1 引言
粘結破損在刀具的破損中占有重要的比例。特別是在重型、斷續(xù)切削耐熱鋼及高溫合金時，刀具的粘結破損更為嚴重。本文主要以3Cr-1Mo-1/4V耐熱鋼作為主要研究對象，這是一種最新研制的大型化工容器殼體材料。3Cr-1Mo-1/4V鋼的切削加工比不銹鋼加工還要困難，在加工時刀—屑間的粘結十分嚴重。前刀面刀—屑接觸區(qū)內最高溫度及溫度場是確定刀具是否產生粘結的主要依據，銑削溫度對于研究粘接破損具有重要作用。因此測量銑削溫度、研究溫度場及表面受熱密度函數，可為研究銑刀片的粘接破損機理及槽型優(yōu)化技術提供重要的數據和理論依據。 本文從試驗出發(fā)，研究銑削3Cr-1Mo-1/4V鋼過程中銑削溫度的瞬時變化規(guī)律；還分別對平前刀面銑刀片和波形刃銑刀片進行了銑削溫度對比試驗研究。 2 銑削溫度測量系統(tǒng)為研究不同槽型銑刀片受熱密度函數及溫度場數學模型，采用人工熱電偶法來測量刀—屑接觸面的銑削溫度。
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圖1 測量溫度系統(tǒng)的原理圖
| 人工熱電偶法的基本原理是熱電偶的熱端焊接在刀片預定要測量溫度的位置上，通過信號傳輸系統(tǒng)和動態(tài)數據采集系統(tǒng)，就可以測得焊接點上的溫度變化。銑床和銑刀運動屬于旋轉系統(tǒng)，傳統(tǒng)的方法是在信號采集線路中引入集流環(huán)，實現旋轉系統(tǒng)的信息采集和傳輸，但要準確地測出切削區(qū)的瞬態(tài)溫度值還存在著一些問題，因為人工熱電偶的電訊號極其微弱，集流環(huán)在進行訊號的傳輸過程中，噪聲引起的誤差可能使測量值失真，且集流壞的固定也不方便。為此，本試驗設計開發(fā)了旋轉系統(tǒng)信號處理和傳輸部件—轉軸信號變送器(已獲實用新型專利)。切削時，轉軸信號變送器隨主軸一起旋轉，其輸入端與熱電偶的兩極相連，輸出端與電刷接觸。該變送器具有體積小、易拆裝、便于操作的優(yōu)點，不僅具有傳統(tǒng)集流環(huán)的使用性能，而且抗干擾能力強。銑削溫度測量系統(tǒng)如圖1 所示。 3 銑削溫度試驗系統(tǒng)軟硬件配備為研究切削用量和不同刀片槽型對銑刀片切削性能的影響，分別采用兩種槽型刀片切削3Cr-1Mo-1/4V鋼，運用人工熱電偶，通過A/D轉換和動態(tài)數據采集與處理系統(tǒng)對切削溫度進行信號采集與處理。根據試驗的需要，在試驗前應做好銑刀片測溫孔、熱電偶的制備及數據采集系統(tǒng)的參數設置等工作，以確保試驗順利進行。
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圖2 刀片上測溫點的分布
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圖3 熱電偶的安裝方法
| 銑刀片測溫孔的獲得 根據試驗要求選擇測量點的坐標如圖2 所示，各測溫點的坐標分別為1(2，2)，2(2，3.5)，3(2，5)，4(3.5，2)，5(3.5，3.5)，6(3.5，5)。 在刀片底面接近刀尖處，沿平行于刀片后刀面的方向按上述坐標點，用電火花從刀片底部打出盲孔，孔徑為1 .5mm，孔深約為4mm。要求打孔一次成形，孔深最大值應比刀片厚度小0 .5mm。 溫度傳感器的組裝 本試驗所采用的測溫傳感器為K 型標準熱電偶，它的正極為鎳鉻合金導線，負極為鎳硅合金導線。熱電偶的測量端采用絞狀點焊形成，焊接時用電源電壓為220V 交流電，通過石墨電極產生電弧熔解熱電偶的兩極。利用電容放電原理將熱電偶的熱端焊接到刀片測溫孔底部。