高錳鋼鉆削溫度測(cè)量系統(tǒng)的建立與實(shí)驗(yàn)研究*

楊亮許立

(大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連116028)

切削熱是切削過(guò)程中重要的現(xiàn)象之一。鉆削過(guò)程中，鉆頭與工件和切屑的摩擦功、切屑形成的剪切功幾乎全部轉(zhuǎn)化為熱能［1］。鉆削溫度不但影響到刀具和工件的性能、鉆頭的磨損和刀具壽命，而且影響積屑瘤的形成及其大小，影響切削力的變化和鉆削時(shí)的振動(dòng)，從而影響加工表面質(zhì)量［2］。

在切削溫度的測(cè)量中，測(cè)量鉆削溫度是比較困難的。國(guó)內(nèi)在鉆削溫度方面研究很少，國(guó)外的研究也遠(yuǎn)不及車削溫度測(cè)量那樣成熟。主要測(cè)量鉆削溫度的方法有全人工熱電偶、半人工熱電偶［3］、熱像儀法［4］和光纖紅外溫度計(jì)［5］。全人工熱電偶由于小孔中的空間和空氣的存在，而金屬和空氣的導(dǎo)熱性的巨大差別，造成對(duì)切削溫度傳導(dǎo)的屏障作用，致使測(cè)量誤差較大［6］。熱像儀和光纖紅外溫度計(jì)法除了存在設(shè)備的成本問(wèn)題以外，它們都難以實(shí)現(xiàn)鉆削這種近乎封閉的溫度場(chǎng)的測(cè)量。所以采用半人工熱電偶的方法，但將這種方法應(yīng)用于高錳鋼這種典型的難加工材料的鉆削溫度的測(cè)量，還未見(jiàn)諸報(bào)道。因此本文從測(cè)量方法入手，建立實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)高錳鋼鉆削溫度的測(cè)量和分析。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及工作原理

1.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，它是組成虛擬儀器不可缺少的一部分。硬件系統(tǒng)與數(shù)據(jù)獲取、過(guò)程通信及圖形界面軟件相結(jié)合形成完整的虛擬儀器設(shè)備。本鉆削溫度測(cè)試硬件系統(tǒng)如圖1所示，主要包括PC計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、放大電路及熱電偶閉合回路等。

1.2 溫度信號(hào)獲取裝置與工作過(guò)程

系統(tǒng)的測(cè)量對(duì)象是鉆削溫度信號(hào)，通過(guò)半人工熱電偶將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，信號(hào)放大電路對(duì)微弱的電壓信號(hào)進(jìn)行放大，用數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換輸入計(jì)算機(jī)中，通過(guò)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到測(cè)量結(jié)果。系統(tǒng)工作過(guò)程如圖2所示。

系統(tǒng)所采用半人工熱電偶方法，該方法不僅能測(cè)量鉆頭在切削過(guò)程中切削刃上各點(diǎn)的瞬時(shí)溫度，還可以同時(shí)得到工件切削表面的平均溫度。它不僅對(duì)工件上的溫度場(chǎng)破壞小，測(cè)量精度高，還可以一次同時(shí)裝夾多根熱電絲，連續(xù)測(cè)量整個(gè)鉆削過(guò)程中切削刃上的溫度分布，重復(fù)性好，且適用于高硬度材料的鉆削溫度測(cè)量，而且不需要考慮刀具和工件與試驗(yàn)臺(tái)的絕緣問(wèn)題。具體實(shí)施方案如圖3所示。

2 軟件系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本采集系統(tǒng)采用虛擬儀器技術(shù)，以半人工熱電偶為傳感器獲取信號(hào)，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行必要的處理后，由數(shù)據(jù)采集卡送入計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)軟件將其轉(zhuǎn)化為直觀可見(jiàn)的圖形或數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，得到測(cè)量結(jié)果。采用模塊化、層次化軟件結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)建，如圖4所示，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)切削溫度測(cè)量系統(tǒng)的熱電偶標(biāo)定、多通道數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)回放及經(jīng)驗(yàn)公式的創(chuàng)建。數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)數(shù)據(jù)采集卡直接操作，負(fù)責(zé)讀取采集卡中采集的數(shù)據(jù)，以動(dòng)態(tài)曲線和數(shù)字同時(shí)顯示，并存儲(chǔ)原始數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)回放模塊可以實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行回放最大值和最小值計(jì)算;數(shù)據(jù)分析模塊可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)公式創(chuàng)建和顯著性檢驗(yàn);熱電偶標(biāo)定模塊可同時(shí)顯示標(biāo)準(zhǔn)熱電偶與待標(biāo)定熱電偶的電勢(shì)-溫度曲線，并能針對(duì)待標(biāo)定熱電偶曲線擬合出相應(yīng)的數(shù)學(xué)公式。

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立與鉆削實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 熱電偶的標(biāo)定

