铝合金高速铣削中切削温度动态变化规律的试验研究

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1 引言
以高切削速度、 高进给速度、 高加工精度和优良的加工表面质量为主要特征的高速切削加工技术具有不同于传统切削加工技术的加工机理和应用优势， 已被国内外的航空航天、 汽车制造等行业广泛采用。目前在高速切削生产中普遍存在的问题是缺乏高速切削工艺数据库， 实际生产中主轴转速偏低，切削用量及刀具选择欠优化。加工工艺的优化来源于对高速切削机理深入、 系统的研究， 而揭示高速切削中温度的动态变化规律是切削机理研究的一个重要方面。切削温度与刀具磨损、 加工表面完整性及工件热变形密切相关。德国学者C.Salomon博士有关切削温度理论的核心观点是： 对于给定的工件材料，都有一个临界切削速度值， 当切削速度超过该临界速度值时， 切削温度随切削速度的增大而下降， 刀具磨损随之下降； 而在达到该临界速度值之前， 随着切削速度的增加， 切削温度和刀具磨损均逐渐上升。按此理论， 刀具寿命存在一个 “死谷” ， 如果切削速度越过 “死谷” ，刀具寿命将显著增加。其他学者的有关研究也表明， 随着切削速度的持续增加， 切削温度的增加速率下降， 最后趋于稳定。对于高速切削可提高刀具寿命的机理目前有两种解释， 一种认为工件材料进入切削区后， 切削高温使其强度、 硬度降低， 材料软化， 而刀具材料则具有相对较高的强度和硬度； 另一种理论认为， 随着切削速度的增加， 切削区材料剪切角增大， 切削变形系数减小， 材料在高速下来不及变形， 刀具与切屑间的摩擦系数减小， 切削过程中实际产生的热量减少， 且多数热量由切屑带走， 进入刀具的热量相对较少， 从而使刀具耐用度提高。 由此可见， 切削温度的变化规律是反映高速切削过程本质的重要方面。目前各国学者对高速切削机理进行了大量研究， 但对于切削温度随切削速度的增大而降低的临界速度值的研究至今报道不多。本文对铝合金高速铣削中切削温度动态变化规律进行了试验研究，旨在为高速切削工艺数据库的建立提供理论及试验依据。
2 J& L/ D# l2 n4 M2 试验原理及方案
; O: P1 a0 ?5 S: H  j+ X4 L) _2.1 试验原理
( [6 U" T: ]8 h7 h% q本试验采用红外热像仪来测定切削温度，其工
作原理是基于斯蒂芬—波尔兹曼定律， 即
. d- A; }7 _3 u: h( [2 sE=esT4(W/m2)式中
e——物体辐射单元表面辐射率(取决于物体表面性质)
s—— 斯蒂芬—波尔兹曼常数，s=5.67×10-10
# M; h; `; p0 Q5 u* ]T——辐射单元的表面温度(K)
" j3 L- A1 X6 W, WE——辐射单元单位面积的辐射能量
红外热像仪通过红外探测器接收并测量物体辐射单元的辐射能量， 若辐射单元的表面辐射率已知，则可通过斯蒂芬—波尔兹曼定律求出辐射单元的表面温度。红外热像仪通过光机扫描机构依次探测物体辐射单元的辐射能量， 并将每个辐射单元的辐射能 量依次转换为电子视频信号， 通过对该信号进行处理，以可见图像的形式显示出来。显示的热像图代表了物体表面的二维辐射能量场， 同时也对应着物体表面的温度分布场。红外成像仪测温法具有直观、简便、远距离非接触监测等优点， 并且对于恶劣环境及运动物体的表面温度测量具有极大优越性。
2.2 试验方案
如图1所示，立铣刀在预先加工好的槽内周铣
! x7 B& t$ l. g薄壁内侧，在薄壁外侧面上采用红外热像仪测量工
件表面的温度场分布情况。所测得的薄壁外侧面各
* i" r/ O3 ~$ j7 W" n- F点的温度值虽然低于内侧面切削区对应点的实际切
3 S+ V5 X% {  [  ?. I$ s- _削温度， 即内外侧面温度变化过程存在时间滞后，但文献指出，通过传热学反求算法， 可以根据红外热像仪的测量结果准确求得铣削过程切削区各点温度值。可见，本试验的测温方案是可行的，可以根据红外热像仪测量的表面温度变化规律研究高速铣削中的切削温度变化规律。
