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硕上论文高速铣削铝台金切削温度的研究 摘要 高速切削机理的研究作为高速切削技术的理论基础，是高速切削技术应用和发 展的基石。在高速切削机理研究中，切削温度的研究是至关重要的，高速切削温度 的分布及其变化规律是高速铣削工艺分析的主要依据之一。铝合金的高速铣削是高 速切削技术的一个重要应用领域，本文对高速铣削铝合金的切削温度进行了研究。 采用夹丝半人工热电偶法测量铣削区温度，对铣削温度随切削参数的变化规律进行 了实验研究；针对高速铣削的加工特点，用热源法建立了高速铣削加工条件下工件 温度场的理论解析模型：采用有限元分析软件a n s y s 对工件的切削温度场进行了 有限元仿真分析；理论解析结果和有限元仿真结果与实验结果相比较，均具有良好 的一致性。 关键词：高速铣削；铝合金；切削温度；a n s y s ：温度场；有限元 硕士论文 高速铣削铝台金切削温度的研究 a b s t r a c t a st h et h e o r yf b u n d a t i o no ft h eh i g h s p e e dc u t t i n g ( h s c ) ，t h er e s e a r c ho ft h e m e c h a n i s mo fh s ci st h ef o u n d a t i o no ft h ea p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to f t h eh s c t e c h n o l o g y i nt h er e s e a r c ho f t h em e c h a n i s m o f t h eh s c ，t h ec u t t i n gt e m p e r a t u r ei sv e r y i m p o r t a n t ，t h ed i s t r i b u t i o na n dt h ec h a n g er u l eo f t h ec u t t i n gt e m p e r a t u r ei so n eo ft h e m o s t l yg i s t o ft h e t e c h n i q u e sa n a l y s i s i nh s c t h eh i g h - s p e e dm i l l i n g ( h s m ) o f a l u m i n u m - a l l o y si so n e o ft h ei m p o r t a n t a p p l i e d f i e l d so f t h eh s m t e c h n o l o g y ，t h i sp a p e r d o e ss o m er e s e a r c hw o r ko f t h ec u t t i n gt e m p e r a t u r eo f t h eh s mo f a l u m i n u m a l l o y s b y u s es e m i a r t i f i c i a lt h e r m o c o u p l em e t h o dw h i c hn i p p i n gm e t a lt h r e a di nw o r kp i e c et o m e a s u r ei t s t e m p e r a t u r e ，d i ds o m ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e so f t h ec h a n g er u l eo ft h e c u t t i n gt e m p e r a t u r ew h i c hf o l l o w i n gt h ec u t t i n gp a r a m e t e r ；i na l l u s i o nt ot h em a c h i n i n g c h a r a c t e r i s t i co ft h eh s m ，e s t a b l i s h e dt h e o r e t i c a lm o d e lo ft h ew o r kp i e c et e m p e r a t u r e f i e l db yu s i n gt h em e t h o do fh e a ts o u r c e ；u s e dt h es o f t w a r ea n s y st oc a r r yo u tt h e f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o na n a l y s i so ft h ec u t t i n gt e m p e r a t u r ef i e l do ft h ew o r k p i e c e ；t h e c o m p a r