（木材科学与技术专业论文）木塑复合材料切削温度的研究.pdf

摘要 在天然林资源目益减少的今天，提倡高效利用木质材料是发展循环经济、建设节约型 社会的当务之急。为解决这个问题和利用废弃木材、废弃塑料，新型木塑复合材料迅速发 展起来，在代替木制品方面得到了广泛的应用。木塑材料的切削加工直接影响了其利用率 和加工效率。目前国内外对木塑材料切削参数的研究尚未见报道。 实验采用红外测温法和数控加工方式，对切削木塑产生的切削温度进行了研究，并与 木材切削进行比较，为木塑材料的切削工艺参数提供了基础理论依据。实验得到以下结论： 1 木塑切削中，切削深度、主轴转速和切削宽度增大，切削温度升高；切削深度对 切削温度影响最大，主轴转速次之，切削宽度影响较小；进给速度的增大会使切削温度降 低，但是降低幅度较小。实际切削中可采用较小的切削深度和宽度进行多次切削，适当的 降低主轴转速和增大进给速度的方式，把切削温度控制在木塑材料中塑料的软化点以下。 2 在相同的切削条件下，由于木材中纤维含量远大于木塑材料中的含量，使得木材 切削的摩擦系数大于木塑材料的切削摩擦系数，以及木材质地不均匀等，所以木材的切削 温度比木塑的切削温度要高。木塑材料和木材的切削温度趋势相似。 3 在切削过程中，剪切热对于切削温度的影响较小，刀具温度升高的热源主要来自 前刀面热源区和后刀面热源区，即摩擦热。 关键词：木塑复合材料；木材；切削温度；切削参数 a b s t r a c t a sn a t u r a lf o r e s tr e s o u r c e sa r el o s ta n dw o o dp r o d u c t i o na r en e c e s s a r yf o rt h el i f eo f p e o p l et o d a y ，i ti si m p o r t a n tt op r o m o t eh i g he f f i c i e n c yu t i l i z a t i o no fw o o dm a t e r i a l s ，s u c ha s m a x i m i z i n gt h eu s eo fw o o dp r o d u c t s ，p u r s u i n gh i g hv a l u e a d d e dp r o d u c t s ，d e v e l o p i n gc i r c u l a r e c o n o m ya n db u i l d i n gac o n s e r v a t i o n m i n d e dc o m m u n i t ya sw e l l b a s e do nt h ea b o v e ，t h en e w w o o d p l a s t i cc o m p o s i t em a t e r i a l so w i n gt ot h e i re x c e l l e n tp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e sa n d r e c y c l i n gu s ea r ed e v e l o p e dr a p i d l yi nr e c e n ty e a r s ，e s p e c i a l l yf o ro u t d o o rp a t h s ，s e a t s ， h a n d r a i l s ，s h e e t i n g ，e t c t h ec u t t i n gm e t h o d so fw o o d p l a s t i cm a t e r i a l si st h ek e yt od i r e c t l y a f f e c tt h ee f f i c i e n c yo fu t i l i z a t i o na n dp r o c e s s i n g ，h o w e v e rt h es t u d yo nc u t t i n gp a r a m e t e r so f w o o d p l a s t i cm a t e r i a l sh a sn o tb e e nr e p o r t e dd o m e s t i c a l l yo ri n t e r n a t i o n a l l yu n t i ln o w t h em e t h o d so ft h ei n f r a - r e dt h e r m a li m a g i n ga n dc o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n e w e r eu s e di nt h i ss t u d yt oa n