基于熱電偶法的高速銑削溫度實(shí)驗(yàn)研究

張利堂 劉 勇 許志弘

(①西華大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，四川成都610039;②中國(guó)工程物理研究院機(jī)制工藝研究所，四川綿陽(yáng)621900)

高速銑削加工技術(shù)是一種利用淺切深、高速進(jìn)給和高速切削進(jìn)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(diǎn)，使加工零件的覆蓋范圍面大大擴(kuò)廣［1］。但由于其加工過程十分復(fù)雜，隨時(shí)受到物理現(xiàn)象不同程度的交叉影響，尤其是溫度對(duì)工藝的影響，使理論分析顯得尤為復(fù)雜。在高速銑削時(shí)，溫度是一個(gè)惰性的測(cè)量量，很難在切削過程中得到真實(shí)切削區(qū)的溫度分布和變化規(guī)律，而且溫度的測(cè)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(jī)理方面的研究，但是不管是從實(shí)驗(yàn)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(xiàn)相對(duì)較少。上海交通大學(xué)曾使用紅外熱像儀測(cè)量鋁合金的銑削溫度，但是這種方法測(cè)量的銑削溫度并不是實(shí)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(guó)Carl Salomon博士提出高速切削理論:任何一個(gè)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(huì)隨速度的增加而降低。經(jīng)過長(zhǎng)達(dá)半個(gè)世紀(jì)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(shí)驗(yàn)就成為最基礎(chǔ)、最接近實(shí)際的研究方法。因此通過分析，采用半人工熱電偶夾絲測(cè)溫法，通過對(duì)自制熱電偶的標(biāo)定，以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的處理，找到了熱電勢(shì)-溫度的關(guān)系特性，為溫度的轉(zhuǎn)速單因素實(shí)驗(yàn)做好了前提準(zhǔn)備。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

機(jī)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)［2，3，5］

采用半人工熱電偶夾絲測(cè)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(diǎn)的溫度不同，會(huì)產(chǎn)生熱電流的溫差現(xiàn)象。熱電偶就是利用熱電勢(shì)隨兩接點(diǎn)的溫差現(xiàn)象特性來測(cè)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(biāo)定

由于康銅箔片是自制的，還沒有熱電勢(shì)-溫度的關(guān)系數(shù)據(jù)可以采用，所以要對(duì)熱電偶進(jìn)行標(biāo)定，也就是尋找熱電偶的熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系特性。具體做法:將標(biāo)準(zhǔn)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(duì)熱結(jié)點(diǎn)3加熱，讓其感受同一溫度;最后讀出各個(gè)晶體毫伏表的電勢(shì)值，通過查《熱電偶分度手冊(cè)》得出標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電勢(shì)對(duì)應(yīng)的實(shí)際加熱溫度，此溫度也就是康銅箔片熱電勢(shì)對(duì)應(yīng)的溫度。圖2為熱電偶標(biāo)定裝置示意圖。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文實(shí)驗(yàn)是在常溫20℃下進(jìn)行的，沒有保證冷端處于0℃，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成了一定的影響，所以必須對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。結(jié)合實(shí)際情況，選用熱電勢(shì)修正法。具體公式如下:

式中，EAB(T，Tn)表示基于常溫Tn，把標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶加熱至T所測(cè)的熱電勢(shì);T0為0℃且EAB(Tn，T0)在《熱電偶分度手冊(cè)》上查出具體熱電勢(shì)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(shì)關(guān)系以及電勢(shì)所對(duì)應(yīng)的實(shí)際加熱溫度。

表1 修正后鉑銠10-鉑熱電偶的的溫度-電勢(shì)關(guān)系

表2 修正后鉑銠10-鉑熱電偶電勢(shì)對(duì)應(yīng)的實(shí)際溫度

表3 康銅箔片電偶的電勢(shì)-溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系

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

1.3 測(cè)溫實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)［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(shí)驗(yàn)，著重考慮在其他切削參數(shù)不變的情況下，轉(zhuǎn)速因素對(duì)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(jìn)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(shí)驗(yàn)。在軸向切深試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)如表4所示。

表4 加工實(shí)驗(yàn)數(shù)組

2 實(shí)驗(yàn)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(duì)鋁合金Al6063、LY12施行銑削加工，通過實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)用描點(diǎn)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(shì):四種組合實(shí)驗(yàn)都存在一個(gè)溫度“頂峰”，在此前切削區(qū)溫度的變化趨勢(shì)波動(dòng)比較明顯，當(dāng)越過“頂峰”后，溫度呈現(xiàn)急劇下降趨勢(shì)，隨著加工速度的遞增，溫度又開始趨于平緩上升。這是因?yàn)殡S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(shí)切削過程中實(shí)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(duì)應(yīng)不同刀具在相同的加工速度下會(huì)同時(shí)出現(xiàn)溫度“頂峰”，并且速度-溫度曲線的走勢(shì)基本相似。Al6063對(duì)應(yīng)的臨界速度為854.08 m/min，LY12對(duì)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(duì)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(shí)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(duì)較多，導(dǎo)致加工過程中會(huì)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(yǔ)

(1)通過轉(zhuǎn)速單因素實(shí)驗(yàn)，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(dòng)較大，總體呈上升趨勢(shì);當(dāng)越過“頂峰”后，溫度與速度成反比，并且下降速率快，到達(dá)最低值后又呈平緩上升趨勢(shì)。對(duì)于Carl Salomon博士提出的高速切削理論實(shí)驗(yàn)并未得出一致性結(jié)論，該理論還有待驗(yàn)證。

(2)應(yīng)用半人工熱電偶夾絲測(cè)溫法能夠比較準(zhǔn)確的檢測(cè)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(shí)檢測(cè)實(shí)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(jī)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(guó)計(jì)量出版社，2000.

3 沈維善.張孫元.熱電偶分度手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)部?jī)x器儀表工業(yè)局標(biāo)準(zhǔn)化研究室出版，1983.

4 任露泉.試驗(yàn)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.