下载文档原格式
机床可编程控制系统中的切削温度测量与控制研究摘要：随着制造业的发展，机床的自动化和智能化程度越来越高，切削温度的测量与控制成为提高加工质量和生产效率的关键因素。
本文通过对机床可编程控制系统中切削温度测量与控制的研究，探讨了不同方法和技术在该领域的应用，并提出了优化控制策略的建议。
1. 引言机床是制造业中关键的加工设备，其性能对于产品的质量和生产效率有着重要影响。
切削温度作为工件和刀具之间的重要界面变量，对于切削过程的稳定性和加工质量起着关键作用。
因此，机床可编程控制系统中的切削温度测量与控制研究具有重要意义。
2. 切削温度测量方法切削温度的测量是切削过程中重要的控制参数之一，常用的测量方法包括：（1）切削温度传感器：通过安装在切削区域的传感器，如热电偶、红外线传感器等，来实时测量切削温度；（2）声学信号分析：通过分析切削过程中产生的声学信号，预测切削温度的变化趋势；（3）切削力测量：通过测量切削力参数，推断切削温度的变化情况。
3. 切削温度控制方法切削温度的控制方法影响着机床加工的稳定性和加工效率，常见的控制方法包括：（1）切削速度调整：通过调整切削速度来控制切削温度的升降；（2）冷却剂的喷射与控制：通过喷射冷却剂来控制切削区域的温度；（3）刀具材料与涂层选择：通过选择合适的刀具材料和涂层来提高切削效率和降低温度。
4. 切削温度测量与控制系统的设计机床可编程控制系统在切削温度测量与控制中扮演着重要的角色。
对于系统的设计，需要考虑以下几个方面：（1）传感器的选择与布置：根据不同的测量方法，选择合适的切削温度传感器，并合理布置在切削区域；（2）数据采集与处理：采用合适的数据采集设备和算法，实时采集和处理切削温度数据；（3）控制策略的优化：根据不同的控制方法和系统需求，设计合理的控制策略，提高切削温度的测量与控制精度。
5. 优化控制策略的建议为了进一步提高机床可编程控制系统中切削温度的测量与控制效果，可尝试以下优化策略：（1）多传感器融合：利用多种不同的传感器进行切削温度测量，通过数据融合算法得到更加准确的温度结果；（2）智能控制算法：运用人工智能和机器学习算法，根据实时的温度数据，自动调整切削参数和控制策略；（3）在线监测与预警：实时监测切削温度的变化趋势，提前预警可能出现的异常情况，保证加工质量和安全；（4）创新材料与涂层技术：不断研发新型刀具材料和涂层技术，提高工具的散热能力和耐磨性。
切削温度测量方法
嘿，你问切削温度咋测量啊？这事儿咱得好好聊聊。
先说说热电偶法吧。
这就像给切削过程装个小温度计。
找个合适的热电偶，把它放在切削的地方附近。
热电偶能感应温度变化，然后把温度信号传出来。
不过放的时候可得小心，不能影响切削过程，也不能被切坏喽。
而且还得选对热电偶的类型，不然测出来的温度可不准。
还有辐射测温法。
就像用个小望远镜看切削时发出的热辐射。
通过测量辐射的强度啥的，就能算出温度。
这方法不用直接接触切削的地方，挺方便的。
但是得注意周围环境的影响，不能有别的热源干扰。
另外呢，硬度法也可以试试。
切削后看看工件的硬度变化，因为温度会影响材料的硬度。
不过这方法不是特别直接，得通过一些经验公式来推算温度。
还有一种叫金相法。
切削完了看看材料的金相组织，不同温度下金相组织会不一样哦。
这就像给材料做个小体检，通过观察组织变化来判断温度。
但是这方法比较麻烦，需要专业的设备和知识。
我给你讲个事儿吧。
有一次我们车间要测切削温度，一开始大家都不知道咋弄。
后来找了个老师傅，他用热电偶法测了一下，发现温度有点高。
于是大家就想办法调整切削参数，降低温度。
后来再测的时候，温度就正常了。
从那以后，我们就知道了切削温度测量的重要性，也学会了用不同的方法来测量。
总之呢，切削温度测量有好几种方法，你可以根据实际情况选择合适的。
只要你用心去做，肯定能测出准确的温度。
加油吧！。
