温度分布、应力应变分布、成屑形状以及拉削力变化曲线，能有效指导拉刀结构参数的设计。
如图2所示，在本发明的优选实施例中，所述的根据刀具和工件的尺寸、材料相关参数、切削相关参数和热传导特征建立拉削热-力模型并进行模拟仿真，具体包括步骤：
S11、建立刀具拉削初步三维物理模型；
根据榫槽的宽度尺寸、轮盘的厚度尺寸，以单个轮盘厚度方向分布2～5个齿的原则设计初步齿间距，齿之间按照总拉削量和齿数初步方案设计一定的齿升量(一般为10- 2mm)，建立前刀角度近似90°、后刀角0°～10°的初步三维模型，见图3；
S12、确定拉削过程中的切屑热来源及传递路径；
金属拉削过程中，剪切面的塑性变形热、刀具前刀面与切屑的摩擦热和刀具后刀面与工件的摩擦热是三个主要的热源，切削时所消耗的能量有98％左右转换为热能。切削过程中单位时间内所产生的热量Q等于在主运动中单位时间内所作的功W。因此，所产生的热量由拉削力、拉削行进量和拉削速度的乘积确定。
切削产生的热量分别传给切屑、工件及刀具，而传给周围介质的热量最少。它们之间传出的热量百分比随工件材料、切削用量、刀具材料及刀具几何形状而变化。工件材料的导热系数K越大，从工件传出的热量越多；切削速度越高，则由切屑带走的热量越多，由工件、刀具传出的热量越少，这是因为切削速度升高，从切屑向工件和刀具传热时间减少。平面正交切削的热传导方程可表示为：
式中：q＝qp+qf为单位体积的总的热生产率；ρ为工件材料的密度(kg/m3)；k为工件材料的热传导系数；cp为工件的比热(J/Kg·℃)；x和y为笛卡尔坐标系。u和v为运动热源x和y方向的分量。
塑性变形导致的切削热：
其中qp为塑性变形功产生的体积热流率，ηp为塑性功转换系数，一般取值为0.9-0.95，在这里取值0.9，分别为等效应力和等效应变，J为热功当量系数。
前刀面摩擦产生的热：
qf＝ηfτfrvchip/J
其中qf为摩擦功产生的体积热流率，vchip为相对滑动速率，ηf为摩擦功转换为热的系数，一般取值为0.5，即假定摩擦热各有一半分别传递到切屑和刀具。
S13、简化几何模型，相应缩小刀具模型与工作区域；
为了减少有限元仿真计算时间，需要对几何模型进行简化。由于拉削的齿升量较小，为了便于划分网格，优化切削流程，缩小仿真模拟所需时间，在模拟拉削过程时，刀具模型与工作区域应相应缩小，根据以下公式计算：
Pz＝pzbzkykδ
式中：Pz-拉削力(N)，b-拉削宽度(mm)，z-同时参与拉削的齿数量，ky-考虑刀具前角变化的相关修正参数，kδ-考虑拉刀的切削齿磨损的相关修正参数。
由上述公式，拉削力与拉削的宽度成正比，因此在计算相关参数对切削的影响时，将拉刀的拉削宽度简化为几个毫米。当分析拉削参数对拉削的影响时，刀具简化为单齿模型。随后将工件材料设定为刚性不发生运动，刀具从一侧向另一侧匀速拉削工件材料。在拉削过程中，工件和刀具运动处于相对恒定，刀具的拉削速度以边界条件的形式按照实际加工过程的参数输入进行相应的模拟仿真。
S14、确定工件及其尺寸，将工件的高度定义为切削量的5倍以上；
工件尺寸即为仿真模型的工作尺寸。为了获得合理的仿真结果，同时尽量减少工件产生的边界效应，工件的高度一般定义为切削量的5倍以上。
S15、输入工件和刀具的材料属性；
拉削去材运动过程中计算变形热，需使用工件及刀具材料的力学性能指标，如抗拉强度、屈服强度、硬度、材料成分、断裂应变等。有2种途径获取：1)采用商用软件中自带的材料数据库卡片；2)通过实验测量应力-应变曲线输入。
