工艺系统的热效应课件.ppt

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第,*,页,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第,1,页,现代制造工艺理论,第五章,工艺系统的热效应,引言,工艺系统的热效应,金属切削过程将产生大量的热量,工艺系统本身处于含有热量的环境中,热效应研究目的,质量：热胀冷缩影响精度，影响表面质量,成本：刀具磨损、机床热变形和磨损,产能：高速、高效,高精：精密加工、超精密加工,第,2,页,引言,核心问题：温度场，工件、刀具、机床,温度场：研究对象各点的温度分布规律,工件温度场：工件的热变形影响精度，高温影响表面质量和性能,刀具温度场：刀具性能变化、热变形影响零件精度、优化刀具设计,机床温度场：机床精度、机床磨损、优化机床设计,研究方法与限制,基础理论：传热学、微积分等,基本方法：理想模型，分析与计算,实际情况：切削液、工艺参数、工艺系统结构，复杂,主要用途：参考，指导,第,3,页,0.传热学基础,热传导：一维模型,第,4,页,Q,热流量,q,热流密度,t,温度,导热系数,时间,A,面积,传热学傅立叶定律,对于瞬时热传导，温度,t,是时间,和位置,x,的函数，即,t(x,),；对于稳定的热传导，温度,t,仅是,x,的函数，即,t(x),0.传热学基础,热传导：三维模型,第,5,页,Q,热流量,t,温度,导热系数,时间,a,导温系数,C,比热,密度,V,体积,E,内能,微小六面体的温度,t,是时间,和空间位置,x,y,z,的函数，即,t(x,y,z,),沿,x,方向流入,/出,单元体的热量,根据流入和流出的热量差与温度升高,dt,所需热量相等，经化简得：,单元体温度变化与热量的关系,基础：一维传热,热传导的基本方程，温度场计算基础,一.温度场的计算：解析法,解析法求温度场,第,6,页,如“半无限”绝热平板，无内热源的热传导方程为：,利用热传导的基本规律，建立特定方程,给定初始条件和边界条件,求解方程得出其解析解,给定边界条件,x=0,、,x=L,及,y=,处温度为,t,1,，,y=0,处温度为,t,2,满足方程的特解为：,差分法计处温度场的步骤,三维无内热源稳定导热差分方程为：,周围各点流向中间点的热流量总和等于零，即稳定的。,计算步骤：,划分单元,测出边界节点的温度值,导热差分方程式建立方程组（代数和）,求解方程组,第,9,页,三,.,温度场计算：热源法,解析法或数值法计算：根据热的传导规律和初始条件及边界条件进行计算，与机械加工热传导的主要特点不符合,运动热源：刀具与工件存在相对运动，热源在运动,热源一定的形状和尺寸,边界条件未知,热源法：主要用于研究工件和刀具的温度场,基本原理：以一个,点热源,在无限大传热介质中瞬时发热后，计算出在任何时刻任何地点的温度场,；以此为基础，通过,积分,的方法解出其它各种形状热源的传热问题，如线状瞬时热源、面状瞬时热源、线状连续热源、面状连续热源、运动中的各种热源等。,第,10,页,1.,点,状,瞬时,热源的传热,第,11,页,Q,点热源瞬时热量,t,温度,导热系数,瞬时发热后的时刻,a,导温系数,C,比热,密度,热传导的基本方程：,R,2,=x,2,+y,2,+z,2,点状热源在无限导热体内瞬时发热后，任何时刻、任何地点的温度,t,的计算公式为：,各种不同热源情况下温度场推导的基础,2.,无限长,的,线,状,瞬时,热源的传热,第,12,页,Q,s,单位长度瞬时热量,t,温度,瞬时发热后的时刻,a,导温系数,C,比热,密度,R,2,=x,2,+y,2,+z,2,无限长线热源视为无限多个点热源组成,z,0,的取值范围为,-,到,+,3.,无限大,的,面,状,瞬时,热源的传热,第,13,页,Q,m,单位面积瞬时热量,t,温度,瞬时发热后的时刻,a,导温系数,C,比热,密度,无限大平面热源视为无限多个线状热源组成,y,0,的取值范围为,-,到,+,4.,有限长,的,线,状,瞬时,热源的传热,第,14,页,Q,s,单位长度瞬时热量,t,温度,瞬时发热后的时刻,a,导温系数,C,比热,密度,L,线源长度,erf(),误差函数（查表）,R,2,=x,2,+y,2,+z,2,有限长线热源视为有限长度内点热源组成,z,0,的取值范围为,0,到,L,erf(p),为误差函数，可查表确定,5.,有限长,与,有限宽,的,瞬时,面热源,第,15,页,有限宽度的有限长线热源的积分,y,0,的取值范围为,0,到,B,6.,点,热源,连续,发热,点瞬间发热对时间的积分,第,16,页,点热源,i,时刻发热对任意点的温升,i,的取值范围为,0,7.,线,热源,连续,发热,线瞬间发热对时间的积分,第,17,页,线热源,i,时刻发热对任意点的温升,i,的取值范围为,0,(p),为特殊函数，可查表确定,8.,连,续,发热的,面,热源,面瞬时发热对时间的积分,第,18,页,面热源,i,时刻发热对任意点的温升,i,的取值范围为,0,(p),为特殊函数，可查表确定,其它,持续发热运动线热源温度场,运动面热源的温度场,热源法温度场计算的应用,小结,热源法求解的核心是建立问题模型，然后运用微积分进行求解,求解结果与实际有误差，但可作为分析和优化设计的指导,在工程上往往通过试验的方法来建立经验公式,第,19,页,