切削温度测量方法概述

热工测量仪表作业

切削温度测量方法概述Summary of Cutting Temperature Measurement

Methods

作者姓名：王韬

专业：冶金工程

学号：20101360

指导老师：张华

东北大学

Northeastern university

2013年6月

切削温度测量方法概述

王韬

东北大学

摘要：高速切削加工现已成为当代先进制造技术的重要组成部分,切削热与切削温度是高速切削技术研究的重要内容。本文根据国内外高速切削温度测量方法的研究现状，对目前常用的切削温度测量方法进行了分类和比较，主要包括接触式测温、非接触式测温和其他测量方法三种，详细介绍了热电偶法、光辐射法、热辐射法、金相结构法等几种常用切削测温方法的基本原理、优缺点、适用范围及发展状况；介绍了几种新型高速切削温度测量方法。最后对各种测量方法作了比较，探讨了切削温度实验测量方法研究的发展方向。

关键词: 切削温度，测量方法，发展状况

Summary of Cutting Temperature Measurement Methods

Wang Tao

Northeastern university

Abstract: High-speed machining has become an important part of the contemporary advanced manufacturing technology. Cutting heat and cutting temperature is the important content of high speed cutting technology research. This paper gives the background to the measurement of metal cutting temperatures and a review of the practicality of the various methods of measuring cutting temperature while machining metals. Classify the cutting temperature measurement methods, mainly including non-contact temperature measurement, non-contact temperature test of other three kinds of measurement methods; Introduced the thermocouple method, radiation method, radiation method and metallographic structure of the basic principle of several kinds of commonly used cutting temperature measurement method, the advantages and disadvantages, applicable scope and the status of the development; Several new high-speed cutting temperature measurement methods are introduced. Finally discusses the development direction of cutting temperature experiment measurement method research for a variety of measurement methods.

Keywords:metal cutting, cutting temperature, measurement method

目录

摘要 ............................................................................................................................................ I 1引言 ................................................................................................................................. - 1 -2接触式测量方法 ................................................................................................................ - 1 -2.1 自然热电偶法 ............................................................................................................ - 1 -2.2 人工热电偶法 ............................................................................................................ - 2 -

2.3 半人工热电偶法 ........................................................................................................ - 3 -

3 非接触式测温 ................................................................................................................... -

4 -3.1 红外辐射法红外 ........................................................................................................ - 4 -3.2 增强CCD 相机法 ..................................................................................................... -

5 -3.3 红外—光学法 ............................................................................................................ - 5 -

3.4金相结构法 .............................................................................................................. - 6 -

4 其他切削温度测量方法 ................................................................................................... - 6 -

5 切削测温技术发展方向 ................................................................................................... - 7 -

6 总结................................................................................................................................... -

7 -参考文献 ............................................................................................................................... -

8 -

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。已有的高速切削温度测量方法，可以归纳为接触式测温、非接触式测温和其他测量方法三种。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。

2接触式测量方法

当两种不同材质组成的材料副接近并受热时，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，接触式测量方法又可细分为以下几种：

2.1 自然热电偶法

自然热电偶法的刀具和工件，组成自然热电偶的材料副，通过测量热电偶两端的热电势，确定切削区域的温度。自然热电偶法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。

图1自然热电偶法测量切削温度示意图

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，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。

其存在的问题是：测得的是刀—工接触面的平均热电势，不太适合于精确测量切削区域的绝对温度，也不能捕捉瞬态的温度分布，在有积屑瘤时，测量结果不准确，要求刀具和工件都能导电，且受刀具和工件材料脆性和电阻率的限制；不适用于工件微熔状态时的温度测量；需要对刀具和工件精确标定，并会产生较大的噪音信号，当材料变换后，必须重新标定。

2.2 人工热电偶法

①夹丝热电偶法。在刀具或工件被测点处钻一个小孔(孔径越小越好，通常 <0·5mm)，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。