a l y z ec u t t i n gt e m p e r a t u r ew i t hd i f f e r e n tc u t t i n gp a r a m e t e r s w h i c h w a sf u r t h e rc o m p a r e d 、析t hw o o dc u t t i n gp r o c e d u r et op r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ec u t t i n g p r o c e s sp a r a m e t e r so fw o o d - p l a s t i cm a t e r i a l s a n dt h e nt h em a j o rc o n c l u s i o nw a ss u m m a r i z e d a sf o l l o w s ： 1 d u r i n gt h ec u t t i n g ，t h ec u t t i n gt e m p e r a t u r ew o u l di n c r e a s ew h e nc u t t i n gd e p t h ，s p i n d l e s p e e d ，a n dc u t t i n gw i d t hi n c r e a s e s i m p l yp u t ，c u t t i n gd e p t hw a st h em o s ti m p o r t a n tf a c t o ro n t h ec u t t i n gt e m p e r a t u r e ，f o l l o w e db ys p i n d l es p e e d ，a n dc u t t i n gw i d t hw a sl e a s ta f f e c t e d ；a s f e e d i n gs p e e dg o i n gu p ，c u t t i n gt e m p e r a t u r ew o u l db er e d u c e do nas m a l ls c a l e i np r o c e s s i n g t h ec u t t i n go p e r a t i o nr e p e a t e d l yp e r f o r m e dw i t hs m a l lc u t t i n gd e p t h ，s m a l lc u t t i n gw i d t h , a p p r o p r i a t e l yl o ws p i n d l es p e e da n dr a t h e rh i g hf e e d i n gr a t ec o u l dk e e pc u t t i n gt e m p e r a t u r e l o w e rt h a n w o o d p l a s t i cs o f t e n i n gp o i n t , a n dm a k eg o o dq u a l i t yc u t t i n g s u r f a c ef o r w o o d p l a s t i cm a t e r i a l s 2 u n d e rt h es a m ec u t t i n gc o n d i t i o n s ，t h ew o o dc u t t i n gf r i c t i o nc o e f f i c i e n ti sl a r g e rt h a n w o o d p l a s t i cm a t e r i a l sf o rm a s s o n i a n aw o o dh a sa l lu n e v e nt e x t u r ea n df a rm o r ef i b e rc o n t e n t t h a nw o o d p l a s t i cm a t e r i a l s 1 1 1 ec u t t i n gt e m p e r a t u r eo fm a s s o n i a n aw o o di sh i g h e rt h a n w o o d p l a s t i cm a t e r i a l s r e g a r d l e s so ft h i s ，t h ec h a n g i n gu e n d so ft h e i rc u r i n gt e m p e r a t u r e sa r e s i m i l a r 3 i nt h ec u t t i n gp r o c e d u r e ，s h e a rh e a