在確保熱電偶兩極之間以及每一極與孔壁之間絕緣后，用環(huán)氧樹脂填充固定測溫孔。熱電偶在刀片上的安裝方法如圖3 所示。 動態(tài)數據采集系統(tǒng)及其參數設置 試驗數據的采集使用北京慣性技術研究所FAS-4DEE-2 動態(tài)數據采集與處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)是測力儀的配套軟件，基于Windows 平臺，采用標準Windows 應用程序界面。預先設置系統(tǒng)選項，將采集模式設為“非測力儀模式”，顯示模式設為“電壓”，采集頻率設為2Hz，即每0.5s 采集一個點。系統(tǒng)的采集頻率越低，系統(tǒng)受到的干擾越小，試驗數據更精確，誤差也越小。 4 銑削溫度試驗 試驗條件及方法 試驗條件 工件尺寸：220mm×190mm×120mm；材料：3Cr-1Mo-1/4V鋼；使用規(guī)格為16mm×16mm 的方形可轉位銑刀片，分別為傳統(tǒng)的平前刀面銑刀片和哈爾濱理工大學自行開發(fā)的波形刃銑刀片，其幾何參數和材質見表1。 本試驗在X5030A 型立式升降臺銑床上進行，面銑刀直徑為160mm。
表1 刀片幾何參數和材質
| 刀片種類 |
前角 |
后角 |
刃傾角 |
牌號 |
| 波形刃銑刀片 |
8° |
7° |
+15°～-15° |
YT535 |
| 平前刀面銑刀片 |
0° |
7° |
0° |
YT540 | |
表2 試驗切削參數
| 切削速度(m/ min) |
進給量(mm/ min) |
背吃刀量(mm) |
| 27.646，40.212，55.292 |
19，36，68 |
1，1.5，2，2.5，3 | | 試驗方法 試驗用切削用量如表2 所示。為了獲得足夠多的數據點，同時盡量減少試驗次數，在試驗中采用單因素法選擇試驗參數組合，共進行了三組試驗：第一組取切削速度vc=55.292m/min為定值，分別變化進給量、背吃刀量和刀片槽形；第二組取進給量vf=36mm/min為定值，分別變化切削速度、背吃刀量和刀片槽形；第三組取背吃刀量ap=2mm為定值，分別變化切削速度、進給量和刀片槽形進行銑削溫度試驗。
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圖4 切削區(qū)的瞬態(tài)溫度變化圖
| 試驗結果 銑削時，由于切削與空冷的交替變化，刀具表面上的溫度發(fā)生周期性變化，在刀具切入工件時，在刀—屑接觸面上產生高溫，并向刀具體內傳遞，產生很大的溫度梯度；當刀具切出工件時受冷卻，刀—屑接觸區(qū)驟然降溫，刀體內溫度重新分布，至再次切入時，溫度又驟升。由計算機采集到的銑削溫度值也證實了這一點。選擇試驗參數為vc=55.292m/ min、ap=2mm、vf=36mm/min 的一組數據為例，動態(tài)數據采集與處理系統(tǒng)采集到的溫度曲線如圖4 所示，其中橫坐標為切削時間，縱坐標為經過放大以后的溫差電動勢。 5 試驗數據處理與分析動態(tài)數據采集系統(tǒng)采集到的數據是銑削過程中測溫點各個瞬間的溫差電動勢，它的大小受溫度測量系統(tǒng)本身及外界環(huán)境的影響很大，而且采集系統(tǒng)所顯示的溫差電勢變化曲線也不是一個切削周期內的連續(xù)曲線；另外，利用人工熱電偶法所得到的測溫點溫度并不是前刀面上的溫度，熱電偶的冷端溫度也不是0℃。為了獲得前刀面刀—屑接觸區(qū)上的真實溫度，探索該溫度與對應切削時刻的內在聯系，建立實驗方程，必須依據數學手段對原始試驗數據進行必要的處理，從眾多數據中提取需要的數據，為我所用。在這里仍以切削試驗參數為vc=55.292m/min、vf=36mm/ min、ap=2mm 的一組數據為例說明處理的方法和步驟。 切削周期的計算 已知刀盤直徑d0、工件寬度ae和主軸轉速n(rpm)，則切入時間ti為
