金属切削温度测量方法的研究
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第二章第三节_切削力与切削温度
1000
Fz C f f
y FZ
a2 yFz tg 2 0.84 b2
f 1处Fz 177，得： C f 177
a2
b2
Fz 177 f
1
lg Fz yFz lg f lg C f
θ
2
0.84
2、 切削力经验公式
Fz 60 a p (f=0.3mm) 0.84 (ap=1mm) Fz 177 f
4 243.2
1000
Fz Ca p a p z
a1 xFz tg1 1 b1
a1
xF
a p 1处Fz 60，得： Ca p 60
b1
lg Fz xFz lg a p lg Ca p
θ
1
Fz 60 a p
2) 固定吃刀深度 ap=1mm ，仅改变进给量 f 进行实验， 求进给量f对切削力的影响。 假设主切削力Fz与进给量f的关系
αo
γ o
二 切削热与切削温度
Cutting Heat and Cutting Temperature
切削热和由它产生的切削温度会使整个工 艺系统的温度升高，一方面会引起工艺系统的 变形，另一方面会加速刀具的磨损，从而影响 工件的加工精度、表面质量及刀具的耐用度。
1、 切削热的产生和传导
切削热的产生
（2）进给量f 随着进给量的增大，金属切除量
增多，切削热增加，使切削温度上升。但单位切 削力和单位切削功率随f的增大而减小，切除单位 体积金属产生的热量也减小；另外，f增大使切屑 变厚，切屑的热容量增大，由切屑带走的热量增 加，故切削区的温度上升得不显著。
（3）背吃刀量ap 背吃刀量ap对切削温度的影响
机械制造技术 切削过程及其控制
55
1.对刀具材料的影响
三、切削温度的测定方法
自然热电偶法：利用工件和刀具材料的不同形成 产生温差电动势的条件，工件～刀具热电偶事先 标定，切削时根据测得的电动势的值来查出对应 的温度。 人工热电偶法：组成热电偶的材料事先经过标定， 热电偶的热端焊在测点上，可测得测点的温度。 优点：测量不同材料的切削温度只需事先一次标 定，可得到测点的温度。
56
四、影响切削温度的因素
１、切削用量
切削速度 进给量 切削深度
２、刀具几何参数
前角 主偏角 负倒棱 刀尖圆弧半径
３、工件材料
４、刀具磨损
５、切削液
57
1、切削用量
切削温度与切削用量的关系式为：
c a p
x
f
y
vc
z
三个影响指数 z y x ，说明切削速 度对切削温度的影响最大，背吃刀量对切削 温度的影响最小。
11
2.
剪切角与前刀面摩擦角的关系
＋ － 0 ＝/4 或 ＝ /4 －(－ 0 ) (1) 0 对切削有利 (2) 对切削有利
12
直角自由切削 （1）自由切削与非自由切削 只有一条直线切削刃参加 切削工作，这种情况称之为自 由切削。切金属的变形基本上 发生在二维平面内。切削刃为 曲线，或有几条切削刃（包括 副切削刃）都参加了切削，金 属变形更为复杂，且发生在三 维空间内。 （2）直角切削与斜角切削 直角切削是指刀具主切削 刃的刃倾角λ s=0的切削，此时， 主切削刃与切削速度向量成直 角，故又称它为正交切削。斜 角切削是指刀具主切削刃的刃 倾角λ s≠0的切削．
58
２、刀具几何参数 刀尖圆弧半径
刀尖圆弧半径在0～1.5mm范围内变化 基本不影响平均切削温度。因为随着刀尖 圆弧半径的增大，切削区的塑性变形增大， 切削热随之增多；但刀尖圆弧半径的增大 又使刀具的散热条件有所改善，二者综合 作用的结果使平均切削温度基本不变。
1.对刀具材料的影响
三、切削温度的测定方法
自然热电偶法：利用工件和刀具材料的不同形成 产生温差电动势的条件，工件～刀具热电偶事先 标定，切削时根据测得的电动势的值来查出对应 的温度。 人工热电偶法：组成热电偶的材料事先经过标定， 热电偶的热端焊在测点上，可测得测点的温度。 优点：测量不同材料的切削温度只需事先一次标 定，可得到测点的温度。
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四、影响切削温度的因素
１、切削用量
切削速度 进给量 切削深度
２、刀具几何参数
前角 主偏角 负倒棱 刀尖圆弧半径
３、工件材料
４、刀具磨损
５、切削液
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1、切削用量
切削温度与切削用量的关系式为：
c a p
x
f
y
vc
z
三个影响指数 z y x ，说明切削速 度对切削温度的影响最大，背吃刀量对切削 温度的影响最小。
11
2.
