切削加工中切削温度测定方法

1、切削加工中切削温度测定方法 自然热电偶法和人工热电偶法口前新皿温度测量方法待用广泛，成熟可靠的是自然热电偶法和人工热电偶 法。图1所示为自然热电偶测温简易装置，作为自然热电偶两极的刀具、工件 必须是具有不同化学成分的材质，刀具.工件、显示仪表相连便组成了一个简 单的闭合电路。毫伏计两端各接有分别来自工件、刀具引出端导线，切削加工 时，切削区温度上升，切削区的刀具工件就相当于一个热端，毫伏计接连处相 当于一个冷端（室温），冷热端之间因为温差必然导致热电势，在该闭合电路 里冷热端形成的回路中的电动势在毫伏表记录下来，温度值可从相对应的温度 与毫伏值标定获知。采用自然热电偶法仅限于获取平均切削温度，

2、它不能够 测量某一具体点温度，而且针对不同刀具或工件材料，需要重新对温度-毫伏 值曲线进行标定。自然热电偶测温方法主要应用于车削加工。图1自然热电偶法测量切削温度示意图1、钢顶尖 2、铜销 3.毫伏计 4、车刀 5.工件 6.车床主轴尾 部 人工热电偶法（见图2）解决了自然热电偶法只能测切削区平均温度这一限 制，其能够测得切削区刀、屑.工件某一具体点的温度。人工热电偶是曲2种 绝缘的金属丝构成的，而且金属丝事先已进行标定，金属丝焊接于刀具或工件 的测温点上或埋进测温点开的小孔内（小孔会影响刀具里热流及温度分布，M 至减弱刀具强度，所以孔的直径在满足要求的情况下应尽可能的小）,形成热 端。冷端通

3、过导线串联毫伏计，与自然热电偶法同理，冷热端之间因为温差导 致热电势，根据记录的毫伏值和标定曲线得到热端温度。该法不用反复标定特 定电偶材料，且电偶材质更换方便，但是对于高硬度材质的刀具，开孔后埋入 金属丝的操作过程困难，致使该法应用推广受到限制。a测刀具b测工件图2人工热电偶法测量切削温度示意图1、工件 2、刀具 3.亳伏计 新型薄膜热电偶法新型薄膜热电偶法采用真空蒸镀，将热电偶材料沉积在绝缘基板上形成的。热 电偶的材料虽然很多，但是必须保证工程技术可黑性、测量精确度。应满足的 要求：不同材料组成的热电偶能够输出较大电动势；热电特性、物理性质、化 学性质稳定；高导电率.低电阻温度系数；较好的

4、工艺性，以便成批生产。薄 膜热电偶釆用的电极材料在5001800°C时可用谋珞-银硅、钳错-钳等。薄膜 热电偶可达到微米级(O.OrO.lum) o其热容量小，响应速度快，可用来测 瞬变的表面温度和微小面积上的温度。大连理丄大学的孙宝元教授等釆用先进 的磁控溅射和离子镀技术，解决了绝缘、镀膜牢固性问题。在刀具头(见图 3)内部溅射二氧化硅绝缘膜并通过离子镀技术将線珞膜和银硅膜镀在刀具 ±,补偿导线采用与薄膜热电偶材料相同的2mm的線珞、银硅丝，在刀头下半 部加工通孔引出至与室温一致处。山于热电偶测温接点位于刀尖，响应迅速， 时间常数约为0. 8mso上半部oi I L 下半

5、部WWW, 3图3薄膜热电偶刀头结构示意图1.热电偶膜2、3.绝缘膜 热电偶与软件相结合的温度测量系统在切削温度测量中，钻削温度是比较难测得的，单纯釆用热电偶法会有许多局 限，测量不便利，误差较大。釆用软件与热电偶等*更件相结合的方法是钻削温 度测量的新渠道。软件釆用LABVIEW虚拟仪器技术实现，利用LABVIEW软件模 块化、层次化软件结构，建立钻削温度测试信号的界面系统。硬件部分山计算 机、数据采集卡.放大电路和电耦回路组成（见图4）。系统以半人工热电偶 作为传感器,获取信号后山数据釆集卡送入讣算机，在虚拟仪器界面获取钻削 温度相关数据或所需图形。rI 111（图4 钻削温度测试系统简图

