X90管線鋼車削加工中刀具溫度動態變化規律實驗研究*

張衛衛，席文奎，田新宇，殷凱強

（西安石油大學機械工程學院，西安 710065）

0 引言

在切削過程中，被切削的金屬在刀具的作用下，發生彈性和塑性變形而耗功，這是切削熱的一個重要來源。此外，切屑與前刀面、工件與后刀面之間的摩擦也要耗功，產生出大量的熱量[1-2]。刀具磨損情況、刀具壽命、切削機理以及工件表面質量均與切削熱密切相關，因此對切削熱進行表征的切削溫度測量一直是切削機理研究的重點和難點[3-4]。切削溫度一般指前刀面與切屑接觸區域的平均溫度。切削溫度高是刀具磨損的主要原因，會限制生產率的提高；切削溫度還會使加工精度降低，使已加工表面產生殘余應力以及其他缺陷[5-7]。

在諸多的切削溫度測量方法中，自然熱電偶只能測量切削區平均溫度，無法測得某點溫度和實時溫度；人工熱電偶法要求熱電偶絲與孔壁間絕緣，且很難嵌入超硬的刀具材料中[8]；紅外測溫為非接觸式測溫方法，具有較好的空間分辨率和溫度分辨率[9]。本文采用紅外成像測溫法，對X90管線鋼車削加工中切削溫度動態變化規律進行了實驗研究，選擇不同的轉速，對比分析其對切削溫度的影響程度，得到X90 管線鋼車削加工中適宜的切削用量。

1 實驗設計

1.1 測溫原理

本試驗采用紅外熱像儀來測定切削溫度，其工作原理是基于斯蒂芬-玻爾茲曼定律。

式中：ε為物體輻射單元表面輻射率；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數；T為輻射單元的表面溫度，K；E為單位面積的輻射能量，W。

紅外熱像儀通過紅外探測器接收并測量物體輻射單元的輻射能量，若輻射單元的表面輻射率已知，則可通過斯蒂芬-玻爾茲曼定律求出輻射單元的表面溫度。紅外熱像儀通過光機掃描機構依次探測物體輻射單元的輻射能量，并將每個輻射單元的輻射能量依次轉換為電子視頻信號,通過對該信號進行處理，以可見圖像的形式顯示出來。顯示的熱像圖代表了物體表面的二維輻射能量場,同時也對應著物體表面的溫度分布場。紅外成像儀測溫法具有直觀、簡便、遠距離非接觸監測等優點，并且對于惡劣環境及運動物體的表面溫度測量具有極大優越性[10]。

1.2 實驗方案

工件材料取自國內X90熱軋鋼，其化學成分如表1所示[12]。

表1 X90的主要化學成分的質量分數

1.2.1 實驗設備

在SK50P數控車床（主軸最高轉速2 850 r/min）上進行車削實驗，車削過程中不加冷卻液。工件規格為φ50 mm×500 mm棒料。采用機夾式車刀，刀桿材料為45 鋼，刀片材料為YG 硬質合金。實驗車刀安裝后，刀片實際工作角度如表2所示。測溫單元選用美國菲利爾（FLIR）儀器公司生產的T440紅外成像儀。

表2 車刀實際工作角度 （°）

1.2.2 實驗方法

主軸轉速選取范圍為n=317～2 000 r/min；進給量選擇為f=0.077 mm/r；背吃刀量選擇為ap=0.5 mm；切削長度L選取范圍為400 mm。隨著轉速的增加，切削速度隨之增加，實驗中為了保證對應測量點具有可比性，選擇每組10個測量點對應的切削長度相同，具體的實驗方案如表3所示。

表3 實驗參數

圖1 刀具前刀面溫度變化圖

選定實驗工況1～5，根據表3 選定該工況對應的實驗參數，進行車削加工實驗。在400 mm 切削長度內測量長度間隔為40 mm，測量點數選取為10 個，用紅外熱像儀測量刀具前刀面最高溫度并記錄。在實驗中嚴格控制周圍光線和工件表面粗糙度，減少因反射率的變化引起測量誤差的增大。

