高錳鋼鉆削溫度測量系統的建立與實驗研究*

楊亮許立

(大連交通大學機械工程學院，遼寧大連116028)

切削熱是切削過程中重要的現象之一。鉆削過程中，鉆頭與工件和切屑的摩擦功、切屑形成的剪切功幾乎全部轉化為熱能［1］。鉆削溫度不但影響到刀具和工件的性能、鉆頭的磨損和刀具壽命，而且影響積屑瘤的形成及其大小，影響切削力的變化和鉆削時的振動，從而影響加工表面質量［2］。

在切削溫度的測量中，測量鉆削溫度是比較困難的。國內在鉆削溫度方面研究很少，國外的研究也遠不及車削溫度測量那樣成熟。主要測量鉆削溫度的方法有全人工熱電偶、半人工熱電偶［3］、熱像儀法［4］和光纖紅外溫度計［5］。全人工熱電偶由于小孔中的空間和空氣的存在，而金屬和空氣的導熱性的巨大差別，造成對切削溫度傳導的屏障作用，致使測量誤差較大［6］。熱像儀和光纖紅外溫度計法除了存在設備的成本問題以外，它們都難以實現鉆削這種近乎封閉的溫度場的測量。所以采用半人工熱電偶的方法，但將這種方法應用于高錳鋼這種典型的難加工材料的鉆削溫度的測量，還未見諸報道。因此本文從測量方法入手，建立實驗平臺，實現高錳鋼鉆削溫度的測量和分析。

1 實驗系統的硬件設計及工作原理

1.1 系統總體方案設計

實驗平臺的硬件系統是數據采集測試系統設計的基礎，它是組成虛擬儀器不可缺少的一部分。硬件系統與數據獲取、過程通信及圖形界面軟件相結合形成完整的虛擬儀器設備。本鉆削溫度測試硬件系統如圖1所示，主要包括PC計算機、數據采集卡、放大電路及熱電偶閉合回路等。

1.2 溫度信號獲取裝置與工作過程

系統的測量對象是鉆削溫度信號，通過半人工熱電偶將溫度信號轉換成電信號，信號放大電路對微弱的電壓信號進行放大，用數據采集卡進行A/D轉換輸入計算機中，通過軟件對數據進行分析處理，得到測量結果。系統工作過程如圖2所示。

系統所采用半人工熱電偶方法，該方法不僅能測量鉆頭在切削過程中切削刃上各點的瞬時溫度，還可以同時得到工件切削表面的平均溫度。它不僅對工件上的溫度場破壞小，測量精度高，還可以一次同時裝夾多根熱電絲，連續測量整個鉆削過程中切削刃上的溫度分布，重復性好，且適用于高硬度材料的鉆削溫度測量，而且不需要考慮刀具和工件與試驗臺的絕緣問題。具體實施方案如圖3所示。

2 軟件系統的總體設計

本采集系統采用虛擬儀器技術，以半人工熱電偶為傳感器獲取信號，然后對信號進行必要的處理后，由數據采集卡送入計算機，系統軟件將其轉化為直觀可見的圖形或數據，并對數據進行分析和處理，得到測量結果。采用模塊化、層次化軟件結構來構建，如圖4所示，系統能夠實現對切削溫度測量系統的熱電偶標定、多通道數據采集、數據存儲、數據回放及經驗公式的創建。數據采集模塊對數據采集卡直接操作，負責讀取采集卡中采集的數據，以動態曲線和數字同時顯示，并存儲原始數據;數據回放模塊可以實現歷史數據進行回放最大值和最小值計算;數據分析模塊可以實現經驗公式創建和顯著性檢驗;熱電偶標定模塊可同時顯示標準熱電偶與待標定熱電偶的電勢-溫度曲線，并能針對待標定熱電偶曲線擬合出相應的數學公式。