i s o no f t h er e s u l t so ft h et h e o r e t i c a lm o d e la n dt h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o na n d t h ed a t ao f t h ee x p e r i m e n ts h o w e dt h a tt h e yh a dg o o dc o n c o r d a n c e k e yw o r d s ：h i g h s p e e dm i l l i n g ；a l u m i n u m - a l l o y ；c u t t i n gt e m p e r a t u r e ；a n s y s t e m p e r a t u r ef i e l d ；f i n i t ee l e m e n t i i y 5 8 0 0 6 3 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的都分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上潮公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：矽牛年7 ，月f 驴目 硕士论且： 高速铣削铝台金切削温度的研究 1 绪论 1 1 引言 随着生产的全球化，从世界范围看，我们正处于制造技术快速发展的时期。在 以高科技产业为主要支柱、以智力资源为主要依托的知识经济条件下，制造业正在 发生革命性的变化，制造技术正在发生质的飞跃。制造业的竞争越来越剧烈，由此 要求制造企业必须对市场现有需求和潜在需求做出快速响应，具备性能优良、价格 低廉的产品和交货迅速的制造能力。这必将驱使制造加工技术朝着快速、低消耗和 优质、高精度的方向发展。在这一进程中，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，作为加工业中基础的综合性技术发挥着关键作用。 高速切削技术的问世，加快了汽车、模具、航空、光学、精密机械等产品的更新换 代速度，引起了这些部门制造技术及装备的提升，从而加快了社会进步。从2 0 世纪 9 0 年代开始，高速加工在国内外掀起了应用的热潮，高速切削技术已成为当今先进 制造技术的一个重要发展方向。 高速切削技术的发展和应用来源于高速切削理论的研究和突破。高速切削从假 设到工业应用经历了一个漫长的过程，但每一步都伴随着理论的研究和指导。虽然 高速切削现在已经在世界上很大范围应用，并取得了巨大的技术经济效益，但是， 高速切削理论仍然继续处于研究当中。而且还远远没有成熟，受研究条件和研究水 平的限制，有些问题至今仍然是知其然而不知其所以然。基础理论的深入研究和完 善，必将会推动高速切削技术的进一步发展和应用，并创造更大的效益i 1 】。 高速切削机理的研究作为高速切削技术的理论基础，是高速切削技术应用和发 展的基石。在高速切削机理研究中，切削温度的研究是至关重要的，高速切削温度 的分布及其变化规律是高速切削工艺分析的主要依据之一。切削热是切削过程的主 要物理现象之一，切自4 时所消耗的能量大部分都转化为热能，只有极少数能量用以 形成新表面和以晶格扭曲等形式形成潜能，因此可以近似认为切削所消耗的能量全 部转化为热能。大量的切削热引起的剪切区、前刀面等处的温度上升对切削力、前 刀面上的摩擦系数、积屑瘤的形成和消失、刀具磨损以及工件加工精度和加工表面 完整性等有着很大的影响。因此，对于切削温度的阐明。无论对于切自4 现象的研究， 还是对寻找正确的切削条件都是极为重要的【2 】。 硕士论文 高速铣削铝台金切削温度的研究 1 2 高速切削温度研究的发展及现状 传统的金属切削理论认为，切削速度和刀具寿命的关系被假定为线形关系，即 刀具的速度越高，刀具磨损越快，并且切削速度越高，切削温度也就越高。但是在 实际生产中常常出现违反这一规律的现象。在2 0 世纪上半叶，研究人员发现，在 某些加工中，切屑形成过程中达到某一个确定的点之后，刀具磨损加剧，振动和磨 损加剧容易发生。但是如果速度继续上升，超过这一点，又可以恢复加工。人们开 始对传统的切削理论提出质疑。 最早提出这一问题，也被认为是最早开始研究高速切削的人是德国的切削物理 学家c a r l ，j s a l o m o n 博士。s a l o m o n 博士于1 9 2 4 1 9 3 1 年间进行了一系列超高速模 拟切削实验，在很宽的切削速度范围内对不同的材料做了很多高速切削实验，并于 1 9 3 1 年4 月发表了著名的超高速切削理论。s a l o m o n 博士根据实验结果，提出了令 人感兴趣的假设。他指出：在常规切削速度范围内，切削温度随着切削速度的增大 而提高。对于每一种工件材料，都存在一个切削速度范围，在这个范围内，由于切 削温度太高，任何刀具都无法承受，切削加工不可能进行，这个范围被称为“死谷”。 但是，当切削速度增大到某一数值后，切削速度再增大，切削温度反而下降，同时， 切削力也会大幅度下降，并指出，临界速度的值与工件材料的种类有关。