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三维复杂槽型铣刀片铣削温度试验研究 |
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作者：宁世有 李振加 程耀南 王玉斌 |
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摘要：基于人工热电偶法及自行设计的转轴信号变送器，建立了铣削温度试验系统；通过时刻转换、周期转换、热电偶冷端温度补偿、温度转换和曲线拟合等数据处理手段，得到了不同槽型铣刀片各个测温点的温度以及前刀面刀—屑接触区的平均温度与时间之间的试验方程式；编制了实验数据处理应用软件。试验结果证明：测试系统性能良好；并且波形刃铣刀片切削性能优于平前刀面铣刀片。研究成果为受热密度函数与温度场数学模型的建立打下基础。
1 引言
粘结破损在刀具的破损中占有重要的比例。特别是在重型、断续切削耐热钢及高温合金时，刀具的粘结破损更为严重。本文主要以3Cr-1Mo-1/4V耐热钢作为主要研究对象，这是一种最新研制的大型化工容器壳体材料。3Cr-1Mo-1/4V钢的切削加工比不锈钢加工还要困难，在加工时刀—屑间的粘结十分严重。前刀面刀—屑接触区内最高温度及温度场是确定刀具是否产生粘结的主要依据，铣削温度对于研究粘接破损具有重要作用。因此测量铣削温度、研究温度场及表面受热密度函数，可为研究铣刀片的粘接破损机理及槽型优化技术提供重要的数据和理论依据。
本文从试验出发，研究铣削3Cr-1Mo-1/4V钢过程中铣削温度的瞬时变化规律；还分别对平前刀面铣刀片和波形刃铣刀片进行了铣削温度对比试验研究。
2 铣削温度测量系统
为研究不同槽型铣刀片受热密度函数及温度场数学模型，采用人工热电偶法来测量刀—屑接触面的铣削温度。
人工热电偶法的基本原理是热电偶的热端焊接在刀片预定要测量温度的位置上，通过信号传输系统和动态数据采集系统，就可以测得焊接点上的温度变化。铣床和铣刀运动属于旋转系统，传统的方法是在信号采集线路中引入集流环，实现旋转系统的信息采集和传输，但要准确地测出切削区的瞬态温度值还存在着一些问题，因为人工热电偶的电讯号极其微弱，集流环在进行讯号的传输过程中，噪声引起的误差可能使测量值失真，且集流坏的固定也不方便。为此，本试验设计开发了旋转系统信号处理和传输部件—转轴信号变送器(已获实用新型专利)。切削时，转轴信号变送器随主轴一起旋转，其输入端与热电偶的两极相连，输出端与电刷接触。该变送器具有体积小、易拆装、便于操作的优点，不仅具有传统集流环的使用性能，而且抗干扰能力强。铣削温度测量系统如图1 所示。
图1 测量温度系统的原理图
3 铣削温度试验系统软硬件配备
为研究切削用量和不同刀片槽型对铣刀片切削性能的影响，分别采用两种槽型刀片切削3Cr-1Mo-1/4V钢，运用人工热电偶，通过A/D转换和动态数据采集与处理系统对切削温度进行信号采集与处理。根据试验的需要，在试验前应做好铣刀片测温孔、热电偶的制备及数据采集系统的参数设置等工作，以确保试验顺利进行。
1) 铣刀片测温孔的获得
根据试验要求选择测量点的坐标如图2 所示，各测温点的坐标分别为1(2，2)，2(2，3.5)，3(2，5)，4(3.5，2)，5(3.5，3.5)，6(3.5，5)。
图2 刀片上测温点的分布
在刀片底面接近刀尖处，沿平行于刀片后刀面的方向按上述坐标点，用电火花从刀片底部打出盲孔，孔径为1 .5mm，孔深约为4mm。要求打孔一次成形，孔深最大值应比刀片厚度小0 .5mm。
2) 温度传感器的组装
本试验所采用的测温传感器为K 型标准热电偶，它的正极为镍铬合金导线，负极为镍硅合金导线。热电偶的测量端采用绞状点焊形成，焊接时用电源电压为220V 交流电，通过石墨电极产生电弧熔解热电偶的两极。利用电容放电原理将热电偶的热端焊接到刀片测温孔底部。在确保热电偶两极之间以及每一极与孔壁之间绝缘后，用环氧树脂填充固定测温孔。热电偶在刀片上的安装方法如图3 所示。
图3 热电偶的安装方法
3) 动态数据采集系统及其参数设置
试验数据的采集使用北京惯性技术研究所FAS-4DEE-2 动态数据采集与处理系统。该系统是测力仪的配套软件，基于Windows 平台，采用标准Windows 应用程序界面。预先设置系统选项，将采集模式设为“非测力仪模式”，显示模式设为“电压”，采集频率设为2Hz，即每0.5s 采集一个点。系统的采集频率越低，系统受到的干扰越小，试验数据更精确，误差也越小。
4 铣削温度试验
1) 试验条件及方法
