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切削加工中切削温度测定方法

时间:2017-02-03 18:01来源:www.eadianqi.com 编辑:自动控制网
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

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。 本文来自www.eadianqi.com


自然热电偶法测量切削温度示意图
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。

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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。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;较好的工艺性,以便成批生产。薄膜热电偶采用的电极材料在500~1800℃时可用镍铬-镍硅、铂铑-铂等。薄膜热电偶可达到微米级(0.01~0.1μm)。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。大连理工大学的孙宝元教授等采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镍铬膜和镍硅膜镀在刀具上,补偿导线采用与薄膜热电偶材料相同的2mm的镍铬、镍硅丝,在刀头下半部加工通孔引出至与室温一致处。由于热电偶测温接点位于刀尖,响应迅速,时间常数约为0.8ms。

薄膜热电偶刀头结构示意图

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图3  薄膜热电偶刀头结构示意图
1、热电偶膜     2、3、绝缘膜
 
③热电偶与软件相结合的温度测量金沙娱乐网址
在切削温度测量中,钻削温度是比较难测得的,单纯采用热电偶法会有许多局限,测量不便利,误差较大。采用软件与热电偶等硬件相结合的方法是钻削温度测量的新渠道。软件采用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金沙娱乐网址。硬件部分由计算机、数据采集卡、放大电路和电耦回路组成(见图4)。金沙娱乐网址以半人工热电偶作为传感器,获取信号后由数据采集卡送入计算机,在虚拟仪器界面获取钻削温度相关数据或所需图形。

钻削温度测试金沙娱乐网址简图
图4  钻削温度测试金沙娱乐网址简图
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、采集卡  11、工作台 本文来自www.eadianqi.com
 

④红外热像仪法红外热像仪法
原理可用公式表示为辐射单元单位面积的辐射能量E,即 E=εσT4,公式中ε为物体辐射单元表面辐射率;σ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,电子信号由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ε是已知的,由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,比实际加工中的切削温度值稍显滞后。

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⑤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,压缩处理数字信号上传至电脑中,最终得到所采集图像。增强CCD相机曝光时间很短,干扰滤光片0.8μm,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工件,其拍摄响应时间比较短,有很高的分辨率,制约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。

增强CCD相机法测温装置示意图
图5  增强CCD相机法测温装置示意图
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1、增强CCD相机  2、分束镜  3、滤光镜  4、透镜  5、氢氖激光器  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
 

⑥一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金沙娱乐网址、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等部分。在钻削加工中,针对筒壁内表面温度难以直接测得的情况,采用响应速度快、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。

一种钻削试验红外测温装置示意图 本文来自www.eadianqi.com
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
 
⑦有限元模拟仿真计算
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,支持瞬态传热分析、非线性传热分析,可以对切削加工工件或刀具温度场进行模拟仿真。其基本原理是对连续体进行近似计算的一种数值方法,通过导入物体,并对其进行网格划分,定义材料属性、边界条件、初始条件、几何特性等相关设定后,利用计算机计算,得到所需的温度场数据、图像,以非实验手段直观了解切削过程中温度变化规律。
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