《高速干切滚齿工艺系统切削热全过程传递模型.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高速干切滚齿工艺系统切削热全过程传递模型.doc（13页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、高速干切滚齿工艺系统切削热全过程传递模型杨潇，曹华军，陈永鹏，张成龙，周力*510152025303540（重庆大学 机械传动国家重点实验室，重庆 400030）摘要：高速干切滚齿工艺消除了切削油/液使用导致的生态环境污染和工人职业健康危害等问题，是一种高效率、低成本、低能耗和绿色环保的齿轮制造工艺。高速干切滚齿工艺区别于传统湿式滚切工艺，其切削热传递规律有着自身的特点，需要从切削热发生与传递全过程分析其对滚刀寿命、工件热变形以及机床加工空间温度场的影响。根据干切滚刀周期性断续传热特性，综合考虑切削热在切屑、工件、干切滚刀、冷却介质以及滚齿机床加工空间的传递规律，本文提出将高速干切滚齿工艺系统
2、切削热的发生与传递全过程划分为三个阶段的研究思想，从关系模型和热传递方程两个层面建立了高速干切滚齿工艺系统切削热全过程传热模型，包括切削接触界面热传递、切削区域热传递和机床加工空间热传递三个阶段的模型，最后对模型进行了应用研究，分析了高速干切滚齿工艺系统切削热的传递规律。关键词：高速干式滚切；切削热；三阶段传热中图分类号：TG501.4Whole Process Cutting Heat Transfer Model for High-SpeedDry HobbingYANG Xiao, CAO Huajun, CHEN Yongpeng, ZHANG Chenglong, ZHOU Li(S
3、tate Key Lab of Mechanical Transmission, Chongqing University, Chongqing 400030, China)Abstract: High-speed dry hobbing eliminates the influence of cutting oil/liquid, which leads toecological environment pollution and workers occupational health hazards. Moreover, it is a kindof high efficiency, lo
4、w cost, low energy consumption and green environmental protection gearmanufacturing process. In terms of cutting heat transfer law, high-speed dry hobbing is clearlydifferent from traditional wet hobbing process and has its own characteristics. It is needed toanalysis its impact on hob life, workpie
5、ce thermal deformation and machine tool processing spacetemperature field from entire process of cutting heats generation and transfer. According toperiodic intermittent heat transfer characteristics of dry hob, and making comprehensiveconsideration for transfer laws of cutting heat among chip, work
6、piece, dry hob, cooling mediumand machine tool working space, a new idea of three-stage heat transfer is put forward，whichapplies to whole process cutting heat transfer for high-speed dry hobbing. The whole process heattransfer model is established from two aspects of using relational model and heat
