车削碳钢中切削热的分配
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技术综合
摘要:基于解析法,通过车削实验获取解析法计算中所必 需的参数,研究中碳钢干切削条件下所产生的切削热随切削速度(200~1400m/min)的变化和刀具条件的影响。结果表明:随切削速度增大,总切削热、流入切屑的热量都几乎线性增 大,流入工件和刀具的热量增幅很小:耗散于切屑中的切削热比率随速度的增大而增大:流入工 件和刀具中的切削热比率随速度的增大而减小:陶瓷刀具的切削过程与硬质合金的切削过程 相比,前者切屑带走更多的切削热:大的正前角条件使切屑带走更多的切削热。
引言
1 切削热源及其传出
1、q2和q3分别为剪切面、刀具—屑界面和刀具—工件界面中单位时间产生的切削热量,R1为剪切面热量流向切屑的比例,R2为刀具—屑界面的热量流向切屑的比例,R3为刀具—工件界面的热量流向工件的比例,则切削区的热源和热分配情况如图1所示。
z为切削区单位时间产生的总热量,qc、qw和qt分别为切屑、刀具和工件中的热流量,A1、A2和A3分别为剪切面积、刀具—屑接触面积和刀具—工件接触面积,由图1可得 qz=qc+qw+qt(1)qc=R1 q1A1+R2 q2A2(2)qw=(1-R1)q1A1+R3 q3A3(3)qt=(1-R2)q2A2+(1-R3)q3A3(4)
图1 切削区的热源和热分配
D为切削厚度,bD为切削宽度,f为剪切角,Fs、vs分别为剪切面上的剪切力和速度,Fg、vch分别为刀具—屑界面上的摩擦力和切屑流速,lf为刀具—屑接触长度,可得 q1=Fs vshDbDcosf(5)q2=Fg vchlfbD(6)
s=R1q1+q0c1r1vcsinf(7)qt=(1-R2)q2lfA+q0kt(8)R1=11+1.328(a1Lh)½vchD(9)R2=q2(lfA/kt)-qs+q0q2{lfA+0.377lf}ktkw [vch lf/(4a2)]¼(10)A=2{arsinh(bD)+bDarsinh(2lf)+1(bD)2+2lf-1(2lf+bD )[1+(bD)2]½} p2lf2lfbD32lf3bD3bD2lf2lf(11)式中,q0为工件初始温度:q0为刀具的初始温度: qs为剪切面的平均温度:qt为刀具—屑界面的平均温度:r1为工件材料在(qs+q0)/2 温度时的密度:a1、a2分别为工件材料在(qs+q0)/2 和(qt+qs)/2温度时 的热扩散率:Lh为切削变形系数:vc为切削速度:kw为工件材料在(q t+qs)/2温度时的导热系数:kt为刀具材料在qt 时的导热系数:A为刀具—屑接触面积系数
s=Fccosf-Ffsinf(12)vs=Lhvcsinf (13)Fg=Fc sing0+Ffcosg0(14)vch=vc/Lh(15)Lh=hch/hD(16)f=arctan(cosg0)Lh-sing0(17)式中,Fc为主切削力:Ff为进给力:g0为刀具前角 :hch为切屑厚度。
c、Ff、hch和lf等4个参数,加上已知的切削宽度bD、切削厚度hD、切削速度vc以及工件和刀具的初始温度,从材料手册中查出r1、a1、a2、kw和kt等物理特性值,就可计算出Lh、f、Fs、Fg、A、qs和qt等参 数,进而计算出q1、q2和R1、R2,最后算出qc、qw、 qt和它们各自在总切削热qz中所占的比率Rc、Rw和Rt。
切削力、切屑厚度和刀—屑接触长度测量值表切削速度
(m/min)200400600800100012001400主切
削力
Fc
(N)实验1307371388393348——实验2298281285318309282—实验3—397380373380365364实验4301317323315307307— 进给力
Ff
(N)实验1147191207192158——实验2160150155186184109—实验3—258208223221230223实验4186216206211205205— 切屑
厚度
hch
(mm)实验10.2970.2940.2850.2600.245——实验20.2510.2150.2230.2380.2290.222—实验3—0.2510.2370.2370.2240.2040.201实验40.2190.2430.2320.2140.2310.215— 刀-屑
接触
长度
lf
(mm)实验10.5580.5960.4780.6680.887——实验20.6230.4590.4860.6920.7010.758—实验3—0.6990.7810.6960.5620.5010.362实验40.4470.4530.4650.4270.4590.375—
2 切削实验
- 实验1 条件:YT15刀具,g0=5°,a0=5°,室温为22℃。
- 实验2 条件:YT15刀具,g0=20°,a0=5°,室温为22℃。
- 实验3 条件:氧化铝基陶瓷刀具,g0=5°,a0=5°,室温为25℃。
- 实验4 条件:氧化铝基陶瓷刀具,g0=12°,a0=5°,室温25℃。
3 计算结果
1=7.85×103kg/m3,kw=27.79W/(m·K),kt=33.50W/(m ·K),碳钢的热扩散率a=0.12×10-4m2/s。根 据表1实验测量值计算出的各种条件下剪切面热分配系数R1和刀—屑界面热分配系数R2随切削速度的变化如图2所示,切削区单位时间产生的总热量qz和切屑、刀具、工件中的热流量qc、qw、qt随切削速 度的变化如图3所示,切削热的分配随切削速度的变化如图4所示,图4中,曲线2以下区域为切屑热占总切削热的比率Rc,曲线1和曲线2之间区域为总切削热传入工件中的份额Rw,曲线1之上区域为总切削热传入刀具中的份额Rt。
(a)实验1
(b)实验2
(c)实验3
(d)实验4图2 剪切面和刀具—屑界面的热分配系数
(a)实验1
(b)实验2
(c)实验3
(d)实验4图3 切削区单位时间产生的总热量和切屑、工件、刀具中的热流量
(a)实验1
(b)实验2
(c)实验3
(d)实验4图4 切削热在切屑、工件和刀具中的分配
4 结论
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