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产品要耐高温 切削热和磨削热产生机理得读懂

2016-7-9 16:58| 发布者: mgdaoju| 查看: 3786| 评论: 0

摘要:   1 切削热产生机理    1.1 切削热的来源    切削热是切削过程中重要的物理现象之一。切削时所消耗的能量,除了1%~2%用于形成新表面和以晶格扭曲等形式形成潜藏能外,有98%~99%的能量转化为热能,因此可以 ...


  1 切削热产生机理

  

  1.1 切削热的来源

  

  切削热是切削过程中重要的物理现象之一。切削时所消耗的能量,除了1%~2%用于形成新表面和以晶格扭曲等形式形成潜藏能外,有98%~99%的能量转化为热能,因此可以近似的认为切削时所消耗的能量全部转化为热能。

  

  被切削的金属在刀具的作用下,发生弹性和塑性变形而耗功,这是切削热的一个重要的来源。此外,切屑与前刀面、工件与后刀面之间的摩擦也要耗功,也产生出大量的热量。因此,切削时共有三个发热区域,即剪切面、切屑与前刀面接触区、后刀面与过渡表面接触区。

  

  1.2 切削热的大小

  

  对磨损较小的刀具,后刀面与工件的摩擦较小,所以在计算切削热时,如果将后刀面的摩擦功所转化的热量忽略不计,则切削时所作的功,可按式(1)计算:

  

  Pc=Fzv   (1)

  

  式中,Pc——每秒钟内所作切削功,(J/s);

  

  Fz——切削力,(N);

  

  v——切削速度,(m/s)。

  

  在切削加工中,我们重点关注切削区工件表面的温度,也就是切削温度。美国学者M. C. Shaw研究了剪切面平均温度的有关理论。

  

  设剪切面上单位时间消耗的功Us为:

  

  Us=Fsvs J/s    (2)

  

  式中,Fs——作用在剪切面上的剪切力,(N);

  

  vs——剪切速度,(m/s)。

  

  设剪切面上剪切功的分布是均匀的,则单位时间单位面积的热量 qs为:

  

  (3)

  

  式中,ac——切削厚度,(m);

  

  aw——切削宽度,(m);

  

  φ——剪切角。

  

  设剪切面上流入切屑中的热量为R1qs,R1为剪切面产生的热量流入切屑的比率,则剪切面上流入工件的热量为      (1-R1)qs。如不计热量的损失,则切屑在剪切面的平均温度 θs应为:

  

  (4)

  

  式中,c1——θ0~θs间工件材料平均温度的比热容;

  

  ρ1——工件材料的密度;

  

  θ0——环境温度。

  

  1.3 切削温度经验公式

  

  通过实验,得到了采用高速钢刀具切削中碳钢的切削温度经验公式:

  

  (5)

  

  式中,θ——实验测出的前刀面接触区平均温度;

  

  Cθ——切削温度系数,(m);

  

  v ——切削速度,(m);

  

  f ——进给量,(m);

  

  ap——背吃刀量,(m);

  

  zθ,yθ,xθ——相应的指数。

  

  采用高速钢刀具车削加工45钢工件,经验公式(5)中各参数的取值见表1。

  

  切削用量采用推荐的最优值,具体如表2所示。

  

  将上述参数代入经验公式(5)中可以求得,对应的切削温度为279℃。

  

  2 磨削热产生机理

  

  2.1 磨削热的来源

  

  磨削热的主要来源是磨削功率的消耗,在进行磨削的加工中,单位面积所消耗的能量,除了会有极少的部分被消耗在新生面所形成表面能,残留在工件表面和磨屑中,或是磨屑被流走的动能之外,绝大部分会被消耗在加热的工件表面以及砂轮和磨屑中。

  

  一般来说,普通的磨削热量会比较大,在进行切割磨削的时候,会由于磨屑厚度比较大,磨屑的形成中会耗费少量的热。在传递给工件表面的热量会相对减少,磨削加工中的磨削热通常会集中在砂轮的前方,在工件所接触处的温度会比较高,如果进给的速度不合适,会有大量的热传递给工件,如果进给的速度太低的话,磨削热的速度回超过砂轮的切入速度的时候,工件表面的温度会迅速地提高。

  

  2.2 一维热传导模型

  

  在平面磨削加工中,一维热传导模型如图1所示。

  

  该模型磨削区热源所发出的热量只沿z方向传送。即工件中任何点,它只是在运动过程中行经磨削区时才受到热源的作用。

  

  工件表面的温升为:

  

  (6)

  

  式中,

  

  工件表面下不同深度处的温升为:

  

  (7)

  

  2.3 平面磨削温度场计算

  

  采用型号为WA46的砂轮,对45钢工件进行了平面磨削实验,在砂轮线速度为31.4m/s、工件进给量为0.05m/s、磨削深度为25μm时,测得的单位宽度切向磨削力为4N/mm。采用上述有关参数,计算平面磨削45钢温度场分布。

  

  砂轮直径ds=200mm,工件宽度b=10mm,润滑条件:无冷却液。

  

  磨削接触区的总发热功率为:

  

  (8)

  

  45钢的热导率λ1=0.0989cal/cm·s·℃;

  

  氧化铝磨料的热导率

  

  λ2=0.0298cal/cm·s·℃;

  

  可以计算出传入工件的热量比率为:

  

  η=λ1/(λ1+λ2 )=80.5%              (9)

  

  磨削接触区长度为

  

  (10)

  

  热源面积为:

  

  S=l×b=0.2236×1=0.2236cm2           (11)

  

  作用于工件的热源强度为:

  

  (12)

  

  45钢的密度ρ=7.85g/cm3,比热容c=0.134cal/g .℃,则热扩散率为:

  

  a=λ/cρ=0.094。

  

  按一维传热模型计算表面温度场,其中EO区内计算公式为:

  

  (13)

  

  当X=0时,取得最高温度为1028℃。

  

  3 结论

  

  切削加工与磨削加工是两种不同的加工形式,具有不同的加工机理,车削或铣削产生的主要热量被切屑带走,而磨削产生的主要热量传入工件,比较上述车削与磨削加工45钢的加工区的温度场计算结果,车削产生的切削温度为279℃,而磨削加工产生的磨削温度高达1028℃,是车削加工的3~4倍。值得注意的是,磨削加工的加工深度只有25μm,这远低于车削加工的切削深度,这说明在相同材料去除率的前提下,磨削加工的消耗能量也远大于车削,而这部分能量几乎全部转化为磨削热。



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