tm o d e r a t e l ya f f e c t e dt h ec u t t i n gt e m p e r a t u r e t h e t e m p e r a t u r eo fc u t t i n gt o o lw o u l di n c r e a s e ，w h i c hw a sm a i n l yf r o mt h ef r o mh e a ts o u r c ea r e ao f t o o lf l a n kf a c ea n dt h er e a ro n e ，t h a ti s ，f r i c t i o nh e a t k e yw o r d s ：w o o d p l a s t i cc o m p o s i t em a t e r i a l s ，w o o d ，c u t t i n gt e m p e r a t u r e ， c u t t i n g p a r a m e t e r s 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作 所取得的成果尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。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注明并表示感谢。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者( 本人签名) ： 确储 l j 缈阡6 月心日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南京林业大学有关保留、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( 中国科学技术 信息研究所；国家图书馆等) ，允许论文被查阅和借阅。本人授权南京林业大学 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，可以汇编和综合 为学校的科技成果，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 文全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密影 ( 请在以上方框内打“ ” ) 学位论文作者( 本人签名) ： 指导教师( 本人签名) ： ba 芏b r | s 日 缔节 致谢 本文是在朱南峰教授悉心的指导和无微不至的关心下完成的。三年来，导师渊博的知 识、深邃的见解和严谨的治学态度，使作者无论是在思想上还是在学业上都深受教益。同 时，在论文撰写、定稿中都倾注了导师大量心血，并且还多次积极创造机会，支持和指引 作者顺利开展论文的研究工作。在此，谨向导师多年的关怀和教诲表示由衷的感谢。 本论文的完稿得益于同学袁恒、许俊、室友刘进、赵凯峰、王军煌；师弟黄丽仁、董 广斌、贺文杰的关心和支持。 感谢父母对作者坚持不懈的鼓励和无微不至的照顾，他们是本人生命中的重中之重。 作者的成长和众多师友、家人的帮助密不可分，在此，谨以最真诚的感情向所有哺育、 关心和支持作者的老师、家人和朋友表示衷心的感谢和祝福。 刘坡 二00 九年六月于南林 1 1 引言 1 绪论 木材的优异性能决定了它成为人们生产、生活中不可缺少的重要材料。随着我国国民 经济的飞速发展和人口的增长，人们对木材及其制品的需求量不断上升。目前，我国森林 覆盖率1 6 5 5 ，相当于世界平均森林覆盖率2 7 的6 1 ；全国人均森林蓄积量为9 0 4 8 立 方米，相当于世界人均森林蓄积量7 2 立方米的1 2 6 ，约是美国人均森林蓄积量8 8 立 方米的1 0 。全国人均木材消费量为0 2 2 立方米，占世界人均木材消费量0 6 5 立方米的 3 4 8 ，因此，我国的森林资源是极其贫乏的。 改革开放近3 0 年来，我国经济平均每年以9 5 的速度增长，家具业每年以1 8 的速 度增长，我国人造板工业8 0 年代平均每年以1 5 的速度增长，9 0 年代平均每年以2 5 的 速度增长，远远高于国内同期g d p 增长率。经济的增长推动我国木材工业的发展，拉动了 木材需求。 在天然林资源日益减少、木材制品日益成为人们生产生活必需品的今天，提倡科学高 效利用木质材料，是寻求产品利用最大化、追求产品高附加值、发展循环经济、建设节约 型社会的当务之急。 为了解决这一问题，我国采取了很多措施，例如，种植人工速生林( 杨木、杉木、泡 桐、湿地松等) 短周期用材。在我国江苏苏北地区，速生材被广泛的种植，资源丰富。速 生材具有适应性广、生长速度快等特点，但是由于速生材纤维结构疏松、材质相对较差， 其应用范围受到较大限制，产品的经济附加值低。 