無縫鋼管管件車削加工的切削熱分布規律研究

無縫鋼管管件車削加工的切削熱分布規律研究

一、研究背景與意義

在機械制造領域，無縫鋼管管件憑借其優異的力學性能、良好的密封性以及廣泛的適應性，被大量應用于石油化工、航空航天、機械制造等關鍵行業。車削加工作為無縫鋼管管件制造過程中的核心工序，直接決定了管件的尺寸精度、表面質量和使用性能。然而，在車削加工過程中，由于切削刀具與工件之間的劇烈摩擦、金屬材料的塑性變形以及切屑與刀具前刀面的摩擦等因素，會產生大量的切削熱。

這些切削熱若不能得到合理控制和有效散發，將會導致一系列嚴重問題。一方面，過高的切削熱會使切削刀具溫度急劇升高，加速刀具的磨損，縮短刀具的使用壽命，增加生產成本；另一方面，切削熱會傳入工件內部，引起工件的熱變形，導致工件加工精度下降，甚至出現廢品，影響產品質量。此外，切削熱還會對加工環境產生一定的影響，如使周圍空氣溫度升高，影響操作人員的工作舒適度。

因此，深入研究無縫鋼管管件車削加工的切削熱分布規律，明確切削熱在刀具、工件、切屑以及周圍介質中的分布比例和傳遞路徑，掌握不同切削參數（如切削速度、進給量、背吃刀量）、刀具幾何參數（如前角、后角、主偏角）以及工件材料性能對切削熱分布的影響機制，對于優化切削加工工藝參數、提高刀具使用壽命、保證工件加工精度和表面質量、降低生產成本以及改善加工環境具有重要的理論意義和實際應用價值。

二、實驗設備與方法 （一）實驗設備

1. 車床

   ：選用 [具體型號] 數控車床，該車床具有高精度、高剛性和高穩定性的特點，能夠滿足無縫鋼管管件車削加工的精度要求，并且可以精確控制切削速度、進給量等切削參數。

1. 切削刀具

   ：采用 [刀具材料，如硬質合金、高速鋼等] 材質的車刀，刀具型號為 [具體型號]，刀具幾何參數如下：前角 [X]°、后角 [X]°、主偏角 [X]°、副偏角 [X]°、刃傾角 [X]°。

1. 無縫鋼管管件

   ：實驗所用無縫鋼管管件的材料為 [具體材料，如 20# 鋼、45# 鋼等]，其尺寸規格為：外徑 [X] mm、內徑 [X] mm、長度 [X] mm。為保證實驗的準確性和一致性，對管件的表面進行了預處理，去除表面的氧化皮和油污。

1. 溫度測量設備

   ：采用 [溫度測量方法，如熱電偶測溫法、紅外測溫法等] 進行溫度測量。若采用熱電偶測溫法，選用 [熱電偶類型，如 K 型熱電偶、E 型熱電偶等]，將熱電偶分別粘貼在刀具的前刀面、后刀面、刀尖以及工件的加工表面和內部等關鍵位置，通過數據采集系統實時采集溫度數據；若采用紅外測溫法，使用 [具體型號] 紅外測溫儀，對刀具、工件和切屑的表面溫度進行非接觸式測量，測量精度為 [X]℃。

1. 數據采集與分析系統

   ：數據采集系統采用 [具體型號] 數據采集卡，與計算機相連，能夠實時采集溫度數據，并將數據存儲在計算機中。數據分析系統采用 [數據分析軟件，如 Matlab、Origin 等]，對采集到的溫度數據進行處理和分析，如繪制溫度變化曲線、計算平均溫度、最高溫度等。

   
   

1. 實驗參數設計

   ：根據正交實驗設計方法，選取切削速度（v）、進給量（f）、背吃刀量（ap）作為主要的切削參數，每個參數設置 [X] 個水平，具體參數水平如下表所示：

切削參數

水平 1

水平 2

水平 3

切削速度 v（m/min）

[X1]

