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伊蒂哈德球场容量:鋁合金高速銑削中切削溫度動態變化規律的試驗研究

//www.b2b.hc360.com 中國金屬加工網 信息來源:Author發布時間:2019年10月24日瀏覽:831

瓦赫达vs伊蒂哈德预测 www.ydmlv.com.cn   1引言

  以高切削速度、高進給速度、高加工精度和優良的加工表面質量為主要特征的高速切削加工技術具有不同于傳統切削加工技術的加工機理和應用優勢,已被國內外的航空航天、汽車制造等行業廣泛采用。目前在高速切削生產中普遍存在的問題是缺乏高速切削工藝數據庫,實際生產中主軸轉速偏低,切削用量及刀具選擇欠優化。加工工藝的優化來源于對高速切削機理深入、系統的研究,而揭示高速切削中溫度的動態變化規律是切削機理研究的一個重要方面。切削溫度與刀具磨損、加工表面完整性及工件熱變形密切相關。德國學者C.Salomon博士有關切削溫度理論的核心觀點是:對于給定的工件材料,都有一個臨界切削速度值,當切削速度超過該臨界速度值時,切削溫度隨切削速度的增大而下降,刀具磨損隨之下降;而在達到該臨界速度值之前,隨著切削速度的增加,切削溫度和刀具磨損均逐漸上升。按此理論,刀具壽命存在一個“死谷”,如果切削速度越過“死谷”,刀具壽命將顯著增加。其他學者的有關研究也表明,隨著切削速度的持續增加,切削溫度的增加速率下降,最后趨于穩定。對于高速切削可提高刀具壽命的機理目前有兩種解釋,一種認為工件材料進入切削區后,切削高溫使其強度、硬度降低,材料軟化,而刀具材料則具有相對較高的強度和硬度;另一種理論認為,隨著切削速度的增加,切削區材料剪切角增大,切削變形系數減小,材料在高速下來不及變形,刀具與切屑間的摩擦系數減小,切削過程中實際產生的熱量減少,且多數熱量由切屑帶走,進入刀具的熱量相對較少,從而使刀具耐用度提高。由此可見,切削溫度的變化規律是反映高速切削過程本質的重要方面。目前各國學者對高速切削機理進行了大量研究,但對于切削溫度隨切削速度的增大而降低的臨界速度值的研究至今報道不多。本文對鋁合金高速銑削中切削溫度動態變化規律進行了試驗研究,旨在為高速切削工藝數據庫的建立提供理論及試驗依據。


  2試驗原理及方案

  2.1試驗原理

  本試驗采用紅外熱像儀來測定切削溫度,其工

  作原理是基于斯蒂芬—波爾茲曼定律,即

  E=esT4(W/m2)

  式中

  e——物體輻射單元表面輻射率(取決于物體表面性質)

  s——斯蒂芬—波爾茲曼常數,s=5.67×10-10

  T——輻射單元的表面溫度(K)

  E——輻射單元單位面積的輻射能量

  紅外熱像儀通過紅外探測器接收并測量物體輻射單元的輻射能量,若輻射單元的表面輻射率已知,則可通過斯蒂芬—波爾茲曼定律求出輻射單元的表面溫度。紅外熱像儀通過光機掃描機構依次探測物體輻射單元的輻射能量,并將每個輻射單元的輻射能量依次轉換為電子視頻信號,通過對該信號進行處理,以可見圖像的形式顯示出來。顯示的熱像圖代表了物體表面的二維輻射能量場,同時也對應著物體表面的溫度分布場。紅外成像儀測溫法具有直觀、簡便、遠距離非接觸監測等優點,并且對于惡劣環境及運動物體的表面溫度測量具有極大優越性。


1.jpg

  2.2試驗方案

  如圖1所示,立銑刀在預先加工好的槽內周銑

  薄壁內側,在薄壁外側面上采用紅外熱像儀測量工

  件表面的溫度場分布情況。所測得的薄壁外側面各

  點的溫度值雖然低于內側面切削區對應點的實際切

  削溫度,即內外側面溫度變化過程存在時間滯后,但文獻指出,通過傳熱學反求算法,可以根據紅外熱像儀的測量結果準確求得銑削過程切削區各點溫度值??杉?,本試驗的測溫方案是可行的,可以根據紅外熱像儀測量的表面溫度變化規律研究高速銑削中的切削溫度變化規律。

  試驗方案如下:

  (1)切削刀具:自制硬質合金兩刃立銑刀,直徑f30mm,采用干式順銑;切削用量:銑削寬度ae=15mm,銑削深度ap=1.5mm,每齒進給量af=0.05mm。

  (2)主軸轉速分別選取n=2500,5000,7500,10000,12500,15000r/min共六檔,對不同轉速下測得的工件表面溫度值進行比較。

  (3)根據工件的幾何形狀,選取六段截面380mm×30mm作為一個轉速測量單元,并在延伸方向上先加工出寬60mm、深18mm的溝槽,薄壁厚度為3mm。

  (4)為了重點反映工件上具有代表意義的幾個點在采用不同轉速加工時的相對溫度值,在測量面中線上距頂面6mm處選一參考點Q(刀具正對時),測出工件同一壁厚在不同切削速度時參考點Q及其距刀具超前及滯后參考點30mm位置上的P點和R點的溫度值,以便得出已加工表面和待加工表面溫度相對于切削速度的變化規律。

  (5)刀具以某一進給速度Vf(由轉速決定)從工件A端開始切削,直到從工件B端退出切削,在整個切削過程中,用紅外熱像儀監視并記錄測量面的熱像溫度分布圖。

2.jpg

  3試驗結果及分析

  3.1試驗結果

  根據上述試驗方案,用紅外熱像儀進行切削溫度測試,測試結果如表1所示。

  根據表1數據可繪出如圖2所示的主軸轉速與工件表面溫度之間的變化關系曲線和如圖3所示的主軸轉速與P點相對Q點溫度下降速率之間的關系曲線。

  3.2數據分析

  (1)由圖2可看出,與切削區刀具正對的Q點的溫度變化過程存在二次效應,即當n=7500r/min(即切削速度V=706.5m/min)時,Q點溫度最高,當切削速度繼續增大時,Q點溫度下降,并最終趨于穩定。本文稱V=706.5m/min為鋁合金高速銑削時的臨界切削速度,當切削速度超過該值時,切削溫度開始下降。

1.jpg

  (2)滯后Q點30mm處的P點的表面溫度隨切削速度的變化規律與Q點一致,這證明高速切削時確實存在二次效應。此外,從圖2曲線可看出,P點的溫度變化范圍小于Q點,這是因為P點滯后Q點30mm(在n=7500r/min時,相當于滯后2.4s),表面的一部分熱量已傳到周圍介質中。

  (3)超前Q點30mm處的R點的表面溫度隨切削速度的變化規律與P、Q兩點有所不同。當切削速度較低時,待切削點R點表面溫度較高;隨著切削速度的增加,R點溫度快速下降;當主軸轉速超過n=7500r/min(即切削速度V=706.5m/min)時溫度下降率減??;切削速度進一步增加時,溫度值趨于穩定。這是因為主軸轉速增加時,為保證恒定的每齒進給量,必須相應加快進給速度,從而導致切削區產生的熱量來不及向工件的待加工區傳遞,熱量基本上由切屑帶走,工件待加工表面基本處于冷態。

  (4)由3可見,隨著切削速度的提高,已加工表面P點相對于Q點的溫度平均下降速率增大。本文認為,在保持每齒進給量相同的切削條件下,隨著主軸轉速與進給速度的提高,熱源在工件內側面的移動速度加快,因而在切削路徑相同時傳入工件

  表面的熱量明顯減少,導致工件容熱少,因而溫度下降較快,使已加工表面溫度很快趨于穩定??杉?,切削熱絕大多數由切屑帶走,這正是高速切削加工中工件溫升較小的主要原因。較小的工件溫升有利于

  獲得良好的加工表面完整性和有效抑制因工件熱變形而導致加工精度喪失。由此可見,高速切削對于導熱性極差的航空難加工材料薄壁件的加工非常有利。

  文獻的研究結果表明,在高速切削中,斷續切削與連續切削相比,在相同切削路程中,刀具耐用度將大幅度提高。本文試驗中采用的立銑屬于斷續切削方式,每個刀齒在切削中要經受反復加熱和冷卻過程,刀具溫度不會持續增加,而是在一定范圍內呈現升溫和降溫的規律性變化,這將有利于刀具壽命的提高。關于刀具溫度的具體變化規律,尚在進一步研究之中。

  4結論

  (1)在切削速度較低的情況下,切削溫度隨轉速的增加而升高,但達到某一臨界切削速度值后,隨著轉速繼續增大,切削溫度反而下降。高速銑削鋁合金時,臨界切削速度為706.5m/min。

  (2)對于離切削區較近的已加工表面(如P點),隨著主軸轉速的增加,溫度下降速度增大,高速切削時的切削熱大多由切屑帶走。對于待加工表面,靠近切削區的工件溫度(如R點)隨切削速度的增加而單調下降,當切削速度越過臨界值后,待加工表面溫度隨著切削速度的進一步增加而逐漸趨于穩定。

  (3)在高速銑削中,若保持每齒進給量不變,則在獲得極高材料去除率的同時,可有效抑制工件溫升,這對于難加工材料薄壁件的加工非常有利。

  (4)用紅外熱像儀能夠比較準確地檢測高速銑中切削區溫度場的動態變化規律,較好地解決了高速切削過程中動態切削溫度檢測的關鍵難題。

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