（机械制造及其自动化专业论文）碳钢高速车削中切削热的试验研究与有限元分析.pdf

摘要 摘要 先进制造技术是当前全球，也是我国的重点发展领域。高速切肖0 加工技术的 高效率、高品质等特性促使在全球范围内竞相兴起其研究和应用热潮。与传统切 削加工过程相比，高速切削加工过程在切削热、切削温度、切屑形成、切削力等 方面都表现出不同性。切削热和由它产生的切削温度直接影响刀具的磨损和使用 寿命，并影响工件的加工精度和表面质量。高速切削中切削热及其所致切削温度 的产生和变化规律是高速切削机理、刀具切削性能、工件加工质量研究的重要内 容。 本论文探讨了量热计法、解析法、有限元法和人工热电偶法等切削热与切削 温度研究方法的应用问题，采用这些方法较为系统地研究了高速车削常用结构钢 中切削力的特性与变化规律、切屑形态、切屑厚度与刀一屑接触长度、切削热在 加工系统( 切屑、工件、刀具和环境) 中的量化分配和刀一屑接触界面及刀具切 削温度的变化规律。通过一系列试验和有限元模拟分析，论证了各种研究方法的 适用性和吻合性。研究结果证明：利用适配于高速机床的切削热测量装置，可以 在封闭式高速切削环境中研究切削热在切屑、工件、刀具和空气中的量化分配规 律；利用切削热解析法，并通过切削实验获得切削力、切屑厚度、刀一屑接触长 度等数据，可以探讨剪切面、刀一屑界面平均温度，进而也可得到切削热在切屑、 工件和刀具中的量化分配关系；有限元法也是切削热和切削温度研究的有力工具。 本论文研究得到的结论是：在碳钢车削中，切削力有随切削速度先升后降的 变化规律，在本论文实验参数条件下，切削力升降转折速度段为4 0 0 8 0 0 m m i n ； 等量切削时，随切削速度的增大，传入切屑中的切削热增大，而传入工件和刀具 的切削热减少；随切削速度的增大，碳钢切削过程所耗的功率几乎成线性增大， 单位时间的切削热随之增大：单位时间流入切屑和工件中的切削热都随切削速度 的增大而增大，而流入刀具部分增幅不大；耗散于切屑中的切削热占总切削热的 大部分，其比率随切削速度的增大而增大，但上升幅度逐渐减小；工件和刀具所 占的切削热比率随切削速度的增大而减小；碳钢高速车削中，刀一屑接触界面温 度很高，而切屑、刀具中的温度梯度很陡。 本论文用量热计法和解析法实施碳钢高速车削中切削热的量化分配研究是创 新性的工作。本论文研究成果丰富了高速切削数据库，为优化实际生产工艺提供 了参考。 关键词：高速车削；切削热；切削温度；有限元；碳钢 华南理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h ea d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g i e sa r ed e v e l o p e di na l l o v c r t h ew o r l d ，a n da l s oi nc h i n a h i g hs p e e dm a c h i n i n g ( h s m ) t e c h n o l o g yi sr e s e a r c h e d a n da p p l i e di ng l o b a la r e aa n db e c o m e st h et i d a l c u r r e n t ，o w i n g t oi t sl o t so f s u p e r i o r i t i e s ，s u c ha sh i g he f f i c i e n c y ，h i g hm a c h i n i n gq u a l i t y ，a n ds oo n h s mi s r a t h e rd i f f e r e n ti nt h ea s p e c t so fc u t t i n gh e a t ，c u t t i n gt e m p e r a t u r e ，c h i pd e f o r m i n ga n d c u t t i n gf o r c e ，c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lm a c h i n i n g c u t t i n gh e a ta n dt e m p e r a t u r e h a v ed i r e c t l yi n f l u e n c eo nt o o lw e a ra n dl i f e ，a n da l s oo nm a c h i n i n gp r e c i s i o na n d m a c h i n e ds u r f a c eq u a l i t y c u t t i n gh e a ta n dc u t t i n gt e m p e r a t u r ea sw e l la st h e i rv a r i e t y l a w si nh i g hs p e e dm a c h i n i n ga r et h ei m p o r t a n tc o n t e n t so fh s