[X2]

[X3]

進給量 f（mm/r）

[Y1]

[Y2]

[Y3]

背吃刀量 ap（mm）

[Z1]

[Z2]

[Z3]

1. 實驗步驟

（1）將無縫鋼管管件安裝在車床的卡盤上，確保管件安裝牢固、同心度符合要求。

（2）根據實驗參數設計的要求，調整車床的切削速度、進給量和背吃刀量等參數。

（3）將溫度測量設備安裝調試好，確保溫度傳感器與測量對象接觸良好（對于熱電偶測溫法）或紅外測溫儀的測量角度和距離合適（對于紅外測溫法），數據采集系統能夠正常工作。

（4）啟動車床，進行車削加工實驗，同時啟動數據采集系統，實時采集刀具、工件和切屑的溫度數據，實驗過程中記錄切削時間、切屑形態等相關信息。

（5）當車削加工達到穩定狀態后（通常以溫度數據不再明顯變化為準），持續采集一段時間（如 [X] 分鐘）的溫度數據，以保證數據的可靠性和代表性。

（6）改變切削參數，按照上述步驟重復進行實驗，直至完成所有設定參數組合的實驗。

（7）實驗結束后，關閉車床和數據采集系統，對采集到的溫度數據進行整理和備份，清理實驗現場。

1. 數據處理與分析方法

（1）對采集到的溫度數據進行預處理，去除異常數據（如由于設備故障或外界干擾導致的明顯偏離正常范圍的數據）。

（2）計算每個實驗參數組合下刀具、工件和切屑的平均溫度、最高溫度、溫度波動范圍等特征參數。

（3）采用極差分析和方差分析方法，分析切削速度、進給量、背吃刀量等切削參數對切削熱分布的影響程度，確定影響切削熱分布的主要因素和次要因素。

（4）繪制切削參數與溫度之間的關系曲線，如切削速度 - 溫度曲線、進給量 - 溫度曲線、背吃刀量 - 溫度曲線等，直觀地展示切削參數對切削熱分布的影響規律。

（5）根據實驗結果，建立切削熱分布的數學模型，揭示切削熱在刀具、工件、切屑之間的傳遞規律和分布比例。

三、切削熱分布規律分析 （一）切削熱在各部分的分布比例

通過實驗測量和數據處理，得到在不同切削參數組合下，切削熱在刀具、工件、切屑以及周圍介質中的分布比例。實驗結果表明，在無縫鋼管管件車削加工過程中，切削熱主要以三種形式傳遞：一部分傳入切屑，一部分傳入工件，還有一部分傳入刀具，少量切削熱通過輻射和對流的方式散發到周圍環境中。

一般情況下，切屑帶走的切削熱最多，占總切削熱的 [X]% - [X]%。這是因為在車削加工過程中，切屑與刀具前刀面之間存在劇烈的摩擦和擠壓作用，產生大量的熱量，同時切屑在形成過程中發生劇烈的塑性變形，也會釋放出大量的熱量。由于切屑在加工過程中不斷被排出，能夠將大部分熱量帶走。

傳入工件的切削熱占總切削熱的 [X]% - [X]%。傳入工件的熱量主要來源于刀具與工件加工表面之間的摩擦熱以及切屑與工件之間的熱傳導。這些熱量會使工件溫度升高，引起工件的熱變形，從而影響工件的加工精度。

傳入刀具的切削熱占總切削熱的 [X]% - [X]%。傳入刀具的熱量主要來自于刀具前刀面與切屑之間的摩擦熱和刀具后刀面與工件加工表面之間的摩擦熱。刀具溫度的升高會加速刀具的磨損，降低刀具的使用壽命。

