鋁合金高速銑削中切削溫度動(dòng)態(tài)變化規(guī)律的試驗(yàn)研究

1 引言

    以高切削速度、 高進(jìn)給速度、 高加工精度和優(yōu)良的加工表面質(zhì)量為主要特征的高速切削加工技術(shù)具有不同于傳統(tǒng)切削加工技術(shù)的加工機(jī)理和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)， 已被國(guó)內(nèi)外的航空航天、 汽車制造等行業(yè)廣泛采用。目前在高速切削生產(chǎn)中普遍存在的問(wèn)題是缺乏高速切削工藝數(shù)據(jù)庫(kù)， 實(shí)際生產(chǎn)中主軸轉(zhuǎn)速偏低，切削用量及刀具選擇欠優(yōu)化。加工工藝的優(yōu)化來(lái)源于對(duì)高速切削機(jī)理深入、 系統(tǒng)的研究， 而揭示高速切削中溫度的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律是切削機(jī)理研究的一個(gè)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(guān)。德國(guó)學(xué)者C.Salomon博士有關(guān)切削溫度理論的核心觀點(diǎn)是： 對(duì)于給定的工件材料，都有一個(gè)臨界切削速度值， 當(dāng)切削速度超過(guò)該臨界速度值時(shí)， 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(dá)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(gè) “死谷” ， 如果切削速度越過(guò) “死谷” ，刀具壽命將顯著增加。其他學(xué)者的有關(guān)研究也表明， 隨著切削速度的持續(xù)增加， 切削溫度的增加速率下降， 最后趨于穩(wěn)定。對(duì)于高速切削可提高刀具壽命的機(jī)理目前有兩種解釋， 一種認(rèn)為工件材料進(jìn)入切削區(qū)后， 切削高溫使其強(qiáng)度、 硬度降低， 材料軟化， 而刀具材料則具有相對(duì)較高的強(qiáng)度和硬度； 另一種理論認(rèn)為， 隨著切削速度的增加， 切削區(qū)材料剪切角增大， 切削變形系數(shù)減小， 材料在高速下來(lái)不及變形， 刀具與切屑間的摩擦系數(shù)減小， 切削過(guò)程中實(shí)際產(chǎn)生的熱量減少， 且多數(shù)熱量由切屑帶走， 進(jìn)入刀具的熱量相對(duì)較少， 從而使刀具耐用度提高。 由此可見(jiàn)， 切削溫度的變化規(guī)律是反映高速切削過(guò)程本質(zhì)的重要方面。目前各國(guó)學(xué)者對(duì)高速切削機(jī)理進(jìn)行了大量研究， 但對(duì)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(bào)道不多。本文對(duì)鋁合金高速銑削中切削溫度動(dòng)態(tài)變化規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究，旨在為高速切削工藝數(shù)據(jù)庫(kù)的建立提供理論及試驗(yàn)依據(jù)。

2 試驗(yàn)原理及方案

2.1 試驗(yàn)原理

本試驗(yàn)采用紅外熱像儀來(lái)測(cè)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(zhì))

s—— 斯蒂芬—波爾茲曼常數(shù)，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(guò)紅外探測(cè)器接收并測(cè)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(guò)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(guò)光機(jī)掃描機(jī)構(gòu)依次探測(cè)物體輻射單元的輻射能量， 并將每個(gè)輻射單元的輻射能 量依次轉(zhuǎn)換為電子視頻信號(hào)， 通過(guò)對(duì)該信號(hào)進(jìn)行處理，以可見(jiàn)

(1) 切削刀具：自制硬質(zhì)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(jìn)給量af=0.05mm。

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

(3) 根據(jù)工件的幾何形狀，選取六段截面380mm×30mm作為一個(gè)轉(zhuǎn)速測(cè)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(diǎn)反映工件上具有代表意義的幾個(gè)點(diǎn)在采用不同轉(zhuǎn)速加工時(shí)的相對(duì)溫度值，在測(cè)量面中線上距頂面6mm處選一參考點(diǎn)Q(刀具正對(duì)時(shí))，測(cè)出工件同一壁厚在不同切削速度時(shí)參考點(diǎn)Q及其距刀具超前及滯后參考點(diǎn)30mm位置上的P點(diǎn)和R點(diǎn)的溫度值， 以便得出已加工表面和待加工表面溫度相對(duì)于切削速度的變化規(guī)律。