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热电偶在金属切割中的热量产生和散热的平衡

来源:作者:上海自动化仪表三厂发表时间:2018-03-12

    金属切削中的温度

    在切割过程中,几乎所有塑性变形耗散的能量都会转化为热量,从而提高切割区域的温度。由于发热与塑性变形和摩擦密切相关,所以在切割时可以指定三种主要热源:(1)在主剪切带中通过剪切进行塑性变形; (2)切割面上的摩擦;和(3)芯片和刀具侧面上的刀具之间的摩擦。


    温度会在加工表面上产生尺寸误差。由于温度升高,切削刀具伸长,并且切削刀具边缘的位置移向加工表面,导致约0.01-0.02mm的尺寸误差。由于热生成,耗散和固体热变形过程都是瞬态过程,因此需要一段时间才能达到稳定状态。废弃的芯片大部分会散发热量,这会带走大约60%-80%的总热量。工件作为散热器吸收热量的10%-20%,切割工具吸收约10%的热量。图1显示了金属切割中的热量产生和散热的平衡。


    金属切削中的热量产生和散热的平衡。

    整个刀具,切屑或工件的切削温度不是恒定的。可以观察到,最高温度不是在切削刃上形成,而是在刀具耙子上,离切削刃有一定距离。切割区的温度场如图2所示。


    共温度曲线。

    在金属切割过程中产生的热量是由于塑料变形能将自身转化为热量的形式。 Sata和Takeuchi [25,26]给出的发热率Q(W)为:

    Q = 1.68af0.15V0.85(2)

    其中a是切削深度(mm),f是进给速率(mm / rev),V是切削速度(m / min)。


    实验条件

    在这项研究中,提出了两种工具温度评估方法:在工具上放置K型热电偶和使用红外高温计。图3显示了实验装置的示意图,实验条件记录在表1中。加工过程使用NR 2020K-08刀架和PVD TiAlN-TiN涂层WNVG 080404-IC907硬质合金刀片进行。工件材料是AISI 4140合金钢。工件材料的化学成分如表2所示。


    实验装置的示意图


    

    表格1

    实验条件:

   

    表2

    AISI 4140合金钢的化学成分(体积%)。


    圆柱形工件(?45×300毫米)固定在卡盘和尾座之间,并使用单独的刀片进行预加工。通过感应淬火对样品进行热处理并保持50HRC的硬度。然后对样品进行固溶热处理并油淬火以获得适当的硬度。热处理后,材料被标准化。


    红外测温仪


    辐射技术使用非接触式方法基于其发射的热能来测量身体的表面温度。这种技术可能是最适合的,因为它不会与热源直接接触,所以很容易捕获高温。在实验过程中,使用Optris CF4红外高温计测量刀具 - 芯片界面温度,其规格示于表3中。为了测量温度,将红外高温计正好放置在刀具前刀面上方45cm处。每秒施加五个信号用于各种切割参数。测量点的尺寸为1.5mm,这相当于距离测量表面0.6mm的距离。高温计的响应时间为200毫秒。选定的测量位置位于刀片前刀面上1mm处,并位于前缘旁边,以避免切屑堵塞。利用带红外(红外辐射)高温计的红外系统进行工具芯片接口温度测量的实验装置,目标图像温度范围为385至1600°C。最小可分辨温差约为±2°或±0.2%。系统精度(环境温度23±5°C)为±(读数的0.3%+ 2°C)。 IR高温计被认为是更合适的,因为它更适合用于车削过程中,因为不存在与热源的直接接触,因此可以容易地捕获高温。

表3

    IR(红外辐射)高温计的技术指标。

    很明显,最高温度区与切削刃有一些距离,这在理论上对应于工具的最大磨损区,即最大工具磨损区与最高温度区重合。前刀面上的接触面积通常是由于没有测量和预测刀具与芯片之间接触面积的通用方法而定义的。接触面积在大多数情况下由接触长度控制。接触区域的宽度通常与切割深度大致相同。


    红外测温仪的构建和运行

    显示红外高温计的一般结构的框图可以在图4中看到。通过使用输入光学器件,发射的物体辐射被聚焦到红外探测器上。检测器产生相应的电信号,然后放大并可用于进一步处理。数字信号处理将信号转换成与物体温度成比例的输出值。温度结果显示在显示屏上。因此,被测物体的温度主要由三个步骤产生:(1)将接收到的红外辐射转换为电信号; (2)来自高温计和物体的背景辐射的补偿;和(3)温度信息的线性化和输出[27]。


    

    IR高温计的结构图

    红外测温仪的校准

发射率是物体吸收,传输和发射红外能量的能力的量度。发射的能量指示物体的温度。它可以具有从0(闪亮镜子)到1.0(黑体)的值。如果发射率值高于实际设定值,则输出值将变低,前提是目标温度高于环境温度值。材料的发射率是热辐射传热的关键参数。测量AISI 4140合金钢的发射率作为表面温度的函数。在文献中,AISI 4140合金钢的推荐辐射率值介于0.50和0.75之间[28]。为了准确测量切割温度,尝试了不同的发射值(范围为0.45-0.85),以便在恒定的切割参数下调节温度的准确度。图5显示了各种发射率值下的温度测量结果。在实验过程中应用标准程序以确保可靠和可重复的结果。红外高温计在使用之前作为标准装置进行校准以确定传递因子。为了使用TiAIN-TiN涂层的碳化钨加工AISI 4140合金钢,在385℃至600℃范围内确定了0.60的发射率值。


    图5

    IR高温计的发射率范围

    热电偶

    通过热电偶测量温度的原理是,当两种不同的金属接触时,如果称为热接点和冷接点的这些部件保持在两个不同的温度下,则在这两个接点上产生电动势(emf)。产生的电动势是用于热电偶的材料以及连接点的温度的函数。在加工应用中,刀具和工件之间产生热电emf [29]。对于这项研究,使用K型热电偶测量工具温度。在图6中,展示了K型热电偶显示器。在切削刃下方1毫米处观察到刀片上的最高切削温度。因此,热电偶套件安装在离前表面1mm处,距切削刃上表面1mm处。图7显示了热电偶的位置。考虑到切割的深度,安装热电偶存在一些困难。出现这些困难的原因在于,由于切削速度,进给速率和切削深度的变化,刀具切削接触点在切削过程中连续变化。热电偶直径为0.5mm,温度测量范围为-195℃至1100℃。图8显示了热电偶的安装。对于本研究,使用K型热电偶数据采集系统的工具温度测量精度为±2.5°C或±1%。


图6

K型热电偶显示器


热电偶的位置


    将热电偶安装到刀架上

    对于工具温度测量,使用带有具有四个温度输入的TESTO 177温度计的热电偶。在图9中,显示了刀架上的热电偶和IR高温计连接。


    热电偶和红外高温计连接到车床上。


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