切削温度测定实验报告总结首先，我们使用了切削温度测定仪器对不同材料进行切削实验，包括钢、铜、铝等常见的金属材料。
通过调整仪器的参数，如进给速度、切削深度和切削速度，我们对不同条件下的切削温度进行了测定。
实验结果显示，在相同的切削条件下，切削温度随着材料的不同而有所差异。
钢材的切削温度较高，铜材的切削温度较低，铝材的切削温度则介于两者之间。
其次，我们对实验结果进行了分析和总结。
首先，切削温度的高低与材料的导热性密切相关。
导热性越差的材料，切削温度越高，反之亦然。
其次，切削温度受切削速度的影响较大。
在其他条件相同的情况下，切削速度越大，切削温度越高。
进给速度和切削深度对切削温度的影响相对较小。
最后，我们发现切削温度的高低对切削过程中的刀具磨损和加工表面质量有重要影响。
切削温度过高会导致刀具磨损加剧和加工表面质量下降。
在实验过程中，我们还注意到了切削润滑剂对切削温度的影响。
切削润滑剂的使用可以有效降低切削温度，减少切削过程中的热损耗，提高切削效率和加工质量。
因此，在实际生产过程中，合理选择和使用切削润滑剂是非常重要的。
综上所述，切削温度测定实验是一项非常有价值的实验技术，对于金属加工和切削领域中的研究和应用具有重要意义。
通过对材料、切削条件和切削润滑剂等因素的分析和总结，可以为加工过程的优化和质量的提高提供理论和实践依据。
在今后的研究和应用中，我们可以进一步深入探索切削温度与刀具寿命、切削力和加工表面质量等指标之间的关系，以进一步提高切削过程的可靠性和效率。
实验三切削温度实验一、实验目的和要求1.了解车削时自然热电偶的构成以及采用自然热电偶进行切削温度实验的原理和方法；2.掌握自然热电偶现场快速标定的原理和方法，并获得其标定公式；3.进行切削温度单因素实验或正交实验，了解切削用量对切削温度的影响规律，获得切削温度的实验公式；4.认知计算机辅助实验硬、软件的系统构成，并熟悉自然热电偶标定与切削温度实验软件的具体操作。
二、实验原理与测量方法1. 切削温度实验与标定系统的组成切削温度实验系统由切削系统、切削温度实验仪器和计算机系统三大部分组成（图1、图3）。
切削系统包括组成自然热电偶的工件（切屑）和硬质合金刀片，以及水银集电器、专用测温车刀等。
切削温度实验仪器包括室温采集与数显板、三路高精度高倍率线性放大板以及为自然热电偶快速标定提供加热电源与控制的元器件等。
计算机系统包含12位A/D板、计算机主机及其外设。
此外，本系统还设置了自然热电偶标定附件。
系统使用接插线缆连接：1)切削系统⇔切削温度实验仪器；2)标定电源连接；3)切削温度实验仪器⇔计算机系统之间有两组扁平线接插件。
4)仪器电源线与普通的计算机电源线相同。
5)切削温度实验仪器接地螺钉位于其背面的钢板上，请务必将切削温度实验仪器用电线连接到符合标准的地线上！图1 自然热电偶测温系统框图图2 在车床上的切削温度实验系统全貌2. 切削温度的测量方法在切削过程中，硬质合金刀片和工件（切屑）组成了自然热电偶，切削温度实验就是将这个自然热电偶作为传感器来测量切屑温度的。
切削时，自然热电偶产生的是温差热电势和温差热电流，“刀-屑”及“刀-工”接触区的高温端温度与硬质合金刀片另一端的冷端温度之差相当显著，所以，产生的热电势可以测量得到。
硬质合金刀片作为自然热电偶的一个热电极，工件和切屑作为另一极。
再将工件和切屑组成的这一极分成两部分，前者包括被切削加工的工件和与其紧密相连的一段切屑，后者就是一段切屑，这两段切屑端部的电压就是实验的检测对象——自然热电偶的热电势值。
切削加工中切削温度测定方法①自然热电偶法和人工热电偶法目前切削温度测量方法应用广泛，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，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。
