X90管線鋼車削加工中刀具溫度動態(tài)變化規(guī)律實驗研究*

張衛(wèi)衛(wèi)，席文奎，田新宇，殷凱強

（西安石油大學(xué)機械工程學(xué)院，西安 710065）

0 引言

在切削過程中，被切削的金屬在刀具的作用下，發(fā)生彈性和塑性變形而耗功，這是切削熱的一個重要來源。此外，切屑與前刀面、工件與后刀面之間的摩擦也要耗功，產(chǎn)生出大量的熱量[1-2]。刀具磨損情況、刀具壽命、切削機理以及工件表面質(zhì)量均與切削熱密切相關(guān)，因此對切削熱進(jìn)行表征的切削溫度測量一直是切削機理研究的重點和難點[3-4]。切削溫度一般指前刀面與切屑接觸區(qū)域的平均溫度。切削溫度高是刀具磨損的主要原因，會限制生產(chǎn)率的提高；切削溫度還會使加工精度降低，使已加工表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力以及其他缺陷[5-7]。

在諸多的切削溫度測量方法中，自然熱電偶只能測量切削區(qū)平均溫度，無法測得某點溫度和實時溫度；人工熱電偶法要求熱電偶絲與孔壁間絕緣，且很難嵌入超硬的刀具材料中[8]；紅外測溫為非接觸式測溫方法，具有較好的空間分辨率和溫度分辨率[9]。本文采用紅外成像測溫法，對X90管線鋼車削加工中切削溫度動態(tài)變化規(guī)律進(jìn)行了實驗研究，選擇不同的轉(zhuǎn)速，對比分析其對切削溫度的影響程度，得到X90 管線鋼車削加工中適宜的切削用量。

1 實驗設(shè)計

1.1 測溫原理

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-玻爾茲曼定律。

式中：ε為物體輻射單元表面輻射率；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)；T為輻射單元的表面溫度，K；E為單位面積的輻射能量，W。

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-玻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(gòu)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(zhuǎn)換為電子視頻信號,通過對該信號進(jìn)行處理，以可見圖像的形式顯示出來。顯示的熱像圖代表了物體表面的二維輻射能量場,同時也對應(yīng)著物體表面的溫度分布場。紅外成像儀測溫法具有直觀、簡便、遠(yuǎn)距離非接觸監(jiān)測等優(yōu)點，并且對于惡劣環(huán)境及運動物體的表面溫度測量具有極大優(yōu)越性[10]。

1.2 實驗方案

工件材料取自國內(nèi)X90熱軋鋼，其化學(xué)成分如表1所示[12]。

表1 X90的主要化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

1.2.1 實驗設(shè)備

在SK50P數(shù)控車床（主軸最高轉(zhuǎn)速2 850 r/min）上進(jìn)行車削實驗，車削過程中不加冷卻液。工件規(guī)格為φ50 mm×500 mm棒料。采用機夾式車刀，刀桿材料為45 鋼，刀片材料為YG 硬質(zhì)合金。實驗車刀安裝后，刀片實際工作角度如表2所示。測溫單元選用美國菲利爾（FLIR）儀器公司生產(chǎn)的T440紅外成像儀。

表2 車刀實際工作角度 （°）

1.2.2 實驗方法

主軸轉(zhuǎn)速選取范圍為n=317～2 000 r/min；進(jìn)給量選擇為f=0.077 mm/r；背吃刀量選擇為ap=0.5 mm；切削長度L選取范圍為400 mm。隨著轉(zhuǎn)速的增加，切削速度隨之增加，實驗中為了保證對應(yīng)測量點具有可比性，選擇每組10個測量點對應(yīng)的切削長度相同，具體的實驗方案如表3所示。

表3 實驗參數(shù)

圖1 刀具前刀面溫度變化圖

選定實驗工況1～5，根據(jù)表3 選定該工況對應(yīng)的實驗參數(shù)，進(jìn)行車削加工實驗。在400 mm 切削長度內(nèi)測量長度間隔為40 mm，測量點數(shù)選取為10 個，用紅外熱像儀測量刀具前刀面最高溫度并記錄。在實驗中嚴(yán)格控制周圍光線和工件表面粗糙度，減少因反射率的變化引起測量誤差的增大。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 實驗結(jié)果

工況1：轉(zhuǎn)速n=317 r/min，進(jìn)給量f=0.077 mm/r，背吃刀量ap=0.5 mm，工件直徑d=50 mm，切削長度L=400 mm。每40 mm測量1 次，連續(xù)測量10 次，刀具前刀面溫度變化如圖1 所示。