S16、确定刀具结构参数，所述刀具结构参数包括切削刃钝圆半径、齿升量、前角和后角；
每执行一轮仿真模拟，均需要输入对刀具的切削刃钝圆半径、齿升量、前角和后角等参数。这些参数也是每一轮优化设计所需要调整改变的参数。一般按照从常规结构方案先输入常见参数，后续依据仿真结果进行优化。
S17、绘制有限元网格模型；
根据刀具结构特点，以三角形、四边形、正六边形等形状，绘制刀具前刀面长度和后刀面长度、最大刀具单元网格尺寸、最小单元网格尺寸和网格梯度，将几何模型转化为有限元模型。一般需要将切削刃和工件表面等部位设置尺寸更细小的网格尺寸，如图4所示。
S18、设置工件和刀具之间的摩擦系数；
工件和刀具之间的摩擦因数对仿真结果有显著的影响，常用商业软件中一般采用Coulomb摩擦模型：
Ff≤μFn
式中Fn是表面施加的法向力，μ是摩擦因数，Ff是对应的摩擦力。
S19、输入拉削参数，根据实际作业工况，确定拉削速度、拉削长度、工件及刀具的初始温度；
S20、进行有限元迭代求解；
以拉削速度为依据，确定刀具每秒行进的距离为步长，计算每一步的拉削变形量、变形热、变形应力、传热量，将上述参数在每个网格上进行分布，设置各个节点达到平衡状态为收敛依据，重复上述迭代使整个网格模型收敛即获得仿真计算结果。
如图5所示，在本发明的优选实施例中，所述根据刀具、工件和冷却液的冷却相关参数建立拉削热-流模型并进行模拟仿真，具体包括步骤：
S21、建立刀具、工件和冷却液喷管的三维物理模型；
建立刀具、工件和冷却液喷管的三维物理模型时，为避免不必要的计算时间以及保证模型求解正常，取1/4轮盘和部分刀齿建立模型；建立两根冷却液喷管，冷却液喷管的喷嘴出口直径为2mm，冷却液喷管与水平方向成45°，分别对拉刀的上下面喷射冷却液；
S22、对刀齿、轮盘以及冷却液喷管周围区域网格划分；
采用Poly-Hexcore(多面体+六面体核心网格)划分方法，对刀齿、轮盘以及喷管周围区域进行加密，更好地捕捉冷却液与空气的交界面，提高精度；
S23、设置流体材料的属性，包括液态水和空气；
S24、设置边界条件：将上下喷管入口均设为速度入口，其值设为5m/s，出口为压力出口，为标准大气压，出口表压设为0；
S25、求解设置：选择压力基求解器Pressure-Baesd type，为模拟冷却液的流动过程，选择Transient模型，重力加速度为9.8m/s2；湍流模型选择RNG k-ε模型，多相流模型使用VOF模型追踪液面。
如图6所示，在本发明的优选实施例中，所述将所述拉削热-力模型和拉削热-流模型的仿真结果进行耦合得到拉削热-力-流多场耦合模型，模拟拉削过程中冷却液对工件、刀具和切屑的冷却降温作用，具体包括步骤：
S31、载入拉削热-力模型和拉削热-流模型；
S32、指定拉削热-力模型和拉削热-流模型中需要耦合的面；
S33、设置耦合参数及时间步长Δt，所述耦合参数包括：在拉削热-力仿真中，变形分析给出节点速度由/>计算得到应变率和应变，同时对工件和刀具进行热分析所得出的工件和刀具表面的温度分布TB；在拉削热-流仿真中，对冷却液的流动进行分析，所获得在冷却液作用下的工件和刀具表面温度TD；
S34、根据所述耦合参数及时间步长Δt，采用变形分析和热分析反复交替进行迭代求解，直到两个解都收敛为止。