其优点是：可测量单点或多点温度，不需要对刀具材料进行标定，可用于刀具材料为绝缘体时的场合，线性度好，热电势较大。

存在的问题是：开小孔增加了工艺难度，不易获得刀刃位置的温度梯度，小

孔会影响刀具热流分布，减弱刀具强度，热接点湿热电势响应会滞后，难于测量变化过快的温度。

②薄膜热电偶法。用两种不同材料的金属薄膜，作为热电偶的两极。将刀头的整体切割成上下两个刀片，在两接触面镀一层SiO2绝缘膜后，再镀合金膜NiCr 膜、NiSi膜。两合金膜即热电偶的两极，在刀尖处形成热接点，另一端通过镍铬、镍硅丝引出与信号放大器相接。

其优点是：测温传感器集成在刀头内，保证了刀片切削刃强度和寿命。测温接点位于刀尖，能快速响应瞬态切削温度，时间常数约为0.8 ms，在0～600 ℃范围内有良好的线性和热稳定性。

存在的问题是：镀膜及刀头制作工艺复杂，热电势只有mV 级，易受干扰，高温时薄膜与石英结合强度不够，有脱落现象，线性较差。

2.3 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。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。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，如见图2。

图2半人工热电偶法测量切削温度示意图

其优点是：由于测温时采用单根导线连接，不必考虑绝缘问题。用半人工热电偶法测量铣削温度，采用与工件绝缘的细康铜丝，在康铜丝被切断时，可形成

较小的热接点，提高测温的响应速度，直接获得已加工表面的温度和切削刃口的温度。

存在的问题是：切削刃与热电偶接触的时间短，测量误差大。

3 非接触式测温

在非接触式温度测量中，测量元器件与热源不接触，避免了接触测量中安装热电偶会改变热流分布的情况。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

3.1 红外辐射法红外

辐射法根据物体表面辐射出的热能，测量物体表面的温度，既可测量温度场，也可测量单点温度。但由于切屑的干扰，测量位置必须谨慎选择。大多数金属在高温氧化后的表面辐射率都有很大变化，也会影响到测量结果。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。红外辐射高温计的测温方法如图3所示。

图3 红外辐射测温示意图

其优点是：红外热像仪法直观简便、测温范围宽（- 50～2 000 ℃）、准确快速、适用于恶劣环境；基于传热学反求算法，可以根据其测量结果求得铣削过程切削区温度场。

存在的问题是：时间分辨率不高。

3.2 增强CCD 相机法

增强CCD相机测温法，是基于可见光谱范围，用增强CCD相机在极短曝光时间下拍摄到切削区温度场的图像，再根据标定的“温度—相机亮度水平”确定切削温度分布的方法。采用红外照相法的车削温度测量装置如图4所示。

图4红外照相法测温装置示意图

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。

其优点是：增强CCD相机测温法，响应时间短，分辨率高(仅受光学辐射波长限制)。

存在的问题是：表面辐射系数会受表面温度、粗糙度和相变等因素的影响。

3.3 红外—光学法

采用高带宽热显微镜法，将红外辐射法与光学法相结合。在605 m/min 的切削速度下，以488 帧/s 测量了对于不同切削用量的刀—屑接触面的最高温度和温度最高点离刀刃的距离，并与相同条件下的有限元仿真结果作了比较。

其优点是：该法将带有物镜保护套的热显微镜镜体，装在红外热像仪的上方，对准刀—屑接触面进行测量。刀具在正交切削工件的端面时，刀具基准面和切屑可被测量，减少了间接标定的附加误差。

3.4金相结构法

①金相结构法

金相结构法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。

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。

缺点：只能测量600℃以上的温度；样件制作相当繁琐；属事后破坏性测量，不便于在生产现场推广应用；所确定的切削温度分布状态属于定量分析；设备复杂，技术难度高，实际应用受到一定限制。