7、 transfer equation,which refers to heat transfer of cutting contact interface, heat transfer of cutting regions and heattransfer of machine tool working space. Finally, the paper analysis the cutting heat transfer rule ofhigh-speed dry hobbing by applied research of the model.Key words: high-speed d
8、ry hobbing; cutting heat; three-stage heat transfer0 引言高速干切滚齿工艺是滚齿加工工艺的发展方向，相比于传统湿式滚切工艺，它消除了切削油/液使用导致的生态环境污染和工人职业健康危害等问题，同时具有高效率、低能耗和基金项目：国家高技术研究发展计划（863 计划）（2012AA040107）；教育部新世纪优秀人才支持计划（NCET-13-0628）；机械传动国家重点实验室科研业务费专项(SKL MT-ZZKT-2012MS01)资助项目。作者简介：杨潇（1987-），男，硕士研究生，主要研究方向：高速干切工艺与装备通信联系人：曹华军（1978-
9、），男，教授，博士生导师，主要研究方向：制造系统工程、绿色制造、再制造、高速干切工艺与装备和低碳制造等. hjcao-1-低成本的特点，是一种绿色环保的齿轮制造工艺1。在具体应用中，切削热伴随着高速干切滚齿加工全过程，是不可避免的物理现象，切削热的存在使得工件材料集聚受热软化，为干45505560657075切滚刀切削工件创造了必要条件，但同时也是造成干切滚刀磨损，影响干切滚刀寿命和工件表面质量的重要因素，切削热还会通过接触和非接触的方式传递给加工系统并对系统稳定性和加工精度产生影响。切削热已成为发展和推广高速干切滚齿工艺必须解决的关键问题，本文将对高速干切滚齿工艺的切削热进行研究。自 20
10、世纪 40 年代以来，国内外专家学者对切削热进行了大量的研究。Schmidt 等2采用量热法相继进行了钻削镁合金和钻削铝的试验，得到了切削热在切屑、钻头、工件等中的比率及其随着切削速度的变化关系。E G Loewen 等3提出了基于正交自由切削时切削温度解析法的切削热分配理论计算方法。前苏联学者4研究了车削和钻削加工时切削热量在刀具、工件和切屑等中的分布比例。平伟政利等5以试验与理论相结合的方法研究了铣削 45 钢和铝时切削热的变化规律。美国学者6采用模拟仿真与试验结合的方法研究了高速切削过程中切削热的产生和散失情况。艾兴等7系统地提出了切削热的量化计算方法。全燕鸣等8通过解析法和试验研究分析
11、了车削加工中流入工件、刀具以及切屑的热量与切削速度之间的关系。何振武9运用量热法、解析法、有限元法和人工热电偶法等研究了高速车削常用结构钢中的切削热问题。刘旺玉等10利用有限元法并结合切削热分配的解析法研究了高速切削中切削热的量化分配规律。王胜等11研究计算了浅切磨削温度的能量分配。不难发现，国内外专家学者主要集中研究了切削热在切削区域的发生机理及其在切屑、刀具和工件间的分配，且较少涉及滚切工艺，尤其是高速干切滚齿工艺。高速干切滚齿工艺区别于传统湿式滚切工艺，其切削热传递规律有着自身的特点，需要从切削热发生与传递全过程分析其对滚刀寿命、工件热变形以及机床加工空间温度场的影响。本文提出了高速干切
12、滚齿工艺系统切削热的发生与传递全过程划分为三个阶段的研究思想，从关系模型和热传递方程两个层面建立了高速干切滚齿工艺系统切削热全过程传热模型，包括了切削接触界面热传递、切削区域热传递和机床加工空间热传递三个传热阶段，最后对模型进行了应用研究，分析了高速干切滚齿工艺系统切削热的传递规律。1 高速干切滚齿工艺切削热传递过程1.1 干切滚刀的周期性断续传热特性高速干切滚齿工艺是多刃金属切削加工工艺，图 1(a)描述了具有多刀刃的干切滚刀切除工件的空间运动模型。滚切过程中的干切滚刀具有断续周期性参与切削的特点：图 1(b)表示工件纵截面中干切滚刀切削加工一个齿槽的滚齿切削图形，开始切削时，干切滚刀的中心