试验方案如下：
(1) 切削刀具：自制硬质合金两刃立铣刀，直径f30mm，采用干式顺铣；切削用量：铣削宽度ae=15mm，铣削深度ap=1.5mm，每齿进给量af=0.05mm。
/ v" O  o; h( ?(2) 主轴转速分别选取n=2500, 5000, 7500, 10000, 12500, 15000r/min共六档， 对不同转速下测得的工件表面温度值进行比较。
$ q% V$ u; `: k+ T+ @+ Z(3) 根据工件的几何形状，选取六段截面380mm×30mm作为一个转速测量单元， 并在延伸方向上先加工出宽60mm、 深18mm的沟槽， 薄壁厚度为3mm。
  L" H" w$ J1 {. k  P% y. X(4) 为了重点反映工件上具有代表意义的几个点在采用不同转速加工时的相对温度值，在测量面中线上距顶面6mm处选一参考点Q(刀具正对时)，测出工件同一壁厚在不同切削速度时参考点Q及其距刀具超前及滞后参考点30mm位置上的P点和R点的温度值， 以便得出已加工表面和待加工表面温度相对于切削速度的变化规律。
3 H: y3 X7 p/ t/ y, q, k% a$ {表  测点温度值d=0.3mm，铣削深度ap=1.5mm
转速
, X7 \7 G4 @( P+ V# m% ^+ rn(r/min)
切削速度
4 d* C( `0 Z* pV(m/min)
进给速度
- t6 A# T+ ^# c9 KVf(mm/min)
温度(°C)
P到Q所需
时间(s)
9 F* B/ I' f* p5 wt=30mm/Vf
P相对Q温度
; \: F: D, A  s" W  B- ?1 W下降速率
(°C/s)
P点
(+30mm)
7 ?+ ]! ]4 _. k7 {1 w5 {# [0 zQ点
(参考点)
* b* O% w# U& PR点
0 ?6 _4 t0 s' l+ U+ D(-30mm)
2500
" V; c4 Q2 ~. S6 R& w  _. V235.5
250
5 {$ z- u$ X* q+ d52.7
' G# B) O) ]* Y4 V1 y97.6
46.3
7.2
6.24
5000
2 w' m+ P( _0 z471.0
500
58.2
: S( Z- O8 r) H0 ]) i116.3
  g3 d2 F9 C, _# H41.5
/ T) ^6 o7 T: n- y/ f: l5 j( `) u3.6
16.14
+ s) x) a$ c4 f! P+ I$ o8 _/ l7500
' `2 k. d, Y- D8 Z  E/ U* }9 P' N( ]706.5
750
62.5
1 j" e: P& B/ U: U4 T130.5
35.0
7 B) ?* a0 G2 }2 i2.4
9 @) n* `4 ]- v4 t! G/ p28.33
  J: {. t0 Z! q' l" o, w( R10000
942.0
. Q  b- A0 K  e. `1000
9 v) x, p# l# ^" |# r$ x* h! q# z56.8
117.3
31.3
1.8
8 d4 e" W) J3 g0 Q8 B33.61
, A: d: z% i& S  x9 H  X& u' X12500
1177.5
1250
4 w; g7 r% Z% N# t8 @$ R2 r52.1
102.6
30.1
8 u! o3 F+ E  ?; h1.44
" V- W0 U& n9 j. g35.07
15000
1413.0
1500
9 A0 k$ \% B) M- Q, W* l51.0
; R' w- [6 n  `' L4 i# U% z0 L1 t100.8
29.6
1.2
41.5
