摘要：本論文利用硬質(zhì)合金刀具對AISI 1045鋼進行正交切削加工，并研究其切削力和溫度參數(shù)。為實現(xiàn)對工件的有效加工，利用實驗設(shè)計方法對加工參數(shù)進行優(yōu)化。界面溫度在加工AISI 1045鋼工藝中起著重要作用；切削速度、進給速率和工具磨損對加工溫度都有著重要影響；另一方面，工具磨損也與切削力有一定關(guān)系。實驗利用紅外相機和測力計對工件界面進行溫度檢測以完成切削力和溫度的模擬測量。最后，利用方差分析（ANOVA）、回歸分析和反應(yīng)曲面分類研究法對實驗結(jié)果結(jié)果進行分析。
       關(guān)鍵詞：ANOVA,紅外相機,溫度,正交切削,金屬切割
1.引言
       金屬切割工藝中，刀具通過克服工件材料的抗剪強度來完成切割。而現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展則推出了抗剪強度更高的新材料，從而使機床工具載荷更大，這就給材料的切割加工帶來了挑戰(zhàn)。切割速度、進給速率和切割深度等參數(shù)都會影響材料去除過程中的刀具載荷。切割過程中刀具做的功受各種力的影響。這種功轉(zhuǎn)化為熱量，分散在刀具和工件材料中。因此，刀具上的力越大，切割金屬所需的功就越多，進而溫度就會升高。工具磨損量就可以通過力的測量來求得。
       隨著干切割、冷卻液切割、淬火加工和高速加工等技術(shù)的出現(xiàn)，對刀具溫度的研究以及溫度和刀具、工件材料以及切割參數(shù)的聯(lián)系也至關(guān)重要。而刀具-碎屑界面的溫度測量則受到接觸面小和溫度梯度大這兩個主要因素的制約。盡管有研究已經(jīng)利用刀具-工件熱電偶方法來進行實驗，但熱電偶的位置問題及其對溫度測量區(qū)固有的影響制約了這種方法的實際應(yīng)用。本研究則利用紅外熱成像相機和熱掃描顯微鏡對刀具溫度分布進行新的測量。M. A. Davies、A. L. Cooke 和E. R. Larsen已經(jīng)利用熱掃描顯微鏡對溫度進行測量以獲得微觀熱成像，并確認材料切削性能指數(shù)的改變對溫度的影響。加工過程中，通過對施加在刀具上的切削力的測量，可以預(yù)估出工具磨損。測力常用的方法是在刀架上固定一個測力計，可以記錄切削力、進給力和徑向力。利用ANOVA、回歸分析和反應(yīng)曲面分類研究法對實驗結(jié)果結(jié)果進行分析，并建立了預(yù)測模型。
2.文獻綜述
       在切割金屬和合金時，形成切屑所需的功大多都被轉(zhuǎn)化為熱量。因此，切削區(qū)產(chǎn)生的溫度就是一個十分重要的因素，對于切割刀具和工件質(zhì)量有重要影響。在Trent和Wright, P.K的研究中，大部分機器能量通過工件表面的塑性變形、刀面上碎屑的摩擦以及刀具和工件之間的摩擦轉(zhuǎn)換成了熱量。Trent和Wright, P.K指出，將近99%的功都被轉(zhuǎn)換為了熱量，并引起刀具和工件溫度的升高。在Muller-Hummed和Lahres, M.的研究中，溫度分布取決于刀具和工件的熱導(dǎo)率和比熱容以及輻射和對流引起的熱損失。最高溫度出現(xiàn)在切屑和刀具間的接觸區(qū)。大部分刀具材料由于其脆性和絕緣性，使得傳統(tǒng)的接觸式傳感器在測溫時比較困難，相比之下，紅外探測技術(shù)就少受制約。近年來，利用紅外相機來探測溫度在不少研究中到了廣泛應(yīng)用，這種方法是非接觸式技術(shù)，不存在測溫區(qū)干擾問題。1958年，Reichenbach利用紅外測溫技術(shù)探測金屬切屑中剪切面的溫度和切割刀具的清除面溫度。研究總結(jié)了幾個基礎(chǔ)性問題，但是沒有提出對應(yīng)策略。Boothroyd利用紅外感光片對正交切削加工中的碎屑和刀具溫度進行測量。Chao等人對Boothroyd的技術(shù)進行了改善了和校準，降低了裝置時間，提高了這種方法的可靠性。
       Young利用紅外相機測量刀具-切屑溫度和切屑-底座溫度。Yourong 等人利用紅外相機對車削加工中兩個陶瓷刀具的側(cè)面和正面進行溫度分布的測量。Wang等人利用紅外成像系統(tǒng)對SAE 1018冷軋鋼進行正交干加工時卷曲切屑的瞬時溫度分布進行測量。
3.實驗
       本實驗選擇AISI 1045鋼管作為工件，外直徑45mm，壁厚2mm。
       實驗裝置如圖一所示。利用Kistler型9272測力計測量力的大小。利用絕緣線纜將測力計維系在多通道電荷放大器上，從測力計傳輸出來的電荷被放大器成比例地放大為電壓，然后再利用專門設(shè)計的軟件包對成比例放大的力進行加工。工具夾型號為Sandvik PTGNR 2020 K16，刀具為Sandvik TNMG 16 04 12硬質(zhì)合金刀具。前角為+70，間隙角為+60。沒有使用切削液。實驗利用紅外相機將紅外輻射轉(zhuǎn)化為可視圖像，以此來描繪工件周圍的溫度變化。相機固定在距離工件0.5m的尾座上，如圖所示。溫度和力的數(shù)據(jù)進行同步測量。

       從ANOVA分析可以看出，進給是影響力（Fx和Fz）和溫度（T）的最大參數(shù)，切割速度的影響微乎其微。對于這兩個反應(yīng)模型，誤差的描述性數(shù)據(jù)也做了計算，如表5所示。和RA模型相比，RSM模型的相對誤差要小一點。為證實這一點，所有實驗讀數(shù)都和RA、RSM模型的預(yù)測值做對比。由以下的幾張圖可以看出，反應(yīng)曲面分類研究法建立的預(yù)測模型要比回歸分析法建立的模型要好。