人工热电偶是由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，甚至减弱刀具强度，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、毫伏计②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靠性、测量精确度。
实验二采用红外热像仪的切削温度测量一、实验概述切削过程中，会产生一系列物理现象，如切削变形、切削力、切削热与切削温度、刀具磨损等。
对切削加工过程中的切削力、切削温度进行实时测量，是研究切削机理的基本实验手段和主要研究方法。
通过对实测的切削温度进行分析处理，可以推断切削过程中的切削变形、刀具磨损、工件表面质量的变化机理。
在此基础上，可进一步为切削用量优化，提高零件加工精度等提供实验数据支持。
本实验是使用红外热像仪进行切削温度的非接触测量，研究切削用量对于切削温度的影响。
通过本实验可使同学们熟悉制造技术工程中的基础实验技术和方法，了解用先进的仪器设备研究传统切削加工的方法。
二、实验目的1、学习及掌握红外热像仪测量切削温度的方法,了解红外成像测温原理2、研究υc、f对切削温度的影响.三、实验仪器设备1、CA6140车床2、Flir A315 红外热像仪3、刀具：YT15,角度：γo = αo= κr= λs= 。
4、试件：45钢棒料说明：刀具参数、车床和工件由各班学委负责准备或负责，红外热像仪的操作由专门指定同学负责。
四、实验原理红外热像仪的基本工作原理是利用了斯蒂芬—波尔兹曼定律,即E =εσT4（1）式中 E ———物体辐射单元单位面积的辐射能量(W/ m2)ε———物体辐射单元表面辐射率(取决于物体表面性质)σ———斯蒂芬—波尔兹曼常数(σ = 5.76 ×10 - 8W/ m2·K4)T ———物体辐射单元的表面温度(K)切削时,红外热像仪通过光机扫描机构探测工件(或刀具) 表面辐射单元的辐射能量,并将每个辐射单元的辐射能量转换为电子视频信号,通过对信号进行处理,以可见图像的形式进行显示,显示的热像图代表被测表面的二维辐射能量场,若辐射单元的表面辐射率已知,则可通过斯蒂芬—波尔兹曼定律求出辐射单元表面的温度分布场及动态变化。
虽然红外热像仪所测温度为相对温度,滞后于实际切削温度,但根据传热反求算法可准确求得切削过程中工件(或刀具) 的温度变化规律及动态分布。
金属切削温度测量方法研究以《金属切削温度测量方法研究》为标题，撰写一篇3000字的中文文章一、绪论金属切削过程中，温度是影响金属切削性能的关键因素。
一方面，温度依据物理机械钝化规律，影响切削刀具的硬度及强度；另一方面，温度高低对被加工材料的塑性变形有直接影响，当温度不正确时，会造成材料的损伤及产品质量的下降。
因此，准确的金属切削温度测量是提高金属切削产品质量的关键一步，同时也是推动金属加工领域发展的重要因素。
本文将探讨金属切削温度测量方法，以期提供科学准确的金属切削温度控制策略，从而获得优质的金属加工制品。
二、金属切削温度测量方法2.1向热流计量法切向热流计量法是定量测量切削过程中的热量转移量的一种方法，通过测量切削液或切削热量转移的冷却器内的温度变化量来反映金属切削温度的变化。
切向热流计量法的测量，可以采用多种形式。
如利用涡街流量计测量冷却剂的流量，并通过变温实验法计算出切削液的热吸收率等，以及利用液力传感器测量冷却剂的温度变化，以及利用温度分布嘴测量热量在切削过程中的分布情况等等方法。
2.2释电传感器测量法热释电传感器测量法也被称为红外测温法，是利用热释电特性测量金属切削温度的一种方法。
其核心原理是利用被测物体的热辐射能量来检测，并计算出物体的温度。
热释电传感器测量法的优点是，其可以在短时间内快速准确的测量出金属切削的温度，同时可以精确的检测出切削过程中温度的变化趋势，从而获得更加精确的金属切削参数。