3 實驗系統的建立與鉆削實驗設計

3.1 熱電偶的標定

非標準熱電偶的標定精度直接影響最終鉆削測溫的實驗結果，因此，標定實驗是鉆削測溫實驗的重要組成部分。需要設計或選用可靠的標定裝置，并經調試使其達到最佳的工作狀態，盡可能提高標定精度。本標定實驗采用哈爾濱工業大學研制的自然熱電偶快速標定裝置。原標定裝置的數據記錄是采用XY記錄儀，在本實驗中除了采用XY記錄儀記錄數據外，將自行開發的計算機數據采集系統與標定裝置連接，進行數據的同步記錄，標定系統框圖如圖5所示。

采用單接點標定方式，接線方式如圖6所示。選擇康銅和鎳鉻作為標準熱電偶，康銅與高錳鋼組成待標定熱電偶，標定時去掉刀片支撐桿，將高錳鋼試件直接插入底板，加熱電極和熱端標準熱電偶絲頂在高錳鋼試件端部加熱部位，冷端從試件底部直接接至放大器接地端。

3.2 熱電偶標定實驗結果

標定裝置采用BX6型交流弧焊機對熱電偶進行加熱，輸出電流值在55～160 A之間，電壓25～50 V，實驗時采用55～60 A檔位，可在3～5 s內加熱至1000℃左右;標準熱電偶通過信號放大器接數據采集卡1通道，待標定熱電偶接2通道，通過系統的溫度標定模塊進行數據采集、處理和顯示，標定結果如圖7所示。

經擬合，康銅-高錳鋼組成的非標準熱電偶的電勢-溫度系數公式為

由于系統公式采用一次函數進行擬合且參考端溫度非0℃(室溫)，因此截距可能存在一定的誤差。X—Y記錄儀的記錄曲線經Excel處理如圖8所示。

因標定時參考端溫度為室溫，需將標定曲線參考端溫度補正到0℃。標定時室溫為20℃，從標準熱電偶分度表上查出其對應電勢值為1.192 mV，將原點向左偏移1.192 mV，由于待標定曲線尚屬未知，又無表可查，可利用標定曲線的近似直線外延求得待標定熱電偶電勢值。一次標定完畢后，必須對熱電偶絲、加熱電極和待標定試件進行調整、打磨熱電偶絲和待標定試件的氧化層。

3.3 鉆削測溫實驗條件與實驗方案

(1)實驗條件

實驗機床:本實驗在臺灣WINTEC立式加工中心上進行，型號MV40。

刀具:根據高錳鋼加工的特點和比較各種硬質合金牌號合金材料的性能，在鉆削高錳鋼時，YG6、YG8和YW2牌號的硬質合金材料鉆頭比較適合。考慮到通用性的要求，本實驗選用標準錐柄硬質合金鑲焊麻花鉆。硬質合金牌號為YG8。鉆頭直徑為:16、19、22 mm三個規格。

試件:實驗采用鐵路道岔用高錳鋼(ZGMn13)，試件規格:300 mm×40 mm×20 mm。

(2)實驗設計

鉆削溫度沿主切削刃分布的實驗:采用單因素實驗法，以鉆削速度為變化因素，鉆頭直徑19 mm。鉆削用量變化見表1，測量點沿切削刃分布如圖9所示。切削用量對鉆削溫度的影響實驗:選取鉆削速度v、進給量f、鉆頭直徑d為三個變化因素，采用正交實驗法進行實驗，各因素均取三個水平，按正交表L9(33)安排9次試驗。