; M& v* Z5 Q' o" Y(5) 刀具以某一进给速度Vf(由转速决定)从工件A端开始切削，直到从工件B端退出切削， 在整个切削过程中，用红外热像仪监视并记录测量面的热像温度分布图。
3 试验结果及分析
3.1 试验结果
. u8 P) M# d2 p' l根据上述试验方案， 用红外热像仪进行切削温度测试， 测试结果如右表所示。
! S9 y6 x4 Y9 _" {' M" h6 O根据右表数据可绘出如图2所示的主轴转速与工件表面温度之间的变化关系曲线和如图3所示的主轴转速与P点相对Q点温度下降速率之间的关系曲线。

3.2 数据分析
(1) 由图2可看出，与切削区刀具正对的Q点的温度变化过程存在二次效应， 即当n=7500r/min(即切削速度V=706.5m/min)时，Q点温度最高，当切削速度继续增大时，Q点温度下降，并最终趋于稳定。 本文称V=706.5m/min为铝合金高速铣削时的临界切削速度，当切削速度超过该值时， 切削温度开始下降。
(2) 滞后Q点30mm处的P点的表面温度随切削速度的变化规律与Q点一致，这证明高速切削时确实存在二次效应。此外，从图2曲线可看出，P点的温度变化范围小于Q点，这是因为P点滞后Q点30mm(在n=7500r/min时，相当于滞后2.4s)，表面的一部分热量已传到周围介质中。
(3) 超前Q点30mm处的R点的表面温度随切削速度的变化规律与P、 Q两点有所不同。当切削速度较低时，待切削点R点表面温度较高； 随着切削速度的增加，R点温度快速下降； 当主轴转速超过n=7500r/min(即切削速度V=706.5m/min)时温度下降率减小；切削速度进一步增加时， 温度值趋于稳定。这 是因为主轴转速增加时，为保证恒定的每齿进给量，必须相应加快进给速度，从而导致切削区产生的热量来不及向工件的待加工区传递，热量基本上由切屑带走，工件待加工表面基本处于冷态。
(4) 由3可见，随着切削速度的提高， 已加工表面P点相对于Q点的温度平均下降速率增大。本文认为，在保持每齿进给量相同的切削条件下，随着主轴转速与进给速度的提高，热源在工件内侧面的移动速度加快，因而在切削路径相同时传入工件
6 z' w0 ~$ Y+ h* h表面的热量明显减少，导致工件容热少， 因而温度下降较快，使已加工表面温度很快趋于稳定。可见，切削热绝大多数由切屑带走，这正是高速切削加工中工件温升较小的主要原因。较小的工件温升有利于
获得良好的加工表面完整性和有效抑制因工件热变形而导致加工精度丧失。由此可见，高速切削对于导热性极差的航空难加工材料薄壁件的加工非常有利。
  m+ |8 p; C( |4 z0 H文献的研究结果表明，在高速切削中，断续切削与连续切削相比，在相同切削路程中， 刀具耐用度将大幅度提高。本文试验中采用的立铣属于断续切削方式，每个刀齿在切削中要经受反复加热和冷却过程，刀具温度不会持续增加，而是在一定范围内呈现升温和降温的规律性变化，这将有利于刀具寿命的提高。关于刀具温度的具体变化规律，尚在进一步研究之中。
4 结论
. o+ O8 Q$ Z4 H( j3 k' Z(1) 在切削速度较低的情况下，切削温度随转速的增加而升高，但达到某一临界切削速度值后，随着转速继续增大，切削温度反而下降。高速铣削铝合金时，临界切削速度为706.5m/min。
(2) 对于离切削区较近的已加工表面 (如P点)，随着主轴转速的增加，温度下降速度增大，高速切削时的切削热大多由切屑带走。对于待加工表面，靠近切削区的工件温度(如R点)随切削速度的增加而单调下降，当切削速度越过临界值后，待加工表面温度随着切削速度的进一步增加而逐渐趋于稳定。
(3) 在高速铣削中，若保持每齿进给量不变，则在获得极高材料去除率的同时，可有效抑制工件温升，这对于难加工材料薄壁件的加工非常有利。
6 R0 v4 s; p2 C" E(4) 用红外热像仪能够比较准确地检测高速铣 中切削区温度场的动态变化规律，较好地解决了高速切削过程中动态切削温度检测的关键难题。
  J; P/ w  b  J% J: `. C7 I文章关键词： 铣削