2.3电阻传感器测量法热电阻传感器测量法也被广泛应用于金属切削温度测量中，热电阻传感器测量法的核心原理是利用热电阻特性测量金属切削过程中的温度变化。
其优点是，热电阻传感器测量法可以有效的抑制由于高温和低温环境的影响，具有较强的稳定性，还可以抵抗高温和多变性，同时可以避免温度量程及温度测量精度的影响，从而获得更准确的温度测量结果。
三、结论金属切削温度测量方法是控制金属切削质量的一个关键因素，同时也是金属切削技术发展的基础。
铣削加工中的切削温度铣削加工是一种常见的金属加工方式，它可以通过移动刀具以切削的方式将工件表面上的材料去除，以达到工件形状和尺寸的要求。
在铣削加工中，切削温度是一个重要的参数，它可以影响刀具的寿命、表面质量和加工效率等方面的指标。
本文将探讨铣削加工中的切削温度问题，包括切削温度的产生机理、切削温度的测量方法、以及影响切削温度的因素等。
一、切削温度的产生机理在铣削加工中，刀具与工件表面之间的相互作用可以引起切削温度的产生。
具体来说，切削过程中，由于刀具和工件之间的摩擦和冲击，工件表面上的材料开始热变形，且温度逐渐升高。
当温度达到一定值时，工件表面上的材料开始软化、熔化、甚至汽化，产生切屑并在工件表面形成新的金属层。
此时，切削温度已经达到了一个较高的水平，严重影响了刀具寿命和加工效率。
二、切削温度的测量方法切削温度的测量方法有很多种，常见的有红外线测温法、热电偶测温法、纳米压电传感器测温法等。
其中，红外线测温法是一种简单而又常用的方法。
它通过测量工件表面的红外辐射来间接地反映表面的温度，并可以实现非接触式测量。
热电偶测温法是一种直接测量表面温度的方法，可以通过在刀具和工件表面上安装热电偶来实现温度的实时监测。
纳米压电传感器测温法则是一种需要安装在刀具上的传感器，可以实时测量刀具所在位置的温度，并且具有较高的测温精度。
三、影响切削温度的因素切削温度受到很多因素的影响，包括材料、刀具、加工参数等。
首先是材料的影响。
不同的材料有不同的热导率、热膨胀系数以及热容量等物理特性，这些特性决定了材料受热后的温度变化速率。
其次是刀具的影响。
不同材质的刀具在切削过程中承受的热量和温度分布有所不同，同时刀具与工件表面的接触面积也会影响所产生的切削温度。
最后是加工参数的影响。
例如切削速度、进给量以及切削深度等参数都会对切削温度产生影响。
当切削速度和进给量增加时，切屑的产生速度和温度同时增加，导致了更高的切削温度。
四、结论切削温度是铣削加工中一个重要的参数，它不仅可以影响切削过程中的工件表面质量和加工效率，也直接影响刀具的寿命和切削力的大小。
车削时切削温度的测量一、实验目的及要求1、掌握用自然热电偶法测量切削区平均温度的方法。
2、研究车削时，切削热和切削温度的变化规律及切削用理（包括切削速度、走刀量f、切削深度ap）对切削θ的影响。
3、用正交试验设计，确定在切削用量的三个因素中，影响切削温度的主次因素。
二、实验内容用高速钢车刀和45#钢工件组成的热电偶，以正交试验计法实验切削温度的变化规律。
三、实验设备及用具1、设备：CA6140型变通车床。
2、仪器：VJ37型直流电位差计（或毫伏表）。
3、刀具：高速钢外圆车刀。
4、工件：45#钢。
四、自然热电偶法测量温度的基本原理和方法用热电偶测量温度的基本原理是：当两种化学成份不同的金属材料，组成闭合同路时，如果在这两种金属的两个接点上存在温度差（通常温度高的一端称为热端，温度低的一端称为冷端）。
在电路上就产生热电势，实验证明，在一定的温度范围内，该热电热与温度具有某种线性关系。
热电偶的特性是：（1）任何两种不同金属都可配制成热电偶。
（2）任何两种均质导体组成的热电偶，其电动热的大小仅与热电极的材料和两接点的温度T、To有关，而与热电偶的几何形状及尺寸无关。
（3）当热电偶冷端温度保持一定，即To=C时，热电势仅是热端温度T的单值数，E= （t），这样，热电偶测量端的温度与热电势建立了——对应关系。