试验条件 工件尺寸：220mm×190mm×120mm；材料：3Cr-1Mo-1/4V钢；使用规格为16mm×16mm 的方形可转位铣刀片，分别为传统的平前刀面铣刀片和哈尔滨理工大学自行开发的波形刃铣刀片，其几何参数和材质见表1。
本试验在X5030A 型立式升降台铣床上进行，面铣刀直径为160mm。表1 刀片几何参数和材质
| 刀片种类 | 前角 | 后角 | 刃倾角 | 牌号 | | 波形刃铣刀片 | 8° | 7° | +15°～-15° | YT535 | | 平前刀面铣刀片 | 0° | 7° | 0° | YT540 |
表2 试验切削参数
| 切削速度(m/ min) | 进给量(mm/ min) | 背吃刀量(mm) | | 27.646，40.212，55.292 | 19，36，68 | 1，1.5，2，2.5，3 |
试验方法 试验用切削用量如表2 所示。
为了获得足够多的数据点，同时尽量减少试验次数，在试验中采用单因素法选择试验参数组合，共进行了三组试验：第一组取切削速度vc=55.292m/min为定值，分别变化进给量、背吃刀量和刀片槽形；第二组取进给量vf=36mm/min为定值，分别变化切削速度、背吃刀量和刀片槽形；第三组取背吃刀量ap=2mm为定值，分别变化切削速度、进给量和刀片槽形进行铣削温度试验。
2) 试验结果
铣削时，由于切削与空冷的交替变化，刀具表面上的温度发生周期性变化，在刀具切入工件时，在刀—屑接触面上产生高温，并向刀具体内传递，产生很大的温度梯度；当刀具切出工件时受冷却，刀—屑接触区骤然降温，刀体内温度重新分布，至再次切入时，温度又骤升。由计算机采集到的铣削温度值也证实了这一点。选择试验参数为vc=55.292m/ min、ap=2mm、vf=36mm/min 的一组数据为例，动态数据采集与处理系统采集到的温度曲线如图4 所示，其中横坐标为切削时间，纵坐标为经过放大以后的温差电动势。
图4 切削区的瞬态温度变化图
5 试验数据处理与分析
动态数据采集系统采集到的数据是铣削过程中测温点各个瞬间的温差电动势，它的大小受温度测量系统本身及外界环境的影响很大，而且采集系统所显示的温差电势变化曲线也不是一个切削周期内的连续曲线；另外，利用人工热电偶法所得到的测温点温度并不是前刀面上的温度，热电偶的冷端温度也不是0℃。为了获得前刀面刀—屑接触区上的真实温度，探索该温度与对应切削时刻的内在联系，建立实验方程，必须依据数学手段对原始试验数据进行必要的处理，从众多数据中提取需要的数据，为我所用。在这里仍以切削试验参数为vc=55.292m/min、vf=36mm/ min、ap=2mm 的一组数据为例说明处理的方法和步骤。
1) 切削周期的计算
已知刀盘直径d0、工件宽度ae和主轴转速n(rpm)，则切入时间ti为
刀盘的旋转周期为T=60/n，那么切出时间to为
将n、ae、d0分别代入上面的公式，就可以得到不同切削条件下的切入切出时间。对于标准切削条件为：vc=55.292m/min，ae=120mm，d0=160mm，则对应的切入切出时间为ti=0.1472s，to=0.3983s，刀盘的旋转周期T=0.5455s。
2) 时刻转换
由于动态数据采集与处理系统采集到的点不在一个切削周期内，需要将这些点都转化到一个周期内。切削达到稳态时，其数值是呈周期性变化的，因此只要模拟出一个周期内的温度—时间曲线，就可以代表整个切削过程中的温度变化。
选择波形刃铣刀片上第1 个测温点说明转换过程：取切削达到稳态后的某一个切出时刻作为时刻转换参考点，此处取为23s，则切入时刻为23s-ti=22.8528s；取22.8528s 为自定义时刻的0时刻，则刀具在工件上进行切削的时间段为：22.8528s+nT～23s+nT(n为非负整数)；但是，由于信号采集周期是0.5s，采集时刻为0s、0.5s、1s，因此只有采集时刻恰好在切削时间段内才有意义。为此，需要计算出在切削时间段内的采集点所对应的时刻。编制C ++ Builder 程序以进行这一步运算(由于篇幅所限，原程序省略)。可视化控件ListBox1的输出结果S1～S2就是在切削时间段内的点。根据该输出结果判断采集到的点是否在切削时间段内。例如：在49.5000～49.6472s内，有一点进行了采集(49.5s)；而在50.0455～50.1927s 时间段内，并没有进行采集。
3) 周期转换
通过时刻转换，从采集曲线中提取到适合的时刻后，需要将其转换为一个周期内的时刻，以方便计算。切削达到稳态后，切削温度的变化可以看作一个周期函数，其周期就是刀具的旋转周期。因而可以将所有的点都转换到一个周期内(由于篇幅所限，计算周期转换的C ++ Builder 程序省略)。程序中字符串S1所对应的值为采集点的时刻，S2所对应的值为转换到一个周期内的时刻。