剪切角与前刀面摩擦角的关系
＋ － 0 ＝/4 或 ＝ /4 －(－ 0 ) (1) 0 对切削有利 (2) 对切削有利
12
直角自由切削 （1）自由切削与非自由切削 只有一条直线切削刃参加 切削工作，这种情况称之为自 由切削。切金属的变形基本上 发生在二维平面内。切削刃为 曲线，或有几条切削刃（包括 副切削刃）都参加了切削，金 属变形更为复杂，且发生在三 维空间内。 （2）直角切削与斜角切削 直角切削是指刀具主切削 刃的刃倾角λ s=0的切削，此时， 主切削刃与切削速度向量成直 角，故又称它为正交切削。斜 角切削是指刀具主切削刃的刃 倾角λ s≠0的切削．
58
２、刀具几何参数 刀尖圆弧半径
刀尖圆弧半径在0～1.5mm范围内变化 基本不影响平均切削温度。因为随着刀尖 圆弧半径的增大，切削区的塑性变形增大， 切削热随之增多；但刀尖圆弧半径的增大 又使刀具的散热条件有所改善，二者综合 作用的结果使平均切削温度基本不变。
金属切削实验技术
•粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变化时，
产生的附加应变为零或相互抵消，这种应变片称为温度
自补偿应变片。利用这种应变片来实现温度补偿的方法 称为应变片自补偿法。
3）热敏电阻补偿
R5 分流电阻
+
R1＋⊿R U R3
0
T
R2 Rt
U0 URt
+
Ui
Rt
R4 U0
-
U = Ui - URt
U0
向不同，可用在多向分力的测量而避免分力的相互干 扰。压电晶体传感器的测力仪性能良好，自振频率可 达3-10kHz，适用于要求严格的科研试验。压电晶体 测力仪用于静态力的测量时，力容易产生另点漂移。
压电晶体测力仪使用性能较好，但价格昂贵，且使用
维护要求严格，因此适合在要求较高的科研试验中使 用。
电阻应变片测力传感器在测力仪中使用广泛、车、
半导体应变片受轴向力作用时, 其电阻相对变化为
d dR R (1 2 )
半导体应变片的电阻率相对变化量与所受的应变力有关：d E
式中： π——半导体材料的压阻系数;
σ——半导体材料的所受应力; E——半导体材料的弹性模量; ε——半导体材料的应变。
目前箔式应变片应用较多。
金属丝式应变片使用最早。金属丝式应变片蠕变较大，
金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所取代的趋势。但其价格
便宜，多用于应变、应力的大批量、一次性试验。
当传感器的弹性体很薄、尺寸很小时，采用箔式应变 片会由于基底材料和粘结剂的存在而对传感器特性产生 不利影响，可采用薄膜式应变片。
测平均切削力，实际已经被淘汰。电容和电感测力仪 虽可用于测量切削力的瞬时变化值，但由于结构限制，
金属切削原理与刀具 课题13 切削温度的分布
用人工热电偶法测量刀具和工件温度
切削温度的测量方法
2、辐射测温法
辐射测温法是一种非接触式测量方法。它是利用高温辐射能 量来测量工件表面温度的。 作为测量用的传感器有光电传感器及热敏射测温法
光电传感器可以用锗光电二极 管或硫化铅光电池。在刀片上 打一个小的锥孔，一直通到刀 具的前面上，从切屑底面测定 辐射能，通过标定求得切屑底 面该点的温度。
(1)自然热电偶法
热电偶的热端
切削过程中，工件、刀具通常是由两种不同的金属材料组成的。 在刀具与切屑和刀具与工件接触区总存在着相当高的切削温度
热电偶的冷端 离接触区较远的工件与刀具处一般保持在室温状态
切削温度的测量方法
1、热电偶法 热电偶法包括自然热电偶法和人工热电偶法。
(1)自然热电偶法
可用导线将工件与刀具的冷端接到仪表上，即可将切削热电势显示和 记录下来。根据事先作出热电偶的标定曲线（温度与毫伏值的对应关 系曲线），即可求得刀具与切屑和刀具与工件接触面的平均温度，即 切削温度。
1—激光管； 2—光栅； 3、4—透镜； 5—光敏元件； 6—刀片； 7—刀体
用光电传感器测量刀具与切屑接触面 温度分布的示意图
切削温度的测量方法
用辐射测温法测量工件与刀具侧面的 温度分布的示意图
热敏电阻传感器
优点 测定区域的直径只有0.15 mm，因此， 可缩小不同测定点之间的距离。
缺点 只能测量刀具侧面的温度而不能测量垂 直切削刃工作部位中间剖面的温度。