用自然热电偶法测量切削温度时，是利用刀具与工件化学成份的不同而组成热电偶的两级，如图（一）所示。
（刀具和工件均与机床绝缘，以消除寄生热电偶的两极的影响），切削时，工件与刀具接触区的温度升后，就形成了热电偶的热端，而工件通过同材料的细棒或切屑再与导体连接形成一冷端，刀具由导线引出形成另一冷端，如在冷端处接入电位差计，即可测得热电势的大小，通过热电热——温度的换算从而反映出刀具与工件接触处的平均温度。
为了将测得的切削温度毫伏值换算成温度值，必须事先对实验用的自然热电偶进行标定热出“毫伏值——温度”的关系曲线，标定装置如图（二）所示，标定时取两根与刀具及工件材料完全相同的金属丝，在其一端进行焊接后，使其组成一对被校热电偶，然后将被校热电偶与标准热电偶放入加热炉内同一位置处，以保证两个热电偶的热端温度相同，与此同时将两个热电偶的冷端，插入有冰块的容器中，以保持冷端恒温0℃，冷端的引出导线分别接入标准电位差计及被校毫伏计上，当炉温升高时，标准热电偶的热电势，通过电位差计，读出它的标准温度值，而自然热电偶的热电势则通过被校毫伏计读出毫伏值。
金属切削中的刀具温度分析与测量方法刀具温度是金属切削过程中一个重要的参数，它直接影响切削性能、刀具寿命和加工质量。
因此，在金属切削过程中，准确地分析和测量刀具温度对于提高加工效率和降低成本具有重要意义。
本文将介绍金属切削中刀具温度的分析与测量方法。
一、刀具温度的分析方法1. 理论计算法理论计算法是比较常用的一种刀具温度分析方法，它通过建立刀具温度的数学模型，通过计算来预测刀具表面的温度分布。
该方法基于辐射传热原理，考虑了切削速度、切削力、热源和刀具材料特性等因素的影响。
通过使用数值模拟软件，可以进行刀具温度分析，并得到刀具温度的数值结果。
2. 热电偶测温法热电偶测温法是一种直接测量刀具温度的方法。
将热电偶焊接在刀具表面，通过热电偶感应到的温度电势信号，可以获得刀具温度的实时数据。
这种方法具有测量范围广、精度高的优点，但需要在加工过程中实时监测，并且对于高温和高速切削过程有一定的限制。
3. 红外测温法红外测温法利用红外热像仪对刀具表面的红外辐射进行测量，从而间接得到刀具温度。
这种方法可以在不接触刀具的情况下进行测量，具有非侵入性和高效率的特点。
然而，红外测温法在测量精度上存在一定的误差，尤其对于材料导热性能较好的刀具，其测量结果可能会受到周围环境和切削冷却液的影响。
二、刀具温度的测量方法1. 热电偶测温法热电偶测温法不仅可以用于刀具温度的分析，也可以用于直接测量刀具温度。
选择适当的热电偶焊接在刀具表面，并连接到测温仪器上，通过观察温度数据的变化，可以实时了解刀具的温度变化情况。
2. 红外测温法红外测温仪可以通过测量刀具表面的红外辐射来间接得到刀具的温度。
使用红外测温仪时，必须选择适当的仪器和测量方法，确保测量结果的准确性。
同时，应该注意在使用红外测温法时，忌讳强光照射和刀具表面的残留油脂等。
3. 热像仪测温法热像仪是一种高级红外测温仪器，它可以实时捕捉刀具表面的红外图像，并将其转化为温度分布图。
通过使用热像仪，可以直观地观察刀具的温度分布情况，并及时发现温度异常区域，以进行相应的调整和措施。
数控机床切削温度的测量与控制数控机床是一种高精密、高自动化的切削机床，广泛应用于航空航天、汽车制造、模具加工等领域。
在数控机床的工作过程中，由于高速切削带来的摩擦和热量，容易导致工件和刀具过热，从而影响加工质量，甚至导致刀具破损。
因此，准确测量和控制数控机床的切削温度是非常重要的。
为了测量数控机床的切削温度，目前常用的方法有接触式测量和非接触式测量两种。
接触式测量方法是使用热电偶或红外测温仪等设备对切削区进行直接接触测量。
热电偶是一种基于材料热电效应的测温装置，通过将热电偶插入切削区并与工件接触，可以测量到切削区的温度。
但这种方法的测量精度受到热电偶固定的位置和切削过程中的振动影响较大。