散發到周圍環境中的切削熱占總切削熱的比例較小，一般在 [X]% 以下。這部分熱量主要通過刀具、工件和切屑的表面輻射以及與周圍空氣的對流換熱方式散發。

（二）切削參數對切削熱分布的影響

1. 切削速度的影響

隨著切削速度的提高，切削熱的產生量顯著增加。這是因為切削速度提高后，單位時間內刀具與工件之間的相對滑動距離增加，摩擦次數增多，摩擦熱產生量增加；同時，金屬材料的塑性變形速度加快，塑性變形熱也隨之增加。

從切削熱分布來看，隨著切削速度的提高，切屑帶走的切削熱比例有所增加。這是因為切削速度提高，切屑的形成速度加快，切屑在刀具前刀面的停留時間縮短，熱量來不及大量傳入刀具和工件，更多的熱量被切屑帶走。同時，切削速度提高也會使傳入刀具和工件的熱量增加，但增加的幅度相對較小。

此外，切削速度的提高還會使刀具的溫度急劇升高。當切削速度超過一定值后，刀具溫度會超過其耐熱極限，導致刀具磨損加劇，甚至出現刀具崩刃等現象，嚴重影響加工質量和生產效率。

1. 進給量的影響

進給量對切削熱的產生和分布也有重要影響。隨著進給量的增加，單位時間內切除的金屬體積增加，切削功增大，切削熱產生量也相應增加。

在切削熱分布方面，隨著進給量的增加，傳入工件的切削熱比例有所增加。這是因為進給量增加，刀具與工件加工表面的接觸面積增大，摩擦熱產生量增加，同時切屑的厚度增加，切屑與刀具前刀面的接觸面積也增大，熱傳導作用增強，更多的熱量傳入工件。

而切屑帶走的切削熱比例則隨著進給量的增加而有所下降。這是因為進給量增加，切屑的形成過程相對較為平緩，塑性變形程度減小，切屑帶走的熱量相對減少。

進給量對刀具溫度的影響相對切削速度較小。在一定范圍內，隨著進給量的增加，刀具溫度略有升高，但當進給量超過一定值后，由于切屑厚度增加，切屑帶走的熱量相對增加，刀具溫度升高的幅度會有所減緩。

1. 背吃刀量的影響

背吃刀量的增加會使切削截面積增大，單位時間內切除的金屬量增加，切削功增大，從而導致切削熱產生量增加。

在切削熱分布上，背吃刀量對切削熱分布比例的影響相對較小。隨著背吃刀量的增加，傳入刀具、工件和切屑的切削熱均有所增加，但各部分的分布比例基本保持不變。

這是因為背吃刀量主要影響切削力的大小，對切削過程中的摩擦狀態和塑性變形程度影響相對較小，因此對切削熱的分布比例影響不大。

背吃刀量對刀具溫度的影響也相對較小。在一定范圍內，隨著背吃刀量的增加，刀具溫度略有升高，但升高的幅度遠小于切削速度對刀具溫度的影響。

（三）刀具幾何參數對切削熱分布的影響

1. 前角的影響

前角是影響切削過程的重要刀具幾何參數之一，對切削熱的產生和分布具有顯著影響。增大前角可以減小刀具前刀面對切屑的擠壓和摩擦作用，降低切削力和切削功率，從而減少切削熱的產生量。

從切削熱分布來看，增大前角可以使切屑帶走的切削熱比例增加。這是因為前角增大，切屑的變形程度減小，切屑與刀具前刀面的接觸長度縮短，熱傳導作用減弱，更多的熱量被切屑帶走。同時，增大前角還可以降低傳入刀具和工件的切削熱，從而降低刀具和工件的溫度，有利于提高刀具使用壽命和工件加工精度。

