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CIRP年鉴-制造技术59（2010）97–100
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——美国北卡罗莱纳大学机械工程与工程科学系精密计量中心
A R T I C L E I N F O公司
机械材料间断切割中的高带宽工件温度测量
关键词：切削，工件温度，钛。
摘要：高速工件的铣削被广泛应用于从航空航天到电子等各个行业。刀具磨损可能受到工件的铣削中断的影响，这个现象降低了刀具-切屑的界面工件温度，同时也会从而导致热循环和应力循环现象的产生。使用微热处理来确定钛合成金属Ti6Al4V和AISI4140钢从100%到10%的百分比含量下的中断切削工件时的工件温度。采用TiAlN/TiN涂层硬质合成金属为材料的铣刀，设定切削工件速度分别为180m/min和640m/min，这项技术首先允许对刀具上的热阻进行空间映射，这个技术可能对确定刀具故障的原因至关重要。
- 介绍
由于切削工件中断和相关的冷却间隔的原因[1,2]，从而导致工件的铣削操作中刀具-切屑界面的平均工件温度要低于连续切削工件过程时的工件温度。减少径向浸没这个操作有助于减少工件温度引起的磨损现象，如扩散和化学反应，但由于振动应力和热循环，增加了机械磨损[3]。在高速工件的铣削中，低径向浸入式工件的铣削可以提高材料去除率，降低刀具磨损率，这是一个重要而复杂的现象，在过去20年中，随着高速加工中心的广泛引进，这一现象已具有实际意义。金属切削工件过程中的工件温度测量已经用多种技术进行了研究[4]。然而，关于在工件的铣削操作中切削工件温度的测量，它向科学家们提出了特别的技术挑战，尤其是跟踪旋转轨迹和多个运动轴的运动。Ueda等人[5]测量了高速工件的铣削AISI1045钢时硬质合成金属刀片表面的工件温度变化。他们使用了一个双色高工件温度计，硫系光学纤维收集器位于刀具周围的四个不同点上。在每次旋转过程中，切削工件刃都经历了150℃的热循环。Stephenson和Ali[2]采用刀具-芯片热电偶技术对AISI2024铝和灰铸铁进行了连续和间断的切削工件试验。结果表明，在相同周围环境的条件下，间断切削工件比连续切削工件的刀具工件温度低。峰值工件温度随著城市人口的增加而降低。Kitagawa等人[1]为断续切削工件与连续切削工件相比获得更低的工件温度提供了进一步的证据。他们用陶瓷涂层制作了一个微型热电偶，用硬质合成金属刀具连续和间断切削工件钛合成金属Ti–6Al–6V–2Sn时测量工件温度的钨丝。在相同的切削工件周围环境的条件下，断续切削工件的峰值工件温度比连续切削工件低100℃。作者表明了在每个切削工件循环中有约600℃的热循环。
据了解，本研究提供了一种确定断续切削工件过程中工件温度分布的微型热成像系统技术。这允许在刀具上直接以30微米的分辨率测量局部最高工件温度，而不是由刀具-芯片热电偶和双色高工件温度计测量的空间平均最高工件温度。本文提出的技术还可用于设计刀具和涂层，利用间断切削工件中会降低工件温度的原理，阐述可能降低刀具磨损的机理。本研究以AISI4140钢及钛合成金属Ti6Al4V为研究对象，采用间断正交车削的方法，研究了间断切削工件过程的基本性质[6]。AISI4140钢的测量在汽车应用中特别重要，与先前的工作相比也非常重要。Ti6Al4V的测量在航空航天高速工件的铣削中也有着直接的应用。此外，基本的热现象如由于这些材料的低热导性而产生的热量积聚[7]和由于这些材料的化学反应而产生的高磨损率[8]，对于理解磨损现象至关重要。因为所有的测试都是在没有冷却液的情况下进行的，所以它们最适用于干/绿色加工。
2。实验装置
正交切削工件试验是通过在没有冷却液的情况下安装在加工中心主轴上的样品末端来完成的，因为冷却液不会在红外线中传输。为了模拟工件的铣削过程，在管端加工了不同长度的“齿”（图1）。
不同配置下的工件的铣削过程模拟
Cutting conditions for the tests-试验的切割周围环境的条件.
Cutting speed (mmin-1)-切割速度（米每分钟）.
Feed rate (mm)-进给速度（mm）.
Percent of time-in-cut-切割时间百分比（%）.
Coolant-冷却液-Dry cutting-干切削工件.