本实施例中，拉削工件的变形分析和热分析的耦合通过材料的本构关系进行实现，拉削过程中的热分析主要由工件的热分析、刀具的热分析以及工件/刀具与冷却液的热分析三部分组成，工件/刀具与冷却液的热分析通过施加边界条件进行网格关联映射，如图7所示，具体是利用McPPI软件构建统一坐标系，自动识别耦合面，采用效率较高的桶式预接触搜索算法判断网格是否匹配，基于公共点的映射算法以及基于网格匹配和相邻最近点的插值实现网格的之间的关联映射。
拉削过程中的热-力-流耦合采用变形分析和热分析反复交替进行，直到两个解都收敛为止。在热-力仿真中，变形分析给出节点的速度由它可以计算得到应变率和应变，同时对工件和刀具进行热分析得出工件和刀具表面的温度分布TB。在热-流仿真中，对冷却液的流动进行分析，获得在冷却液作用下的工件和刀具表面温度TD。假定在某一时刻ti，上述全部场向量/>TB、TD都获得了收敛解(下标i表示时间序列)，下一步求出ti+1时刻(ti+1＝ti+Δt)节点速度和温度的收敛解。
如图8所示，在本发明的优选实施例中，所述根据所述耦合参数及时间步长Δt，采用变形分析和热分析反复交替进行迭代求解，直到两个解都收敛为止，具体包括步骤：
S341、根据节点速度和时间步长Δt更新模型的有限元网格，并给出ti+1时刻的网格构形，随后计算得到新构形的等效应变/>
S342、将ti时刻节点速度和温度的收敛解作为第i+1时间步的初始猜测，即：
式中，i表示变形和热分析迭代循环的迭代次序号；
S343、迭代循环，直至收敛：
根据进行工件和刀具的变形分析，结果收敛至/>
根据和/>进行工件和刀具的热分析，结果收敛至/>
根据进行工件/刀具和冷却液的热分析，结果收敛至/>
根据收敛性，查看和/>是否分别与/>和/>差异超阀值，如超阀值，则收敛性不满意，将迭代循环序号j加1，并重复步骤S343继续进行迭代循环；如收敛性满意，则将时间步序号i+1，返回至步骤S341。
热-力-流多场耦合仿真与传统拉削仿真结果对比:
采用本发明所述的热-力-流多场耦合模型可以准确模拟拉削过程中冷却液对工件、刀具和切屑的冷却降温作用，与已有技术的仿真方法相比，准确性更高，对比如下。
采用本发明的仿真分析方法，可以同时考虑力、温度等多个物理场的作用，所获得的结果比现有技术所获得的结果更准确，从图9(a)和图9(b)中可以看出，若采用传统方法建模仿真，得到的切削的温度梯度分布较小，不够准确。采用本发明的仿真分析方法，可以更明确的获得冷却液作用下的温度分布：冷却液对刀尖的最高温度没有影响，但对刀尖周围工件和刀具的温度分布产生了重大影响。采用多场耦合模型计算的高温仅集中在刀尖处，且向四周降温的速度高于传统模型。
图10(a)和图10(b)为常规方法未考虑冷却和本发明仿真分析方法所获得的应力分布云图。由图可以看出，两种模型计算得出的最大应力差别较小，但是本发明采用多场耦合模型计算得出的刀尖处大应力覆盖范围要小于传统模型，切屑根部的剪切应力要小于传统模型，可更准确的反应刀尖的应力分布，对于预测切削的成形模拟更有效。
图11为采用常规方法和本发明所获得的拉削过程中刀具平行于拉削方向(X向)和垂直于拉削方向(Y)的拉削力曲线对比示意图。本发明方法采用多场耦合仿真模型计算出的拉削力可更准确的反应出拉削力的波动，尤其是X方向尤为明显，这对于评估拉削过程中刀具的使用寿命极为重要。
