高速切削机理和实验(中)

5.3 高速切削的切削热和切削温度

在切削过程中,切削热的来源是剪切面区域材料变形所做的功和前、后刀面所做的摩擦功,如图10所示。

图10 切削热的来源

一部分切削热传到切屑中被切屑带走;一部分热传到工件中;还有一部分热传到刀具中(图10)。据研究,当切削速度提高后,传入切屑而被切屑带走的热量份额加多,而传入工件和刀具的热量份额减小,故工件、刀具升温并不大。

日本人用P10立铣刀,切削45钢和A15025铝合金,ap=2mm, f=0.12mm/r。图11为切削热的分配比率。

 

图11 切削热分配比率

华南理工大学做了类似的切削热分配比率曲线(图12)。工件材料为45钢(热轧),车刀用YT15刀片,ap=0.8mm, f=0.12mm/r, v =400~800m/min。如图12所示,当v=400m/min时,Rc=49.4%, Rw=46.7%, RT=3.9%。当v=800m/min时, Rc=69.4%,Rw=28.7%, RT=2.3%。故在高速时RW与RT均显著减小。

图12 切削热分配比率

Rc、Rw和RT只能说明切削热分配比率,最重要的还是前刀面―切屑和后刀面―工件界面上的切削温度或与之接近部位的温度。切削温度的测量很困难,常用的有自然热电偶、人工热电偶和红外线幅射法。

某高校做了调质钢与淬硬钢的车削温度试验。调质钢:ap=0.2~0.5mm, f=0.2~0.5mm/r, v=700~1000m/min。淬硬钢:ap=0.15~0.3mm,  f=0.1~0.25mm/r,

v =100~400m/min。用红外测温仪测量温度,其结果如表2所示。

表2 高速车削切削温度经验公式

 

看来,表2中的数据尚值得推敲。

过去,在切削速度小于200m/min时车削45钢时,切削温度三因素公式为

θ=C v value=”0.41″ HasSpace=”False” Negative=”False” NumberType=”1″ TCSC=”0″> 0.41f 0.14ap0.04

沈阳理工大学用人工热电偶法测量高速下的铣削温度,其结果如图13、图14所示:

图13 铣削温度(45钢)

 

图14 铣削温度(铝合金5A02)

德国萨洛蒙(Carl J. Salomon)博士于1924~1931年用大直径圆锯片对有色金属进行了铣锯切削试验。发现,当切削速度增加,切削温度提高,到一定的切削速度,切削温度最高;再提高切削速度,切削温度反而下降(图15)。后来,又将此现象推广到其他工件材料。当时的试验数据后来全部丢失,工作人员已经无存,用什么方法测温也不清楚。很多人认为图中的曲线不可信。多数人认为,切削温度不存在一个最高值(峰点),切削速度提到很高时,切削温度仍应缓慢上升。

 

图15 Salomon的高速切削温度曲线

沈阳理工大学研制了一台高速锯床,用高速钢锯片(直径φ200mm,厚3mm,60刀齿),最高转速为24000r/min,用以锯切低碳钢管(φ20mm,厚1.5mm)和铝板(厚10mm),进行了测力、测温的试验,最高切削速度达每分钟万米以上。因锯切切削面积不固定,切削时间很短,力、温测量不易测准,但是沈阳理工大学所做的工作仍是十分可贵的。

山东大学用SG-4陶瓷工具端铣T10A淬硬工具钢(HRC58~65),v=110~ value=”177″ HasSpace=”False” Negative=”False” NumberType=”1″ TCSC=”0″>177m /min, ap=0.1~ value=”0.5″ HasSpace=”False” Negative=”False” NumberType=”1″ TCSC=”0″>0 value=”0.5″ HasSpace=”False” Negative=”False” NumberType=”1″ TCSC=”0″>.5mm , fz=0.05~ value=”0.127″ HasSpace=”False” Negative=”False” NumberType=”1″ TCSC=”0″>0 value=”0.127″ HasSpace=”False” Negative=”False” NumberType=”1″ TCSC=”0″>.127mm /z, 铣削宽度B=40、70、100mm,铣刀直径do=160、125、80mm,切削温度θ=17.5 v 1.55 ap0.91 fz1.44 B0.46do-0.31(℃)。

山东大学还做了陶瓷刀具车削几种硬材料的切削温度试验。

5.4  刀具磨损与刀具寿命

刀具磨损有后刀面磨损(VB)、前刀面磨损(月牙洼KT)、边界磨损(VN)及刀尖磨损(VC)、径向磨损(NB)等。人们研究后刀面磨损VB最多。一般,以VB为刀具磨损标准。

 

图16 车刀磨损部位及形状

刀具磨损的原因有:(1)磨粒磨损,(2)粘结(冷焊)磨损,(3)扩散磨损,(4)氧化磨损,(5)热电磨损等。图17为切削速度对刀具磨损强度的影响。由图17可见,当切削速度很高时,以扩散和氧化磨损为主。

 

图17 切削速度对刀具磨损强度的影响

刀具典型磨损曲线如图18所示。

 

图18 刀具磨损曲线

以后刀面磨损到一定大小为标准,可以建立刀具寿命T与切削速度v 之间的关系式,即T- v曲线(即泰勒Taylor方程):

v =A/Tm ,   或 T=c/ v z

还可以建立扩大的泰勒方程:

v =C v /(Tm、apx、f y)

常速下,用YT15刀具车削45钢,一般m=0.2,x=0.15,y=0.45

高速切削下,人们在这方面做的试验工作很不够,较多地观察刀具磨损形貌,很少见磨损曲线和T- v 曲线。扩大的泰勒方程则更加缺少。

在高速切削中,刀具材料及刀具的制造质量、工件材料的性能、机床状况和工艺条件等不可能固定不变,而是随机变化,从而影响到刀具使用寿命。一般,正常磨损下刀具寿命的变化和分布服从正态分布(图19)。破损情况下刀具寿命的变化和分布服从对数正态分布或威布尔(Weibull)分布。高速切削中,应十分重视刀具寿命的稳定性,然而对刀具寿命的分布规律还没有认真研究。

刀具正常磨损寿命的分布一般服从正态分布

f ( T ) =

刀具破损磨损寿命的分布一般服从对数正态分布

f ( T ) = 

或威布尔分布

f ( T ) = 

 

图19 刀具正常磨损下的寿命分布

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