13、在0 位置，工件转一转干切滚刀沿其轴向进给 S0，同时干切滚刀的中心到达 1 位置，并在齿槽中切去 ABC 部分金属，从放大图可以看出 ABC 区域是由若干刀齿切出的，DEF 区域表示第 K 号刀齿切除的金属区域，图 1(b)体现了干切滚刀断续切削加工的特征；图 1(c)是干切滚刀的切削力曲线，直观地表达了其周期性受力特性。综合图 1 分析，干切滚刀周期性切除金属材料，并在切削加工和空闲非切削加工两种状态之间交替性断续地切除金属，从而使得干切滚刀具有周期性断续传热的特性。-2-f进给速度(mm/min)0干切滚刀工件齿轮ABS01234S0ADBCDEFCh滚刀转速(r/min)工作台转速(r
14、/min)gEF（a）齿轮高速干式滚切模型（b）齿轮高速干式滚切工艺切削图形切削力第T+1个切削加工周期第T个切削加工周期第K号刀齿第K号刀齿（c）干切滚刀周期性切削力曲线第K号刀齿时间80图 1高速干切滚齿加工工艺特征Fig.1Process feature of high-speed dry hobbing1.2 高速干切滚齿工艺三阶段传热过程根据干切滚刀的周期性断续传热特性，一个周期内高速干切滚齿工艺系统切削热传递全过程可以划分为三个阶段：859095100(1) 切削热的第一阶段传热：切削热在切削接触界面的传递，主要涉及工件、刀具和切屑，该过程中，刀齿做功产生的切削热首先作用在切屑、工
15、件以及干切滚刀的接触界面之上；(2) 切削热的第二阶段传热：切削热在切削加工区域的传递，主要发生在工件、刀具、切屑与冷却介质之间，该过程在第一阶段传热之后，由于物体的传热特性和冷却空气的存在，切屑、工件以及干切滚刀都会传递一部分热量给冷却空气；(3) 切削热的第三阶段传热：切削热在机床加工空间的传递，该过程中，干切滚刀的刀齿不做功，高温切屑在重力和排屑装置作用下脱离切削加工区域进入机床加工空间直至离开机床，一部分热量会传递给机床，变化的热量引起切削热在切屑、工件、刀具、冷却介质和机床之间的再一次重新分配。时间域上，三阶段传热过程重叠交叉。第二阶段传热时，干切滚刀的热量比其它阶段多，这就为研究干
16、切滚刀寿命等提供了理论支撑。第三阶段传热时，机床带走部分热量，这就为高速干切滚齿机床加工空间温度场控制技术提供了研究支撑。高速干切滚齿工艺系统的切削热主要来源于三个区域：剪切面、刀屑接触区和刀工件接触区12。首先，切削热在接触界面生成，并传递到切屑、工件和滚刀上，然后，冷却空气引起热量在切屑、工件以及干切滚刀等之间的重新分配，最后，高温切屑脱离切削加工区域进入机床加工空间直至离开机床，切削热在切屑和工件等之间再一次重新分配。图 2所示为高速干切滚齿工艺系统切削热全过程传递的关系模型。-3-切削热的生成第一阶段传热第二阶段传热第三阶段传热潜藏内能Q潜剪切区的热量QS切屑热量1Qc切屑热量2Qc床
17、身热量3Qb切屑滚刀热量滚切做功W切刀屑摩擦热量Qr滚刀热量1Qh热量2Qh工件热量2Qw3Qc空气热量3Qa滚刀热量3Qh削热量Q量少 刀工件摩擦热Qf工件热量1Qw空气热量2Qa工件热量3Qw切削加工状态空闲非切削加工状态图 2高速干切滚齿工艺系统切削热传递全过程Fig.2Whole process cutting heat transfer for high-speed dry hobbing1051102 高速干切滚齿工艺切削热传递模型2.1 第一阶段传热的关系模型与热传递方程高速干切滚齿工艺系统切削热的第一阶段传热经历时，干切滚刀切除金属做功产生的切削热首先在三个热源区域集聚，包括：
18、剪切面切屑弹塑性变形热量 Qs、刀屑接触区的摩擦热 Qr 和刀工件接触区的摩擦热 Qf（如图 3），然后，切削热在切屑、工件以及干切滚刀之间传递。其中，Qs 将部分热量传递给切屑（传递热量的比率为 1Rcs，简称传热率为 1Rcs），由于它传递给干切滚刀的热量极少且可忽略，那么剩余部分的热量传递给工件；Qr 将部分热量传递给切屑（传热率为 1Rcr），剩余的热量传递给干切滚刀；Qf 将部分热量传递给工件（传热率为 1Rwf），剩余的热量传递给干切滚刀。第一阶段传热时，切屑、工件、干切滚刀的热量分别为 1Qc、1Qw、1Qh。滚刀刀齿刀屑接触区切屑剪切面1Rcs滚刀刀齿工件1-1Rcs1Rcr1