mr e s e a r c h e s i nt h i sp a p e r ，s o m ee s s e n t i a lp r i n c i p l e sa n dm e a s u r e m e n t so fc u t t i n gh e a ta n d c u t t i n gt e m p e r a t u r er e s e a r c h e dw i t hc a l o r i m e t e rm e t h o d ，m a t h e m a t i c a la n a l y s i s ， f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ( f e m ) a n da r t i f i c i a lt h e r m o c o u p l em e t h o da r ed i s c u s s e d u s i n g t h e s em e t h o d sa n db ye x p e r i m e n t st h ea u t h o rs y s t e m a t i c a l l yi n v e s t i g a t e dt h ep r o p e r t y a n dv a r i e t yl a wo fc u t t i n gf o r c ei nt h eh i g hs p e e dt u r n i n go fm e d i u mc a r b o ns t e e l ，t h e c h i pf o r ma n di t st h i c k n e s s ，t h el e n g t ho ft o o l c h i p c o n t a c ti n t e r f a c e ，a n dt h e q u a n t i f i c a t i o n a ld i s t r i b u t i o no fc u t t i n gh e a ti nt h em a c h i n i n gs y s t e m ( c h i p ，w o r k p i e c e ， t o o la n de n v i r o n m e n t ) ，t h ev a r i e t yl a w so fc u t t i n gt e m p e r a t u r ei nt o o l c h i pc o n t a c t i n t e r f a c ea n di n t o o t t h r o u g h s e r i e so fe x p e r i m e n t sa n df e ma n a l y s i s ，t h e a p p l i c a b i l i t ya n du n i f o r m i t y o ft h e s er e s e a r c hm e t h o d sw e r ep r o v e d t h er e s e a r c h r e s u l t si n d i c a t et h ef a c t s ：t h ec u t t i n gh e a tm e a s u r i n gd e v i c ed e s i g n e db yt h ea u t h o rc a n b eu s e dt ow e l la n dt r u l yi n v e s t i g a t et h eq u a n t i f i c a t i o n a ld i s t r i b u t i o no fc u t t i n gh e a ti n t h ec l o s e dm a c h i n i n gs y s t e m ；w itht h em a t h e m a t i c a la n a l y s i so fc u t t i n gh e a ta n db y m e a n so fc u t t i n ge x p e r i m e n t st oo b t a i nt h o s en e c e s s a r yp a r a m e t e r sv a l u e ss u c ha s c u t t i n gf o r c e s ，c h i pt h i c k n e s s a n dt o o l c h i pi n t e r f a c e l e n g t he t c ，t h ea v e r a g e t e m p e r a t u r ei ns h e a rp l a na n di nt h et o o l c h i pi n t e r f a c ec a nb ec a l c u l a t e d ，f u r t h e r ，t h e q u a n t j f j c a “o n a ld i s t r i b u t i o no fc u t t i n gh e a ti nt h em