铝合金高速铣削中切削温度动态变化规律的试验研究

铝合金高速铣削中切削温度动态变化规律的试验研究

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 试验原理及方案

2.1 试验原理

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

E=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

T——辐射单元的表面温度(K)

E——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

(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。

(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。

(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。

(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。