为了解决这个问题和利用废弃木材、废弃塑料，木塑复合材料迅速发展起来。木塑复 合材料是以人造板生产工艺为基础，将木质材料与回收塑料混合后再热压复合而成的新型 复合材料。在此种材料中，塑料既是传统人造板的改性剂也完全替代了传统人造板的粘合 剂，且兼有木材和塑料的成本和性能优点。木塑复合材料所用的木材原料可采用木材加工 剩余物、劣质木材、农业剩余物、城市木材抛弃物等：塑料来源可采用价廉的热塑性高聚 物，如聚丙烯( p p ) 、聚乙烯( p e ) 、聚苯乙烯( p s ) 及聚氯乙烯( p v c ) 或其回收物等，原 料资源数量巨大。原料制备是木塑复合材料生产工艺的关键之一，两种原料要有相互匹配 的形态，才能保证两种材料达到均匀混合，而不出现分离现象。影响板材质量的工艺参数有 木塑比、含水率、温度、压力、热压工艺曲线等。在木塑复合材料中，塑料含量越高，板材 的耐水性能越好，但是，塑料含量太高，板材的力学性能会有所下降。热压温度要在塑料的 熔点以上，但要在木材的分解温度以下。 与木质人造板相比，木塑复合材料具有以下优势：机械性能好：9 8 的原料为废旧材料， 且价值便宜：可锯、可刨、可钉：产品可1 0 0 的回收再利用：产品不怕虫蛀、不长真菌、抗 强酸强碱、不吸水分、不易变形、各向同性：不含游离甲醛，无毒性等。由于木塑复合刨花 板在性能上达到或优于普通人造板性能，所以，目前普通刨花板及中纤板等应用的领域，木 塑复合材料也完全可以应用，是普通人造板的替代品：木塑制品的应用非常广泛：( 1 ) 建筑 装修、装饰材料，如护墙板、踢脚板、天花板、装饰板、壁板、高速公路噪音隔板及建筑 模板等：( 2 ) 公园、球场、街道等场合用于露天桌椅：( 3 ) 交通、市政方面，如铁路轨枕、下 水井盖、格栅板：( 4 ) 包装材料，搬运垫板和托盘：( 5 ) 家居中，围墙、花箱、走道、地板、防 潮隔板和洗脸间的防潮设施等。同时，木塑复合由于废弃塑料无法自然降解，给自然环境 造成严重污染，植物桔秆、木材边角料等因农民不能充分利用，在自然界中焚烧，造成严 重污染和资源浪费。因此，木塑复合材料的开发与应用，开辟了工业化利用农业废弃物的 新途径在减少废旧塑料和植物秸秆焚烧对环境的污染，降低森林采伐量，保护森林资源， 增加就业，提高农民收入，促进地方经济发展等方面有着良好社会和生态效益n 叫0 l 。但是， 在木塑的切削过程中，由于切削热的产生，使得木塑制品的切削质量得不到保障，所以对 于木塑材料切削热的研究是非常有必要的。 切削热是切削过程的主要物理现象之一，切削时所消耗的能量大部分都转化为热能， 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川。 切削过程中切削温度对刀具的磨损和工件精度起着重要作用。在高速切削过程中切削 速度、切削宽度和切削深度等加工参数是如何对切削温度产生影响的，这是尤为重要的n 副。 1 2 切削温度研究的发展及现状 1 2 1 切削温度的测量方法 目前在实验过程中用来测量切削温度的方法很多，但较常用的测量切削温度的方法主 要有以下几种，这里予以简单的说明n 3 。15 1 。 l 、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( 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硕士论文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 2 采用自然热电偶法测量切削温度时，由于温升的影响，导线引出点的温度己不是标定 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 = ot 4 式中e - 物体辐射单元单位面积的辐射能量，w m 2 ： 一物体辐射单元表面辐射率： o 一斯蒂芬一波尔兹曼常数，0 = 5 6 7 e 8 w m - 2 k q ： 卜物体辐射单元的表面温度，k 。 切削时，红外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。红外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 金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 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其金相组织变化。