波形刃铣刀片铣削温度试验分析

1、波形刃铣刀片铣削温度试验分析    1 引言切削热及由此产生的切削温度，直接影响刀具的磨损、破损状态和耐用度，并影响工件的加工精度和表面质量，切削温度直接影响刀具体内的热应力分布，尤其在断续切削过程中，刀具受到周期性的热冲击，易使硬质合金刀片产生热裂纹而导致破损。因此，研究切削热和切削温度的产生和变化规律是研究金属切削过程的重要方向。以前对铣削温度的研究都是研究前刀面的平均温度，而对前刀面的点的温度研究甚少。基于这一考虑，本文对点的温度进行了采集和研究。波形刃铣刀片的受热密度函数和三维温度场是极其复杂的学术、技术上的难题，必须进行深入而系统的试验和研究，

2、以便控制和预测刀片的冲击破损和粘结破损，保证FMS、CIMS等先进制造系统的正常运行。2 铣削温度试验2.1 测温方法本试验采用人工热电偶测温。热电偶的热端焊接在刀具预定要测量的温度点上，通过信号传输系统和动态数据采集系统以及热电偶标定曲线，就可以测得焊接点上的温度变化。传统的人工热电偶法，把放大电路放在集流环之后，这样虽然能测出切削区的温度值，使温度场的测量推进了一大步，但要准确的测出切削区的瞬态温度值还存在着一些缺点，因为人工热电偶的电讯号极其微弱，集流环在进行讯号的动静转换过程中，噪声平引起的误差不可忽视，测出的值容易失真。本文基于这一不足点进行了如下改进：1. 增加了一个自行设计的集流

3、环前置放大电路，它与主轴同步旋转，必须使电源和原件微型化；2. 采用自制的微型热电偶，在试验前事先标定；3. 同时使用万用表和先进的动态数据采集系统，通过万用表可以随时观察温度的变化值，得出它的变化趋势，动态数据采集系统可以准确纪录下各点的瞬态温度值，并能进行多种数据处理。测量系统的基本原理。铣削温度试验在X5030A立式升降台铣床上进行，试验用波形刃铣刀片 ，根据试验要求选择测量点的坐标。用电火花机从刀片底部打出小孔，孔的直径为0.5mm，孔深为3.2mm。热电偶的材料为镍钼合金，在做试验之前，要事先标定，得出热电偶的温度和输出电压之间的关系曲线，根据输出的电压，便可求出刀具上测量点的切削温

4、度。埋伏孔用环氧树脂填充固定。热电偶在刀片上的焊接。2.2 试验条件铣削温度试验采用新型的三维复杂槽型铣刀片(波形刃铣刀片)，刀盘直径D=160mm，工件材料为45钢，工件被铣削尺寸：宽W=83mm，长L =200mm。在固定切深ap=2mm，进给量f=36mm/min ，刀盘转速n=385r/min的条件下，测出了6个点的温度。测温点的分布，其中16点各点的坐标分别是(2.0, 2.0)、(2.0, 3.5)、(2.0, 5.0)、(3.5, 2.0)、(3.5, 3.5)、(3.5, 5.0)。可以计算出刀盘转动一周的时间(转动周期)为T=0.1558s，切削时间t=0.0271s。2.3

5、 试验数据的采集试验数据的采集使用北京惯性技术研究所FAS-4DEE-2动态数据采集处理系统。设定系统的采集频率为5Hz，即每0.25采集一个点。系统的采集频率越低，系统受到的干扰也就越小，试验数据也就越精确，误差也就越小。3 试验数据分析3.1 时刻转化由于采集的点不在一个周期内，因而需要将这些点都转化到一个周期内(假定切削已进入稳定状态)，只要模拟出一个周期内的温度曲线，就可以代表整个切削过程中的温度变化。选择第1点说明计算过程：1. 取切削达到稳态后的一个切出时刻，此处取为7.8s。则在实验采集到的波形图上，取7.8s为最后的切出时刻切入时刻为7.8s-0.0271s=7.7729s。2

