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研究生:孫翌倫
論文名稱:穩態圓柱切削數值模擬及分析
論文名稱(外文):Numerical Analysis of Steady Cylindrical Cutting
指導教授:何正義何正義引用關係
指導教授(外文):Ho,Je-Ee
口試委員:羅安成陳文成
口試日期:2022-07-01
學位類別:碩士
校院名稱:國立宜蘭大學
系所名稱:機械與機電工程學系碩士班
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2022
畢業學年度:110
語文別:中文
論文頁數:68
中文關鍵詞:切削熱切削速度熱傳導係數鬆弛係數
外文關鍵詞:cutting heatcutting speedthermal conductivityrelaxation coefficient
DOI:doi:10.6820/niu202200057
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摘要

切削加工為現今工業界加工技術重要的一環,加工過程中熱量的產生是無法避免;此切削熱將分佈於切屑、工件、刀具上而導致熱脹冷縮或殘留熱應力,此將造成刀具壽命縮短、工件表面粗糙度及影響尺寸精度等現象。有鑑於此,本論文經由數值方法建構計算程式以模擬工件內部之溫度,並由各種切削條件下產生之等溫線分佈分析工件內部熱傳的趨勢及提供切削優化參數之依據。

本論文之程式建構經由座標(r-θ)轉換至移動刀具為原點之quasi-steady 座標,並透過符合Gaussic- Seidel收斂法則之有限差分法進行離散疊代。為了增加計算效率及格點總數的控制,於軸向方向格點排列採用不等式間格方式;即靠近刀尖端點之格點越密集。為了加速收斂於疊代過程中鬆弛係數取0.8。經模擬發現切削速度為本研究結果之重要參數,切削速度將直接影響傳導進工件的能量比例;另於結果發現於切削過程中距離刀尖前方0.5~2mm及下方1~2mm內熱傳係數較大,此說明了溫度變化及切削熱傳於此率較強;亦即工件冷卻後熱應力引起之龜裂易集中於此。本程式計算結果經與學者張充鑫碳化鎢車刀車削實驗進行比對,車刀切邊角於10 ~ 40度區間刀尖溫度最大誤差為3/100;另與學者Haci Sahlam刀具幾何形狀實驗結果比對,於主偏角為45~90度區間刀尖溫度最大誤差為4/100。

Abstract
As for machining technology is concerned, heat generation produced under the process of metal cutting is inevitable. Such cutting heat ,generated on the workpieces and cutting tools, might result in thermal expansion and which easily causes the thermal cracker or residual stress inside the workpiece. Also, it shortens the tool life and reduces the dimensional accuracy on the surface roughness. In view of this, developing a numerical source code to evaluate various cutting performance, based on the isothermal contour distributed, arises our interest and becomes the main topics in this subject.
Here, a numerical code with the quasi steady coordinate-transformation as well as finite -difference skill is proposed .i.e. a cylindrical coordinate (r- θ) will be assigned and transferred to the moving cutting tool .Coupling central difference and upwind difference, a simulated scheme, discreted from thermal-conservative equation, might be carried out. And which satisfies diagonal domination and Scarborough criterion, in other words, the numerical method proposed is in accordance with the Gaussic- Seidel convergence rule. To control the mesh number and reduce the computational time, an unequal grid and denser grid near the tool are deployed to accelerate convergence in the iterative process, here the relaxation coefficient is taken as 0.8. Subjected to above specification, computational results show that the isothermal lines are densely resided within 0.5 ~ 2mm in front and 1 ~ 2mm below the tool tip. That implies the thermal cracker, induced by quick heat transfer, will be concentrated here. Compared with the tool tip temperature from Chang’ experiment as well as Sahlam’s experiment , numerical outcome individually exhibits the maximum error ,less than 3 / 100, in the cutting edge angle of 10 ~ 40 degrees and 4 / 100 during the entering angle of 45 ~ 90 degrees.