按照他的 假设，在具有一定速度的高速区进行切削加工，会有比较低的切削湿度和比较小的 切削力，不仅有可能用现有的刀具进行超高速切削，从而大幅度减少切削时间，成 倍提高机床的生产率，而且还将给切削过程带来一系列的优良特性 3 1 。 s a l o m o n 博士对不同的材料做了很多高速切削实验，但是在二战中这些资料和 数据都已遗失。现在使用的s a l o m o n 假设曲线大多是根据推论做出的。通常采用的 s a l o m o n 曲线如图1 1 所示。 口 2 扣 和 蝴 拟 魍 图11 切削速度和切削温度关系曲线 硕士论文 高速铣削铝合金剀削温度的研究 基于s a l o m o n 的设想，许多学者进行了大量的研究来验证s a l o m o n 的假设，有 些研究与s a l o m o n 的设想取得了较为理想的一致性，有些研究的结果却与s a l o m o n 的设想相差甚远，一些研究结果表明，在高速切削区的切削温度并没有下降的趋势， 许多学者对s a l o m o n 的设想提出了质疑。这其中m c g e e 的研究认为温度将随着切 削速度的增加而上升直到最大值，此点接近工件材料的熔点，并没有发生高速区切 削温度下降的现象，所以切削铝合金时对切削速度没有固定的限制，对铝合金的切 削速度不受刀具切削温度的影响1 4 j 。相反，t r _ er t 却认为在切削铸铁、钢等其它高熔 点的金属及台金时这种切削过程产生的热可以成为一个可控制的因素，这里刀具使 用可以通过对切削速度进行限制【5 】。 文献 6 1 对铝合金高速铣削温度进行了实验研究，实验采用红外热像法对铝合金 高速铣削的工件表面温度进行了研究，得出如下结论：在切削速度较低的情况下， 切削温度随转速的增加而升高，但达到某一临界切削速度值后，随着转速继续增大， 切削温度反而下降。高速铣削铝合金时，临界切削速度为7 0 6 5 m m 血。也就是说， 随着切削速度的增加，工件表面温度变化存在二次效应，存在切削温度的速度临界 点，这个结论和s a l o m o n 的设想是相符合的。文献 7 】通过有限元法对高速铣削铝合 金薄壁件的工件表面温度进行了三维热传导分析( 如图1 2 ) ，通过红外热像仪测得 已加工表面某点q 后，反求出最大热流密度q 。a x ，利用有限元软件a n s y s 在已知 热流密度的边界条件下对铝合金工件进行三维温度场分析，得出切削温度随切削速 度的变化关系：随着切削速度的增加，工件表面温度随之上升，进一步增加切削速 度时，温度反而呈下降趋势。即随着切削速度的增加，工件表面温度变化存在二次 效应。 图1 2 传热学模型 文献 1 1 通过对超高速铣削加工中切削区动态热力学行为的计算和分析，推导 硕士论文 鱼望竺塑塑鱼垒塑! ! 塑垦竺竺塞 了切削区温度场的分布模型。计算结果表明，切削区工件表层的最高温度可达9 2 2 ，工件内最高温度点不在刀具与切屑的接触面上，而在靠近工件表层的内部某处。 在此基础上，得出了超高速铣削加工的机理模型，由于工件切削区的温度远高于材 料的再结晶温度，此时材料的硬度急剧下降，工件的易切削性能大大提高，较易被 后续刀刃切削下来。超高速铣削时，由于高温使材料硬度下降，因此，不存在切削 速度愈高，切削温度愈高的规律，切削温度达到9 0 0 9 2 0 时，切削速度的升高不 会导致温度再升高。在超高速切削的速度范围内，切削温度基本上保持稳定，存在 切削温度的趋同性。并通过切屑材料的金相组织分析验证了该机理模型。 文献【8 】对高速铣削钛合金t c 4 的铣削温度进行了研究，通过夹丝热电偶法测 量铣削区的温度，得出了高速铣削加工中铣削温度随切削速度的变化规律：随着切 削速度的增大，刀尖温度和已加工表面的温度均增大，并没有出现温度的二次效应， 没有发现“速度临界点”现象。该文还采用基于大弹塑性变形的切削模型，对高速 铣削温度场进行了有限元仿真，建立了二维正交切削有限元分析模型，模拟工件上 的温度分布。采用商用有限元分析软件m a r c 2 0 0 1 ，对工件温度分布及不同切削 速度下的工件温度进行模拟，仿真结果和实验结果在趋势上非常接近。 文献 1 3 1 通过红外热像法对钛合余t c 4 铣削表面温度场分布进行了研究，研究 的结果显示：当开始切削时，工件要经过一个快速升温的过程，并经过一定时间才 能到达稳定的铣削温度：稳定铣削过程中，工件切削部位升温极快，几乎呈瞬时性， 离开切削点，降温也较快：切削过程中，切削点产生瞬时最大温升，而即将被切削 但尚未切削的部位，由于工件运动掩盖了切削热的向前传导，因而切削前部位温升 甚微，在切削点与即将切削部位具有很大的温度梯度；铣削过程中，在切削深度方 向，切削区的最高温度在被铣削平面中部偏上；在铣削进给方向上，铣削区的最高 温度点处于垂直于被铣削平面的铣刀中心平面上；高速铣削表面的温度是较低的， 在干式铣削条件下不会引起表面烧伤问题。 综上所述，近些年来，各国学者在高速切削加工的切削温度研究方面做了大量 工作，进行了很多有益尝试和研究，得出了一些令人感兴趣的结果，但是对于高速 切削加工温度的研究还没有达到成熟和完善。