切削温度
切削温度是指切削区域的平均温度。 切削温度的高低取决于产生热量的多少和热量传散的快慢。
切削温度
(1)切削温度计算
用实验方法得到的计算切削温度的指数公式为：
C
v z c
切削温度的测量方法
2、辐射测温法
辐射测温法是一种非接触式测量方法。它是利用高温辐射能 量来测量工件表面温度的。 作为测量用的传感器有光电传感器及热敏射测温法
光电传感器可以用锗光电二极 管或硫化铅光电池。在刀片上 打一个小的锥孔，一直通到刀 具的前面上，从切屑底面测定 辐射能，通过标定求得切屑底 面该点的温度。
(1)自然热电偶法
热电偶的热端
切削过程中，工件、刀具通常是由两种不同的金属材料组成的。 在刀具与切屑和刀具与工件接触区总存在着相当高的切削温度
热电偶的冷端 离接触区较远的工件与刀具处一般保持在室温状态
切削温度的测量方法
1、热电偶法 热电偶法包括自然热电偶法和人工热电偶法。
(1)自然热电偶法
可用导线将工件与刀具的冷端接到仪表上，即可将切削热电势显示和 记录下来。根据事先作出热电偶的标定曲线（温度与毫伏值的对应关 系曲线），即可求得刀具与切屑和刀具与工件接触面的平均温度，即 切削温度。
1—激光管； 2—光栅； 3、4—透镜； 5—光敏元件； 6—刀片； 7—刀体
用光电传感器测量刀具与切屑接触面 温度分布的示意图
切削温度的测量方法
用辐射测温法测量工件与刀具侧面的 温度分布的示意图
热敏电阻传感器
优点 测定区域的直径只有0.15 mm，因此， 可缩小不同测定点之间的距离。
缺点 只能测量刀具侧面的温度而不能测量垂 直切削刃工作部位中间剖面的温度。
切削温度
切削温度是指切削区域的平均温度。 切削温度的高低取决于产生热量的多少和热量传散的快慢。
切削温度
(1)切削温度计算
用实验方法得到的计算切削温度的指数公式为：
C
v z c
钻削温度测量方法研究
钻削温度测量方法研究陈雷明,杨润泽,张治军械工程学院摘要:通过对现有的切削温度在线检测方法进行综合评述,介绍了各种测温方法的原理、优缺点和应用范围,提出了钻削过程中一种新的测温方法原理和应用范围并通过试验验证可行性。
关键词:金属切削;切削温度;测量方法中图分类号:TG5 文献标志码:AResearch on Method of Drilling Temperature MeasurementChen Leiming,Yang Runze,Zhang ZhiAbstract:This paper introduces several kinds of principle,advantages and disadvantages,application fields of the methods of temperature measurement by reviewing existing online detection of cutting temperature.And a new theory and application fields of temperature measurement in drilling has been proposed and the feasibili ty has been proved by experi ments.Keywords:metal cutting;cutting temperature;measurement1 引言在机械制造加工过程中,虽然各种检测技术不断发展和完善,但在应用过程中,温度检测技术仍然占据主导地位。
这不仅仅是由于温度信号的方便提取,而且较其它方法而言,这种检测方法不易受到干扰。
所以对切削温度在线检测技术进行系统分类和研究具有重大的现实意义。
切削温度的测量方法可以分为以下几类:切削温度测量方法接触法自然热电偶法人工热电偶法半人工热电偶法非接触法光和热辐射法红外热像仪法间接法光纤测温法扫描电镜法2 切削温度测量方法2.1 接触法热电偶的原理是两种不同材料的金属焊接在一起,当参考端和测量端有温差时,就会产生热电势,根据该热电势与温度的单值关系就可以测量温度。
金属切削过程中的温度分布研究考核试卷
C.温度与磨损无关
D.温度越低，磨损越小
18.下列哪种情况下，切削温度对工件表面粗糙度的影响最大？（）