a c h i n i n gs y s t e mc a nb eo b t a i n e d ， f e ma t s oi sas t r o n gt o o lf o ra n a l y z i n gc u t t i n gh e a ta n dc u t t i n gt e m p e r a t u r e t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sa r ee l i c i t e di nt h ep a p e r ：i nt h eh i g hs p e e dt u r n i n go f m e d i u mc a r b o ns t e e l ，t h ec u t t i n gf o r c ei n c r e a s e sf i r s t ，t h e nd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s e o fc u t t i n gs p e e d ( u n d e rt h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n si nt h i sp a p e r ，t h ec o r r e s p o n d i n g t r a n s i t i o ns p e e dr a n g ei si n4 0 0 8 0 0 m m i n ) ；w h e nc u t t i n gt h es a m el e n g t h ，w i t ht h e i n c r e a s eo fc u t t i n gs p e e d ，t h ec u t t i n gh e a to fc h i pi n c r e a s e s ，b u tt h a to fw o r k p i e c ea n d t o o ld e c r e a s e s ；w i t ht h ei n c r e a s eo fc u t t i n gs p e e d ，t h ep o w e rc o n s u m e dd u r i n gt h e i i a b s t r a c t m a c h i n i n ga l m o s ti n c r e a s e sl i n e a r l y ，a n dt h ec u t t i n gh e a ti nu n i tt i m ei n c r e a s e s ，t o o ； t h ec u t t i n gh e a ti nc h i p sa n dw o r k p i e c ei nu n i tt i m ea l li n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo f c u t t i n gs p e e d ，b u tt h ei n c r e a s ea m p l i t u d ei nt h ew o r k p i e e ei sn o ts ol a r g ea st h a ti nt h e c h i p s ，t h ev a r i e t yl a wo fc u t t i n gh e a ti nt o o li ss i m i l a rt ot h a to fw o r k p i e c e ：t h e c u t t i n gh e a td i s s i p a t e di nc h i p st a k e su pal a r g e rq u o t i e n ti nt h et o t a lc u t t i n gh e a t ，a n d i ti n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s e o fc u t t i n gs p e e db u tt h ei n c r e a s ea m p l i t u d ed e c r e a s e s g r a d u a l l y ；t h er a t i oo fc u t t i n gh e a ti nw o r k p i e c ea n dt o o ld e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo f c u t t i n gs p e e d ；t h et e m p e r a t u r ei nt o o l c h i pi n t e r f a c ei sv e r yh i g hi nt h eh i g hs p e e d t u r n i n go fm e d i u mc a r b o ns t e e l ，b u tt h e r ei sav e r ys t e e pt e m p e r a t u r eg r a d si nt h