对于高速切削温度的现象本身以及其 相应机理还没有最终明确，在有些方面还存在一定的争议，有待于对高速切削加工 温度进行进一步的研究和分析。 硕士论文 高速铣削锚合金切削温度的研究 1 3 高速切削温度的研究内容与研究方法 1 3 1 切削温度的研究内容 切削温度来源于切削过程的三个变形区( 如图1 3 所示) ，在这三个区域内材 料的塑性变形和摩擦力所做的功，绝大部分都要转变成热量，所以它们也就是切削 过程中的三个热源。在切削加工过程中，切屑以一定的速率流过前刀面，在剪切区， 切屑内部产生剪切热，产生的剪切热不断地流过前刀面，剪切热的绝大部分将由切 屑带走，余下部分将传给工件、周围介质、切削液和刀具。切屑运动过程中同时与 莳刀面摩擦，产生摩擦热。摩擦热传入刀具和切屑，使二者温度上升。当刀刃沿着 材料切削时，由于材料的反弹，在它的后刀面与工件接触部分产生第三剪切区，后 刀面与工件进行摩擦，产生摩擦热。在进行切削时，切削变形所消耗的能量大多数 转变为热，切削速度越高，能量越大，产生的热量也越大，大量的切削热引起的剪 切区、前刀面等处的温度上升。 图1 3 切削热的产生 一般来说，所谓切削温度是指达到稳定状态时的刀具前刀面与切屑的接触面上 的平均温度。选定这个部位上的温度作为切削温度的代表的理由是：1 ) 温度测定 比其它部位简单；2 ) 与刀具磨损、刀具耐用度以及切削的机理有密切的关系：3 ) 与积眉瘤的生灭，加工质量的好坏、加工精度的高低有密切关系。因此，把这个部 分上的温度日口狭义的切削温度作为表示切削状态的一个参数而被广泛的采用着。 但是，为了进一步详细研究刀具的磨损，则必须了解刀具的温度分布情况。而 在涉及加工精度和残留应力等情况下，也必须知道被加工材料内部的温度分布。尤 硕十论文 高速铣削铝台金切削温度的酬究 其是为了掌握切削现象的整体，关于刀具、被切削材料、切屑的全部温度分布都是 必须知道的。因此，从广义来说，所谓的切削温度不是只指前刀面的温度，而应是 总体的温度分布，应分成如下三个部分来研究： 剪切面上的平均温度及温度分布。 刀具与切屑接触面上的平均温度及温度分布。 刀具后刀面与被切自u 材料的接触面上的平均温度及温度分布。 除了上述三个部分外，还应该了解与研究切削热的分布、切削热的流入比率及 切削热的耗散渠道以及相应比率等方面的内容。 1 3 2 切削温度的研究方法 对于切削温度的研究，主要有以下几种研究方法：一是实验测定：二是理论上 的分析，求解析解；三是采用数值计算方法，求近似解。 1 3 2 1 实验测定 实验方法是最基础，最直接，最接近真实情况的研究方法。实验测定切削温度 的方法大体上分为两种，一是直接测定被测部位的温度，另一是测定某部分的温度 变化，再根据导热理论求出被测定部位的温度。测定切削温度的研究早在1 9 2 5 年 由k g o t t w e i n 开始的，经过多年的发展，产生了种类繁多的实验方法。下面对比 较成熟已经被采用的几种方法予以简单的说明 9 i 【“l 2 1 。 1 、自然热电偶法 自然热电偶法是利用刀具和工件材料属不同种类金属，分别作为自然热电偶的 两极，组成闭合电路测量切削温度。通过闭合电路测得热电势，即可在标定曲线上 查得温度值。采用自然热电偶法测量切削温度简便可靠，可方便地研究切削条件f 如 切削速度、进给量等) 对切削温度的影响。缺点是用自然热电偶法只能测出切削区的 平均温度，无法测得切削区指定点的温度；同时，当刀具材料或工件材料变换后， 切削温度一毫伏值曲线也必须重新标定。 2 、人工热电偶法 人工热电偶法，也称热电偶插入法，是在刀具或工件被测点处钻一个小孔，孔 中插入一对标准热电偶并使其与孔壁之间保持绝缘。切削时，热电偶接点感受出被 测点温度，并通过串接在回路中的毫伏计测出电势值，然后参照热电偶标定曲线得 出被测点的温度。人工热电偶法可以测量刀具、切屑和工件上指定点的温度，并可 测得温度分布场和最高温度的位置。人工热电偶法的优点是：对于特定的人工热电 6 硕士论立 高速铣削铝合金切削温度的研究 偶材料只需标定一次：热电偶材料可灵活选择，以改善热电偶的热电敏感性和动态 响应速度，提高热电偶传感质量。但由于将人工热电偶埋入超硬刀具材料( 如陶瓷、 p c b n 、p c d 等) 内比较困难，因此限制了该方法的推广应用。 3 、半人工热电偶法 将自然热电偶法和人工热电偶法结合起来即组成了半人工热电偶法。半人工热 电偶是将一根热电敏感材料金属丝( 如康铜) 焊在待测温点上作为一极、以工件材料 或刀具材料作为另一极而构成的热电偶。采用该方法测量切削温度的工作原理与自 然热电偶法和人工热电偶法相同。由于半人工热电偶法测温时采用单根导线连接， 不必考虑绝缘问题，因此得到了较广泛的应用。 4 、等效热电偶法 采用自然热电偶法测量切削温度时，由于温升的影响，导线引出点的温度已不 是标定时的室温，因此需要进行冷端温度补偿。但冷端温度补偿在原理和具体实现 方法上均存在一定问题，所以该方法实际应用较少。 5 、红外热像仪法 红外热像仪的基本工作原理是利用了斯蒂芬一波尔兹曼定律，即 e = e 口， 式中e 物体辐射单元单位面积的辐射能量，w i n 2 ； g 物体辐射单元表面辐射率： 口斯蒂芬一波尔兹曼常数，0 = 5 6 7 e 8 w m - z k 4 ； 丁物体辐射单元的表面温度，k 。 