A.高速切削
B.低速切削
C.重载切削
D.轻载切削
19.金属切削过程中，切削温度对工件加工精度的影响是（）
A.温度越高，加工精度越高
B.温度越高，加工精度越低
C.温度与加工精度无关
D.温度越低，加工精度越低
A.使用冷却液
B.增大刀具前角
C.减小切削速度
D.提高机床精度
13.金属切削过程中，切削温度对工件硬度的影响是（）
A.温度越高，硬度越大
B.温度越高，硬度越小
C.温度与硬度无关
D.温度越低，硬度越大
14.下列哪种因素会影响金属切削过来自中的热裂？（）A.刀具材料
B.工件材料
C.切削速度
D.环境湿度
15.金属切削过程中，切削温度对工件残余应力的影响是（）
A.降低刀具硬度
B.减少刀具磨损
C.增加刀具寿命
D.影响刀具的切削性能
8.以下哪些因素会影响金属切削过程中的热变形？（）
A.刀具材料
B.工件材料
C.切削速度
D.环境湿度
9.为了优化金属切削过程中的温度分布，可以采取的措施有（）
A.适当提高切削速度
B.适当增大进给量
C.选择合适的刀具材料
D.使用适当的冷却液
2.描述金属切削过程中热量传递的机理，并分析影响热量传递效率的主要因素。
3.论述在金属切削过程中，如何通过调整切削参数（如切削速度、进给量、背吃刀量等）来控制切削温度，以及这些调整对加工效率和质量的影响。
4.结合实际案例，说明金属切削过程中切削温度过高或过低可能导致的加工问题，并提出相应的解决措施。
D.温度越低，磨损越小
18.下列哪种情况下，切削温度对工件表面粗糙度的影响最大？（）
A.高速切削
B.低速切削
C.重载切削
D.轻载切削
19.金属切削过程中，切削温度对工件加工精度的影响是（）
A.温度越高，加工精度越高
B.温度越高，加工精度越低
C.温度与加工精度无关
D.温度越低，加工精度越低
A.使用冷却液
B.增大刀具前角
C.减小切削速度
D.提高机床精度
13.金属切削过程中，切削温度对工件硬度的影响是（）
A.温度越高，硬度越大
B.温度越高，硬度越小
C.温度与硬度无关
D.温度越低，硬度越大
14.下列哪种因素会影响金属切削过来自中的热裂？（）A.刀具材料
B.工件材料
C.切削速度
D.环境湿度
15.金属切削过程中，切削温度对工件残余应力的影响是（）
A.降低刀具硬度
B.减少刀具磨损
C.增加刀具寿命
D.影响刀具的切削性能
8.以下哪些因素会影响金属切削过程中的热变形？（）
A.刀具材料
B.工件材料
C.切削速度
D.环境湿度
9.为了优化金属切削过程中的温度分布，可以采取的措施有（）
A.适当提高切削速度
B.适当增大进给量
C.选择合适的刀具材料
D.使用适当的冷却液
2.描述金属切削过程中热量传递的机理，并分析影响热量传递效率的主要因素。
3.论述在金属切削过程中，如何通过调整切削参数（如切削速度、进给量、背吃刀量等）来控制切削温度，以及这些调整对加工效率和质量的影响。
4.结合实际案例，说明金属切削过程中切削温度过高或过低可能导致的加工问题，并提出相应的解决措施。
切削温度测量方法综述
［3］ 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 （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! 红外辐射测温示意图
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
Liu Zhangiang Huang Cuanzhen Wan Yi !" #$
Abstract：The present methods used to measure the cutting temperature are summarized. The fundamentaI principIes，merits and demerits and appIication ranges of these cutting temperature measurement methods are introduced. Keywords：metaI cutting， cutting temperature， measurement method