ec h i p o r t 0 0 1 t h ei m p l e m e n t a r yr e s e a r c h e sw i t hc a l o r i m e t e rm e t h o da n dm a t h e m a t i c a la n a l y s i s m e t h o df o rq u a n “f j c a t j o n a ld i s t r i b u t i o no fc u t t i n gh e a ti nt h eh i g hs p e e dt u r n i n go f m e d i u mc a r b o ns t e e la r et h ei n n o v a t i v ew o r k so ft h i sp a p e r t h er e s e a r c hr e s u l t s e n r i c hh s m d a t a b a s e ，a n ds u p p l ys o m er e f e r e n c e sf o ro p t i m i z i n gp r a c t i c a lp r o d u c t i o n p r o c e s s e s k e yw o r k s ：h i g h - s p e e dt u r n i n g ；c u t t i n gh e a t ；c u t t i n gt e m p e r a t u r e ；f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ( f e m ) ；c a r b o ns t e e l i i i 华南理工大学硕士学位论文 主要符号表 面积，m m 2 切削层截面积，m m 2 面积系数 导温系数，m 2 s 切削深度，m m 切削宽度，m m 比热容，j ，( 埯) 能量，j ；单位时间能量，w ：辐射单元单位面积的辐射能量，w 单位时间第一变形区热量，w 单位时间第二变形区热量，w 单位时阳j 第三变形区热量，w 进给量，m n d r 摩擦应力，m p 主切削力，n 迸给力，n 为前刀面处摩擦力，n 为剪切力，n 刀具作用于切屑的法向力，n 工件未切削层材料作用于切屑剪切面的法向力，n 切削层材料经过剪切面时沿着剪切面滑移以致造成动量的改变需要加一 个剪切面上作用力，n 切屑厚度，m m 导热系数，w ( m 2 1 刀一屑接触长度，m m 质量，蜉 热量，j ；单位时间热量，w 单位时间传到切屑的热量，w 单位时间传到工件的热量，w 单位时间传到刀具的热量，w 单位时间传到空气的热量，w 热流密度，w m 2 剪切面处热量流向切屑的比例( 界面热分配系数) a a万。e厂cr k o 0。q鳓岛如叮r 主要符号表 切屑与前刀面摩擦处热量流向切屑的比例( 界面热分配系数) 工件与后刀面摩擦处热量流向工件的比例 切屑的切削热分配比率 工件的切削热分配比率 刀具的切削热分配比率 温度， 切削线速度，m m i n 进给速度，m s 切屑沿刀具表面流动速率，m s 切屑沿剪切面的流动速率，m s 功，j 单位时间表面能，w 单位时间剪切区的剪切变形功，w 单位时间刀一屑间的摩擦功和刀一工问的摩擦功之和，w 单位时间切削层材料经过剪切面时，由于动量改变而消耗的功，w 剪切角，。 工件初始温度， 剪切面附近切屑的平均温度， 剪应变 刀一屑接触表面平均温度， 刀具初始温度， 后刀面处刀一工接触面平均温度， 切削变形系数 剪应变 摩擦系数 摩擦角，。 前角，。 平均流动应力，m p 平均应变 工件材料的剪切屈服应力m p 密度，蚝m 3 v 如b b t k 吁k w形既眠矿吼一哦占一岛醣一民一盯；t p 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特另, l d i l 以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：循i 疆忒 日期：知可年占月2 2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：仃蕊感 导师签名：铹 ，lu ! 篮j 卅 日期：珂年6 月己上日 日期：2 。兀彳f 占月己日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 先进制造技术是当前全球，也是我国的重点发展领域。高速超高速切削 ( h i g h ts p e e dc u t t i n g ，h s c ) 被称为当今五大现代制造技术之一。高速切削技术 的高效率、高品质特性促使在全球范围内竞相兴起研究和应用热潮，并由此创造 了巨大的社会、经济效益。 1 1 1 高速切削的定义 高速切削加工的理念从提出毗来，经历了数个阶段 2 - 4 1 ，从理论基础研究阶 段，应用基础研究阶段等，直到发展和应用阶段，众多学者和研究机构都进行了 大量而卓有成效的研究工作，积累了丰富而翔实的技术资料，为高速切削技术的 推广应用打下了坚实的基础。 