分析了切削工件时间百分比（定义为工件一周内材料切削工件的百分比）的四个值:100%（连续切削工件）、50%（槽工件的铣削）、25%（粗肩工件的铣削）和10%（精加工工件的铣削）。为了测量切削工件过程中的工件温度，一个高带宽红外显微成像系统聚焦在刀具的切削工件刃上。成像系统和刀座（带有一个安装在垂直加工中心工作台上的铝模板上的刀架）安装在工作台上（图2）。工件在加工中心的主轴上旋转，然后进给到固定的刀具上，产生中断的正交切削工件。
2.1工件材料
本文分析了两种材料Ti6Al4V和aisi4140钢，研究发现影响切削工件性能的主要因素是导热系数：钢42.6W/m*K和钛6.6W/m*K。工件由实心棒材制成，以保持性能均匀。最终尺寸为直径50mm，壁厚1mm，深度10mm。一个50毫米长的实心底座用螺栓固定在刀架上，然后安装在加工中心的垂直主轴上。
Experimental arrangement-实验安排.
Ground surface-工件工作表面.
Insert-插入定位.
Spindle-主轴.
Workpiece-工件.
2.2加工布置
切割是由具有平面前刀面的方形硬质合成金属刀片（TiAlN/TiN涂层）发生的，与插入式铣刀中使用的刀片相同（图1）。在垂直于光轴的每个铰链的进给上测量辐射的平面（图2）。刀片安装在一个定制的刀架上，刀架提供58个间隙和128个前角。在扫描电子显微镜中测量了切削工件刃的半径，为了减少不确因素的影响，实验仅限于半径在25plusmn;5微米范围内的刀具。在进给速度保持恒定[5]的情况下，切削工件速度和切削工件时间百分比变化是不同的。表1总结了切削工件参数。虽然切削工件刃在工件之间发生了变化，检查后并没有发现其有明显的磨损。
2.3工件温度测量
由320times;256冷却的锑化铟焦平面阵列和锗透镜组成的显微镜测量了3.97-4.01mm宽范围内的热辐射，产生的分辨率为30微米/像素。成像系统能够获得的速度40兆像素/秒。积分时间固定在200微秒。探测器根据一个工件温度可控、发射率为0.995且与波长无关的黑体进行校准。利用傅里叶变换红外光谱仪测量了工件和刀具材料的发射率随波长和工件温度的变化。可接受辐射的窄带消除了波长变化，因此，只考虑工件温度的影响：根据黑体工件温度对每个像素应用不同的发射率值。在波长范围内，磨粒碳化物、AISI 4140钢和Ti6Al4V的发射率平均值分别为0.3、0.2和0.25。
为了确保在所有切割周围环境的条件下都能够收集到足够的数据，帧的大小被减少到80times;64像素，允许在40兆像素/s下将帧速率增加到3598赫兹。因此，即使在最高主轴速度下，每转也获得大约57帧。
3.结果
3.1连续切割
与预期的一样，Ti6Al4V的切削工件温度比AISI4140钢的切削工件温度要高得多。图3显示了两种材料在干切削工件周围环境的条件下以180m/min、0.1 mm未切屑厚度和1 mm切削工件深度连续切削工件2s后的热焊接。在加工AISI4140钢（图3（a））时，刀具的前刀面工件温度约为550℃，而在Ti6Al4V合成金属（图3（b））中，工件温度达到800℃。由于钛合成金属加工的典型薄片和接触长度[10]，高温集中在靠近刀具边缘的小区域，刀尖的这种工件温度加速了刀具的磨损和失效。
3.2间断切割
图4显示了两种材料中连续和间断切削工件（50%）的实验测量最大刀具工件温度与时间的比较。最大值和平均值由于收到冷却时间的影响，中断切削工件的工件温度比连续切削工件的工件温度低。中断切削工件的最高工件温度分别比连续切削工件AISI4140钢和Ti6Al4V合成金属的最高工件温度低100℃和75℃。两种情况下，断续切削工件的工件温度变化幅度都大于200℃，这种变化可能在热循环/冲击引起的刀具故障中起作用。图5和6显示了两种材料的最高工件温度和热循环（热变化幅度）随切削工件速度的变化；不确定因素通过[3]和相关参考文献中描述的方法进行评估。热循环是由达到稳态振幅（连续峰值之间的变化低于5%）后的平均工件温度变化确定的，通常只有在四次切割后。对于这两种材料，由于减少切割时间和增加冷却时间的共同作用，切割时间百分比增加得到最高切割工件温度。这与高速加工工业应用中的观察结果一致，在这种情况下，已知径向浸没对刀具寿命有实质性影响。在间断切削工件中，Ti6Al4V加工时的峰值工件温度也要高得多。在180m/min和25%切割时间下，AISI4140钢的峰值工件温度约为340℃，Ti6Al4V合成金属的峰值工件温度约为550℃（图5（a）和6（a））。