本发明可从仿真迭代输出结果观察刀具、榫槽零件的应力、应变、温度、拉削力等分布规律，判断上述数值大小是否在安全范围内，以确认所用的刀具结构参数是否合理，一般以拉削力小、刃口温度分布低、卷屑合理等作为判据。通过对比不同拉刀结构参数仿真的结果，获得拉削工况，以获得较为合理的拉刀结构或拉削工艺参数。通过多次循环反复拉削仿真和刀具结构参数改进，可快速的实现刀具结构参数的快速优化，从而避免了高成本、长周期的刀具制造和试验过程。
实施例1：拉刀前角的仿真优化
拉刀材料为M42淬火+回火态高速钢材质，榫槽轮盘为GH4169时效态镍基高温合金材料，拉削所采用的拉刀三维结构如图12和图13所示。刀具的参数为：后角3°，刃口钝圆半径为0.02mm，齿升量为0.03mm，拉削速度为6m/min，对比分析前角大小对拉削仿真温度分布的影响。开展前角分别为6°、10°、15°和18°刀具的拉削仿真。
重复本实施例的仿真模拟和刀具参数优化步骤，获得不同前角参数时的刀刃温度分布规律和拉削力仿真结果，如图14所示。由仿真结果可以看出，前角为18°时，切削区域的温度最低，刀尖和已加工表面的热影响区域小。当前角为6°切削温度较高，热影响区域大。因此，可见增大前角有利于降低切削温度。
随着刀具前角的增加，刀具的温度分布无明显变化，但刀尖温度逐渐降低，这是因为增加前角，减小了切屑变形，从而使切削功率降低，切削时产生的热量减少；最高温度集中在前刀面靠近刀尖区域。进一步地，分析比较不同前角的刀具拉削时的拉削力分布规律，如图15所示，分别列出了切削分力在X方向和Y方向上随前角和时间的变化曲线图。
随着前角从6°增大到18°，刀尖最大温度逐渐降低，应力范围逐渐减小，拉削力X和Y方向都逐渐减小。其原因在于随着前角度数增大切削刃随之变小，刀具更易切除金属材料，并且前刀面与切屑的接触面积减小，摩擦减少，从而使得拉刀做功减小，主拉削力随之降低，切削温度降低，因此增大前角有利于切削。但是过大的前角会导致刀具强度降低。综合考虑仿真分析结果，可选择前角10°～15°较为合理。
实施例2：拉刀刀刃钝圆半径的仿真优化
拉刀材料为ASP2015粉末冶金钢淬火+回火态材质，榫槽轮盘为FGH95时效态镍基高温合金材料，拉削所采用的拉刀三维结构如图16和图17所示。刀具的参数为：前角和后角分别为10°和3°，拉削速度为2m/min，齿升量0.03mm，拉削速度为6m/min，对比分析刀刃钝圆半径大小对拉削仿真温度分布的影响。开展刀刃钝圆半径分别为0.01mm、0.02mm、0.03mm和0.04mm刀具的拉削仿真。
图18为不同刃口钝圆半径对切削应力(Misses Stress)影响对比图。由结果可知，应力随钝圆半径增大而减小。钝圆半径较小时，应力集中于钝圆与后刀面过渡处，随钝圆半径增大，应力值减小，应力作用范围扩散，呈环状围绕在钝圆周围。
图19为X、Y方向切削力随刃口钝圆半径和时间变化示意图，曲线从下到上的刃口钝圆半径分别为0.01mm、0.02mm、0.03mm和0.04mm。由结果可看出：切削力随着刀具刃口钝圆半径增大而增大，且Y方向上也明显随之增大，这是由于随着钝圆半径的增大，刀具在工件表面挤压效果和切削效果都增加了，并且Y方向上的挤压效果明显，造成了Y方向上的切削力的显著变化。因此，在条件允许下，减少刀具钝圆半径有利于减小切削力。
综合考虑仿真分析的结构，由于随着刃口钝圆的增大，温度上升明显，但是应力值减小，应力作用范围扩散，切削力随着刀具刃口钝圆半径增大而增大，因此适当减少刃口钝圆能降低温度和切削力，但是会导致应力集中，可设计0.02～0.03mm为较优范围。
实施例3：拉刀齿升量的仿真优化
