車刀前刀面溫度的計算及參數調整

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車刀前刀面溫度的計算及參數調整簡介
    1 引言 在現代機械加工中,隨著加工精度的不斷提高,由溫度變化引起的誤差在加工總誤差中所佔比例越來越大,已成為進一步提高加工精度的主要障礙之一。英國J.……
車刀前刀面溫度的計算及參數調整正文
    

1 引言

在現代機械加工中,隨著加工精度的不斷提高,由溫度變化引起的誤差在加工總誤差中所佔比例越來越大,已成為進一步提高加工精度的主要障礙之一。英國J. Peclenik教授的調查統計認為,由熱變形引起的加工誤差約佔加工總誤差的40%~70%。德國H. Brauning教授認為,在現代機床製造誤差中,由熱變形引起的誤差約佔製造總誤差的50%。
由車刀熱變形引起的加工誤差是機床熱變形加工誤差的重要組成部分。控制車刀熱變形誤差量是提高切削加工精度的重要環節。控制車刀熱變形的主要方法有:對車刀實施冷卻、減小切削量、縮短車刀刀桿長度等,但這些方法都各有不足之處。使用計算機軟體進行溫度誤差補償,可較好彌補上述方法的不足,是效率較高、最具發展潛力的一種誤差補償方法。但是,應用軟體補償法對掌握車削時的溫度分佈規律提出了較高要求,因此需要對車削時的溫度變化進行深入的理論探討與分析。

2 車削過程的熱源分析

根據切削理論可知,在圖1所示車削過程中,主要切削熱源包括切削層材料在滑移剪切區OA塑性變形產生的熱量Qs、刀具前刀面與切屑在摩擦擠壓區OB產生的熱量Qf1、車刀后刀面與切削層材料在摩擦擠壓區OC產生的熱量Qf2等。通過試驗研究可知,在較低切削速度下,上述三個熱源對車刀熱變形的影響程度比較均勻;但隨著切削速度的提高(v≥30m/min),刀具前刀面與切屑摩擦引起的溫升Qf1對車刀熱變形的影響程度顯著增大。因此,在實際加工中,分析及掌握車削時車刀前刀面的溫升變化規律是計算車刀切削熱的關鍵。

3 車刀前刀面摩擦熱源的溫度分佈

以車刀前刀面與切屑的摩擦擠壓區OB為研究對象,將切削層和車刀與空氣的對流換熱處作為絕熱邊界,設vc為車刀切削速度,則根據固體熱傳導常規理論可知,車刀上寬度為dx的窄帶熱源所引起的切屑內任意點M的溫升為
dqf= 2qfmdx e
- (x-x1)(-vc)
 
2a
K0{ (-vc)[(x-x1)2+y2]? }
   
2pl 2a
(1)
式中:qfm——熱源熱強(cal/cm2·s)
因此,寬度為L的熱源引起的溫升為
qf=
qfm L e
- -vc (x-x1)
 
2ak
K0[ -v (x-x1)]dx
   
pl 0 2ak
=
2aKqfm { i[ -v(x-L) ,1]-i[ -vx ,1] }
     
plv 2ak 2ak
(2)
式中:qfm=(Fzvhfa)/(JLb)
Fz——切削力
J——熱功當量(g?cm/cal)
hf——前刀面摩擦功熱量在車刀切削熱量中所佔比例
K——切削收縮係數
a———熱擴散率(cm2/s)
根據固體熱傳導常規理論,式(2)中的Fz被認為是只隨車削速度變化的量(即在恆定車削速度下為常量)。但根據實際切削力分析可知,Fz不僅隨切削速度的變化而變化,同時也隨車刀位置尺寸的變化而變化,而非式(2)中的定值。因此,式(2)應改寫為
qf=
1 L e
- -v (x-x1)
 
2ak
qfmK0[ -v (x-x1)]dx
   
pl 0 2ak
=
vahf L e
- -v (x-x1)
 
2ak
Fz(x)K0[ -v (x-x1)]dx
   
pl 0 2ak
(3)

4 切屑平均溫度計算公式中的參數調整

在切削加工中,通常按式(2)計算出O點、B點的溫度並按下列平均值計算公式來確定車刀表面溫度值:
T=T0+A(TB-TO) (4)
式中:TO=qOS+qOf+Tu
TB=qOC+qOf+Tu
Tu——室溫

通常取式(4)中A=2/3,按照常規理論(認為Fz僅為切削速度的函數)來計算車刀前刀面的平均溫度分佈,其計算值與實驗值相比誤差在10%以內。當考慮Fz為F(v,x)函數時,其計算將變得較為複雜。為此,筆者提出通過調整溫度參數A(即採用分段計演算法)來提高計算精度。
計算實例:車刀材料為35鋼,熱擴散率a=0.11cm2/s,熱導率l=0.11cal/(cm·s·℃)。
當切削速度分別為v=60m/min和v=100m/min時,車刀前刀面B點溫度很高,溫升梯度下降,刀具耐磨性降低,故可將這兩個切削速度點作為分界點,隨著B點溫度梯度的下降,修正係數值A應逐步增大:當切削速度小於v=60m/min時,取修正係數A=3/5;當切削速度位於v=60m/min到v=100m/min之間時,取修正係數A=0.65;當切削速度大於v=100m/min時,仍取修正係數A=2/3。通過對修正係數A進行分段取值處理后得到的車刀表面溫度計算結果與實驗值的誤差不超過5%,即計算精度比傳統計算方法提高一倍。採用分段計演算法、傳統計演算法和И.И.ЗopeB實驗所得車刀表面溫度曲線的比較結果見圖2。

5 結論

  1. 車刀前刀面的溫度分佈與車削時的切削力密切相關。切削力不僅與切削速度有關,還與車刀前刀面位置有關。因此,將切削力看作僅與切削速度有關的常量的傳統溫度分佈計算方法是一種簡化演算法,包含了較大誤差,應使用經驗公式進行修正。
  2. 計算實例證明,通過對經驗公式中參數A的取值進行分段調整,可顯著提高計算精度,這對實現車刀溫度誤差的軟體補償創造了有利條件。
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