19、-1Rcr1-1Rwf1Rwf切屑刀工件115工件接触区图 3第一阶段传热的关系模型Fig.3Relational model of the first stage heat transfer-4-假设剪切功完全转换成热量，则剪切面上单位时间单位面积的热量，即热流密度 qs 为：t0(1)120刀屑接触区的热流密度 qr 为：t0基于热源法和金属切削理论13，1Rcs 和 1Rcr 为：(2)1Rcs =11 +1.33 a1e (VhD )(3)1Rcr =- - 0Tw + 0ThVhFrVc A (l3bD ) + 0.752Fr (l2bD )g a 2Vc (l f )(4)1251
20、30135式中，V 为切削速度；Fr 为前刀面上的摩擦力；Fs 为剪切力；Vc 为切屑速度，Vc=Vsinfs/cos(fs-g0)；fs 为剪切角，fs =e0.581g0-1.139；g0 为滚刀前角；e为剪切区的相对滑移，e=cosg0/sinfs/cos(fs-g0)；hD 为切削厚度；bD 为切削宽度；lf 为刀屑接触长度；A 为面积系数，与热源面积的长宽比相关；0Tw 为工件的初始温度；0Th 为干切滚刀的初始温度；l1为温度是剪切面的平均温度时，工件材料的导热系数；l2 为温度是刀屑接触区的平均温度时，切屑的导热系数；l3 为温度是刀屑接触区的平均温度时，干切滚刀的导热系数；a1
21、为温度是剪切面的平均温度时，工件材料的热扩散系数；a2 为温度是刀屑接触区的平均温度时，切屑的热扩散系数。刀工件接触区的变形量不大, 它将很小一部分切削功转化为切削热量 14；刀具的磨损情况反映出后刀面磨损极小，这说明刀工件接触区产生的热量极少；高速切削时，切削过程消耗的功主要集中在剪切区和刀屑摩擦区，而后刀面接触区的塑性变形产生的热量很少15一阶段传热时的热传递方程为：c cs s s 1 cr r r 1 Qw = (1 - Rcs ) qs As Dt1A(5)式中，Fs、Vs、As、Fr、Vr、Ar、bD、hD 是时间 t 的函数；As 为剪切面的面积，As=bDhDcscfs；140
22、145Ar 为刀屑接触区的面积，Ar=lfbD；t1 为第一阶段传热所用的时间，t1=60/(Zkh)。2.2 第二阶段传热的关系模型与热传递方程高速干切滚齿工艺完全消除了切削液的使用，采用压缩空气作为冷却介质对切削区域降温散热，冷却空气的使用会引起切削热的重新分配。第二阶段传热时，切屑分别与工件和干切滚刀的刀齿接触，且被包裹在前刀面下，从而切屑与冷却气体交换的热量极少，以向工件和干切滚刀辐射换热为主；不同于切屑，工件和干切滚刀的刀齿接受冷却空气的散热降温作用，以对流换热为主。第二阶段传热时，设切屑将部分热量传递给干切滚刀（传热率为 2Rhc），将部分热量传递给工件（传热率为 2Rwc），将部
23、分热量传递给冷却空气（传热率为 2Rac），其余部分留在-5-qs = FsVs sin fs (bDhD ) dtqr = FrVc (bDl f ) dtFrVc A 0.752(1- 1Rcs )FVc a1。因此，刀工件接触区产生的热量可以忽略。对于高速干切滚齿工艺系统，切削热的第 1Q = 1R q A Dt + 1R q A Dt 1 1 Qh = (1 - Rcr ) qr r Dt1 1 1切屑内；工件将部分热量传递给冷却空气（传热率为 2Raw），其余部分留在工件内；干切滚150刀将部分热量传递给冷却空气（传热率为 2Rah），其余部分留在干切滚刀内。图 4 为高速干切滚齿工
24、艺系统切削热的第二阶段传热的关系模型。第一阶段传热时干第二阶段传热时干第二阶段传热时第一阶段传热时切滚刀的热量1Qh 1-2Rah切滚刀的热量2Qh工件的热量2Qw1-2Rwa工件的热量1Qw12Rah2Rwa11Qc传递对流换热1Qh传递给冷却1第二阶段传热时冷11Q对流换热w传递给冷却空1Qc传递给干切滚刀的空气的热量2Qah却空气的热量2Qa1气的热量1Qaw给工件的热量热量2Qtc1空气的热量2Rac对流1-2Rhc-2Rwc-2Rac 第二阶段传热时切屑的热量2Qc2Qwc换热2Rhc辐射换热第一阶段传热时切屑的热量1Qc辐射换热2Rwc图 4第二阶段传热的关系模型Fig.4Rela
