基于熱電偶法的高速銑削溫度實驗研究

張利堂 劉 勇 許志弘

(①西華大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院，四川成都610039;②中國工程物理研究院機制工藝研究所，四川綿陽621900)

高速銑削加工技術(shù)是一種利用淺切深、高速進給和高速切削進行的加工方式，具有加工效率高、加工精度高、切削力小、熱變形小、廢品率低等特點，使加工零件的覆蓋范圍面大大擴廣［1］。但由于其加工過程十分復(fù)雜，隨時受到物理現(xiàn)象不同程度的交叉影響，尤其是溫度對工藝的影響，使理論分析顯得尤為復(fù)雜。在高速銑削時，溫度是一個惰性的測量量，很難在切削過程中得到真實切削區(qū)的溫度分布和變化規(guī)律，而且溫度的測量方法目前又處在探索階段，依照現(xiàn)在的研究成果，使溫度研究顯得十分困難。目前許多學(xué)者從事于高速切削機理方面的研究，但是不管是從實驗的角度還是理論分析都存在一些不足，尤其是關(guān)于速度與切削溫度的研究文獻相對較少。上海交通大學(xué)曾使用紅外熱像儀測量鋁合金的銑削溫度，但是這種方法測量的銑削溫度并不是實際的銑削溫度，只是間接近似地反映了傳入工件表面的切削熱所產(chǎn)生的溫度。

1931年德國Carl Salomon博士提出高速切削理論:任何一個零件都存在零界速度，并且在零界速度的兩邊存在任何刀具都不能加工的“死谷”，在此之前溫度隨速度的增加而升高，之后溫度又會隨速度的增加而降低。經(jīng)過長達半個世紀的理論探索，至今尚沒有比較成熟和完整的高速切削理論可借鑒，相比之下實驗就成為最基礎(chǔ)、最接近實際的研究方法。因此通過分析，采用半人工熱電偶夾絲測溫法，通過對自制熱電偶的標定，以及實驗數(shù)據(jù)進行有效的處理，找到了熱電勢-溫度的關(guān)系特性，為溫度的轉(zhuǎn)速單因素實驗做好了前提準備。

1 實驗設(shè)計

1.1 實驗設(shè)備

機床:瑞士 MIKRON，HSM-700。

銑刀:選用φ16 mm硬質(zhì)合金的三刃立銑刀和兩刃立銑刀。

工件材料:自制試樣 Al6063(軟鋁);自制試樣LY12(硬鋁)。

冷卻方式:油霧冷卻。

銑削方式:順銑，銑平面。

1.2 熱電偶實驗設(shè)計［2，3，5］

采用半人工熱電偶夾絲測溫法，其中所夾絲為康銅箔片。其原理:一經(jīng)切削，本體和熱電偶箔片構(gòu)成回路，由于其結(jié)合點的溫度不同，會產(chǎn)生熱電流的溫差現(xiàn)象。熱電偶就是利用熱電勢隨兩接點的溫差現(xiàn)象特性來測量溫度的。其原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.2.1 熱電偶的標定

由于康銅箔片是自制的，還沒有熱電勢-溫度的關(guān)系數(shù)據(jù)可以采用，所以要對熱電偶進行標定，也就是尋找熱電偶的熱電勢與溫度的關(guān)系特性。具體做法:將標準的鉑銠10-鉑熱電偶和自制康銅箔片按圖2裝夾;然后用溫控電熱鐵按50℃遞增溫度對熱結(jié)點3加熱，讓其感受同一溫度;最后讀出各個晶體毫伏表的電勢值，通過查《熱電偶分度手冊》得出標準鉑銠10-鉑熱電勢對應(yīng)的實際加熱溫度，此溫度也就是康銅箔片熱電勢對應(yīng)的溫度。圖2為熱電偶標定裝置示意圖。

1.2.2 實驗結(jié)果

本文實驗是在常溫20℃下進行的，沒有保證冷端處于0℃，對實驗結(jié)果造成了一定的影響，所以必須對實驗數(shù)據(jù)進行修正。結(jié)合實際情況，選用熱電勢修正法。具體公式如下:

式中，EAB(T，Tn)表示基于常溫Tn，把標準鉑銠10-鉑熱電偶加熱至T所測的熱電勢;T0為0℃且EAB(Tn，T0)在《熱電偶分度手冊》上查出具體熱電勢為0.113 mV。表1、2分別為修正后鉑銠10-鉑熱電偶的溫度-電勢關(guān)系以及電勢所對應(yīng)的實際加熱溫度。

