熱電偶法的高速銑削溫度實(shí)驗(yàn)研究

摘要:通過半人工熱電偶夾絲測溫法的轉(zhuǎn)速單因素實(shí)驗(yàn),研究在高轉(zhuǎn)速環(huán)境下溫度隨速度變化的規(guī)律,得到了切削區(qū)溫度與速度的初步規(guī)律,對以后的研究有一-定的指導(dǎo)作用。
　　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)廣口。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: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)相對較少。.紅外熱像儀測量鋁合金的銑削溫度,但是這種方法測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CarlSalomon博士提出高速切削理論:任何--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,之后溫度又會隨速度的增加而降低。經(jīng)過長達(dá)半個(gè)世紀(jì)的理論探索,全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溫法,通過對自制熱電偶的標(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-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φ16mm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)
　　采用半人工熱電偶夾絲測溫法,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，會產(chǎn)生熱電流的溫差現(xiàn)象。熱電偶就是利用熱電勢隨兩接點(diǎn)的溫差現(xiàn)象特性來測量溫度的。其原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
 
1.2.1熱電偶的標(biāo)定
　　由于康銅箔片是白制的，還沒有熱電勢-溫度的關(guān)系數(shù)據(jù)可以采用，所以要對熱電偶進(jìn)行標(biāo)定，也就是寸:找熱電偶的熱電勢與溫度的關(guān)系特性。具體做法:將標(biāo)準(zhǔn)的鉑銠10-鉑熱電偶和白制康銅箔片按圖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)晶體毫伏表的電勢值,通過查熱電偶分度手冊》得出標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電勢對應(yīng)的實(shí)際加熱溫度,此溫度也就是康銅箔片熱電勢對應(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
　　實(shí)驗(yàn)是在常溫20℃下進(jìn)行的，沒有保證冷端處于0℃,對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成了一定的影響，所以必須對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。結(jié)合實(shí)際情況，選用熱電勢修正法。具體公式如下:
E_AB(T,T₀)=E_AB(T,T_n)+E_AB(T_n,T₀)（1）
　　式中,E_AB(T,T_n)表示基于常溫T_n,把標(biāo)準(zhǔn)鉑銠10-鉑熱電偶加熱至T所測的熱電勢;T₀為0℃且E_AB(T_n,T₀),在熱電偶分度手冊》上查出具體熱電勢為0.113mV。表1、2分別為修正后鉑銠10-鉑熱電偶的溫度-電勢關(guān)系以及電勢所對應(yīng)的實(shí)際加熱溫度。
 
　　按照上述方法對數(shù)據(jù)處理后，按描點(diǎn)法繪制康銅箔片的電勢-溫度的曲線圖,如圖3所示。
1.3測溫實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
　　主要是在高轉(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=4mm,徑向切深ae=2mm,每齒進(jìn)給量ƒ=0.15mm,轉(zhuǎn)速S從5000r/min按4000r/min遞增至34000r/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。
 
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: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，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)同一種材料對應(yīng)不同刀具在相同的加工速度下會同時(shí)出現(xiàn)溫度“頂峰”，并且速度-溫度曲線的走勢基本相似。Al6063對應(yīng)的臨界速度為854.08m/min,LY12對應(yīng)的臨界速度為1055.04m/min.
(3)通過上述兩種材料的速度-溫度曲線圖對比,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)生的切削熱相對較多,導(dǎo)致加工過程中會出現(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
(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;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。對于CarlSalomon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溫法能夠比較準(zhǔn)確的檢測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。