刀盤的旋轉周期為T=60/n，那么切出時間to為
| to=
| 1 |
(180°-arcsin |
ae |
) |
|
|
| 3n |
d0 | |
(2) | 將n、ae、d0分別代入上面的公式，就可以得到不同切削條件下的切入切出時間。對于標準切削條件為：vc=55.292m/min，ae=120mm，d0=160mm，則對應的切入切出時間為ti=0.1472s，to=0.3983s，刀盤的旋轉周期T=0.5455s。 時刻轉換 由于動態(tài)數據采集與處理系統(tǒng)采集到的點不在一個切削周期內，需要將這些點都轉化到一個周期內。切削達到穩(wěn)態(tài)時，其數值是呈周期性變化的，因此只要模擬出一個周期內的溫度—時間曲線，就可以代表整個切削過程中的溫度變化。 選擇波形刃銑刀片上第1 個測溫點說明轉換過程：取切削達到穩(wěn)態(tài)后的某一個切出時刻作為時刻轉換參考點，此處取為23s，則切入時刻為23s-ti=22.8528s；取22.8528s 為自定義時刻的0時刻，則刀具在工件上進行切削的時間段為：22.8528s+nT～23s+nT(n為非負整數)；但是，由于信號采集周期是0.5s，采集時刻為0s、0.5s、1s，因此只有采集時刻恰好在切削時間段內才有意義。為此，需要計算出在切削時間段內的采集點所對應的時刻。編制C ++ Builder 程序以進行這一步運算(由于篇幅所限，原程序省略)�？梢暬丶﨤istBox1的輸出結果S1～S2就是在切削時間段內的點。根據該輸出結果判斷采集到的點是否在切削時間段內。例如：在49.5000～49.6472s內，有一點進行了采集(49.5s)；而在50.0455～50.1927s 時間段內，并沒有進行采集。 周期轉換 通過時刻轉換，從采集曲線中提取到適合的時刻后，需要將其轉換為一個周期內的時刻，以方便計算。切削達到穩(wěn)態(tài)后，切削溫度的變化可以看作一個周期函數，其周期就是刀具的旋轉周期。因而可以將所有的點都轉換到一個周期內(由于篇幅所限，計算周期轉換的C ++ Builder 程序省略)。程序中字符串S1所對應的值為采集點的時刻，S2所對應的值為轉換到一個周期內的時刻。 熱電偶的冷端溫度補償 熱電偶的熱電勢的大小不但與熱端溫度有關，而且與冷端溫度有關，只有在冷端溫度恒定的情況下，熱電勢才能反映熱端溫度大小。各種熱電偶的分度表是在冷端溫度為0℃的情況下得到的。而本實驗所采用測溫熱電偶的冷端放置在大氣中，其溫度并非0℃，而是接近環(huán)境溫度，因此不能直接用測得的熱電勢E(q，q0)去查分度表得到q。為了消除冷端溫度變化對測量的影響，筆者采用計算法實現冷端溫度補償，其計算公式為：
| E(q，0)= E(q，q0)+ E(q0，0) |
(3) | 式中，E(q，0)為冷端溫度為0℃而熱端為q℃時的熱電勢，E(q，q0)為冷端溫度為q0℃而熱端為q℃時的熱電勢(即實測值)，E(q0，0)為冷端溫度為q0℃時的應加校正值，它相當于同一支熱電偶在冷端為0℃，熱端溫度為q0℃時的熱電勢，該值可以從熱電偶分度表中查得。 然后用E(q，0)從分度表中查得溫度q，q 就是通過計算補償了冷端溫度不在0℃所產生的熱電勢變化后得到的熱端溫度。 溫度轉換 用人工熱電偶法只能測出距前刀面有一定距離的某點處的溫度，而不能直接測出前刀面的溫度。因此需要借助傳熱學計算前刀面上的溫度。當切削達到穩(wěn)定狀態(tài)后，通過刀片基面法線方向的各個截面的熱流量近似相等，且測量孔底部到前刀面的距離與刀片寬度相比，相對較小，因此可以按照一維穩(wěn)態(tài)導熱來簡化計算前刀面上的溫度。設測量孔深度為d2，測量孔底部到前刀面的距離為d1，測量點溫度為q1，刀片底面溫度為q2，則前刀面上對應點的溫度q 通過傳熱學公式計算為