4 其他切削温度测量方法

除上述切削温度测量方法外,常见的测温方法还有定熔点粉末法显微硬度分析法、量热法、涂色法等。

显微硬度分析法是将刀具、工件和切屑在不同温度下呈现不同硬度的基本原理进行逆向应用,根据材料受热后的显微硬度间接测知其切削温度。

定熔点粉末法，主要限用于高速钢材料的刀具，只有在高温下才能观察到材料明显的组织结构变化，不能表现刀具温度场的变化与时间之间的联系；且需制备显微组织样本库，工作量大而繁琐，需对刀具进行特殊处理，所用的粉末需要较长时间才能完全熔化。

量热法是将受热后的刀具、切屑或工件浸入水中并测定水温的升高,根据水的温升计算刀具、切屑或工件的温度。这种方法常用于测定金属切削过程中进入刀具、切屑或工件的热量百分比。

涂色法是将刀具沿切屑流出方向对称剖开,在剖面上涂上可在一定温度下熔解的微细金属粉末,然后将刀具合拢固定进行切削,切削完后再将刀具分离开,通过观察微细粉末熔化区域来确定刀具内部切削温度的分布情况，但该方法测量精度较低。

5 切削测温技术发展方向

根据以上分析，高速切削温度的实验测量方法发展方向为：

一、热电偶法直接、简单、数据可靠，被认为是目前最适合于测量高速切削温度的方法。

二、随着热电技术的不断发展和成像设备分辨率的提高，不接触测量法在中、高速切削温度的测量与实时监测方面，有很大发展潜力。今后将测量前标定改为热电偶动态标定，实时修正热辐射率和测量结果，克服各种随机因素对测量温度的影响，可以提高不接触测量的精度。

三、应用实验法模拟高速切削过程，结合数值仿真的方法，在保证相应高速切削参数的前提下，用相对方便简捷的实验方法，测量得到切削温度及其分布规律。再对比仿真结果，修正仿真模型的条件，提高仿真精度以获取可推广的仿真方法。

6 总结

根据以上讨论，各种测量切削温度的方法各有其优缺点和不同的适用范围。在实际应用中应根据具体情况选用最适当的切削温度测试方法。此外,为了在生产现场对切削温度进行更精确、更方便、更及时的测量,还需要对切削温度测量

方法作进一步深入研究和改进完善。

传统的热电偶、热电阻测温方法以其技术成熟、结构简单、使用方便等特点, 在未来温度测量领域中,依然能够广泛使用。低速切削中的应用已经很成熟但仍存在一定的问题, 高速切削温度场的测量方法仍需进一步探索。随着新材料、新工艺以及一些新技术的发展, 其应用范围更加拓展。在温度测量方面，我们还需要还要不断探索新的温度测量方法, 改进原有测量技术, 以满足各种条件下的温度测量需求。

参考文献

[1]刘献礼,袁哲俊,陈波,孟安,陈立国,严复钢,李振加.切削温度测量的等效热电偶法[J].计量学报,1999,03:30-35.

[2]刘战强,黄传真,万熠,艾兴.切削温度测量方法综述[J].工具技术,2002,03:3-6.

[3]全燕鸣,赵婧,何振威,林金萍,乐有树.切削温度测量信号的获取与处理[J].中国机械工程,2009,05:573-576+584.

[4]刘志新,张大卫.基于夹丝热电偶法的高速切削温度测量[J].组合机床与自动化加工技术,2006,04:59-61.

[5]段春争,李园园,李国和,甄颖.高速切削温度场测量技术研究现状[J].机械设计与制造,2008,04:212-214.

[6]常兴,陈五一,吕彦明.半人工热电偶瞬态切削温度测量装置[J].中国机械工程,1995,S1:120-121+157.

[7]崔云先.瞬态切削用NiCr/NiSi薄膜热电偶测温刀具研究[D].大连理工大学,2011.

[8]张帆.高速铣削刀具和工件瞬态切削温度研究[D].山东大学,2012.

[9]王大振.多通道热电偶和双色红外测温系统的研制及应用研究[D].山东大学,2012.

[10]王亚楠.基于薄膜热电偶的瞬态切削温度仿真与试验研究[D].大连交通大学,2012.

[11]贾颖.基于磁控溅射技术的薄膜热电偶测温系统[D].大连理工大学,2006.50061济南市编辑:胡红兵