切削时，e i , t - 热像仪通过光机扫描机构探测工件( 或刀具) 表面辐射单元的辐射 能量，并将每个辐射单元的辐射能量转换为电子视频信号，通过对信号进行处理， 以可见图像的形式进行显示，显示的热像图代表被测表面的二维辐射能量场，若辐 射单元的表面辐射率已知，则可通过斯蒂芬一波尔兹曼定律求出辐射单元表面的温 度分布场及动态变化。虽然红外热像仪所测温度为相对温度，滞后于实际切削温度， 但根据传热反求算法可准确求得切削过程中工件( 或刀具) 的温度变化规律及动态分 布。红夕卜热像仪测温法具有直观、简便、可远距离非接触监测等优点，在恶劣环境 下测量物体表面温度时具有较大优越性。 6 、金相结构法 盒相结构法是基于金属材料在高温下会发生相应的金相结构变化这一原理进 行测温的。该方法通过观察刀具或工件切削前后金相组织的变化来判定切削温度的 变化，主要适用于高速钢刀具，因为当温度超过6 0 0 。c 时，高速钢的红硬性下降， 组织结构发生一系列变化，可通过经抛光、腐蚀后的金相磨片来检查箕金相组织变 化。但这种方法的应用范围局限于金属材料制成的刀具，并且只有在高温下才能观 坚兰丝兰 塑望垫型兰坚兰整坐型塑望! 堕望三一 察到材料明显的组织结构变化；此外，观测和分析的工作量也较大。 7 、扫描电镜法 扫描电镜法测量切削温度是用扫描电镜观测刀具预定剖面显微组织的变化，并 与标准试样对照，从而确定刀具切削过程中所达到的温度值。应用扫描电镜法首先 需要制取样件和对照样件，考虑到在不同温度和不同保温时间条件下材料的显微组 织不同，对照样件需要多制取一些；得到对照样件的显微组织照片后即可确定被测 刀具某一部位的切削温度。扫描电镜法测定切削温度的分辨率和确定温度分布的准 确性均很高。但扫描电镜法也存在以下缺点：只能测量6 0 0 。c 以上的温度：样 件制作相当繁琐：属事后破坏性测量，不便于在生产现场推广应用；所确定的 切削温度分布状念属于定量分析；设备复杂，技术难度高，实际应用受到一定限 制。 除上述切削温度测量方法外，常见的测温方法还有显微硬度分析法、量热法、 涂色法等。各种测量切削温度的方法各有其优缺点和不同的适用范围。因此，在实 际应用中应根据具体情况选用最适当的切削温度测试方法。高速铣削时切削区温度 的测量是比较困难的，很难得到切削区的实际温度，而且测出的温度也并不一定反 映切削过程中被加工表面温度场的分布和动态变化。由于是动态测量温度这样一个 惰性的量，本身就具有很大的难度，而且铣削测温方法已成为一个需要深入研究的 课题。为了在生产现场对切削温度进行更精确、更方便、更及时的测量，还需要对 切削温度测量方法作进一步深入研究和改进完善。 1 3 2 2 理论解析计算 对切削温度进行解析计算，其基础是切削过程应该满足传热学的基础方程式， 也即需要满足能量守恒定律。如果满足存在于现实切削中的各种条件来解这个方程 式，就可以得到各点的温度。这些条件包括：几何条件、传热条件、密度、比热和 导热系数、在剪切区和二次滑移区中材料速度的分布、由于剪切变形和摩擦产生的 发热量的分布等。由于这些条件的变化都很复杂，所以，为了用单纯的解析法来求 解，必须使用某种程度的非现实的假设和近似。如果根据这种解析方法用式子的形 式来表示温度，就可以直接得知任意切削条件下的切削温度，同时也可以知道，随 切削要素的不同而产生的切削温度是怎样变化的。因此，这种计算是极其有效的。 许多学者在计算切削温度的解析解方面做了大量的尝试，大都采用线热源或面 热源作近似热源，在做了各种不同的假设后，对由瞬时热源产生的加热进行积分， 从而求出温度。由于实际切削过程的边界条件十分复杂，为求得解析解，必须采用 若干假定，使用某些近似的模型【1 0 】【8 】【1 1 1 1 5 】口2 1 。 堡主笙兰鱼望笪塑生丝兰塑塑坐塑塑塑坠 国内外学者对切削温度场的解析计算做了大量的研究工作，但是针对铣削温度 场的理论解析计算的研究还很少见到。文献【8 】采用热源法，通过对瞬时线热源进行 积分，得出针对铣削的理论解析模型，很好的符合了铣削加工断续切削的特点，其 不足之处是得出的解形式过于复杂，而且该理论解模型并没有反映出高速铣削的高 速特点。文献 1 1 】假设切削区热源为持续运动线热源，并以此为基础推导出高速铣 削切削区的温升模型，该模型可以得出形式比较简单的解，其不足之处是并没有考 虑到铣削加工方式的断续切削的特点。 由于铣削过程非常复杂，要比较贴切的反映出铣削加工断续切削的特点，同时 还要针对高速铣削的高速特点，建立高速铣削温度场的解析模型还需要进一步的研 究。 1 3 2 3 数值计算 由于理沦上的解析计算需要简化一些条件，在很多时候，如果不使用不合理的 假定，通常得不出解，所以数值计算就显得很有必要。由于几乎可以不使用假定和 近似，数值计算可以得到比解析解更正确的解。然而，数值计算是一种实验模型， 欲得知一般的表达式或趋势是不方便的。而且数值计算需要大量的工作量，在计算 机出现以前，这严重制约着数值计算的发展。随着计算机技术的发展，数值计算在 切削温度场的研究中得到更多的应用。工程技术中常用的数值模拟方法有：有限元 法、边界元法、离散单元法和有限差分法，就其实用性和应用的广泛性而言，有限 元法是最常用的。