目錄
摘要 I
Abstract II
致謝 III
目錄 IV
圖目錄 IV
表目錄 VII
符號說明 VIII
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 研究動機與目的 1
1-3文獻探討 2
1-4車削工作原理 3
1-5切削熱概述 6
第二章 數學模式 7
2-1模式假設 7
2-2 統御方程式 8
2-3 邊界條件 10
2-4 熱對流係數 11
第三章 數值方法及解題步驟 12
3-1有限差分法及網格分割 12
3-2收斂法則 15
3-3運算程序 16
第四章 結論與討論 18
第五章 結論 30
參考文獻 32
附錄 34


圖目錄

圖 1 車床切削示意圖 3
圖 2 進給量與進給速度示意圖 4
圖 3 切削速度示意圖 5
圖 4 切削深度示意圖 5
圖 5 切削區示意圖: (1)剪切區(2)沿刀具區(3)沿工件區 6
圖 6 3D切削數值運算面積及其座標示意圖 8
圖 7 車削數值運算面積及其座標示意圖 8
圖 8 quasi steady 座標轉換z軸示意圖 9
圖 9 實心工件邊界條件示意圖 11
圖 10 不等式間隔格點配置圖 13
圖 11 數值模擬刀尖溫度受切削深度變化時情形 18
圖 12 數值模擬切削深度0.5mm刀尖局部放大等溫線圖 19
圖 13 數值模擬切削深度1.5mm刀尖局部放大等溫線圖 20
圖 14 數值模擬能量比例與切削速度受轉速變化時情形 21
圖 15 數值模擬刀尖溫度與進給量受轉速變化時情形 22
圖 16 數值模擬rpm700 f 0.17(mm/rev)刀尖局部放大等溫線圖 23
圖 17 數值模擬rpm 1900 f 0.063(mm/rev)刀尖局部放大等溫線圖 24
圖 18 數值模擬能量比例與進給速度隨轉速變化時情形 25
圖 19 數值模擬rpm 1000 "Vf=3.3(mm/s)" 刀尖局部放大等溫線圖 26
圖 20 數值模擬rpm 1900 "Vf=6.3(mm/s)" 刀尖局部放大等溫線圖 27
圖 21 數值模擬刀尖溫度與ref[5]實驗值比對 28
圖 22 數值模擬刀尖溫度與ref[13]實驗值比對 29
圖 23 經quasi steady 座標轉換z軸示意圖 34
圖 24 網格收斂160x80等線圖 36
圖 25 網格收斂160x80局部放大等線圖 37
圖 26 網格收斂320x160等線圖 38
圖 27 網格收斂320x160局部放大等線圖 39
圖 28CA刀具切削工件時所形成的剪切面積[5] 42
圖 29切削力、刀腹磨耗、刀具刀邊半徑詳圖[5] 43
圖 30文獻[4]能量分布與切削速度的變化關係圖 44
圖 31常見車刀刀片 46
圖 32車削能量密度分佈 46
圖 33切削深度0.5mm等溫線圖 47
圖 34切削深度0.75mm等溫線圖 48
圖 35切削深度1mm等溫線圖 49
圖 36切削深度1.25mm等溫線圖 50
圖 37切削深度1.5mm等溫線圖 51
圖 38數值模擬rpm 700 f 0.17(mm/rev)等溫線圖 54
圖 39數值模擬rpm 1000 f 0.11(mm/rev)等溫線圖 55
圖 40數值模擬rpm 1300 f 0.092(mm/rev)等溫線圖 56
圖 41數值模擬rpm 1600 f 0.75(mm/rev)等溫線圖 57
圖 42數值模擬rpm 1900 f 0.063(mm/rev)等溫線圖 58
圖 43數值模擬rpm 1000 "Vf" =3.3(mm/s)等溫線圖 61
圖 44數值模擬rpm 1300 "Vf" =4.3(mm/s)等溫線圖 62
圖 45數值模擬rpm 1600 "Vf" =5.3(mm/s)等溫線圖 63
圖 46數值模擬rpm 1900 "Vf" =6.3(mm/s)等溫線圖 64
圖 47文獻[9]能量分布與切削速度的變化關係圖 66
表目錄

表 1 模擬A車刀參數 40
表 2模擬A數值模擬切削相關參數 45
表 3模擬A數值模擬切削變化參數 45
表 4模擬A車削能量密度分佈 46
表 5模擬B車刀參數 52
表 6模擬B數值模擬切削相關參數 52
表 7模擬B數值模擬切削變化參數 53
表 8模擬B車削能量密度分佈 53
表 9模擬C車刀參數 59
表 10模擬C數值模擬切削相關參數 60
表 11模擬C數值模擬切削變化參數 60
表 12模擬C車削能量密度分佈 60
表 13模擬D切削相關參數 65
表 14模擬D切削變化參數 66
表 15模擬D車削能量密度分佈 66
表 16模擬E切削相關參數 67
表 17模擬E切削變化參數 68
表 18模擬E車削能量密度分佈 68




參考文獻

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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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