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 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态属于定量分析：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 2 2 切削温度的研究现状 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性关系，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 较低的切削温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u 刮。 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) 1 7 1 6 0 0 1 4 0 0 1 2 0 0 1 0 0 0 ，一、 8 0 0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 ，一一一- - j 一， 啊呵 。 一 1 、 j 一j 。 ，一一书硼 冀一、i 辚础会念 一 一、 饫、“ 队i 纵她 、 7 。 一 瘵；凛钢 ? ，7 t l 1 一1 qi l 刊# ， j ，吖 札 pt ：i ?鼻门 - - f ：r ，- - - -j- 一 f _、一一舅娶锭j 禹l 则灾俐j l 垒 勰，织 3 0 0 6 0 09 0 01 2 0 01 8 0 0 2 4 0 0 v ( 1 m i n ) 图1 1s a i o m o n 博士的切削速度与切削温度理论 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 4 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n 引。相反， t r e n t 却认为在切削铸铁、钢等其它高熔点的金属及合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n9 | 。 杨巧凤等埋训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7 0 6 5 m m i n 。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。 陈明等幢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 所示) ，通过红外热像仪测得己加工表面某点q ，后，反求出最大热流密度 q 。，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 周忆等比2 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。 苌浩心羽对高速铣削钦合金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。 史兴宽等乜4 3 通过红外热像法对钦合金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。 南京航空航天大学的王珉、张幼桢等晗剐应用高速钢组织结构法对铣削加工时的刀具温 度场的分布进行了试验研究，并使用有限差分的方法对铣削加工区的三元非稳定的温度场 进行了计算。 哈尔滨理工大学的谭光宇、郭强等阻印在已有的平前刀面铣刀片铣削温度数学模型的基 础上，利用j a e g e r 的移动面热源理论，建立了波形刃铣刀片铣削温度的数学模型。 东北大学的张东教授乜7 1 等人在铣削温度方面也有重要的研究，他在铣削温度场有限元 数学模型的数学公式推导方面做了大量的工作，推导了运用有限元方面的微分方程和控制 方程。 重庆大学的刘飞、康戈文等1 分析了带圆弧型卷屑槽刀具在正交干切削加工过程中切 削热的产生及分布。建立了剪切功分析模型和切削动态传热模型，并结合刀具传热模型得 出了摩擦热在切屑和刀具间的能量分配比和切屑、刀具内动态温度分布的理论计算方法。 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、 周围介质和刀具。切屑运动过程中同时与前刀面摩擦，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，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、后刀面等处的温度上升心引。 6 图1 3 切削时的热源区域 综上所述，近年来，各国的很多学者在切削温度研究方面做了大量的研究工作，进行 了很多有益的尝试和研究，得出了一些令人感兴趣的结果，但是这些研究的对象都是金属， 对于切削新型木塑复合材料时切削温度的研究在国内外尚未见报道。作为新型的“代木” 材料，木塑复合材料已经广泛应用于很多领域，对于它的切削理论有待进一步的研究和分 析。 1 3 研究的目的与意义 在切削机理研究中，切削温度的研究是至关重要的，切削温度随切削参数改变的变化 规律是切削工艺分析的主要依据之一。