由于近些年来有限元软件的发展和成熟，功能越来越强大，有限 元法得到很大的应用。 有限元法应用于切削温度场的研究，主要有两类模型，下面分别作简单说明： l 、基于给定热源的有限元模型 7 】【1 6 m 】 该模型是将已知线热源或面热源作为已知边界条件加载，从而求出温度场的分 布，其基础是基于能量守恒原理的热平衡方程。这种模型的优点是能够比较直观的 反映出切削温度场的热传导过程，不足之处就是采用这种方法通常需要比较多的假 设来简化边界条件，有时候过多的假设会降低仿真的真实度。文献【7 基于这种模型， 对高速铣削铝合金的工件温度场进行7 - - 维有限元仿真，在仿真的过程中，其假定 铣削区的热源是静态的，并没有考虑该时刻前铣削区热源的作用，没有反映出铣削 加工的断续切削的热点。因此，计算的结果是比较粗略的。 2 、基于大塑性变形的有限元模型8 】【2 0 1 1 2 2 2 3 1 1 3 3 1 1 3 4 1 1 3 5 1 3 6 1 随着有限元软件的发展，耦合场的问题得以解决，基于切削过程的有限元模型 被引入到切削温度场的研究，并且得到了广泛的认可。通过这种模型，能镌比较真 倾+ 论史 高速铣削铝台金切削温度的研究 实地仿真金属切削的过程，其不足是切削过程是一个复杂的过程，具有大应变、高 应变率和高梯度分布的温度场，在目前还没有合适的本构方程来描述这种变形，而 合适的本构方程是基于弹塑性变形有限元仿真切削过程的关键所在。这个模型目f j 仃 主要应用于二维直角切削，对于高速切削来说，由于切削过程中的诸多机理尚未清 楚，应用这个模型还存在许多没有解决的问题。另外，由于铣削是一个断续切削过 程，和二维直角切削的连续切削有很大的区别，采用这种模型反映不出铣削断续切 削的特点，所以这个模型并不适用于铣削有限元仿真分析。 1 4 本论文的主要工作 本课题源于“十五”国防预研项目，与信息产业部南京某研究所合作研究。高 速切削技术属先进制造技术中的机械制造及自动化研究领域。 本文主要研究在高速铣削加工条件下切削铝合金的切削温度问题。主要工作如 下： 1 、对高速铣削铝合金切削温度进行了实验研究，采用夹丝半人工热电偶的方 法对高速铣削铝合余铣削区的温度进行测定，并根据实验结果考察在高速铣削条件 下切削温度随切削速度、轴向切深、径向切深以及进给量等切削参数的变化规律， 为优化高速铣削工艺参数提供理论支持。 2 、建立了高速铣削条件下工件切削温度场的温度解析模型。首先根据铣削方 式断续切削特点，建立了周期性断续作用持续运动线热源的传热学模型，然后针对 高速铣削的高速特点，引入高速持续运动线热源的解，通过热源法建立了工件上任 意一点在任一时刻的温升数学解析模型。 3 、利用大型商用有限元软件a n s y s 对高速铣削铝合金工件的温度场进行有 限元仿真，在考虑了材料的热物性随温度的变化情况的基础上，采用适合铣削加工 断续切削特点的移动热源有限元模型，对高速铣削工件的切削温度场的分布进行了 有限元仿真分析。 4 、通过与实验数据的比较，验证了解析模型和有限元仿真结果的可行性及可 信性。 0 硕十论文 高速铣削铝合金切削温度的研究 2 高速铣削温度的实验研究 2 1 实验目的 在高速铣削机理研究中，铣削温度的研究是至关重要的，高速铣削温度的分布 及其变化规律是高速铣削工艺分析的主要依据之一。因为目前还没有完善帕高速切 削理论可供借鉴，所以实验研究就成为最基础、最接近真实情况的研究方法。 本文实验的主要目的是测定高速铣削加工条件下工件铣削区的温度并寻求切 削温度随切削速度、切深、进给量等切削参数的变化规律，为优化高速铣削工艺参 数提供理论支持；实验研究的另一目的是为解析计算及有限元分析仿真提供一个参 照的对象。 2 2j 受6 试方法及原理 实验测定切削温度的方法大体分为两种，一是直接测定被测部位的温度，另一 是测定某部分的温度变化，再根据导热理论求出被测定部位的温度。目前比较较成 熟也比较常用的测量切削温度的方法是热电偶法。热电偶法是当两种不同材质组成 的材料副( 如切削加工中的刀具工件) 接触并受热时，会因表层电子溢出而产生电 动势，并在材料副的接触界面阊形成电位差( 即热电势) 。由于特定材料副在一定 温升条件下形成的热电势是一定的，因此可根据热电势的大小来测定材料副( 即热 电偶) 的受热状态及湿度变化情况。 根据不同的测量原理和用途，热电偶又可细分为：自然热电偶法、人工热电偶 法、半人工热电偶和等效热电偶法等。日前，比较成熟的直接测量切割温度的方法 有自然热电偶法和人工热电偶法。 工件 图2 1 试件结构图 件 箔片 i 卫 硕士论文 高速铣削铝台盒切削温度的研究 本文实验采用半人工热电偶的方法来测定铣削区的温度。图2 1 为自制的半人 工热电偶结构图，将康铜箔片夹在两工件间，与工件组成一对热电偶。当康铜箔片 与工件材料形成回路时，由于热电效应，切削时产生的切削热导致回路中产生热电 势。测量出回路的热电势，与事先标定的值相比较，即可得出切削温度。 图2 2 为测温原理示意图。工件材料与康铜丝组成一对热电偶，康铜丝的引 出线接温度信号放大器的一极，工件材料远离加工区的一端接放大器的另一极，同 时也作为热电偶的冷端。