基于ANSYS的镁合金切削温度场的有限元分析及实验研究
张群威,陈桂华
(漯河职业技术学院机电工程系，河南 漯河 462300)
摘要：基于镁合金的切削加工特性，重点分析了切削加工安全问题，从控制工件的表面温度出发，利用有限元软件，分析了切削加工中工件及刀具表面温度场的分布情况，并讨论了切削参数对镁合金切削加工中表面温度变化的单因素影响规律。最后通过镁合金切削试验，对仿真结果进行了验证。结果表明，在镁合金切削加工过程中，通过优化切削参数，可以控制切削区域的最高温度，从而保证加工安全。
关键词：镁合金；有限元；温度场分布；切削参数
中图分类号：TP204 文献标识码：B 文章编号：2095-509X(2019)05-0084-04
进入21世纪以来，钢铁等传统材料的应用增长缓慢，而以镁合金为代表的轻质合金材料异军突起。镁合金具有密度小、比刚度高、导热性能好及尺寸稳定性好等一系列优点。镁合金的切削性能良好，但是燃点较低，在切削过程中必须考虑温度的影响，防止切屑燃烧。因此笔者尝试采用有限元技术分析镁合金切削加工中的温度场分布，以便在加工中采取相应的措施来杜绝镁合金切屑燃烧或爆炸事故的发生。
1 仿真模型及边界条件的确定
本文以普通的车削过程为例，建立正交切削模型（如图1所示），这种切削模型同样也适用于其他切削加工类型（例如铣削）。图中：γ为刀具前角；为剪切角。
图1 正交切削模型
高速切削可以节省30%的时间，进给速率为传统切削的10倍左右，而且切削需要的力较小，因此可以用于加工薄壁工件。高速切削能够提高表面精度，因而可以省去精磨工序。因为切削速度比热传导速度快，所以大部分的热都留在切屑上，无法传到工件，从而可以避免工件因受热产生翘曲变形。因此本文的模拟仿真中将切削速度设为500m/min，所采用的镁合金材料为航空铸造5号镁合金（ZM5），表1为ZM5在室温(20℃)下的材料属性。
表1 ZM5的材料属性（20℃）
参数 热膨胀系数/（×10-5K-1）弹性系数/GPa 热传导率/（W·m-1·K-1）密度/（kg·m-3）
取值 27.1 45 154 1.74
设定温度边界条件：温度等于室温（T0=20℃），并且工件底面受热源影响很小；其余表面与空气接触，由于空气的导热系数很小，因此忽略空气的对流传热。速度边界条件：为刀具的速度v，工件相对静止，如图2所示。
2 温度场的有限元分析
2.1前处理
根据有关试验结果设定仿真的切削参数（表2）。镁合金切削加工过程中，通过分析切削热分布的估算数据可知，后刀面接触区的塑性变形产生的热量很少，可以忽略。切削热主要来源于切屑剪切区的塑性变形和刀-屑界面摩擦，两者综合作用导致刀具和工件迅速升温。
收稿日期：2018-07-30
作者简介：张群威（1984—），男，讲师，硕士，主要研究方向为轻质合金材料的加工特性及先进制造技术，759737362@qq.com.
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