然而，前角也不能過大。當超過一定值時，刀具的強度和剛度會降低，在切削過程中容易發生刀具崩刃等現象，反而會增加切削熱的產生量，影響加工質量和生產效率。

1. 后角的影響

后角的主要作用是減小刀具后刀面與工件加工表面之間的摩擦。增大后角可以減小刀具后刀面與工件加工表面的接觸面積，降低摩擦熱的產生量，從而減少傳入工件和刀具的切削熱。

在切削熱分布方面，增大后角對切屑帶走的切削熱比例影響較小，但可以顯著降低傳入工件和刀具的切削熱比例，從而降低工件和刀具的溫度。

不過，后角過大也會導致刀具的強度和剛度降低，影響刀具的使用壽命。因此，在選擇后角時，需要綜合考慮刀具的強度、剛度和加工質量等因素，合理確定后角的大小。

1. 主偏角的影響

主偏角對切削熱的產生和分布也有一定的影響。減小主偏角可以增加切削刃的工作長度，使切削力分布更加均勻，降低單位長度切削刃上的切削力和切削功率，從而減少切削熱的產生量。

從切削熱分布來看，減小主偏角可以使傳入刀具的切削熱分布更加均勻，降低刀具刀尖處的溫度。這是因為主偏角減小，切削刃的工作長度增加，刀尖所承受的切削力和熱量相對減少，從而降低了刀尖處的溫度，有利于提高刀具的使用壽命。

同時，減小主偏角還可以增加傳入工件的切削熱比例，使工件的溫度升高較為均勻，減少工件的熱變形，有利于提高工件的加工精度。

四、結論與展望 （一）結論

1. 在無縫鋼管管件車削加工過程中，切削熱主要分布在切屑、工件和刀具中，其中切屑帶走的切削熱最多，占總切削熱的 [X]% - [X]%，傳入工件的切削熱占 [X]% - [X]%，傳入刀具的切削熱占 [X]% - [X]%，散發到周圍環境中的切削熱較少，一般在 [X]% 以下。

1. 切削參數對切削熱分布具有顯著影響。切削速度是影響切削熱產生和刀具溫度的最主要因素，隨著切削速度的提高，切削熱產生量顯著增加，切屑帶走的切削熱比例增加，刀具溫度急劇升高；進給量增加會使切削熱產生量增加，傳入工件的切削熱比例增加，對刀具溫度的影響相對較小；背吃刀量增加會使切削熱產生量增加，但對切削熱分布比例和刀具溫度的影響相對較小。

1. 刀具幾何參數對切削熱分布也有重要影響。增大前角可以減少切削熱的產生量，增加切屑帶走的切削熱比例，降低刀具和工件的溫度；增大后角可以減小刀具后刀面與工件加工表面之間的摩擦熱，降低傳入工件和刀具的切削熱；減小主偏角可以使切削力分布更加均勻，減少切削熱的產生量，降低刀具刀尖處的溫度，增加傳入工件的切削熱比例。

1. 本研究主要針對特定材料和特定型號的無縫鋼管管件進行了實驗研究，未來可以進一步擴大研究范圍，研究不同材料（如不銹鋼、合金鋼等）、不同尺寸規格的無縫鋼管管件在車削加工過程中的切削熱分布規律，以獲得更具普遍性的結論。

1. 本研究主要考慮了切削參數和刀具幾何參數對切削熱分布的影響，未來可以進一步研究其他因素（如切削液的種類和澆注方式、刀具磨損狀態等）對切削熱分布的影響，為優化切削加工工藝提供更全面的理論依據。

1. 目前，對切削熱分布的研究主要基于實驗測量和經驗公式，未來可以結合數值模擬方法（如有限元分析方法），建立更加精確的切削熱分布數值模型，深入探究切削熱的產生、傳遞和分布機制，為切削加工工藝的優化和刀具的設計提供更有效的指導。

1. 隨著智能制造技術的不斷發展，未來可以將切削熱分布規律與實時監測、智能控制技術相結合，開發基于切削熱監測的自適應控制加工系統，實現對切削加工過程的實時優化和精準控制，進一步提高加工質量和生產效率，降低生產成本。