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圖5 波形刃銑刀片六個測溫點的T-t曲線
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圖6 刀—屑接觸區(qū)平均溫度—時間曲線
| 曲線擬合及試驗結果分析 經過上述幾步轉換后，從試驗原始曲線上獲得了有限個數據點，但它們具有很大的離散性，直接分析很難尋找出內在的規(guī)律性，還需要經過排序和曲線擬合處理，從而得出銑削溫度在一個切削周期內隨時間變化的實驗方程。 獲取整切削周期內的有限個采集時刻后，首先要按從小到大的順序排列，然后從原始實驗曲線上讀出對應時刻的熱電勢，轉換為前刀面上的溫度，得出溫度—時間(T-t)序列，進而利用MATLAB 軟件擬合出T-t方程式，經編程計算得第1點的T-t方程式如下： T=-37440t4+49693t3-22333t2+3495t+351 其余各點的T-t曲線擬合過程與第1點相同，可以把每種刀片6個測溫點的曲線利用Matlab繪圖功能在一個窗口顯示出來，以更好地觀察各個點的溫度變化趨勢，并進行對比。圖5 為最終得到的波形刃銑刀片6個點的溫度—時間曲線。 同理，可以擬合出波形刃和平前刀面銑刀片前刀面刀—屑接觸區(qū)平均溫度與時間的試驗方程式，分別為式(5)和式(6)，相應的圖形顯示見圖6。
| TW=-19657t4+26587t3-12336t2+2021t+341 |
(5) |
| Tf=-10906t4+16357t3-8678t2+1650t+382 |
(6) | 如圖5 所示，各點切削溫度變化規(guī)律符合切削理論及傳熱學理論，說明切削溫度測試系統(tǒng)(含數據采集及處理系統(tǒng))性能良好。 從圖6 可以看出，從抗粘結破損性能出發(fā)，波形刃銑刀片的切削性能優(yōu)于平前刀面銑刀片。
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圖7 系統(tǒng)功能模塊結構圖
| 6 實驗數據處理應用軟件的編制通過前面的數據處理手段，我們就可以得到銑削溫度與時間的響應函數關系，但是從試驗獲得的數據量是相當龐大的，而對于其中的每一組試驗值都需要經過上述處理才能獲得所期望的結果。整個過程重復性的輸入太多，過程中的數據銜接也都為手工計算，不僅費時費力，計算精度也不容易保證。為了計算準確及時，減輕勞動強度，提高工作效率，結合工作實際利用面向對象的可視化編程語言C ++ Builder 開發(fā)了一套數據處理軟件—銑削溫度試驗數據處理系統(tǒng)。系統(tǒng)主要功能模塊如圖7 所示。 程序編制過程中充分發(fā)揮了C ++ Builder 的GUI 編程功能，采用了面向對象的編程技術、事件驅動的編程機制，使該系統(tǒng)不僅具有友好的用戶操作界面，而且兼?zhèn)渫晟频墓δ�。應用此系統(tǒng)，只需輸入特定的參數就可以自動完成從實驗數據處理到銑刀片刀體溫度和受熱密度函數數值計算的全部過程，大大縮短了數據處理的周期與時間。 7 結語 測試的各點溫度變化規(guī)律符合切削理論及傳熱學理論，說明切削溫度測試系統(tǒng)(含數據采集及處理系統(tǒng))性能良好。 從抗粘結破損性能出發(fā)，波形刃銑刀片的切削性能優(yōu)于平前刀面銑刀片。 |