2 實驗結果及分析

2.1 實驗結果

工況1：轉速n=317 r/min，進給量f=0.077 mm/r，背吃刀量ap=0.5 mm，工件直徑d=50 mm，切削長度L=400 mm。每40 mm測量1 次，連續測量10 次，刀具前刀面溫度變化如圖1 所示。

工況2：轉速n=483 r/min，其余參數與工況1相同，刀具前刀面溫度變化如圖2所示。

圖2 刀具前刀面溫度變化圖

工況3：轉速n=760 r/min，其余參數與工況1相同，刀具前刀面溫度變化如圖3所示。

工況4：轉速n=1 250 r/min，其余參數與工況1相同，刀具前刀面溫度變化如圖4所示。

工況5：轉速n=2 000 r/min，其余參數與工況1相同，刀具前刀面溫度變化如圖5所示。

圖3 刀具前刀面溫度變化圖

2.2 實驗結果分析

根據以上不同轉速條件下車刀前刀面最高溫度測試結果數據，繪制出如圖6所示的主軸轉速與車刀前刀面溫度之間的變化關系曲線。

由圖可知，當轉速選擇n=317 r/min，即切削速度為49.769 m/min 時，在切削長度400 mm 過程中，刀具前刀面溫度從33.5 ℃增加到38.7 ℃，增加量為5.2 ℃，增幅為15.5%，單位長度的溫升為0.013 ℃，刀具前刀面溫度隨著切削長度的增加而增加。

當轉速選擇n=483 r/min，即切削速度為75.831 m/min時，在切削長度400 mm 過程中，刀具前刀面溫度從33.2 ℃增加到39.2 ℃，增加量為6.0 ℃，增幅為18.1%，單位長度的溫升為0.015 ℃，刀具前刀面溫度隨著切削長度的增加而增加。

當轉速選擇n=760 r/min，即切削速度為119.320 m/min時，在切削長度400 mm過程中，刀具前刀面溫度從33.5 ℃增加到45.1 ℃，增加量為11.6 ℃，增幅為34.6%，單位長度的溫升為0.029 ℃?？傮w來看，刀具前刀面溫度隨著切削長度的增加而增加，但在切削長度為240～400 mm長度范圍內，刀具前刀面溫升保持基本穩定。

圖4 刀具前刀面溫度變化圖

當轉速選擇n=1 250 r/min，即切削速度為196.250 m/min時，在切削長度400 mm 過程中，刀具前刀面溫度從33.5 ℃增加到49.9 ℃，增加量為16.4 ℃，增幅為49.0%，單位長度的溫升為0.041 ℃，刀具前刀面溫度隨著切削長度的增加而增加。

當轉速選擇n=2 000 r/min，即切削速度為314.000 m/min時，在切削長度400 mm過程中，刀具前刀面溫度從33.2 ℃增加到49.5 ℃，增加量為16.3 ℃，增幅為49.0%，單位長度的溫升為0.041 ℃?？傮w來看，刀具前刀面溫度隨著切削長度的增加而增加，但在切削長度為240～400 mm長度范圍內，刀具前刀面溫升保持基本穩定。

3 結束語

（1）在主軸轉速選擇n=317 r/min、n=483 r/min 和n=1 250 r/min時，車刀前刀面溫度隨著轉速的增加而升高，溫升的速率隨著轉速的增加也相應增加。

（2）在轉速n=760 r/min 和n=2 000 r/min 切削時，車刀前刀面的溫升并不隨著切削速度的增加而一直增大，存在一個二次效應，即隨著切削速度的增大，車刀溫度存在一個趨于穩定的區間，車削加工中，選擇這兩個轉速范圍，對于車刀溫升的控制是有利的。

圖5 刀具前刀面溫度變化圖

圖6 刀具前刀面溫度折線圖

（3）用紅外成像儀能夠比較快捷、準確地檢測管線鋼車削前刀面溫度場的動態變化規律，提供了選擇切削用量和刀具材料的有力依據，較好地解決了管線鋼車削中溫度場檢測和控制的難題。