機(jī)械加工中切削溫度的自動控制

楊正樂 陳亞茹 陳淵博 河南理工大學(xué)

一、切削熱的產(chǎn)生與傳導(dǎo)

切削熱與切削溫度是切削過程中不可避免的一種重要的物理現(xiàn)象。切削過程中由于切削力所做的功大部分會轉(zhuǎn)化為熱能即切削熱。如果切削熱不能及時(shí)傳出，則切削區(qū)中的工件及刀具的溫度會大大升高。切削過程中變形和摩擦所消耗功超過97%轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。如圖1-1所示切削熱主要來源于以下三個(gè)變形區(qū)，在第一變形區(qū)內(nèi)由于工件發(fā)生彈性變形和塑性變形產(chǎn)生大量的熱量；第二變形區(qū)由于刀具的前刀面會與切屑摩擦產(chǎn)生一部分熱量；第三變形區(qū)由于刀具的后刀面與已加工表面的摩擦產(chǎn)生較少的熱量。

圖1-1

切削熱由切屑、工件、刀具以及周圍的介質(zhì)傳散出去，從而導(dǎo)致三個(gè)切削區(qū)域的溫度上升。主要影響切削熱傳導(dǎo)的因素是工件、刀具材料的導(dǎo)熱系數(shù)和環(huán)境介質(zhì)等。工件材料的導(dǎo)熱系數(shù)越大，工件的溫度越高，傳導(dǎo)出去的熱量就越多，各切削區(qū)的溫度就會降低。熱傳導(dǎo)還與切削的速度有關(guān)，切削速度增加時(shí)，導(dǎo)致摩擦生成的熱量增多，然而切屑帶走的熱量也增加，故工件和刀具中的熱量都會減少，這樣就更有利于金屬切削的進(jìn)行。

二、切削溫度對切削過程的影響

通常稱為切削區(qū)溫度的是指切屑、工件與刀具三者各自接觸面上的平均溫度。事實(shí)上切屑、工件和刀具上每個(gè)點(diǎn)處的溫度都不一樣的。

切削溫度將會改變刀具的磨損和壽命長短，工件材料的一些物理性能也能被改變，影響積屑瘤的產(chǎn)生和消失周期，更嚴(yán)重的是影響工件的加工精度和表面粗糙度。切削溫度對工件、刀具及切削過程都會有一定的影響。切削溫度升高是造成刀具磨損的主要原因。由于切削溫度的影響，在精加工時(shí)，工件和刀桿在溫度升高后會產(chǎn)生熱變形導(dǎo)致工件尺寸精度不能達(dá)到要求。切削中產(chǎn)生的熱量還可以使機(jī)床產(chǎn)生熱變形進(jìn)而導(dǎo)致加工誤差的產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對于同種的刀具，在不同的切削參數(shù)下加工各種工件材料時(shí)都有個(gè)最適宜的切削溫度。因此，可根據(jù)最適宜的切削溫度來控制切削參數(shù)進(jìn)而提高生產(chǎn)率和加工質(zhì)量。

三、影響切削溫度的因素

切削溫度與變形功、摩擦功和熱傳導(dǎo)等有關(guān)。即切削溫度的高低是由產(chǎn)生的熱和傳走的熱兩方面綜合影響的結(jié)果。做功越多、生熱越多、散熱越少時(shí)，切削溫度越高。影響生熱和散熱的主要原因有：切削用量、切削液。

1.切削用量

經(jīng)驗(yàn)公式：

切削速度提高，導(dǎo)致摩擦生熱時(shí)間極短，而切削熱向切屑內(nèi)和刀具內(nèi)傳導(dǎo)又需要一定時(shí)間，故摩擦熱來不及傳導(dǎo)，而是大量積聚在切屑底部上，使切削溫度升高。隨著進(jìn)給量的增加，金屬的切屑增多，溫度上升。此時(shí)，單位切削力和單位切削功率將降低，去除的單位體積金屬所產(chǎn)生的熱量也減少，切屑的熱容量增加，由切屑帶走的熱量也增多，切削區(qū)的溫度升高的不顯著

2.切削液

切削液對切削溫度的關(guān)系，與切削液的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、流速以及本身的溫度等屬性之間有很大的關(guān)系。導(dǎo)熱系數(shù)油類切削液不如乳化液，水基切削液優(yōu)于乳化液。

四、利用單片機(jī)自動控制切削溫度

1.利用傳熱學(xué)檢測切削溫度

利用導(dǎo)熱基本定律使用熱電偶測量刀具或者工件的溫度， 工件與刀具在接觸區(qū)內(nèi)因切削熱的作用使切削溫度上升，經(jīng)過熱傳導(dǎo)從而形成熱電偶的熱端；而刀具的尾端及工件材料的引出端保持室溫形成熱電偶的冷端。熱端與冷端有熱電勢產(chǎn)生。刀具——工件自然熱電偶的溫度與輸出電壓的關(guān)系，應(yīng)事先進(jìn)行標(biāo)定。用這種方法測得的是切削區(qū)上平均溫度，當(dāng)更換刀具或工件材料時(shí)，需要重新標(biāo)定溫度——輸出電壓的曲線。

2.利用單片機(jī)控制切削溫度

根據(jù)傳熱學(xué)知識，切削熱的傳遞方式有三種：

①熱傳導(dǎo)

②熱對流

③熱輻射

在機(jī)床加工過程中可以不考慮熱輻射的影響。熱傳導(dǎo)的速度取決于導(dǎo)熱系數(shù)，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于液體和氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，切削熱的熱傳播途徑是刀具和工件。所以利用單片機(jī)進(jìn)行如下控制：

如上所述，各種刀具材料對于不同的工件材料都有一個(gè)適宜切削溫度范圍。因此，利用單片機(jī)可以用來控制機(jī)床的速度或進(jìn)給量，保持切削溫度在適宜的范圍內(nèi)。根據(jù)測得的切削溫度反饋到單片機(jī)中，由負(fù)反饋系統(tǒng)單片機(jī)自動調(diào)整切削速度和進(jìn)給量，使溫度達(dá)到適宜的值。當(dāng)切削溫度過高時(shí)自動減小切削速度或減少進(jìn)給量，以降低切削溫度提高加工的生產(chǎn)率及工件表面質(zhì)量。而切削溫度較低時(shí)，自動增加切削速度或進(jìn)給量，可以提高加工效率。

切削液的作用主要是增加熱對流，實(shí)驗(yàn)證明其帶走的熱量是熱傳導(dǎo)的8到10倍。通過單片機(jī)自動開關(guān)切削液使得金屬加工過程的熱影響減少，可以獲得更高精度的工件。