非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的標(biāo)定精度直接影響最終鉆削測(cè)溫的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因此，標(biāo)定實(shí)驗(yàn)是鉆削測(cè)溫實(shí)驗(yàn)的重要組成部分。需要設(shè)計(jì)或選用可靠的標(biāo)定裝置，并經(jīng)調(diào)試使其達(dá)到最佳的工作狀態(tài)，盡可能提高標(biāo)定精度。本標(biāo)定實(shí)驗(yàn)采用哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的自然熱電偶快速標(biāo)定裝置。原標(biāo)定裝置的數(shù)據(jù)記錄是采用XY記錄儀，在本實(shí)驗(yàn)中除了采用XY記錄儀記錄數(shù)據(jù)外，將自行開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與標(biāo)定裝置連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)的同步記錄，標(biāo)定系統(tǒng)框圖如圖5所示。

采用單接點(diǎn)標(biāo)定方式，接線方式如圖6所示。選擇康銅和鎳鉻作為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，康銅與高錳鋼組成待標(biāo)定熱電偶，標(biāo)定時(shí)去掉刀片支撐桿，將高錳鋼試件直接插入底板，加熱電極和熱端標(biāo)準(zhǔn)熱電偶絲頂在高錳鋼試件端部加熱部位，冷端從試件底部直接接至放大器接地端。

3.2 熱電偶標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果

標(biāo)定裝置采用BX6型交流弧焊機(jī)對(duì)熱電偶進(jìn)行加熱，輸出電流值在55～160 A之間，電壓25～50 V，實(shí)驗(yàn)時(shí)采用55～60 A檔位，可在3～5 s內(nèi)加熱至1000℃左右;標(biāo)準(zhǔn)熱電偶通過(guò)信號(hào)放大器接數(shù)據(jù)采集卡1通道，待標(biāo)定熱電偶接2通道，通過(guò)系統(tǒng)的溫度標(biāo)定模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和顯示，標(biāo)定結(jié)果如圖7所示。

經(jīng)擬合，康銅-高錳鋼組成的非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的電勢(shì)-溫度系數(shù)公式為

由于系統(tǒng)公式采用一次函數(shù)進(jìn)行擬合且參考端溫度非0℃(室溫)，因此截距可能存在一定的誤差。X—Y記錄儀的記錄曲線經(jīng)Excel處理如圖8所示。

因標(biāo)定時(shí)參考端溫度為室溫，需將標(biāo)定曲線參考端溫度補(bǔ)正到0℃。標(biāo)定時(shí)室溫為20℃，從標(biāo)準(zhǔn)熱電偶分度表上查出其對(duì)應(yīng)電勢(shì)值為1.192 mV，將原點(diǎn)向左偏移1.192 mV，由于待標(biāo)定曲線尚屬未知，又無(wú)表可查，可利用標(biāo)定曲線的近似直線外延求得待標(biāo)定熱電偶電勢(shì)值。一次標(biāo)定完畢后，必須對(duì)熱電偶絲、加熱電極和待標(biāo)定試件進(jìn)行調(diào)整、打磨熱電偶絲和待標(biāo)定試件的氧化層。

3.3 鉆削測(cè)溫實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)驗(yàn)方案

(1)實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)機(jī)床:本實(shí)驗(yàn)在臺(tái)灣WINTEC立式加工中心上進(jìn)行，型號(hào)MV40。

刀具:根據(jù)高錳鋼加工的特點(diǎn)和比較各種硬質(zhì)合金牌號(hào)合金材料的性能，在鉆削高錳鋼時(shí)，YG6、YG8和YW2牌號(hào)的硬質(zhì)合金材料鉆頭比較適合?？紤]到通用性的要求，本實(shí)驗(yàn)選用標(biāo)準(zhǔn)錐柄硬質(zhì)合金鑲焊麻花鉆。硬質(zhì)合金牌號(hào)為YG8。鉆頭直徑為:16、19、22 mm三個(gè)規(guī)格。

試件:實(shí)驗(yàn)采用鐵路道岔用高錳鋼(ZGMn13)，試件規(guī)格:300 mm×40 mm×20 mm。

(2)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

鉆削溫度沿主切削刃分布的實(shí)驗(yàn):采用單因素實(shí)驗(yàn)法，以鉆削速度為變化因素，鉆頭直徑19 mm。鉆削用量變化見(jiàn)表1，測(cè)量點(diǎn)沿切削刃分布如圖9所示。切削用量對(duì)鉆削溫度的影響實(shí)驗(yàn):選取鉆削速度v、進(jìn)給量f、鉆頭直徑d為三個(gè)變化因素，采用正交實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，各因素均取三個(gè)水平，按正交表L9(33)安排9次試驗(yàn)。