6、. 取7.7729s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：1.7.7729s+nT7.7729s+0.0271s+nT (n为非负整数)2.即从图上来看，刀具恰好在工件上进行切削的时间段为：3.7.7729s+nT7.8s+nT (n为非负整数)4.5. 但是，由于采集点是每0.2s采一点，采集时刻为0、0.2s、0.4s ，因此只有采集时刻恰好是在切削的时间段内才有意义。为此，需要计算出在切削的时间段内的点。编制C程序以进行这一步运算：6.输出结果ab就是在切削的时间段内的点。根据该输出结果判断采集到的点是否在切削的时间段内。例如：在8.2403s8.2674s内，并没有进

7、行采集；而在8.3961s8.4232s时间段内，有一点进行了采集(8.2s)。7.8. 从输出结果中取到了适合的点后，需要将其转换为第一个周期内的点，以方便计算。切削达到稳态后，温度的变化也是周期性变化的，温度的变化可以看作一个周期函数，其周期就是刀具的转动周期。因而可以将所有的点都转化到第一个周期内。该点的转化C程序为：9.其中i为采集点的时刻，a为由上时刻转换到自定义时刻的值，输出的结果中的a-n*0.1558就是转化到一个周期内的时刻值。10.3.2 曲线拟合及受热密度函数1. 去除不符合条件的点(温度值过低或过高，这是由于采集系统存在干扰而引起的)，在剩余的结果中选取一定个数的点，用

8、这些点来模拟出温度-时间(T-t)曲线。其MATLAB程序如下：t = 0 0.0017 0.0063 0.0095 0.0139 0.0207 0.0227 0.0261 2.T = 130 200 254.5 278.7 348 385.5 423 545.5 3.p = polyfit(t, T, 4) 4.其中t为时间，T为温度值，p=polyfit(t, T, 4) 函数是用4 次多项式拟合温度-时间(T-t)曲线。得到的p值为4次多项式的系数。由于使用4次以上的多项式形式过于复杂，系数较大，而用3次或3次以下的多项式拟合形式又过于简单，所以使用4次多项式来拟合曲线。得到结果如下：5

9、.T=2013495861.9781t4-51843592.0271799t3-259355.387927207t2+21603.6732123466t+142.861088805849 6.该方程就是第1点的T-t曲线，可以认为是该点的受热密度函数。7.用MATLAB 绘制拟合出来的曲线的程序如下：8.x = 0 0.0017 0.0063 0.0095 0.0139 0.0207 0.0227 0.0261 9.y = 2013495861.9781*X.4 - 51843592.0271799*x.3-259355.387927207*X.2 + 21603.6732123466 * X

10、 + 142.861088805849 10.x2 = 0 : 0.0001 : 0.0271 11.y2 = polyval (p , x2) 12.plot (x , y , 'o', x2 ，y2)13.grid on ; 14.其中x是温度值，y的表达式就是拟合出来的4次多项式，x2=0 : 0.0001 : 0.0271 是以0.0001为步长的赋值语句，y2=polyval (p , x2)是多项式求值，plot (x , y , 'o', x2 ，y2)函数用以绘制曲线，grid on在绘图窗口中打开网格。15.16. 其余5点的曲线拟和过程与第1

11、 点相同，可以把6个点的曲线绘制在一个窗口中。最终得到的6个点的温度时间(T-t)曲线。以上得到的结果就是波形刃铣刀片上6个测试点的温度时间曲线，也就是得到了这6个点的受热密度函数。17.18. 在这6 个点之间进行插值，以确定6个点所在的平面的各点的温度。可以取任一特定时刻进行二次双线性插值，即用分段的双线性来拟合已知数据，插值点的数值取决于最临近的点的组合。因为实验中只取了6个点所以只能用双线性来拟合。例如在t=0.0149s时，插值的结果。各点的温度可以通过查看图中右侧的颜色条得到。这就是温度场可视化的初步结果。二次插值可以得出任意时刻的温度场，为温度场的可视化打下有力的基础。3.3 曲线拟合结果分析由曲线可以看出，随着时间的增加，各个点的温度值一直在上升。这是符合理论结果的，因为切削过程中的温度是一个积累的过程，切削温度必然随着时间的增加而增加。第1点的温度值比第2、3、5和6点高，这是因为第一点距离切削刃最近，所以温度值也较高。但是第4点的温度值比第1点的温度还要高，这是因为从试验刀片的磨损上看，该点正好处于刀下屑接触区，且距