红外测温仪则是利用红外线传感器对工件表面的红外辐射进行测量，具有无接触、快速、灵敏度高等特点，但对于不同材料的工件，精确校准红外测温仪的温度转换系数是非常重要的。
非接触式测量方法是使用红外热像仪对切削区或工件表面进行扫描，通过记录热像仪接收到的红外辐射图像，可以得到切削区的温度分布情况。
热像图像不仅可以显示出整个切削区的温度分布情况，还可以提供时间上的变化过程，从而判断切削过程中是否存在异常热源或热量积累等问题。
然而，由于红外热像仪的成本较高，使用非接触式测量方法也需要考虑经济成本。
除了测量切削温度外，对数控机床的切削温度进行控制也是至关重要的。
切削温度的控制可以通过以下几种方式实现：1. 刀具冷却系统：在数控机床的刀架上安装冷却系统，通过喷射冷却液体来降低刀具和工件的温度。
冷却液可以通过喷射装置直接喷射到刀具和工件的接触面，使切削过程中产生的热量迅速散失，从而降低切削区的温度。
2. 进给速度控制：增加进给速度可以减少切削区的停留时间，进而减少切削区的热积聚量。
通过调节数控机床的进给速度，可以控制切削过程中的温度变化，以避免过热导致的刀具破损或工件表面质量问题。
3. 切削参数优化：切削参数的选择对于控制切削温度也起着至关重要的作用。
3中国博士后科学基金资助项目(项目编号:中博基2000-23)教育部留学回国人员科研启动基金资助项目(项目编号:教外司留2000-479)收稿日期:2001年10月切削温度测量方法综述3刘战强 黄传真 万 熠 艾 兴山东大学摘 要:对目前常用的切削温度测量方法进行了综合评述,介绍了各种测温方法的基本原理、优缺点及适用范围。
关键词:金属切削, 切削温度, 测量方法Summary of Cutting T emperature Measurement MethodsLiu Zhanqiang Huang Cuanzhen Wan Y i et alAbstract :The present methods used to measure the cutting temperature are summarized.The fundamental principles ,merits and demerits and application ranges of these cutting temperature measurement methods are introduced.K eyw ords :metal cutting , cutting temperature , measurement method 1 引言在机械制造业中,虽然已发展出各种不同的零件成型工艺,但目前仍有90%以上的机械零件是通过切削加工制成。
在切削过程中,机床作功转换为等量的切削热,这些切削热除少量逸散到周围介质中以外,其余均传入刀具、切屑和工件中,刀具、工件和机床温升将加速刀具磨损,引起工件热变形,严重时甚至引起机床热变形。
因此,在进行切削理论研究、刀具切削性能试验及被加工材料加工性能试验等研究时,对切削温度的测量非常重要。
测量切削温度时,既可测定切削区域的平均温度,也可测量出切屑、刀具和工件中的温度分布。
常用的切削温度测量方法主要有热电偶法、光辐射法、热辐射法、金相结构法等[1～5]。
2 切削温度测量方法2.1 热电偶法当两种不同材质组成的材料副(如切削加工中的刀具—工件)接近并受热时,会因表层电子溢出而产生溢出电动势,并在材料副的接触界面间形成电位差(即热电势)。
由于特定材料副在一定温升条件下形成的热电势是一定的,因此可根据热电势的大小来测定材料副(即热电偶)的受热状态及温度变化情况。
采用热电偶法的测温装置结构简单,测量方便,是目前较成熟也较常用的切削温度测量方法。
根据不同的测量原理和用途,热电偶法又可细分为以下几种:(1)自然热电偶法自然热电偶法[1,3,4]主要用于测定切削区域的平均温度。
采用自然热电偶法的测温装置如图1所示。
