鋁合金高速銑削中切削溫度動態變化規律的試驗研究

鋁合金高速銑削中切削溫度動態變化規律的試驗研究

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

(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。