因为目前还没有完善的切削温度理论可供借鉴，所 以实验研究就成为最基础、最接近真实情况的研究方法。 本研究的主要目的是测定新型木塑复合材料切削加工条件下，试件切削区的温度。寻 求切削温度随进给速度速度、切削深度、切削宽度和主轴转速等切削参数的变化规律，为 优化木塑切削工艺参数和提高切削表面质量提供理论依据。 1 4 研究方法与创新点 切削温度的高低与刀具材料、工件材料、切削速度、主轴转速、切削宽度以及切削深 度有关，本研究采用端铣刀，对木塑复合材料和马尾松木材进行面切削。实验中采用不同 的切削速度、主轴转速、切削宽度以及切削深度，对切削温度进行研究，分析各切削参数 对切削温度的影响规律，特别是切削温度对木塑复合材料中塑料成分的影响。 创新点： 1 目前国内外对新型木塑复合材料切削温度的研究尚未见报道。 2 研究木塑复合材料切削中，切削工艺参数对切削温度的影响，并与木材切削进行比较， 国内外也尚未见报道。 3 研究木塑复合材料切削中，切削温度动态变化规律，为木塑的切削工艺参数提供基础的 理论依据。 7 2i 实验设备 2 1 1 木材敦控加工中心 2 实验方法 木材数控加工中心是一类功能较全面的数控加工机床，它把加工工艺中的锯、铣、 钻削和开槽等加工功能集中在一台机床上，使其具有多种加工手段。本实验所用的s m a r t 5 - a x i s 数控加工中心是目前世界上先进的木材数控加工中心之，它具有x 、y 、z 轴及 围绕x 、y 轴旋转的5 坐标轴独立及联动切削加工能力可加工各种异形木制品及木质工 艺品，该数控加工中心如图2l 所示。其技术参数如表2 - 1 所示。 表2 - is m a r t5 - a x i s 木材数控加工中心技术参数 娄1 啄孑 囵 圈 一0 嬲 、! _ t l ， 图2is m a r t - s a x i s 数控加工中心 2i2t h e r m o v isi o na 2 0 一m 红外热像仪 t h e r m o v i s i o n t ma 2 0 - m ( 图22 ) 可在- 2 0 c 到+ 9 0 0 c 之间探测到细微至01 0 c 的温度 8 变化。a 2 0 - m 可生成清晰高分辨率热图像( 1 6 0 x 1 2 0 像素) ，并可对每幅图像中多达1 9 0 0 0 个单独像素点进行测温，图像刷新频率为5 0 h z 。详细参数见表2 吨1 。 表2 2 红外热像仪技术参数 f o r 视场( 宽x 高) 最小焦距 i f o v 空间分辨率 热灵敏度( n e t d ) 帧频 探搠i 器类型 波长范围 测温范围 精度 大气穿透率校正 可选镜头( 视场最小焦距) 操作温度 湿度 f i 针螺钉安装的终端( 上面) f i 针螺钉安装的终端( 下面) 6 针i e e e - 1 3 9 4 ( 火线) 1 9 。x 1 49 内置03 m 27m a d 01 ( 3 0 c 时) 5 0 6 0 h z ( 非插入法) 伟平面，非制冷微量热型探测嚣( m i c r o b o l o m e t e r ) 1 6 0 x1 2 0 像素 75 1 3u - 2 0 一+ 9 0 0 2 ( 读数范罔) 或2 c 自动，基于目标距离、 大气温度及相对湿度 矿镜头( 矿x r i2 m ) ，3 矿镜头1 3 4 。x 3 2 5 0l m ) ，6 0 。镜头( 6 0 0 x 4 5 0 0l m ) 一1 5 一+ 5 0 1 0 9 5 ( 非挣凝) 数字i o ，3 路输出l 路输入1 路输入输出可选。 功能用户自定义。 模拟i o ，2 路输出l 路输入 功能用户自定义。 数字图像输出( 8 或1 6 b i t ) 红外热像仪控制，电源 输 ( 1 2 2 4 v ， 6 w ) 图22 2 洲红外热像仪 2 13 切削刀具 本实验选用的是蓝帜( l e i t z ) 公司生产的2 4 】i i l 端铣刀，如图25 所示。技术参数如 9 表2 - 3 所示 表2 - 3 刀具技术参数 刀具直径m 刀具总长呻 刀刃长度哪 刀柄直径m m 门柄长度哪 2 4 7 0 2 5 1 0 图232 4 咖柄铣刀 21 4 试验材料 奉实验采用的木塑复合材料主要成分为高密度聚乙烯( h o p e ) 和稻壳粉末，如图24 ， 对比实验材料为马尾松木材。 木塑复合材料“。“耐用、使用寿命长，比塑料制品硬度高、刚性好；有优良的物理性 能比木材尺寸稳定性好不会产生裂纹、翘曲、无木材节疤、斜纹；具有热塑性塑料的 加工性，便于推广使用；有本材的二次加工性：可锯、可刨、粘结、用钉子或螺钉固定， 并且容易维修：不怕虫蛀、耐老化、耐腐蚀、不会吸潮变形：能从复利用和回收再利用也 可生物降解，对环境友好。木塑复合材料已被广泛用于社会的各个行业，如：建筑、铁路、 汽车、物流等等。 图24 木塑复台材料 马尾松酬”是我国南方主要的产脂、造纸和用材树种，分布广，生长快。