它是利用刀具和工件分别作为自然热电偶的两极,组成闭合电路测量切削温度。
刀具引出端用导线接入毫伏计的一极,工件引出端的导线通过起电刷作用的铜顶尖接入毫伏计的另一极。
测温时,刀具与工件引出端应处于室温下,且刀具和工件应分别与机床绝缘。
切削加工时,刀具与工件接触区产生的高温(热端)与刀具、工件各自引出端的室温(冷端)形成温差电势,该电势值可用接入的毫伏计测出,切削温度越高,该电势值越大。
切削温度与热电势毫伏值之间的对应关系可通过切削温度标定得到。
根据切削实验中测出的热电势毫伏值,可在标定曲线上查出对应的温度值。
图1 自然热电偶法测量切削温度示意图采用自然热电偶法测量切削温度简便可靠,可方便地研究切削条件(如切削速度、进给量等)对切削温度的影响。
值得注意的是,用自然热电偶法只能测出切削区的平均温度,无法测得切削区指定点的温度;同时,当刀具材料或(和)工件材料变换后,切削温度—毫伏值曲线也必须重新标定。
(2)人工热电偶法人工热电偶法(也称热电偶插入法)[1,3]可用于测量刀具、切屑和工件上指定点的温度,并可测得温度分布场和最高温度的位置。
人工热电偶法测温装置如图2所示。
在刀具或工件被测点处钻一个小孔(孔径越小越好,通常<<015mm ),孔中插入一对标准热电偶并使其与孔壁之间保持绝缘。
切削时,热电偶接点感受出被测点温度,并通过串接在回路中的毫伏计测出电势值,然后参照热电偶标定曲线得出被测点的温度。
图2 人工热电偶法测量切削温度示意图人工热电偶法的优点是:对于特定的人工热电偶材料只需标定一次;热电偶材料可灵活选择,以改善热电偶的热电敏感性和动态响应速度,提高热电偶传感质量。
但由于将人工热电偶埋入超硬刀具材料(如陶瓷、PC BN 、PC D 等)内比较困难,因此限制了该方法的推广应用。
(3)半人工热电偶法将自然热电偶法和人工热电偶法结合起来即组成了半人工热电偶法[3]。
半人工热电偶是将一根热电敏感材料金属丝(如康铜)焊在待测温点上作为一极、以工件材料或刀具材料作为另一极而构成的热电偶。
采用该方法测量切削温度的工作原理与自然热电偶法和人工热电偶法相同(见图3)。
由于半人工热电偶法测温时采用单根导线连接,不必考虑绝缘问题,因此得到了较广泛的应用。
图3 半人工热电偶法测量切削温度示意图 (4)等效热电偶法采用自然热电偶法测量切削温度时,由于温升的影响,导线引出点的温度已不是标定时的室温,因此需要进行冷端温度补偿。
但冷端温度补偿在原理和具体实现方法上均存在一定问题,如测量PC BN 刀具的切削温度时,由于作为热电偶一端的PC BN 复合片尺寸小、导热系数大,导线引出点的温升较大,影响测量精度,需要予以消除,但采用接长刀片消除法在PC BN 刀具上不易实现,若采用附加电势消除法则因刀片引出点有温升,所测电动势也难以反映真正的切削温度。
此时,可采用等效热电偶法[6,7]测量PC BN 焊接车刀外圆车削的切削温度,其工作原理如图4所示。
刀片与工件组成自然热电偶的两极,热端为刀—屑接触部分A (其平均温度即为需要测量的切削温度θ);冷端分别为工件与刀具的引出端。
工件引出点C 处的温度为室温θ0,刀具引出点B 由于距离刀尖较近而有温升,由于B 点温度是测量计算切削温度所必须的,因此需同时测量B 点温度θ′。
测量时,采用一标准热电偶(NiCr 2NiSi )测量B 点温度θ′(其中NiCr 端也是主测量回路C 2A 2B 的引出端)。
测量得到两个热电动势:E 1为工件—刀具—导线(NiCr )所构成的主测量回路产生的热电动势;E 2为标准热电偶(NiCr 2NiSi )产生的热电动势。