表1 鉆削用量

4 實驗結果分析

4.1 鉆削溫度沿主切削刃上的分布

經過實驗得到在不同鉆削速度條件下，鉆削溫度沿普通麻花鉆主切削刃上的分布數據，為更好地體現溫度分布變化規律，用折線變化圖表示，如圖10所示。從圖中可以看出:(1)鉆削溫度在400～850℃范圍內變化。(2)在相同鉆削速度下，鉆削溫度沿切削刃由內而外逐漸升高，最高溫度出現在主切削刃的約二分之一處(由于測量點設置位置的緣故，最高溫度可能位于5點和7點之間);在切削刃靠近外緣處，溫度迅速下降，但仍較橫刃處的溫度高。在相同轉速下，靠近橫刃處的鉆削速度較低，刀具與工件摩擦產生熱量較少，因而溫度較低;在主切削刃中部，切削速度不斷提升，但主要是由于切削條件惡劣，散熱條件極差，加之高錳鋼材料的導熱系數很小，致使鉆削溫度迅速攀升;靠近切削刃外緣處溫度下降較快，這是由于切削刃靠近工件冷端散熱條件有所改善，傳熱速度快，但由于鉆削速度很高，溫度仍較橫刃附近的溫度高。(3)隨著鉆削速度的提升，切削區的溫度整體升高。(4)在相同進給量和測量點，僅改變主軸的轉速，獲得一組實驗數據曲線，從這組曲線看，其變化規律基本相同，這表明實驗重復性較好。

4.2 切削用量對鉆削溫度的影響

鉆削速度變化對鉆削溫度的影響見圖11，表明隨著鉆削速度的提高，鉆削溫度提升很快，但隨著鉆削速度的進一步提高，溫度提升速度變緩。分析原因:由于鉆削速度的提升，切削力隨之減小，致使刀具切削面的擠壓力減弱，摩擦功降低。

仍然選用直徑19 mm的鉆頭，固定轉速為30 m/min，測量點位于5點位置，研究進給量對鉆削溫度的影響，如圖12。由圖可見，鉆削溫度隨進給量的增大而增大，增大的程度小于鉆削速度對鉆削溫度的影響。分析原因:由于進給量的增大，單位時間內切除的金屬增多，消耗的切削功增大，致使溫度升高;但進給量增大，切屑厚度隨之增加，進而由切屑帶走的熱量增多，緩解了切削區的升溫。

4.3 回歸方程的建立

正交試驗數據結果見表2，試驗中所測得的數據僅能表現各測量點當前條件下的鉆削溫度狀況。為了研究高錳鋼鉆削溫度的一般性規律性，采用線性回歸的方法對實驗數據進行分析。

利用軟件系統數據處理模塊進行經驗公式回歸和顯著性檢驗，如圖13所示。將實驗參數及測量結果輸入到對應的對話框中，單擊檢驗結果按鈕，獲取檢驗結果。根據實驗結果獲取的高錳鋼鉆削溫度經驗公式為:

計算 F 分布值為 19.912，F ＞ F0.05(3，5)=5.41，所以認為鉆削溫度回歸方程是高度顯著的。

表2 鉆削溫度正交試驗結果

對三個自變量進行t檢驗，鉆頭直徑、進給量、鉆削速度對應的顯著性水平分別為 0.261、0.018、0.001，常數項的顯著性水平為0.0002，由此可以看出鉆頭直徑對高錳鋼鉆削溫度的影響不太顯著，其它兩個變量的影響很顯著，尤其是鉆削速度的影響非常大。經上述研究可以發現，在實際生產中，可以適當提高鉆削進給量來提高加工效率，鉆削速度應控制在一定范圍內，不宜過高。

5 結語

本文建立了高錳鋼鉆削溫度實驗系統，完成高錳鋼鉆削測溫實驗，實驗中采用單點標定法對高錳鋼與康銅組成的非標準熱電偶進行了標定，得到標定曲線及擬合公式;并利用此系統測得鉆削溫度沿主切削刃的分布曲線，說明鉆削溫度在400～850℃范圍內變化且最高溫度出現在主切削刃的約1/2處。同時，得到鉆削速度和進給量對鉆削溫度的影響變化曲線并對實驗結果進行了分析;利用軟件系統的數據處理模塊得到鉆削溫度的經驗公式，通過顯著性分析顯示鉆削速度對溫度的影響最大。

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