25、tional model of the second stage heat transfer155根据传热学理论16，切削热的第二阶段传热时， 2Qhc、2Qwc、2Qac、2Qah、2Qaw 分别为：hc 2 Qwc 2 Qacaw0Dt20Dt20Dt20Dt204 1(6)11 1Dt1D D f 1 1 0Dt1 0切削热的第二阶段传热时，热传递方程为：(7)160 2 Rc Rwh 2= 100%= 100%11121 1 1Qc + Qh + QwQc + Qh + Qw1 1 1(8)式中，ec 为切屑的黑度；sb 为斯特藩-玻尔兹曼常数，sb=5.6710-8Wm-2K-4；a
26、c 为切屑与冷却空气的对流换热系数；ah 为干切滚刀与冷却空气的对流换热系数；aw 为工件与冷却-6-Qc传递给冷却 Qac2 2Q 2Qah 2Q= - TDt2= = a c ( 1Tc a ) Acdt- 0T( 1T - 0T ) A= a h h a hdt= a w ( 1Tw a ) Awdt- 0TTc、 Th、 Tw 由下面的方程确定： 1Q = c r 1T b h l dtc c c c 0 Qh h h h h h )= c r V ( T - T 1Qw w w ( 1Tw w ) Vwdt= c r- 0T 2 2R Ra- 2Q - 2Q - 2QQc hc wc
27、 acQc + Qh + QwQw + 2Qwc - 2Qaw= 1 1 1 100%Qh + 2Qhc - 2Q= 1 1 1 ah 100%+ 2Q + 2QQah aw ac+ Q + QQc h w空气的对流换热系数；Aw 为工件与冷却空气的对流换热面积；Ac 为切屑的换热面积，Ac 是刀齿号与刀齿转角的函数；Ah 为刀齿的换热面积；mn 为滚刀端面模数； 0 为滚刀分度圆螺165170旋角；0Ta 为冷却空气的初始温度；t2 为第二阶段传热所用的时间，t1=t2。2.3 第三阶段传热的关系模型与热传递方程切削热的第三阶段传热时，切屑将部分热量传递给床身（传热率为 3Rbc），将部分热
28、量传递给周围空气（传热率为 3Rgc），剩余部分随着排屑机构离开切削区域；干切滚刀将部分热量传递给周围空气（传热率为 3Rgh），剩余热量留存在干切滚刀内；工件将部分热量传给冷却空气（传热率为 3Raw），剩余热量留存在工件中。图 5 为高速干切滚齿工艺系统切削热的第三阶段传热的关系模型。第二阶段传热时干第三阶段传热时干第三阶段传热时第二阶段传热时切滚刀的热量2Qh1-3Rgh切滚刀的热量3Qh工件的热量3Qw1-3Raw工件的热量2Qw对流换热3Rgh第二阶段传热时冷却空气的热量2Qa13Raw对流换热2Qh传递给周围空1第三阶段传热时冷12Qw工件传递给冷气的热量3Qgh却空气的热量3Qa
29、却空气的热量3Qaw第三阶段传热时12Qc传递给周围空床身的热量3Qb对流3Rgc气的热量3Qgc1换热2Qc传递给床身3Rbc第二阶段传热时1-3Rbc-3Rgc第三阶段传热时的热量3Qbc辐射换热图 5切屑的热量2Qc第三阶段传热的关系模型切屑的热量3QcFig.5Relational model of the third stage heat transfer17533 3 3b 3 Qgcgh0Dt300Dt302 04 0(9)22 2 1Qc - 2Qc = cc rc ( 1Tc - 2Tc ) 0Dt2 bDhDl f dt 2 1 2 1Dt2 0(10)式中，0Tb 为床身
30、的初始温度；0Tg 为周围空气的初始温度；t3 为第三阶段传热所用的180时间， Dt3 = 60( Zk -1)( Zk wh ) 。周围空气带走的热量和冷却空气带走的热量统一看作冷却空气带走的热量。切削热的第三阶段传热时，热传递方程为：-7-Qb、 Qgc、 Qaw、 Qgh 分别为： 3Q 3Qaw 3Q= - TDt3( 2T - 0T ) A= a c c g cdt= a w ( Tw - Ta ) AwdtDt3( 2T - 0T ) A= a h h g hdtTc、 Th、 Tw 由下面的方程确定： Qh h h h h h h )- Q = c r V ( T - T 2Q
