复合材料高速切削中切削区温度场分布实验研究.docx
复合材料高速切削中切削区温度场分布实验研究
复合材料高速切削中切削区温度场分布实验研究
复合材料由于其优异的性能在航空航天、汽车、电子等众多领域得到了广泛应用。然而，其特殊的物理和机械性能使得在切削加工过程中面临诸多挑战，其中切削区温度场分布是一个关键问题。
一、复合材料的特性及切削加工的难点
（一）复合材料的特性
复合材料通常由两种或多种不同性质的材料组合而成，常见的有纤维增强复合材料。其具有高强度、高模量、低密度等优点。例如，碳纤维增强复合材料的强度可与钢材相媲美，但重量却远轻于钢材。同时，它还具有良好的耐腐蚀性和耐热性等。
（二）切削加工的难点
1.材料不均匀性
复合材料中纤维和基体的性能差异较大，导致材料在微观层面上不均匀。这使得切削力不均匀，容易引起刀具磨损和加工表面质量下降。
2.纤维的断裂和拔出
在切削过程中，纤维可能会发生断裂和拔出，这不仅影响加工精度，还会在加工表面留下缺陷，降低复合材料的性能。
3.切削热的产生和传导
切削过程中会产生大量的切削热，由于复合材料的导热系数较低，热量难以快速散发，容易导致切削区温度过高。这会进一步加剧刀具磨损，影响加工质量和效率。
二、切削区温度场分布的影响因素
（一）切削参数
1.切削速度
切削速度是影响切削区温度场的重要因素之一。随着切削速度的提高，切削刃与工件之间的摩擦加剧，产生的热量增多，切削区温度会显著上升。
2.进给量
进给量的大小也会影响切削区温度。较大的进给量会使切削刃在单位时间内切除更多的材料，产生的切削力增大，同时也会增加切削热的产生。
3.切削深度
切削深度对切削区温度场同样有影响。较深的切削深度意味着更多的材料被切除，切削力和切削热都会相应增加。
（二）刀具几何形状
1.刀具前角
刀具前角的大小影响切削刃的锋利程度和切削力的大小。合理的刀具前角可以减小切削力，从而减少切削热的产生。
2.刀具后角
刀具后角主要影响刀具与已加工表面之间的摩擦。合适的刀具后角可以降低摩擦，减少热量的产生。
3.刀具刃倾角
刀具刃倾角对切削过程中的切屑流向有影响，进而影响切削热的分布。
（三）工件材料特性
1.纤维类型和含量
不同类型的纤维（如碳纤维、玻璃纤维等）以及纤维在复合材料中的含量会影响材料的导热性能和切削加工性能，从而影响切削区温度场分布。
2.基体材料特性
基体材料的导热系数、硬度等特性也会对切削区温度场产生影响。
三、切削区温度场分布的实验研究方法
（一）实验设备
1.切削机床
选择合适的切削机床是进行实验的基础。需要考虑机床的精度、功率、转速范围等因素，以满足实验要求。
2.温度测量仪器
常用的温度测量仪器有热电偶、热电阻等。热电偶具有响应速度快、测量精度高等优点，适用于测量切削区的温度。
3.数据采集系统
数据采集系统用于采集温度测量仪器所测量的数据，并进行存储和分析。
（二）实验方案设计
1.确定切削参数
根据研究目的和复合材料的特性，确定不同的切削速度、进给量和切削深度等切削参数组合。
2.选择刀具
选择合适的刀具几何形状和刀具材料，以确保实验的准确性和可靠性。
3.确定测量点
在切削区合理确定温度测量点的位置，以全面了解温度场分布情况。
（三）实验过程
1.安装工件和刀具
将复合材料工件安装在切削机床上，确保安装牢固。同时，将选定的刀具安装在刀架上，并调整好刀具的位置和角度。
2.设置切削参数
根据实验方案，在切削机床上设置好切削速度、进给量和切削深度等切削参数。
3.进行切削实验
启动切削机床，开始切削实验。在切削过程中，通过温度测量仪器实时测量切削区的温度，并通过数据采集系统进行数据采集。
4.改变切削参数
完成一组切削参数下的实验后，改变切削参数，重复上述实验过程，直到完成所有预定的切削参数组合实验。
（四）实验结果分析
1.温度场分布规律
通过对采集到的数据进行分析，可以得到切削区温度场的分布规律。例如，可以绘制温度场分布图，直观地显示温度在切削区的分布情况。
2.切削参数对温度场的影响
分析不同切削参数下温度场的变化情况，确定切削速度、进给量和切削深度等切削参数对温度场的影响程度。
3.刀具几何形状对温度场的影响
研究刀具前角、后角和刃倾角等刀具几何形状对温度场的影响，为优化刀具设计提供依据。
4.工件材料特性对温度场的影响
探讨纤维类型、含量以及基体材料特性等工件材料特性对温度场的影响，为合理选择工件材料提供参考。
综上所述，复合材料高速切削中切削区温度场分布的实验研究对于提高复合材料的切削加工质量和效率具有重要意义。通过对切削区温度场分布的深入研究，可以优化切削参数、刀具几何形状和工件材料的选择，从而降低切削区温度，减少刀具磨损，提高加工表面质量，推动复合材料在更多领域的应用和发展。