4) 热电偶的冷端温度补偿
热电偶的热电势的大小不但与热端温度有关，而且与冷端温度有关，只有在冷端温度恒定的情况下，热电势才能反映热端温度大小。各种热电偶的分度表是在冷端温度为0℃的情况下得到的。而本实验所采用测温热电偶的冷端放置在大气中，其温度并非0℃，而是接近环境温度，因此不能直接用测得的热电势E(θ，θ0)去查分度表得到θ。为了消除冷端温度变化对测量的影响，笔者采用计算法实现冷端温度补偿，其计算公式为：
| E(q，0)= E(q，q0)+ E(q0，0) | (3) |
式中，E(q，0)为冷端温度为0℃而热端为q℃时的热电势，E(q，q0)为冷端温度为q0℃而热端为q℃时的热电势(即实测值)，E(q0，0)为冷端温度为q0℃时的应加校正值，它相当于同一支热电偶在冷端为0℃，热端温度为q0℃时的热电势，该值可以从热电偶分度表中查得。
然后用E(q，0)从分度表中查得温度q，q 就是通过计算补偿了冷端温度不在0℃所产生的热电势变化后得到的热端温度。
5) 温度转换
用人工热电偶法只能测出距前刀面有一定距离的某点处的温度，而不能直接测出前刀面的温度。因此需要借助传热学计算前刀面上的温度。当切削达到稳定状态后，通过刀片基面法线方向的各个截面的热流量近似相等，且测量孔底部到前刀面的距离与刀片宽度相比，相对较小，因此可以按照一维稳态导热来简化计算前刀面上的温度。设测量孔深度为δ2，测量孔底部到前刀面的距离为δ1，测量点温度为θ1，刀片底面温度为θ2，则前刀面上对应点的温度θ通过传热学公式计算为
θ=δ1δ2(θ1 -θ2)+θ1
6) 曲线拟合及试验结果分析
经过上述几步转换后，从试验原始曲线上获得了有限个数据点，但它们具有很大的离散性，直接分析很难寻找出内在的规律性，还需要经过排序和曲线拟合处理，从而得出铣削温度在一个切削周期内随时间变化的实验方程。
获取整切削周期内的有限个采集时刻后，首先要按从小到大的顺序排列，然后从原始实验曲线上读出对应时刻的热电势，转换为前刀面上的温度，得出温度—时间(T-t)序列，进而利用MATLAB 软件拟合出T-t方程式，经编程计算得第1点的T-t方程式如下：
T=-37440t4+49693t3-22333t2+3495t+351
其余各点的T-t曲线拟合过程与第1点相同，可以把每种刀片6个测温点的曲线利用Matlab绘图功能在一个窗口显示出来，以更好地观察各个点的温度变化趋势，并进行对比。图5 为最终得到的波形刃铣刀片6个点的温度—时间曲线。
图5 波形刃铣刀片六个测温点的T-t曲线
同理，可以拟合出波形刃和平前刀面铣刀片前刀面刀—屑接触区平均温度与时间的试验方程式，分别为式(5)和式(6)，相应的图形显示见图6。
图6 刀—屑接触区平均温度—时间曲线
| TW=-19657t4+26587t3-12336t2+2021t+341 | (5) | | Tf=-10906t4+16357t3-8678t2+1650t+382 | (6) |
如图5 所示，各点切削温度变化规律符合切削理论及传热学理论，说明切削温度测试系统(含数据采集及处理系统)性能良好。
从图6 可以看出，从抗粘结破损性能出发，波形刃铣刀片的切削性能优于平前刀面铣刀片。
6 实验数据处理应用软件的编制
通过前面的数据处理手段，我们就可以得到铣削温度与时间的响应函数关系，但是从试验获得的数据量是相当庞大的，而对于其中的每一组试验值都需要经过上述处理才能获得所期望的结果。整个过程重复性的输入太多，过程中的数据衔接也都为手工计算，不仅费时费力，计算精度也不容易保证。为了计算准确及时，减轻劳动强度，提高工作效率，结合工作实际利用面向对象的可视化编程语言C ++ Builder 开发了一套数据处理软件—铣削温度试验数据处理系统。系统主要功能模块如图7 所示。
图7 系统功能模块结构图
程序编制过程中充分发挥了C ++ Builder 的GUI 编程功能，采用了面向对象的编程技术、事件驱动的编程机制，使该系统不仅具有友好的用户操作界面，而且兼备完善的功能。应用此系统，只需输入特定的参数就可以自动完成从实验数据处理到铣刀片刀体温度和受热密度函数数值计算的全部过程，大大缩短了数据处理的周期与时间。
7 结语
测试的各点温度变化规律符合切削理论及传热学理论，说明切削温度测试系统(含数据采集及处理系统)性能良好。
从抗粘结破损性能出发，波形刃铣刀片的切削性能优于平前刀面铣刀片。(end)
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(2/24/2007) |
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