31、w w w w w w ) Vwdt- 1Q = c r ( 2T - 1T 3Rc Rh 3=1112111 1 11 1 114 0100%100%100%100%100%(11)3 模型应用分析与讨论185190以数学软件 Mathematica 为工具，计算出高速干切滚齿工艺切削加工过程齿槽模型和滚刀模型的轨迹点云数据，导入 ProE 实体化并运用三维有限元软件 Deform-3D 进行滚切过程仿真，所得基础数据（如切削力、切削厚度、切削宽度等）可支持本文模型的应用分析。本文运用标准干切滚刀和标准直齿轮进行模型应用研究，基本参数见表 1，个别数据根据计算查询相关表格。工件的材料为 20
32、CrMoH；干切滚刀的基体材料为高性能高速钢，涂层材料为 TiAlN。利用专门的数据处理软件 Mathematica 编写计算程序，根据基础数据进行计算分析高速干切滚齿工艺系统切削热传递规律。表 1Tab.1基本参数Basic parameter参数名称滚刀端面模数滚刀前角滚刀槽数滚刀头数工件齿轮的模数工件齿轮的齿数环境初始温度参数符号mng0ZkZ0mnz1T参数取值3mm01633mm3222冷却空气的温度0Ta02Rc3Rc195V/m图 6Fig.6切屑热量的变化图Heat change in chipst (s)-8-Rc (%) 3Rw 3 3Ra Rb- 2Q - 2Q - 2Q
33、 - 3Q - 3QQc hc wc ac bc gcQc + 1Qh + 1Qw+ 2Q - 2Q - 3QQw wc aw aw+ Q + QQc h wQh + 2Qhc - 2Qah - 3QghQc + Qh + Qw+ 2Q + 2Q + 3Q + 3Q + 3QQah aw ac aw gh gcQc + 1Qh + 1QwQc + 1Qh + 1Qw图 6 表示切屑热量的变化情况。不难发现，切屑带走的热量随着切削速度的增大而增加，且在达到一定的临界速度后趋于平稳，这是由于切削速度的提高使得热量来不及过多在干切滚刀和工件上停留就被切屑带走的缘故。图 6 同时也说明，随着滚切加工过
34、程的推进，切屑200上的热量不断向着干切滚刀、工件以及冷却介质等传递，切屑带走的热量呈下降趋势。对比2Rc 和 3Rc 的变化规律，3Rc 比 2Rc 小，这是由于高温切屑脱离切削加工区域进入机床加工空间直至离开机床的这一过程中（第三阶段传热）切屑将部分热量传递给床身的结果。(a)(b)23RhV (m/min)V (m/min)t (s)V (m/min)V (m/min)图 7干切滚刀热量的变化图205Fig.7Heat change in dry hob图 7 表示干切滚刀热量的变化情况。图 7(a)为切削热的第二阶段传热时干切滚刀的热量变化情况，第二阶段传热时，干切滚刀的热量随着切削速
35、度的增加而减少，随着滚切加工的进行而增加。图 7(b)为切削热的第三阶段传热时干切滚刀的热量变化，第三阶段传热时，干切滚刀的热量随着切削速度的增加呈现先增加后降低的变化趋势，而随着滚切加工的推进而210减少。此外，图 7 还说明，与第三阶段传热相比较，第二阶段传热时干切滚刀上的热量更多。出现上述差异的原因在于第二阶段传热时干切滚刀处于切削加工状态，以从刀屑接触区和剪切面吸收热量为主，而第三阶段传热时干切滚刀处于空闲非切削加工状态，以散热为主。TiAlN涂层干切滚刀AlCrN涂层干切滚刀高速干切范围速度可工作速度区间可工作速度区间V (m/min)干切滚刀的许用热量分布比红线图 8涂层材料对干切
36、滚刀的热量的影响215Fig.8Coating materials influence to heat in dry hob图 8 反映了涂层材料对干切滚刀热量的影响规律。TiAlN 涂层材料的热导率高于 AlCrN-9-Rh (%)2Rh (%)2Rh (%)2Rh涂层材料。从图 8 可以看出，涂层材料的热导率越低，干切滚刀可以正常工作的速度取值范围越宽泛。相同切削速度下，热导率较低的涂层材料带走的热量较少，这是由于低热导率导致切削热传递给干切滚刀的热量降低的缘故。涂层材料直接影响干切滚刀，制约着高速干切220滚齿工艺的正常实施，根据工艺速度范围和干切滚刀许可承受的热量分布红线，选择合理的涂层材料有利于延长干切滚刀的使用寿命。