术材纹理直 或斜，加工容易切面光滑，干燥后常有翘曲变形胶轱和油漆性能不良握钉力强，耐 水湿，对腐蚀、虫蛀抵抗力差，但在水中经久不腐。马尾松用途很广，可做为建筑材、枕 木、坑木、电柱等，是较好的造纸材。实验中使用的马尾松密度为04 6 5 9 c m 3 ，含水率为 1 5 。 215 实验用软件 计算辅助设计制造( c a d c a l f ) 软件 实验中计算机辅助制造和设计软件采用英国l i c o m 公司出品的a l p h a c h ma d v a n c e d 3 d5 - a x i sr o u t e r 软件，其界面如图2 5 所示。它是典型的c a d c a m 一体化形式的软件， 其主要功能包括二维、三维造型构建与修改，刀具的定义和选择，刀具轨迹的生成、编辑 和验证，五坐标轴自动编程，对于外形铣削、钻削加工、挖槽加工、平面铣削、曲面粗加 工、曲面精加工等加工方式都可自动编程。 固25a i p h a o , l 软件界面 数控加工中心后置处理软件p i t a g o r a 数控加工中心后置处理软件p i t a g o r a 界面如图2 6 所示。该软件是针对s m a r t 5 - a x is 数控加工中心设计的专用软件。通过设置合理的刀具参数、坐标系偏置值后，能 够全程动态模拟加丁过程检验在加工过程中，刀具、试件、工作台是否存在干涉现象 检查是否有超行程、碰撞等情况的发生。 温度数据采集处理t h e r m a c a mr e s e a r c h e rp r o27 软件 软件t h e r m a c a mr e s e a r c h e rp r o27 界面如图27 所示。该软件是a 2 0 m 的配套软件。 通过设置合理的温度测量范围、数据记录方式、刀具辐射率、日标距离、大气温度、大气 湿度等参数，能够在计算机上对切削温度进行实时的监控、记录。 图26p 【t a g o r a 软件界面 图27t h v r 阳o a mr e s e a r c h e rp r o27 软件界面 本实验选用的切削参数见表2 4 表2 - 4 切削参数 主轴转速r p m切削深度m m切削宽度m m进给速度m m i n 3 1 0 0 0 05 1 2 6 1 0 1 0 0 0 0 1 3 0 0 0 51 06 1 6 0 0 0 7 1 2 0 0 01 21 08 1 6 8 1 5 0 0 051 36 1 6 1 3 3 实验手段及原理 31 切削温度的测量方法 本实验中采用的是红外热像仪法。在切削工程中进行拍摄，使用t h e r m a c a m r e s e a r c h e rp r o27 可获取视频资料，读取视频资料，获得实时的切削温度变化曲线。 311 红外热像仪测温的理论1 电磁波谱划分成若干任意波长区域所谓的波谱带，它根据产生的方法和辐射进行区 分。电磁波谱中不同的波谱带没有本质性的区别，它们都遵循相同的规律，唯一的区别是 波长不同。 图31 电磁波谱1 ：x 射线2 ：紫外线：3 ：可见光4 ：红外线5 ：微波g ：无线电波。 热像仪利用的是红外光谱。红外光谱的短波一端与可见光相邻，为深红色：红外光谱 的长波端与微波相邻。在红外波段往往是进一步细分为四个小区域。这些区域包括：近 红外( o7 53um ) ，中远红外( 3 - 6um ) 远红外线( g - 1 5 um ) 和极远红外( 1 5 1 0 0 um ) 。虽然波长给出微米( um ) ，其他单位仍经常用来衡量光谱波长在这个地区，如： 纳米( n m ) 和埃( a ) 。 不同波长单位之间的关系是：1 0 0 0 0 a = 1 0 0 0 n m = iu1 1 1 3 12 黑体辐射理论 根据黑体辐射定律，能够吸收所用波长的辐射能量，同时没有能量的反射和透过，这样 的物体称之为黑体，其表面发射率为i 。自然界中存在的实际物体，几乎都不具备黑体的条 件”。 黑体来源的结构原理非常简单。在不透明吸收材料制成的等温腔体中形成的空隙的辐 射性质确切说明了黑体的性质。完全吸收辐射的结构原理的实际应用是用一个不透光的盒 子，在一边留一个小孔。任何进入小孔的辐射分散，并被重复反射吸收，因此只有极少数 量的辐射流失。在小孔处的黑度基本上相当于黑体和完整的总波长。有了合适的发热源， 这样一个等温腔成了一个辐射腔。等温腔加热周围统一的温度就产生了黑体辐射，该黑体 辐射的性质是由腔体的温度决定的。这样的腔体辐射器通常被用于实验室中的标准辐射源 来校准温度记录仪。 通过提供这样一个温腔一个合适的加热器成为所谓的腔散热器。等温腔加热到一个统 一的温度产生黑体辐射，其特点是决心完全由温度腔。这种腔散热器常用作为辐射源的温 度参考标准在实验室校准温度文书，如前视红外系统拍摄的例子。 如果温度的黑体辐射增加至超过5 2 5 ( 9 7 7 。f )