目前国内外对高速切削还没有一个统一的定义，高速切削中的“高速”是个 相对概念。对于不同的加工方法和工件材料与刀具材料，高速切削加工时采用的 切削速度并不相同。如何界定高速切削，目前国际上有多种说法 2 】： ( 1 ) 1 9 7 8 年，c i r p 切削委员会提出线速度达到5 0 0 7 0 0 0 m m i n 的切削加工 为高速切削。 ( 2 ) 对铣削加工而言，主轴转速达到8 0 0 0 r m i n 以上为高速切削加工。 ( 3 ) 德国d a r m s t a d t 工业大学认为速度高于( 5 1 0 ) 倍普通切削速度的切 削加工为高速切削。 ( 4 ) 从主轴设计的观点，以沿用多年的d n 值( 主轴轴承孔直径d 与主轴最 大转速n 的乘积) 来定义高速切削加工。d n 值达到( 5 2 0 0 0 ) 1 0 5 m m r m i n 时为高速切削加工。 s c h u l zh 1 4 1 于1 9 9 2 年提出不同工件材料大致的切削速度区域划分如图1 一l 所 示。按照s c h u l z 的观点，切削钢材时线速度达到4 0 0 m m i n 以上即为高速切削， 切削铝合金时线速度达到1 2 0 0 m m i n 以上即为高速切削，而切削镍基等难加工材 料时线速度达到3 0 m m i n 以上即为高速切削。时至今日，机床制造技术和刀具技术 的长足进步已大大地提高了各种材料高速加工最小界限值。 华南理工大学硕十学位论文 切削透腰( w l i r t ) 图1 1 切削速度区域划分图 f i g 1 - 1r e g i o nd i v i s i o no f c u t t i n gs p e e d 1 1 2 高速切削的特点 一般而言，高速切削加工的切削速度比传统的切削速度高5 1 0 倍，机床主 轴转速高达数万转甚至十多万转，线速度达每分钟几百甚至几千米，同时，进给 速度和加速度也大大地高于传统加工。与传统切削加工相比，高速切削在材料切 除率、切屑形成、切削热和切削温度、切削力、刀具磨破损等方面均有不同的特 征1 2 - 6 i 。金属切削领域的学者根据自己的实践和研究成果认为高速切削加工具有 诸多的特点和优越性，表现为1 2 , 4 ： ( 1 ) 随切削速度提高，单位时间内材料切除率( 切削速度、进给量和切削深 度的乘积，v x f 口。) 增加，切削加工时间减少，大幅度提高加工效率，降低加 工成本。 ( 2 ) 在高速切削速度范围，随着切削速度的提高，切削力随之减少，根据切 削速度提高的幅度，切削力平均可减少3 0 以上，有利于对刚性较差和薄壁零件 的加工。 ( 3 ) 从动力学的角度，高速切削加工过程中，随切削速度的提高使切削系统 的工作频率远高机床固有频率，高速切削加工可降低加工表面粗糙度。 ( 4 ) 高速切削加工可加工硬度h r c 4 5 6 5 的淬硬钢铁体，实现以切代磨。 ( 5 ) 高速切削时随切削速度的提高，切削温度逐步升高，在相对较低速度段， 切削温度增幅较大，在相对较高速度段，切削温度增幅减小。高速切削时切屑带 走大部分热量。 正由于高速切削加工具有诸多优点，高速加工技术已在航空、汽车、模具等 制造业中被广泛应用。 1 1 3 高速切削研究的一般状况 自上世纪三十年代德国学者c a r ls a l o m o n 提出峰形“切削速度一切削温度” 2 第一章绪论 曲线1 7 1 以来，极大地激发了人们研究高速切削技术及其应用的热忱，并不遗余力 地探索高速加工技术的可行性和必要性。人们一直努力试图验证其设想和期望达 到该曲线的后段，即：切削速度非常高，而切削温度却很低。但是受设备条件的 限制，人们难以实现期望的高速。近十几年来，切削机床的发展已使高速切削成 为现实。如今工业发达国家生产的高速加工机床几乎都以每年一个新台阶的速度 更新换代，现在所能达到的性能指标已是令人瞠目。如m i c r o n 、j o b s 、f t p 、d m g 、 m a z a k 、哈挺、r o d e r s 、m i l a c r o n 等世界著名机床生产厂家的高速加工机床主轴转 速已高达数万转，甚至十多万转，进给速度和加速度也大幅度提高，功率不断上 升，机床加工性能逐步提高。近年来，技术性能稳定的国产机床也开始登台亮相， 其中中捷友谊机床厂，大连机床公司等走在了国产化高速加工机床的前列 3 8 】。 高速切削技术的应用既需高速加工机床，亦需适宜高速加工的刀具。随着高 速切削技术的研究深入，高速切削刀具材料和刀具制造技术也发生了巨大变化， 新材料，新工艺不断涌现。刀具材料由早期的高速钢、硬质合金发展到c b n 刀具、 金刚石刀具、陶瓷刀具、金属陶瓷刀具、超细晶粒硬质合金刀具和涂层刀具等。 刀具的烧结压层技术和涂层技术发展迅猛，刀具的综合性能得到极大提高。适应 高速切削的刀具一主轴联结结构也不断出现，如出现了适合高速切削加工的德国 h s k 系列刀柄、美国k m 系列刀柄、日本n c 5 刀柄、b i g p l u s 刀柄等1 2 9j 。 适宜高速加工的机床、刀具、主轴系统、进给系统、装央系统、c a d c a m 软 件的配套发展极大地推动了生产力的进步，高速加工技术在航天航空、汽车摩托 车、模具制造、电子轻工等领域展示了广阔而诱人的应用前景。 