機械加工中切削溫度的自動控制

楊正樂 陳亞茹 陳淵博 河南理工大學

一、切削熱的產生與傳導

切削熱與切削溫度是切削過程中不可避免的一種重要的物理現象。切削過程中由于切削力所做的功大部分會轉化為熱能即切削熱。如果切削熱不能及時傳出，則切削區中的工件及刀具的溫度會大大升高。切削過程中變形和摩擦所消耗功超過97%轉變為熱能。如圖1-1所示切削熱主要來源于以下三個變形區，在第一變形區內由于工件發生彈性變形和塑性變形產生大量的熱量；第二變形區由于刀具的前刀面會與切屑摩擦產生一部分熱量；第三變形區由于刀具的后刀面與已加工表面的摩擦產生較少的熱量。

圖1-1

切削熱由切屑、工件、刀具以及周圍的介質傳散出去，從而導致三個切削區域的溫度上升。主要影響切削熱傳導的因素是工件、刀具材料的導熱系數和環境介質等。工件材料的導熱系數越大，工件的溫度越高，傳導出去的熱量就越多，各切削區的溫度就會降低。熱傳導還與切削的速度有關，切削速度增加時，導致摩擦生成的熱量增多，然而切屑帶走的熱量也增加，故工件和刀具中的熱量都會減少，這樣就更有利于金屬切削的進行。

二、切削溫度對切削過程的影響

通常稱為切削區溫度的是指切屑、工件與刀具三者各自接觸面上的平均溫度。事實上切屑、工件和刀具上每個點處的溫度都不一樣的。

切削溫度將會改變刀具的磨損和壽命長短，工件材料的一些物理性能也能被改變，影響積屑瘤的產生和消失周期，更嚴重的是影響工件的加工精度和表面粗糙度。切削溫度對工件、刀具及切削過程都會有一定的影響。切削溫度升高是造成刀具磨損的主要原因。由于切削溫度的影響，在精加工時，工件和刀桿在溫度升高后會產生熱變形導致工件尺寸精度不能達到要求。切削中產生的熱量還可以使機床產生熱變形進而導致加工誤差的產生。實驗結果表明，對于同種的刀具，在不同的切削參數下加工各種工件材料時都有個最適宜的切削溫度。因此，可根據最適宜的切削溫度來控制切削參數進而提高生產率和加工質量。

三、影響切削溫度的因素

切削溫度與變形功、摩擦功和熱傳導等有關。即切削溫度的高低是由產生的熱和傳走的熱兩方面綜合影響的結果。做功越多、生熱越多、散熱越少時，切削溫度越高。影響生熱和散熱的主要原因有：切削用量、切削液。

1.切削用量

經驗公式：

切削速度提高，導致摩擦生熱時間極短，而切削熱向切屑內和刀具內傳導又需要一定時間，故摩擦熱來不及傳導，而是大量積聚在切屑底部上，使切削溫度升高。隨著進給量的增加，金屬的切屑增多，溫度上升。此時，單位切削力和單位切削功率將降低，去除的單位體積金屬所產生的熱量也減少，切屑的熱容量增加，由切屑帶走的熱量也增多，切削區的溫度升高的不顯著

2.切削液

切削液對切削溫度的關系，與切削液的導熱系數、比熱、流速以及本身的溫度等屬性之間有很大的關系。導熱系數油類切削液不如乳化液，水基切削液優于乳化液。

四、利用單片機自動控制切削溫度

1.利用傳熱學檢測切削溫度

利用導熱基本定律使用熱電偶測量刀具或者工件的溫度， 工件與刀具在接觸區內因切削熱的作用使切削溫度上升，經過熱傳導從而形成熱電偶的熱端；而刀具的尾端及工件材料的引出端保持室溫形成熱電偶的冷端。熱端與冷端有熱電勢產生。刀具——工件自然熱電偶的溫度與輸出電壓的關系，應事先進行標定。用這種方法測得的是切削區上平均溫度，當更換刀具或工件材料時，需要重新標定溫度——輸出電壓的曲線。

2.利用單片機控制切削溫度

根據傳熱學知識，切削熱的傳遞方式有三種：

①熱傳導

②熱對流

③熱輻射

在機床加工過程中可以不考慮熱輻射的影響。熱傳導的速度取決于導熱系數，金屬的導熱系數遠大于液體和氣體的導熱系數，切削熱的熱傳播途徑是刀具和工件。所以利用單片機進行如下控制：

如上所述，各種刀具材料對于不同的工件材料都有一個適宜切削溫度范圍。因此，利用單片機可以用來控制機床的速度或進給量，保持切削溫度在適宜的范圍內。根據測得的切削溫度反饋到單片機中，由負反饋系統單片機自動調整切削速度和進給量，使溫度達到適宜的值。當切削溫度過高時自動減小切削速度或減少進給量，以降低切削溫度提高加工的生產率及工件表面質量。而切削溫度較低時，自動增加切削速度或進給量，可以提高加工效率。

切削液的作用主要是增加熱對流，實驗證明其帶走的熱量是熱傳導的8到10倍。通過單片機自動開關切削液使得金屬加工過程的熱影響減少，可以獲得更高精度的工件。