当切削进行时，热电偶丝被切断，热电偶丝和工件这两极 搭接上。形成热电偶回路。由于切削热的作用热电偶丝与工件搭接部分温度升高， 和冷端形成温差，从而在回路产生热电势。该热电势信号经电荷放大器放大后，由 a o 转换装置转换为便于分析的数字信号，然后出数据采集系统采集。根据采集到 的热电势的大小，与事先标定的数值进行对比，就可以得出铣削区的切削温度。 铣刀旋转方向 康铜丝 铣刀运动方向 卜一 图2 2 测温原理示意图 使用热电偶进行温度的测量，需要对热电偶进行标定。常用的热电偶材料，可 从热电偶合金手册上查到对应的热电偶材料的分度表。实验中所用的是半人工热电 偶，为非标准的热电偶，、钡4 温前需进行标定。经查阅相关资料和对标定过程中的测 试值进行曲线拟合或线性回归。求出一个数学函数式，使之能表示在不同温度下的 电势一温度关系。实际测得的公式如下【6 8 】： p ( x ) = 0 0 3 9 2 6 x + 0 7 5 0 为温度值，p ( x ) 为电势差) 竺丝兰 堕望竺型塑鱼全塑型塑堡堕盟! ! 一 2 3 实验设备和实验方案 2 3 1 实验设备及测试系统 实验所需的主要设备和仪器如表2 1 所示 表2 ，1 实验仪器和设备 名称型号 机床瑞士m i k r o n 公司h s m - 7 0 0 铣刀 m i k r o ng r a i n ，f r a i s a 5 2 7 7 仲1 6 ，两刃直角端铣刀，螺旋角3 0 0 ，y = 1 5 0 ， r = 1 5 ) 1 ：件材料铝合金l f 5 ，自制试样 电荷放大器k i s t l e r 5 2 6 1 多通道电荷放大器以及相应的数据采集与处理系统 微机i b mp c 实验设备的主体是h s m 一7 0 0 高速加工中心，其主要技术规格如表2 2 所示 表2 2h s m - 7 0 0 主要技术规格 纵向x7 0 0 r n m 加1 ：范围 横向y5 5 0 m m 垂直z 4 5 0 m m a c 电机额定功率4 4 e d ( 1 0 0 e d l 1 4 k w ( 1 0 k w ) 主轴最大扭矩4 4 e d ( 1 0 0 e d )65 n m ( 6 n m 、 主轴 主轴转速范围1 0 0 - 4 2 0 0 0 r m i n 主轴锥孔h s k 4 0 e 切削进给速度x 、y 、z 向0 2 0 0 0 0 m m m i n 快速移动速度x 、y 、z 向4 0 m m i n 进给驱动 x 轴9 0 0 0 n 进给驱动力 y 、z 轴 7 0 0 0 n 轴加速度 1 0 m s 2 _ 作台 装夹面积 9 0 0 5 0 0 r a m 控制系统h s p l u s 刀库容量 1 2 把 机床重量 包括全封闭防护罩的机床净重 6 5 0 0 k k 坝七论文 高速铣削铝台金切削温度的研究 图2 3 为h s m 7 0 0 高速铣削加工中心外观。 图2 3h s m 7 0 0 高速铣削加工中心 实验测试系统如图2 4 所示： 2 3 2 实验方案 图2 4 实验测试系统组成 本文中所有切削实验均在h s m 一7 0 0 高速铣削加工中心上进行，机床设备参数 及检测系统设备见上节。测试系统的采样频率为5 0 0 0 h z ，采样时间为5 s 。 刀具选择：瑞士产f r a i s a 曲1 6 5 2 7 7 硬质合余直角端铣刀，螺旋角五：3 0 。、前 角y = 1 5 。、齿数z = 2 ，悬臂长，：6 6 m 脚。 铣削方式：顺铣，铣平面a 铣削过程中，走刀方向与工件拼接面垂直，且保持 走刀方向不变，这主要是考虑到使夹在试件中间的康铜箔片受力方向一致。使得康 硕i 论文 高速铣削铝台金剀削温度的石) f 究 铜箔片在铣刀的作用下能和工件搭接形成热电偶的热端。 冷却方式：干式切削，不采用任何冷却措施。 环境温度：1 9 0 c 。 实验材料：铝合金牌号l f 5 。 本文实验的主要目的是测定高速铣削铝合金时铣削区的温度，并探求切削温度 随切削速度、进给量、切深等切削参数的变化规律。为更好反映切削温度随切削参 数的变化规律，所有实验均采用单因素实验，每次变动一个切削参数，考察切削温 度随该参数的变化规律。切削参数的选择根据实际生产中常用的范围确定，具体实 验内容见下节。 2 4 实验结果与分析 1 、切削温度与切削速度的关系 切削参数：轴向切深唧= 3 m m ，径向切深a e = m m ，每齿进给量户o 2 5 m m ，转 速s 从2 0 0 0 r m i n 到4 1 0 0 0 r m i n 每次递增3 0 0 0 r m i n 。图2 5 为铣削区温度随主轴 转速的变化关系： l - - - - - - - 一l f 5 图2 5 切削温度与转速的关系 由图2 5 可以看出，随着主轴转速的增加，也即随着切削速度的增加，切削温 度先随切削速度的增加而增高。当转速达到2 6 0 0 0 r m i n 时，也即线速度达到 1 3 0 6 2 4 m m i n 时，切削温度达到最大值，此后，随切削速度的增加，切削温度反而 下降。也就是说，随着切削速度的增加，铣削区温度变化存在二次效应。