6、1、虎钳 2、垫块 3、工件 4、钻头 5、卡具 6、主轴 7、计算 机 8、康铜丝 9、放大电路 10、釆集卡 11、工作台 红外执像仪泮红外执像仪泮原冠可帀公式表示为侖射单元单位面积的辐射能量E,即E二 T4,公式中 £为物体辐射单元表面辐射率；。为斯蒂芬-波尔兹曼常数：T为辐射单元的 表面温度。该方法借助光机扫描器侦测加工面辐射出来的能量，电子信号山各辐射单元辐 射能所转换而成，处理后的信号最终可以以不同方式显示出物体温度图像。如 果£是已知的，山定律可得辐射面温度场分布情况。使用红外热像仪可非接 触测量物体大面积温度分布，使用方便，但是其价格昂贵，且所测为相对温 度

7、，比实际加工中的切削温度值稍显滞后。 增强CCD相机法CCD即Charge Coupled Device,由半导体材料制作成,具有高感光度,其成 像原理是将拍摄到的光线转换为电荷，电荷再经过模数转换器芯片转变成数字 信号，圧缩处理数字信号上传至电脑中，最终得到所釆集图像。增强CCD相机 曝光时间很短，干扰滤光片0.8 urn,在可见光谱范围内，对切削区进行拍摄， 便可获得切削加工过程中切削温度场的表征图像，切削温度分布情况依据标定 的“温度-相机亮度水平”来确定。因为增强CCD相机测温方法是一种光学测 温法，所以测量切削温度时可避免接触加工刀具丄件，其拍摄响应时间比较 短，有很高的分辨率，制约

8、条件是光学辐射波长。虽然该方法测温具有许多优 势，但是对于切削加工，动态切削区测温表面的不恒定性导致辐射系数也是不 稳定的，辐射系数会受试件相变、刀具工件表面温度等众多因素的影响，最终 成像与实际情况有一定差异。图5为增强CCD相机法测温装置示意。图5增強CCD相机法测温装置示意图1、增强CCD相机 2.分束镜 3、滤光镜 4、透镜 5.氢氛激光 器 6、试件7、发射管 8、投射体 9、切屑10、密封黑箱11、刀片 12.刀夹体 13、传递管 一种适于钻削的红外测温法红外测温法是辐射式测温的一种，利用物体的热辐射现象来测量物体温度。红 外测温仪主要包括光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理

9、、显示输出 等部分。在钻削加匸中，针对筒壁内表面温度难以直接测得的情况，釆用响应 速度快、灵敏度高、体积小的红外传感器对钻削温度进行间接测试的方法。无 论密封与非密封状态，被测物体内部温度场会随着所处环境温度场的变化而变 化,其间存在着某一对应关系。根据传热学理论，如果被测介质随环境温度的变 化关系是已知的，通过测定被测体外表面的温度，所需点的温度便可间接获 得。图6为一种对药筒进行钻削试验的红外测温装置示意图，试验中使用不同 的切削参数对上下表面进行同步测温。试验中事先在筒内的一端开一小口将红 外传感器装入筒壁内以测量内壁温度。图6 一种钻削试验红外测温装置示意图1、步进电机 2、蜗轮蜗杆减速机 3、主轴4、钻头 5、红外传感器 有限元模拟仿真讣算在某些切削加工环境恶劣，直接测量温度条件复杂的情况下，一些大型通用有 限元分析软件对于研究分析切削温度起着十分重要的作用，如ALGOR、 ABAQUS、MSC.MARC、DEFORM、ADVANTEDGEFEM等软件设置有热传导分析功能， 支持瞬态传热