尽管包括高速切削机理、高速机床、刀具、工艺技术等方面在内的高速切削 技术得到了飞速发展和长足的进步，但无论国内外，相对于高速机床和刀具技术 方面的发展，高速切削机理、工艺技术、检测技术及应用软件等方面的研究已经 滞后。比如，高速切削条件下的加工表面形成和成屑机理1 5 i 、切削热的量值与分 配和切削温度的分布及切削热和温度对刀具与工件的影响【1 0 ”1 、刀具的磨损机理 和失效形式、加工过程的模拟仿真、刀具与工件材料配对的优选、加工参数的优 化、冷却方式和强度的要求及实施性、加工过程中对加工情况、工件表面质量、 刀具的磨损状态进行监控等问题，都是不能满足高速加工应用需要而亟待研究的 课题。 这些问题既涉及基础理论研究又属于实用技术。国外工业发达国家在这些方 面的研究时间相对较长，积累了一定经验，但高速切削机理和相关理论还很不完 善，高速切削数据库仍没丰实起来，对铁类金属、模具钢等材料的高速切削研究 尤其不成熟【l ”j 。我国的高速切削机理和关键技术的研究比这些国家落后。国内 仅有少数高校在高速切削机理和技术方面进行过一定研究，如北京航空航天大学、 山东大学、上海交通大学、哈尔滨理工大学、清华大学、南京航空航天大学、南 华南理工大学硕士学位论文 京理工大学、广东工业大学、北京理工大学以及华南理工大学等单位进行了高速 切削机理、刀具技术、机床技术和加工工艺等方面的研究工作，这些工作对高速 切削技术在我国的发展和应用起到了积极的推动作用。 1 1 4 高速切削中切削热和切削温度研究的状况 在高速加工机理和技术研究中，切削热和切削温度的研究比较困难，所以这 方面的研究及成果最少。 国外近二十年来在高速切削中的切削热、切削温度及其对刀具和工件的影响 方面进行了一定研究，并由此发展了一些相关的研究方法。 s c h m i d t 和r o u b i k 于1 9 4 9 年报告了钻削镁合金时( 0 1 3 4 4 5 m m i n ) 切削 热量分配的试验方法( 量热法) 与结果f 1 5 1 。并于1 9 5 4 年进行了钻削铝的试验。 他们认为，切屑部分占总切削热的大部分，钻头所占的比率次之，工件所占比率 最小；随切削速度的提高，切屑所占比率增大，钻头和工件所占比率都减小：钻 削不同材料和采用不同切削参数时，试验值会变化，但变化规律类似。 前苏联学者于1 9 5 4 年提出 1 6 1 车i i i i 工时，5 0 8 6 切削热量由切屑带 走，4 0 1 0 传入车刀，9 - - 3 传入工件，l 左右通过辐射传入空气。钴削 加工时，2 8 切削热由切屑带走，1 4 5 传入刀具，5 2 5 传入工件，5 左右传 入周围介质。并认为切削速度越高，切削厚度越大，由切屑带走的热量越多。 e gl o e w e n 和m c s h a w 于1 9 5 4 年提出正交自由切削时切削温度解析法， 并进一步指出了基于切削温度解析法的切削热分配理论计算方法【l ”。 美国o h i os t a t eu n i v e r s i t y 工程研究中心采用模拟仿真与实验结合方法研究 了高速切削过程中切削热的产生和散热情况，其研究手段主要为虚拟仿真，并通 过改变刀具切削参数的方法对仿真估算结果迸行实验验证。他们认为8 0 左右热 量由切屑变形产生，1 8 产生在切屑与刀具接触面上，2 产生在刀刃上。并提出 切削热量有三种耗散渠道：大约9 5 以上由切屑带走，2 传入工件，3 传入刀 具口1 。 平尾政利和寺岛淳雄等以试验与理论计算相结合方法研究了铣削4 5 钢 ( 1 0 0 m m i n 4 0 0 m m i n ) 和铝( 2 0 0 m m i n 8 0 0 m m i n ) 时切削热的变化规律【”】。 认为高速切削时切屑带走了大部分切削热；切削4 5 钢和切削铝时尽管总切削热和 切屑、工件与刀具所占总切削热比率在具体数值上表现不一，但变化规律类似。 美国c o r n e l l 大学的y o g e s hk p o t d a r 等对切削区温度进行了测量与有限元 模拟1 1 4 j ：法国的g s u t t e r ，l f a u r e 等设计和使用了一种新颖的高速切削温度测 量装置，其方法是基于可视光谱范围的高温测定原理，利用增强c c d 相机，在极 短的曝光时间内测得处于封闭空间内的刀具和切自0 的温度分布 1 ”。 在国内，已发表的高速切削研究综述性文章有一定数量，但如前所述，开展 4 第一章绪论 高速切削研究的单位仍很少，其中开展切削热和切削温度研究的就更少，特别是 高速切削中热的产生与散热研究方面，国内几乎是空白，更无对切削热的量化研 究和实验研究。从能够检索到的资料看，山东大学结合陶瓷刀具的制备和切削性 能研究，对高速切削渗碳淬硬钢的切削温度进行了探讨【2 】：上海交通大学与企业 联合利用红外热像仪和传热反求算法进行了铝合金高速铣削中切削温度动态变化 规律的试验研究i l 。在常速切削条件下，哈尔滨理工大学结合三维槽型铣刀片的 研究对切削轴承钢过程的切削温度进行了试验研究与有限元模拟；华南理工大学 金属切削研究室开展了关于高速铣削淬硬钢时切削温度和切削力的系统研究【8 2 0 2 l 】；国内其它高校也有一些常速切削条件下的温度测量方法探讨。 