通过标定装置获得各材料间的热电特性曲线,求出其斜率,再由测得的E 1、E 2计算出切削温度θ为θ=1b WTE 1+b bw +b WTb b b WTE 2+θ0(1)式中 b WT ———工件—刀具的热电特性曲线斜率b bw ———导线—工件的热电特性曲线斜率b b ———刀具引出点测量热电偶热电特性曲线斜率图4 等效热电偶法测量切削温度示意图2.2 光、热辐射法采用光、热辐射法测量切削温度的原理是:刀具、切屑和工件材料受热时都会产生一定强度的光、热辐射,且辐射强度随温度升高而加大,因此可通过测量光、热辐射的能量间接测定切削温度[8]。
(1)辐射高温计法使用红外辐射高温计可测定刀具或工件表面的温度分布。
红外探测器将接收的红外线转换为电信号,经线性化处理后即可获得相应的温度值[9,10]。
红外辐射高温计的测温方法如图5所示。
但采用红外辐射高温计只限于测量刀具或工件外表面的温度。
图5 红外辐射测温示意图(2)红外照相法采用红外照相法[2]的车削温度测量装置如图6所示。
测温装置安装于车床横溜板的机座板上,使刀具、照相机相对于工件排成一线;照相机配有专门的红外辐射聚焦调节装置;刀夹可使照相机镜头尽可能接近工件表面;为避免切屑溅射的影响,照相机镜头用有机玻璃罩子罩住,镜头与工件表面之间设计了挡屑板,透过板上的小孔可对刀具和工件表面摄影(采用高温红外胶卷)。
测量温度前,首先用热电偶进行定标校准,即热电偶由电加热并在不同温度下照相,所需曝光时间通过预试验确定,显影后的胶卷用显微光密度计读数,得到高温红外胶卷在不同曝光时间下光密度与温度的对应关系。
根据此对应关系,可以确定切削过程中工件或刀具的温度。
用红外照相法测定的切削温度可用于研究切削温度的分布情况。
图6 红外照相法测温装置示意图(3)红外热像仪法红外热像仪[11]的基本工作原理是利用了斯蒂芬—波尔兹曼定律,即E =εσT4(2)式中 E ———物体辐射单元单位面积的辐射能量(W/m 2)ε———物体辐射单元表面辐射率(取决于物体表面性质)σ———斯蒂芬—波尔兹曼常数(σ=5176×10-8W/m 2・K 4)T ———物体辐射单元的表面温度(K )切削时,红外热像仪通过光机扫描机构探测工件(或刀具)表面辐射单元的辐射能量,并将每个辐射单元的辐射能量转换为电子视频信号,通过对信号进行处理,以可见图像的形式进行显示,显示的热像图代表被测表面的二维辐射能量场,若辐射单元的表面辐射率已知,则可通过斯蒂芬—波尔兹曼定律求出辐射单元表面的温度分布场及动态变化。
虽然红外热像仪所测温度为相对温度,滞后于实际切削温度,但根据传热反求算法可准确求得切削过程中工件(或刀具)的温度变化规律及动态分布。
红外热像仪测温法具有直观、简便、可远距离非接触监测等优点,在恶劣环境下测量物体表面温度时具有较大优越性。
此外,测量切削温度的光、热辐射方法还有红外干板法、红外聚光法、PbS 光能电池法[1,3]、高速切削双色高温计测量法[12]等。
2.3 金相结构法(1)金相结构法金相结构法[2]是基于金属材料在高温下会发生相应的金相结构变化这一原理进行测温的。
该方法通过观察刀具或工件切削前后金相组织的变化来判定切削温度的变化,主要适用于高速钢刀具,因为当温度超过600℃时,高速钢的红硬性下降,组织结构发生一系列变化,可通过经抛光、腐蚀后的金相磨片来检查其金相组织变化。
但这种方法的应用范围局限于金属材料制成的刀具,并且只有在高温下才能观察到材料明显的组织结构变化;此外,观测和分析的工作量也较大。
(2)扫描电镜法扫描电镜法测量切削温度是用扫描电镜观测刀具预定剖面显微组织的变化,并与标准试样对照,从而确定刀具切削过程中所达到的温度值。
应用扫描电镜法首先需要制取样件和对照样件,考虑到在不同温度和不同保温时间条件下材料的显微组织不同,对照样件需要多制取一些;得到对照样件的显微组织照片后即可确定被测刀具某一部位的切削温度。
扫描电镜法测定切削温度的分辨率和确定温度分布的准确性均很高。
但扫描电镜法也存在以下缺点:①只能测量600℃以上的温度;②样件制作相当繁琐;③属事后破坏性测量,不便于在生产现场推广应用;④所确定的切削温度分布状态属于定量分析;⑤设备复杂,技术难度高,实际应用受到一定限制。