表1 修正后鉑銠10-鉑熱電偶的的溫度-電勢關(guān)系

表2 修正后鉑銠10-鉑熱電偶電勢對應(yīng)的實際溫度

表3 康銅箔片電偶的電勢-溫度對應(yīng)關(guān)系

按照上述方法對數(shù)據(jù)處理后，按描點法繪制康銅箔片的電勢-溫度的曲線圖，如圖3所示。

1.3 測溫實驗設(shè)計［4］

本文主要研究的是在高轉(zhuǎn)速環(huán)境下切削區(qū)的溫度與切削速度的變化規(guī)律，因此選用轉(zhuǎn)速單因素實驗，著重考慮在其他切削參數(shù)不變的情況下，轉(zhuǎn)速因素對銑削溫度的影響。具體用硬質(zhì)合金的三刃立銑刀和兩刃立銑刀分別在軸向切深ap=4 mm，徑向切深ae=2 mm，每齒進給量f=0.15mm，轉(zhuǎn)速S從5000 r/min按4000 r/min遞增至34000 r/min條件下實驗。在軸向切深試驗前要用電表檢查康銅箔片和工件是否絕緣，熱電偶工件和夾具是否絕緣。再者為了使夾在試件中間的康銅箔片在銑削過程中受力方向一致，走刀方向與工件拼接面應(yīng)該保持垂直，且保證走刀方向不變。具體分組實驗如表4所示。

表4 加工實驗數(shù)組

2 實驗結(jié)果及分析

選用硬質(zhì)合金的三刃立銑刀和兩刃立銑刀分別對鋁合金Al6063、LY12施行銑削加工，通過實驗得到的數(shù)據(jù)用描點法繪制成如圖4、5曲線。

(1)從圖4、5可以看出切削區(qū)的溫度隨切削速度變化的趨勢:四種組合實驗都存在一個溫度“頂峰”，在此前切削區(qū)溫度的變化趨勢波動比較明顯，當越過“頂峰”后，溫度呈現(xiàn)急劇下降趨勢，隨著加工速度的遞增，溫度又開始趨于平緩上升。這是因為隨著切削速度的增加，材料在高速狀態(tài)下來不及變形，導(dǎo)致刀具與切屑間的摩擦系數(shù)減小，同時切削過程中實際產(chǎn)生的熱量減少，并且大多數(shù)熱量還來不及傳給工件就瞬間讓切屑帶走了。

(2)同一種材料對應(yīng)不同刀具在相同的加工速度下會同時出現(xiàn)溫度“頂峰”，并且速度-溫度曲線的走勢基本相似。Al6063對應(yīng)的臨界速度為854.08 m/min，LY12對應(yīng)的臨界速度為1055.04 m/min。

(3)通過上述兩種材料的速度-溫度曲線圖對比，可以看出材料 Al6063的銑削溫度要高于材料LY12的銑削溫度，其主要原因是材料Al6063質(zhì)地較軟，銑刀切削時克服分子間附著力消耗的功率比較大，產(chǎn)生的切削熱相對較多，導(dǎo)致加工過程中會出現(xiàn)粘刀現(xiàn)象。由此可見，選用硬質(zhì)材料比較適合高速銑削技術(shù)。

3 結(jié)語

(1)通過轉(zhuǎn)速單因素實驗，得到在高速環(huán)境中切削區(qū)的溫度隨速度變化的初步規(guī)律:在高速加工中，隨著速度的遞增，溫度存在“頂峰”，在“頂峰”前溫度隨速度的變化波動較大，總體呈上升趨勢;當越過“頂峰”后，溫度與速度成反比，并且下降速率快，到達最低值后又呈平緩上升趨勢。對于Carl Salomon博士提出的高速切削理論實驗并未得出一致性結(jié)論，該理論還有待驗證。

(2)應(yīng)用半人工熱電偶夾絲測溫法能夠比較準確的檢測出高速銑削中切削區(qū)溫度隨加工速度變化的規(guī)律，解決了很難真實檢測實際切削區(qū)溫度的難題。不過還是存在一些誤差，因此還有待深入研究。

1 張伯霖，楊慶東.高速切削技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2002.

2 張錦霞.熱電偶使用維修與檢定技術(shù)問答［M］.北京:中國計量出版社，2000.

3 沈維善.張孫元.熱電偶分度手冊［M］.北京:機械工業(yè)部儀器儀表工業(yè)局標準化研究室出版，1983.

4 任露泉.試驗優(yōu)化技術(shù)與分析［M］.北京:高等教育出版社，2003.

5 舒暢.高速銑削鈦合金的切削溫度研究:［碩士學(xué)位論文］.南京:南京航空航天大學(xué)，2003.