综合看来，国内外对高速加工中切削热和温度的研究还很欠缺，尤其是切削 热的研究太少，量化研究更少，由实验验证的研究成果少之又少；对高速切削过 程切削热量值和分配的研究极少，加工材料类别少，加工速度偏低，高速加工中 温度的检测结果可靠性差，精度不尽人意等。然而，切削热和切削温度对加工质 量和刀具寿命的重要影响众所周知，发展高速切削需要进行这方面研究的必要性 和紧要性也众所周知。概括来说就是尚欠缺系统地，量化地研究高速切削黑色金 属和难切削材料中切削热量及其在切屑、工件、刀具和加工环境中的分配比例； 精度较高的在线，尤其是高速铣削车削中温度检测方法 切削热和切削温度对加 工过程、n t 质量、表面完整性与刀具寿命的影响；高速加工中经济有效的散热 方式。 高速切削中切削热的产生量及其在加工系统各组成部分中的量化分配、刀具 和工件表面的最高温度以及体内温度分布、切削热对加工质量和刀具寿命的影响 程度、高速加工条件下切削热与温度的检测和经济有效的冷却方式等，是目前高 速切削科研和应用中急待搞清楚的问题。高速切削中机床主轴转速极高，进给量 也显著提高，加工过程产生大量热量，以致切削温度很高，这对加工质量产生重 要影响，对刀具材料的耐热性、抗热冲击性、高温力学性能等都提出了更高要求。 切削热以及切削温度是刀具发生破损磨损的敏感因素之一1 2 2 2 4 ，高速加工中切削 热如何分配，刀具、工件中温度如何分布，切削温度如何影响刀具磨破损以致失 效是值得深入研究的课题。切削加工过程是物理的、机械的和化学的过程，切削 热是这些过程重要影响因素之一。切削热的散发途径主要是切屑、工件和刀具。 高热而引起的高温作用于加工区域，对加工质量产生重要影响，加工薄壁零件和 对热应力敏感的材料时，这种影响尤为突出。切削热对加工质量的影响是高速切 削研究中的重要内容之一。 针对国内外研究现状，尤其是我国在高速切削加工研究和应用中所处这方面 的空白境地，本论文作者所在研究室提出了高速切削中切削热和切削温度的研究 课题，并得到广东省自然科学基金和国家自然科学基金的资助。这两个课题旨在 华南理上丈学硕士学位论文 通过试验研究和理论分析，从研究高速切削过程中热源产生量、切削热在切削系 统各部分分配和所致刀具、工件温度分布以及散热方式的影响入手，为高速切削 加工中如何保证工件最终表面质量而又根据不同工件材料经济合理地使用相应刀 具提供可靠依据，以期推动我国高速切削加工技术进步。本学位论文工作是这两 个课题中的重要部分。 11 2 切削热量化分配的研究方法 回顾金属切削理论发展史可发现，关于切削热量化分配的研究报道主要阐述 常规低、中切削速度条件下的切削热变化规律，并出现了若干的理论研究方法与 试验方法。 1 2 1 量热计法 量热计法的主要原理是用量热计考察水温的变化，从而计算系统所吸收的热 量。 q = q l + q 2 + - + q 。= m i c l 正+ m 2 c 2 疋+ + m 。c 。瓦 ( 1 - 1 ) 其中，q 为总热量，q l 、q ：q 。为各子系统吸收热量，m 。、m ：m 。为各子系 统质量，c l 、c ：c 。为各子系统的比热容，z x t , 、a t 2 l 为各子系统的温度变 化量。 s c h m i d t 和r o u b i k 于1 9 4 9 年报告了用于研究钻削时切削热分配的量热计法 ( 如图1 2 所示) 。 图1 2 钻削时切削热测量示意图 f i g 1 - 2c u t t i n gh e a tm e a s u r i n ga p p a r a t u si nd r i l l i n g 测量总切削热的方法是：设计一特殊容器，容器里盛装水溶液，并安装有温 度计，把工件浸没于水中，切削过程切屑掉在水里，并且刀具亦有部分浸没于水 中，通过温度计观测切削过程中水温的变化，从而计算切削过程产生的切削热； 测量切屑部分切削热的方法是，在干切削条件下，让切屑掉进水里，观察水温的 6 第一章绪论 变化，从而计算切屑带走的热量；测量刀具部分切削热的方法是，在干切削条件 下，迅速把钻头投进水中，观察水温的变化，从而计算刀具吸收的切削热。 平尾政利和寺岛淳雄亦于1 9 9 8 年报道了用量热计法测量铣削中切削热的方 法和结果。试验装置如图1 3 所示。应用于铣削过程的量热法其基本原理跟钻削 中的大同小异。用单片刀片切削管状工件，水为传热介质，当测量总切削热量时， 切屑、工件和刀具一部分都浸没于水中，切削结束后根据切削各子系统的温度变 化可以计算总切削热。测量工件切屑刀具部分切削热的方法与钻削时的方法类 似。 关于用量热计测量切削热量化分配的方法亦可见文献【2 5 。 量热计法可以测量到总切削热，并可以分别测量到切屑、刀具i 件部分吸收 切削热。其缺点是，当测量切屑刀具工件部分切削热时，把刀具，切屑投进水溶 液之前，刀具切屑里部分热量已经散发出去，这无疑会影响测量结果的准确性。 