拉刀材料为M42高速钢淬火+回火态材质，榫槽轮盘为FGH95时效态镍基高温合金材料，拉削所采用的拉刀三维结构如图20和图21所示。拉刀的前角和后角分别为10°和3°，拉削速度为2m/min。开展齿升量分别为0.02mm、0.03mm、0.04mm和0.05mm刀具的拉削仿真模拟。
图22为不同齿升量对残余应力(X方向)影响的仿真对比结果。由图可知，残余应力分布区域随齿升量增大而逐渐增大。
图23为X、Y方向切削力随刀具齿升量和时间变化的示意图，从下到上依次为齿升量分别为0.02mm、0.03mm、0.04mm和0.05mm拉削力变化曲线。表现为X方向切削力随着齿升量减增大而明显增大，Y方向也随着齿升量减增大而增大，这是由于随齿升量的增大，刀具在工件表面挤压效果逐渐增大。因此，降低齿升量有利于减小切削力。
综合仿真分析结构，随齿升量增加，刃口温度和工件的参与应力随之升高。但由拉削力随时间的变化关系看，当齿升量为0.03mm时，拉削力随时间变化更加稳定，这有利于提高拉刀的寿命。由此可设计齿升量为0.03mm左右较为合理。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于热-力-流多场耦合的榫槽拉削工艺仿真分析方法，其特征在于，包括步骤：
根据刀具和工件的尺寸、材料相关参数、切削相关参数和热传导特征建立拉削热-力模型并进行模拟仿真；
根据刀具、工件和冷却液的冷却相关参数建立拉削热-流模型并进行模拟仿真；
将所述拉削热-力模型和拉削热-流模型的仿真结果进行耦合得到拉削热-力-流多场耦合模型，模拟拉削过程中冷却液对工件、刀具和切屑的冷却降温作用；
所述将所述拉削热-力模型和拉削热-流模型的仿真结果进行耦合得到拉削热-力-流多场耦合模型，模拟拉削过程中冷却液对工件、刀具和切屑的冷却降温作用，具体包括步骤：
载入拉削热-力模型和拉削热-流模型；
指定拉削热-力模型和拉削热-流模型中需要耦合的面；
设置耦合参数及时间步长Δt，所述耦合参数包括：在拉削热-力仿真中，变形分析给出节点速度由/>计算得到应变率和应变，同时对工件和刀具进行热分析所得出的工件和刀具表面的温度分布TB；在拉削热-流仿真中，对冷却液的流动进行分析，所获得在冷却液作用下的工件和刀具表面温度TD；
根据所述耦合参数及时间步长Δt，采用变形分析和热分析反复交替进行迭代求解，直到两个解都收敛为止，具体包括步骤：
(1)根据节点速度和时间步长Δt更新模型的有限元网格，并给出ti+1时刻的网格构形，随后计算得到新构形的等效应变/>
(2)将ti时刻节点速度和温度的收敛解作为第i+1时间步的初始猜测，即：
式中，i表示变形和热分析迭代循环的迭代次序号；
(3)迭代循环，直至收敛：
根据进行工件和刀具的变形分析，结果收敛至/>
根据和/>进行工件和刀具的热分析，结果收敛至/>
根据进行工件/刀具和冷却液的热分析，结果收敛至/>
根据收敛性，查看和/>是否分别与/>和/>差异超阀值，如超阀值，则收敛性不满意，将迭代循环序号j加1，并重复步骤(3)继续进行迭代循环；如收敛性满意，则将时间步序号i+1，返回至步骤(1)。
2.根据权利要求1所述的基于热-力-流多场耦合的榫槽拉削工艺仿真分析方法，其特征在于，所述的根据刀具和工件的尺寸、材料相关参数、切削相关参数和热传导特征建立拉削热-力模型并进行模拟仿真，具体包括步骤：
建立刀具拉削初步三维物理模型；