工況2：轉(zhuǎn)速n=483 r/min，其余參數(shù)與工況1相同，刀具前刀面溫度變化如圖2所示。

圖2 刀具前刀面溫度變化圖

工況3：轉(zhuǎn)速n=760 r/min，其余參數(shù)與工況1相同，刀具前刀面溫度變化如圖3所示。

工況4：轉(zhuǎn)速n=1 250 r/min，其余參數(shù)與工況1相同，刀具前刀面溫度變化如圖4所示。

工況5：轉(zhuǎn)速n=2 000 r/min，其余參數(shù)與工況1相同，刀具前刀面溫度變化如圖5所示。

圖3 刀具前刀面溫度變化圖

2.2 實驗結(jié)果分析

根據(jù)以上不同轉(zhuǎn)速條件下車刀前刀面最高溫度測試結(jié)果數(shù)據(jù)，繪制出如圖6所示的主軸轉(zhuǎn)速與車刀前刀面溫度之間的變化關(guān)系曲線。

由圖可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速選擇n=317 r/min，即切削速度為49.769 m/min 時，在切削長度400 mm 過程中，刀具前刀面溫度從33.5 ℃增加到38.7 ℃，增加量為5.2 ℃，增幅為15.5%，單位長度的溫升為0.013 ℃，刀具前刀面溫度隨著切削長度的增加而增加。

當(dāng)轉(zhuǎn)速選擇n=483 r/min，即切削速度為75.831 m/min時，在切削長度400 mm 過程中，刀具前刀面溫度從33.2 ℃增加到39.2 ℃，增加量為6.0 ℃，增幅為18.1%，單位長度的溫升為0.015 ℃，刀具前刀面溫度隨著切削長度的增加而增加。

當(dāng)轉(zhuǎn)速選擇n=760 r/min，即切削速度為119.320 m/min時，在切削長度400 mm過程中，刀具前刀面溫度從33.5 ℃增加到45.1 ℃，增加量為11.6 ℃，增幅為34.6%，單位長度的溫升為0.029 ℃。總體來看，刀具前刀面溫度隨著切削長度的增加而增加，但在切削長度為240～400 mm長度范圍內(nèi)，刀具前刀面溫升保持基本穩(wěn)定。

圖4 刀具前刀面溫度變化圖

當(dāng)轉(zhuǎn)速選擇n=1 250 r/min，即切削速度為196.250 m/min時，在切削長度400 mm 過程中，刀具前刀面溫度從33.5 ℃增加到49.9 ℃，增加量為16.4 ℃，增幅為49.0%，單位長度的溫升為0.041 ℃，刀具前刀面溫度隨著切削長度的增加而增加。

當(dāng)轉(zhuǎn)速選擇n=2 000 r/min，即切削速度為314.000 m/min時，在切削長度400 mm過程中，刀具前刀面溫度從33.2 ℃增加到49.5 ℃，增加量為16.3 ℃，增幅為49.0%，單位長度的溫升為0.041 ℃?？傮w來看，刀具前刀面溫度隨著切削長度的增加而增加，但在切削長度為240～400 mm長度范圍內(nèi)，刀具前刀面溫升保持基本穩(wěn)定。

3 結(jié)束語

（1）在主軸轉(zhuǎn)速選擇n=317 r/min、n=483 r/min 和n=1 250 r/min時，車刀前刀面溫度隨著轉(zhuǎn)速的增加而升高，溫升的速率隨著轉(zhuǎn)速的增加也相應(yīng)增加。

（2）在轉(zhuǎn)速n=760 r/min 和n=2 000 r/min 切削時，車刀前刀面的溫升并不隨著切削速度的增加而一直增大，存在一個二次效應(yīng)，即隨著切削速度的增大，車刀溫度存在一個趨于穩(wěn)定的區(qū)間，車削加工中，選擇這兩個轉(zhuǎn)速范圍，對于車刀溫升的控制是有利的。

圖5 刀具前刀面溫度變化圖

圖6 刀具前刀面溫度折線圖

（3）用紅外成像儀能夠比較快捷、準(zhǔn)確地檢測管線鋼車削前刀面溫度場的動態(tài)變化規(guī)律，提供了選擇切削用量和刀具材料的有力依據(jù)，較好地解決了管線鋼車削中溫度場檢測和控制的難題。