表1 鉆削用量

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 鉆削溫度沿主切削刃上的分布

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)得到在不同鉆削速度條件下，鉆削溫度沿普通麻花鉆主切削刃上的分布數(shù)據(jù)，為更好地體現(xiàn)溫度分布變化規(guī)律，用折線變化圖表示，如圖10所示。從圖中可以看出:(1)鉆削溫度在400～850℃范圍內(nèi)變化。(2)在相同鉆削速度下，鉆削溫度沿切削刃由內(nèi)而外逐漸升高，最高溫度出現(xiàn)在主切削刃的約二分之一處(由于測(cè)量點(diǎn)設(shè)置位置的緣故，最高溫度可能位于5點(diǎn)和7點(diǎn)之間);在切削刃靠近外緣處，溫度迅速下降，但仍較橫刃處的溫度高。在相同轉(zhuǎn)速下，靠近橫刃處的鉆削速度較低，刀具與工件摩擦產(chǎn)生熱量較少，因而溫度較低;在主切削刃中部，切削速度不斷提升，但主要是由于切削條件惡劣，散熱條件極差，加之高錳鋼材料的導(dǎo)熱系數(shù)很小，致使鉆削溫度迅速攀升;靠近切削刃外緣處溫度下降較快，這是由于切削刃靠近工件冷端散熱條件有所改善，傳熱速度快，但由于鉆削速度很高，溫度仍較橫刃附近的溫度高。(3)隨著鉆削速度的提升，切削區(qū)的溫度整體升高。(4)在相同進(jìn)給量和測(cè)量點(diǎn)，僅改變主軸的轉(zhuǎn)速，獲得一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線，從這組曲線看，其變化規(guī)律基本相同，這表明實(shí)驗(yàn)重復(fù)性較好。

4.2 切削用量對(duì)鉆削溫度的影響

鉆削速度變化對(duì)鉆削溫度的影響見(jiàn)圖11，表明隨著鉆削速度的提高，鉆削溫度提升很快，但隨著鉆削速度的進(jìn)一步提高，溫度提升速度變緩。分析原因:由于鉆削速度的提升，切削力隨之減小，致使刀具切削面的擠壓力減弱，摩擦功降低。

仍然選用直徑19 mm的鉆頭，固定轉(zhuǎn)速為30 m/min，測(cè)量點(diǎn)位于5點(diǎn)位置，研究進(jìn)給量對(duì)鉆削溫度的影響，如圖12。由圖可見(jiàn)，鉆削溫度隨進(jìn)給量的增大而增大，增大的程度小于鉆削速度對(duì)鉆削溫度的影響。分析原因:由于進(jìn)給量的增大，單位時(shí)間內(nèi)切除的金屬增多，消耗的切削功增大，致使溫度升高;但進(jìn)給量增大，切屑厚度隨之增加，進(jìn)而由切屑帶走的熱量增多，緩解了切削區(qū)的升溫。

4.3 回歸方程的建立

正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表2，試驗(yàn)中所測(cè)得的數(shù)據(jù)僅能表現(xiàn)各測(cè)量點(diǎn)當(dāng)前條件下的鉆削溫度狀況。為了研究高錳鋼鉆削溫度的一般性規(guī)律性，采用線性回歸的方法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

利用軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)公式回歸和顯著性檢驗(yàn)，如圖13所示。將實(shí)驗(yàn)參數(shù)及測(cè)量結(jié)果輸入到對(duì)應(yīng)的對(duì)話框中，單擊檢驗(yàn)結(jié)果按鈕，獲取檢驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果獲取的高錳鋼鉆削溫度經(jīng)驗(yàn)公式為:

計(jì)算 F 分布值為 19.912，F(xiàn) ＞ F0.05(3，5)=5.41，所以認(rèn)為鉆削溫度回歸方程是高度顯著的。

表2 鉆削溫度正交試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)三個(gè)自變量進(jìn)行t檢驗(yàn)，鉆頭直徑、進(jìn)給量、鉆削速度對(duì)應(yīng)的顯著性水平分別為 0.261、0.018、0.001，常數(shù)項(xiàng)的顯著性水平為0.0002，由此可以看出鉆頭直徑對(duì)高錳鋼鉆削溫度的影響不太顯著，其它兩個(gè)變量的影響很顯著，尤其是鉆削速度的影響非常大。經(jīng)上述研究可以發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際生產(chǎn)中，可以適當(dāng)提高鉆削進(jìn)給量來(lái)提高加工效率，鉆削速度應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，不宜過(guò)高。

5 結(jié)語(yǔ)

本文建立了高錳鋼鉆削溫度實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，完成高錳鋼鉆削測(cè)溫實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中采用單點(diǎn)標(biāo)定法對(duì)高錳鋼與康銅組成的非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶進(jìn)行了標(biāo)定，得到標(biāo)定曲線及擬合公式;并利用此系統(tǒng)測(cè)得鉆削溫度沿主切削刃的分布曲線，說(shuō)明鉆削溫度在400～850℃范圍內(nèi)變化且最高溫度出現(xiàn)在主切削刃的約1/2處。同時(shí)，得到鉆削速度和進(jìn)給量對(duì)鉆削溫度的影響變化曲線并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析;利用軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理模塊得到鉆削溫度的經(jīng)驗(yàn)公式，通過(guò)顯著性分析顯示鉆削速度對(duì)溫度的影響最大。

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