图1 3 铣削时切削热测量装置示意图 f i g 1 - 3c u t t i n gh e a tm e a s u r i n ga p p a r a t u si nm i l l i n g 1 2 2 解析法 t r i g g e ra n dc h a o 于1 9 5 1 年首次提出切削刀具温度解析法，随后l o e w e n 和 m c s h a w 亦于1 9 5 4 年提出切削温度和切削热解析法【1 5 1 。平尾政利和寺岛淳雄等 则于1 9 9 8 年应用后者研究了铣削4 5 钢和铝时的切削热分配规律【2 蛇】。 l o e w e n 和m c s h a w 介绍的切削温度和切削热解析法基于如下假设：第一、 二变形区切削变形功全部转化为热量；变形区热源为平面热源；剪切面、刀一屑 摩擦面和刀一工摩擦面处热量均匀分布；没有热能传递到外界环境。 解析法可以定量地研究切削温度，同时亦为从理论上定量地研究切削热在加 7 华南理_ 人学硕士学位论文 工系统的量化分配规律提供了途径。但应用解析法的前提条件是要通过试验手段 测定一系列参数值。再者，解析法是建立在经简化的切削模型基础上，分析过程 忽略了诸多的影响因素。实际上，被简化和被忽略的因素亦对高速切削中的热和 温度产生一定影响。 1 2 3 数值计算法 数值解析法一般包括两类：有限元法和有限差分法。数值解析法在金属切削 领域的应用多集中在探讨切削温度的变化规律，而关于研究切削热量化分配的文 献却鲜见报道。 1 3 本课题的来源、研究内容及任务 1 _ 3 1 课题来源 ( 1 ) 广东省自然科学基金资助项目：高速切削加工中切削热对加工表面质量 和刀具寿命的影响。( 项目顺序号：3 1 3 2 1 ) ( 2 ) 国家自然科学基金资助项目：钢材高速切削加工中切削热的分配与切削 温度的测量。( 项目批准号：5 0 4 7 5 0 9 8 ) 1 3 2 研究目的及内容 探讨研究高速车削常用结构钢过程中的热源产生量和热量分配、干切削对切 削热量分配的影响趋势及程度、刀具和工件经历的最高温度及温度分布、高速干 切削中切削热对刀具寿命及其失效形式的影响。为高速切削刀具与切削参数的选 择，以及高速切削机床冷却系统和工装夹具系统、排屑系统的设计与选择提供切 实可靠的依据；另一方面发展和完善高速切削加工中切削热和切削温度的测量方 法与装置，为高速切削科研和生产中监控切削热源和切削温度提供切实可行的手 段。 本论文利用多种方法研究碳钢高速车削中切削热在切屑、工件、刀具和环境 中的量化分配规律、切削温度等。 ( 1 )用量热计法研究切削热：探讨了量热计法的基本原理和测量系 统：设计了适用于高速数控车床的量热计；进行了切削力、切削 热的试验研究。 ( 2 )用解析法研究切削热：探讨了切削热和切削温度的解析法；进行 了高速正交自由车削试验；研究了高速正交自由车削时，切削力、 切削热等的变化规律。 ( 3 )用有限元法研究切削热：探讨了有限元方法于金属切削领域的应 用、有限元模拟的关键问题；进行了二维切削有限元模拟；结合 切削热和切削温度解析法研究了高速正交自由切削时，切削力、 8 第一章绪论 切削热等的变化规律。 ( 4 )切削温度的研究：概述了切削温度的试验研究方法、解析法和数 值计算方法：进行了高速车削试验，用铠装人工热电偶测量了刀 具某一指定点的温度，探讨了其变化规律；以有限元法模拟了金 属切削过程，讨论了不同切削条件下切削温度的变化规律，试验 与有限元模拟结果从另一角度验证了前面数章所提出关于切削 热与切削温度的结论。 1 4 本课题的创新与特色 较为系统地研究了高速车削常用结构钢中切削热在切屑、工件、 刀具和环境中的量化分配规律，并得出了初步结论；同时研究了 高速车削中，切削温度、切屑温度、切削力等的变化规律。 探讨和设计了适用于高速数控车床的切削热测量装置，为后续关 于深化切削热的试验研究打下基础和提供思路； 采用切削热与切削温度解析法，通过高速车削试验获得必需参数， 研究了高速正交自由切削中切削热的产生，分配和随切削速度变 化的规律； 采用有限元法，进行了高速正交切削中切削热的产生，分配和随 切削速度变化的二维模拟研究。 1 5 本章小结 主要介绍高速切削中切削热的研究背景、国内外研究进展和意义；简介切削 热的研究方法；本课题的来源：本课题的研究目的及内容、特色与创新。 ) ) ) ) 1 2 3 4 ( ( ( ( 华南理工大学硕十学位论文 第二章用量热计法研究切削热 本章探讨用量热计法研究切削热的原理和试验测量系统，并进行试验。 2 1 切削热概述 切削热和由它产生的切削温度，直接影响刀具的磨损和使用寿命，并影响工 件的加工精度和表面质量。所以，研究切削热和切削温度的产生和变化规律，是 研究金属切削过程的重要方面【1 。 金属切削时，总的切削功w 消耗在以下方面2 】： ( 1 )形成已加工表面和切屑底面两个新生表面所需要的能量巩，它将 成为工件和切屑所增加的内能，其值等于物体该表面的表面能。 切削单位体积材料的表面能睨大约为0 0 0 0 2 j v m ，与切削时消 耗的总能量相比，实际上是很小的； ( 2 )剪切区的剪切变形功眦； ( 3 )刀一屑阳j 的摩擦功和刀一工间的摩擦功之和w ，： ( 4 )切削层材料经过剪切面时，由于动量改变而消耗的功w m 。 单位时间内，剪切变形功m 和动量改变所消耗的功眠大部分将变为剪切变 形区(