确定拉削过程中的切屑热来源及传递路径：
简化几何模型，相应缩小刀具模型与工作区域；
确定工件及其尺寸，将工件的高度定义为切削量的5倍以上；
输入工件和刀具的材料属性；
确定刀具结构参数，所述刀具结构参数包括切削刃钝圆半径、齿升量、前角和后角；
绘制有限元网格模型；
设置工件和刀具之间的摩擦系数；
输入拉削参数，根据实际作业工况，确定拉削速度、拉削长度、工件及刀具的初始温度；
进行有限元迭代求解：以拉削速度为依据，确定刀具每秒行进的距离为步长，计算每一步的拉削变形量、变形热、变形应力、传热量，将上述参数在每个网格上进行分布，设置各个节点达到平衡状态为收敛依据，重复上述迭代使整个网格模型收敛即获得仿真计算结果。
3.根据权利要求2所述的基于热-力-流多场耦合的榫槽拉削工艺仿真分析方法，其特征在于，建立刀具拉削初步三维物理模型具体包括步骤：
根据榫槽的宽度尺寸、轮盘的厚度尺寸，以单个轮盘厚度方向分布2～5个齿的原则设计初步齿间距，齿之间按照总拉削量和齿数初步方案设计一定的齿升量，建立前刀角度为85°～90°、后刀角为0°～10°的初步三维物理模型。
4.根据权利要求2所述的基于热-力-流多场耦合的榫槽拉削工艺仿真分析方法，其特征在于，确定拉削过程中的切屑热来源及传递路径时，将金属拉削过程中，剪切面的塑性变形热、刀具前刀面与切屑的摩擦热和刀具后刀面与工件的摩擦热设为三个主要的热源，所产生的热量由拉削力、拉削行进量和拉削速度的乘积确定；切削产生的热量分别传给切屑、工件及刀具，而传给周围介质的热量最少。
5.根据权利要求2所述的基于热-力-流多场耦合的榫槽拉削工艺仿真分析方法，其特征在于，所述工件和刀具的材料属性包括抗拉强度、屈服强度、硬度、材料成分、断裂应变，采用商用软件中自带的材料数据库卡片或通过实验测量应力—应变曲线输入。
6.根据权利要求2所述的基于热-力-流多场耦合的榫槽拉削工艺仿真分析方法，其特征在于，所述绘制有限元网格模型具体包括步骤：
根据刀具结构特点，以三角形、四边形、正六边形的形状，绘制刀具前刀面长度和后刀面长度、最大刀具单元网格尺寸、最小单元网格尺寸和网格梯度，将几何模型转化为有限元模型。
7.根据权利要求1所述的基于热-力-流多场耦合的榫槽拉削工艺仿真分析方法，其特征在于，所述根据刀具、工件和冷却液的冷却相关参数建立拉削热-流模型并进行模拟仿真，具体包括步骤：
建立刀具、工件和冷却液喷管的三维物理模型；
对刀齿、轮盘以及冷却液喷管周围区域网格划分：采用Poly-Hexcore划分方法，对刀齿、轮盘以及却液喷管周围区域进行加密；
设置流体材料的属性，包括液态水和空气；
设置边界条件：将上下喷管入口均设为速度入口，其值设为5m/s，出口为压力出口，为标准大气压，出口表压设为0；
求解设置：选择压力基求解器Pressure-Baesd type，为模拟冷却液的流动过程，选择Transient模型，重力加速度为9.8m/s2；湍流模型选择RNG k-ε模型，多相流模型使用VOF模型追踪液面。
8.根据权利要求7所述的基于热-力-流多场耦合的榫槽拉削工艺仿真分析方法，其特征在于，建立刀具、工件和冷却液喷管的三维物理模型时，取1/4轮盘和部分刀齿建立模型；建立两根冷却液喷管，冷却液喷管的喷嘴出口直径为2mm，冷却液喷管与水平方向成45°，分别对拉刀的上下面喷射冷却液。
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