随着转速 栅 枷 季| 垂 蛳 珊 瑚 o n ) 世踞 硕论文 高速铣削铝合金切削温度的耐| 究 的增加，要保证每齿进给量不变，必须增加进给速度，从而使热源运动速度加快， 向工件传热的时间减少，所以当转速增大到一定值后，切削温度反而会下降。从图 中还可以看出，在高速铣削铝合金时，切削温度不是很高，在无任何冷却的条件下， 转速达到3 5 0 0 0 r m i n 时，切削区温度只有2 6 0 。c 。在干式切削的条件下，不会造成 对已加工表面的烧伤问题。 2 、切削温度与径向切深的关系 切削参数：轴向切深= 3 m m ，每齿进给量= o 2 5 m m ，转速s = 2 0 0 0 0 r m i n ，径 向切深啦从i m m 到5 r a m 每次递增o 5 r a m 。图2 6 为切削温度随径向切深变化 关系： a e ( m m 图26 切削温度与径向切深的关系 由图2 6 可知，随径向切深的增大，切削温度呈上升趋势。随着径向切深的增 加，刀齿的实际切削时间增加，切削过程中产生的热源向工件传热的时间也就增加， 所以随着径向切深的增加，铣削区温度呈上升趋势。 3 、切削温度与轴向切深的关系 切削参数：径向切深= 1 m m ，每齿进给量户o 2 5 m m ，转速s = 2 0 0 0 0 r m i n ， 轴向切深从0 5 m m 到5 m m 每次递增0 5 m m 。图2 7 为切削温度随轴向切深的变 化关系： 吾| 喜 珊 枷 蚕 抽 抛 删 一3n 。世赠 硕士论文 高速铣削铝台金切削温度的研究 e 二! 竖【 a 口( r a m ) 图2 7 切削温度与轴向切深的关系 从图2 7 可以看出，轴向切深对切削温度的影响不大，切削温度随轴向切深的 变化关系不明显。从总的趋势来说，随轴向切深的增大，切削温度呈缓慢上升趋势。 4 、切削温度与进给量的关系 切削参数：轴向切深a p = 3 m m ，径向切深a 。= l m m ，转速s = 2 0 0 0 0 r m i n ，每齿 进给量厂从o 0 5 m m 到0 5 r a m 每次递增o , 0 5 m m 。图2 8 为切削温度随每齿迸给量 的变化关系： o 凸v 趟 赔 一l f 5 图2 8 切削温度与进给量的关系 瑚 l 写 | 蠢 ：笔 m 宅写 | 弓 猫 脚 号 一o n ) 避鸡 硕士沦文 高速铣削铝合余切削温度的研究 由图2 8 可以看出，随每齿进给量的增加，切削温度随之上升。由于增大进给 量f 会直接增大切屑的厚度，切屑变形所转变成的热量增加，导致切削温度上升。 由以上的实验结果可以看出，在高速铣削铝合余时，宜采用高转速，小切深以 及小进给量，可以有效的降低铣削区的温度，从而改善工艺条件。 2 5 本章小结 本章通过实验对高速铣削铝合金的铣削区温度进行了测定，实验采用半人工热 电偶的测试原理。主要目的是测定在不同的切削参数下铣削区的切削温度，探求切 削温度随切削参数的变化关系。为更好地反映各切削参数对切削温度的影响，所有 实验均为单因素实验，每次只变动一个参数。通过对实验的观察与对实验结果的分 析，得出了铣削区温度随切削速度、切削深度、进给量等切削参数的变化关系，为 优化高速铣削工艺参数提供了理论支持。 硕士论史 高速铣削铝台金纠削温度的研究 3 高速铣削工件温度场的理论计算 切削热是切削过程的主要物理现象之，切削时弹性变形、塑性变形以及摩擦 所消耗的能量大部分都转化为热能，只有极少数能量用以形成新表面和以晶格扭曲 等形式形成潜能，因此可以近似认为切削所消耗的能量全部转化为热能。大量的切 削热引起的剪切区、前刀面等处的温度上升对切削力、前刀面上的摩擦系数、积屑 瘤的形成和消失、刀具磨损以及工件加工精度和加工表面完整性等有着很大的影 响。因此，对于切削温度的阐明，无论是对于切削现象的研究，还是对寻找正确的 切削条件都是极为重要的。 数学解析法是一种经典的求解切削温度场的方法。尽管许多热传导问题用数学 解析法求解相当麻烦和困难，不及数值法方便，但用数值解描述温度场却远不如用 解析法那样完美。解析解通常用精确的数学表达式的形式来表示温度，根据这些式 子，可以直接得知任意切削条件下的切削温度，同时也可以知道，随切削要素的不 同而产生的切削温度是怎样变化的，因此，这种计算是极其有效的。同时，通过这 些式子，可以更深刻地理解问题的物理本质。 用解析法解算温度场的前提是固体的导热微分方程，导热微分方程是能量守恒 定律的一种数学表达形式，所以导热微分方程的建立是以能量守恒这一物理概念为 依据的。通常用来求解切削温度场的方法是热源温度场迭加法，简称热源法。通过 热源法解算切削温度场，是利用固体导热微分方程的热源解，经过迭加后解算出复 杂温度场。这种方法特别适用于各种热源状态的非稳态温度场的分析计算。运用热 源法分析计算切削过程中复杂的传热学温度场问题，求解率是比较高的，可以得到 形式比较简单的解析解。 3 1 固体热传导基础 3 1 1 傅立叶导热定律 傅立叶通过实验证明，在固体的导热过程中，热流密度与温度梯度成正比 2 8 】 d 丁 d 。c d x 引入比例系数l 后，上式可写成 舀：一a a 塑 dx 硕士论文 高速铣削铝台金剀削温度的研究 式中 称为材