Fig3 -加工用热图：（a）AISI4140钢；（b）在0.1mm未切屑厚度、1mm切割深度和干切削工件周围环境的条件下连续切削工件Ti6Al4V合成金属。
Fig4-实验结果表明：（a）AISI4140钢的切削工件速度为180米每分钟；（b）Ti6Al4V合成金属的切削工件速度为80米每分钟。黑线对应连续切割，灰线对应中断切割（50%）。
Fig5-不同切削工件参数下AISI 4140钢断续切削工件的峰值工件温度（a）和热循环（b）。
Fig6-不同切削工件参数下Ti6Al4V合成金属断续切削工件的峰值工件温度（a）和热循环（b）。
AISI4140钢（图5（b））中没有热循环的相关趋势。在较低的切削工件速度下，切削工件时间百分比越高，热循环越大，而在较高的切削工件速度下，趋势相反。通过仔细检查数据可以看出，一种相反趋势的解释是冷却/加热循环的相对持续时间。如图4所示，加热和冷却遵循近似指数曲线（主要是来自与环境相关的非热传递的一阶热传递）。因此，在主指数的第一时间常数期间，冷却/加热发生得最快，而更长的时间将从而导致变化率减小（较低的斜率）。结果，根据进出切削工件次数（切削工件速度和切削工件时间百分比）及其与主要时间常数之间的关系，一种是变化小但平均工件温度高的快速锯齿波（图5（b）中主轴速度低时50%浸入）或曲率大的波，高振幅，但平均工件温度较低（图5（b）中10%浸入高速主轴）。这种可能性已经在MATLAB中用一个相对简单的代码进行了验证。对于Ti6Al4V合成金属（图6（b））而言，由于切削工件速度低得多，因此相对于主要的指数-时间常数，冷却时间较短，因此这种趋势并不明显。以旋转刀具为例，随着换热系数随刀具速度的变化，问题变得更加复杂。图7所示为钛合成金属Ti6Al4V在80m/min和50%的切入时间下的单个切削工件循环中刀具承受的热循环图。最大变化位于工具提示中，可观察到接近250℃的热循环。热循环是刀具刃口切削工件和开裂从而导致刀具磨损、涂层脱层和工件的铣削失效的原因之一。如果没有像这里描述的那样的高分辨率成像技术，这种类型的成像图是不可能的。
Fig7- Ti6Al4V合成金属间断切削工件（切削工件时间的50%）热循环场的实验结果.
4.结论
开发了一种新的技术来分析高速工件的铣削过程中刀具温度、工件温度分布和切削工件过程中的工件温度场分布。Ti6Al4V钛合成金属的低导热性和其他材料的特性从而导致在连续和间断切削工件过程中的切削温度都要比AISI4140钢要高得多。在加工Ti6Al4V合成金属时，工件温度分布更集中在靠近刀尖的狭窄区域。由于两次啮合之间的冷却时间的影响，间断切削工件会从而导致较低的工件温度。随着冷却时间的增加（较小的径向浸入工件的铣削），峰值工件温度较低。然而，刀尖出现更大的热循环（高达250℃），这可能会对刀具寿命产生负面影响。冷却时间似乎对热循环有重要影响。由于冷却曲线呈指数形状，刀具在第一步中迅速冷却，冷却量略有增加时间意味着工件温度的大幅下降。然而，随着冷却时间的延长，冷却曲线的斜率趋于零，增加冷却时间的效果并不重要。在冷却液存在的情况下，热循环会大得多，人们可能期望峰值工件温度保持不变（在刀具-芯片接口处没有冷却液），但在刀具脱离切削工件时，向外界环境的传热会快得多。为了确定切削工件刀具的最佳工作周围环境的条件和设计，需要进一步研究切削工件过程中的冷却现象。我们希望能够将这种方法推广到旋转刀具的情况，并将其与旋转刀具的情况进行比较，检验刀具运动对环境传热的影响。最后，热阻的空间图（图7）可以为刀具设计提供重要的帮助。
致谢
作者感谢巴斯克和西班牙政府为项目制造II（代码IE 09-254）和METINCOX（DPI2009-14286-C02-0）提供的财政支持，感谢他们为研究拨款BFI07.91，以及获取红外摄像机（EC2007-5）。作者还向公司提供技术和材料支持，并向Ivan Arriola提供技术帮助。
参考文献
[1] Kitagawa T, Kubo A, Maekawa K (1997) Temperature and Wear of Cutting Tools in High-speed Machining of Inconel 718 and
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资料编号：[236642]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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