［9， l0］
式中
— —物 体 辐 射 单 元 单 位 面 积 的 辐 射 能 量 !— （W / m2） — —物体辐射单元表面辐射率 （取决于物 !— 体表面性质） — —斯 蒂 芬—波 尔 兹 曼 常 数 （" = 5.76 > "— -8 2 4 l0 W / m ・ K） — —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
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! 红外辐射测温示意图
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
Liu Zhangiang Huang Cuanzhen Wan Yi !" #$
Abstract：The present methods used to measure the cutting temperature are summarized. The fundamentaI principIes，merits and demerits and appIication ranges of these cutting temperature measurement methods are introduced. Keywords：metaI cutting， cutting temperature， measurement method
［9， l0］
式中
— —物 体 辐 射 单 元 单 位 面 积 的 辐 射 能 量 !— （W / m2） — —物体辐射单元表面辐射率 （取决于物 !— 体表面性质） — —斯 蒂 芬—波 尔 兹 曼 常 数 （" = 5.76 > "— -8 2 4 l0 W / m ・ K） — —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
金属切削基本原理
北汽福田汽车股份有限公司发动机事业部
时间：2014.9.22
变形程度表示式：
北汽福田汽车股份有限公司发动机事业部
时间：2014.9.22
1.4 刀具前面上的摩擦特点
切屑在流经刀具 的前面时，由于 强烈的挤压和剧 烈的摩擦，会产 生高温和高压， 使切屑底面与前 面的接触面之间 形成粘结，亦称 冷焊。内摩擦区 内剪切应力 如图 a。
北汽福田汽车股份有限公司发动机事业部
时间：2014.9.22
1.5 积屑瘤
用中、低切削速度切削塑性金属材料时，往往 会因冷焊现象而在刀具前面靠近切削刃处由切屑 堆积而粘附一个楔形硬块，称为积屑瘤。 在切削速度不高 而又能形成连续性切 屑的情况下，加工一 般钢料或其他塑性材 料时，常常在刀具前 面处粘着一块剖面常 呈三角状的硬块。它 的硬度很高，通常是 工件材料的2～3倍， 在处于比较稳定状态 时，能够代替刀刃进 行切削。
北汽福田汽车股份有限公司发动机事业部 时间：2014.9.22
主要内容
一、切削变形与切屑的形成
二、切削力
三、切削热与切削温度
四、刀具磨损与刀具寿命 五、磨削
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时间：2014.9.22
1.1 金属切削层的切削变形
1.1.1 切削变形的力学本质
切削金属形成切屑的过 程是一个类似于金属材料受挤 压作用，产生塑性变形进而产 生剪切滑移的变形过程 （如 图3.1 ）
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时间：2014.9.22
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时间：2014.9.22
切削变形过程示意图
刀
具
工
件
北汽福田汽车股份有限公司发动机事业部
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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。
2
1
13
3
4
5
回路组成（见图 4）。 系统以半人工热电偶作为传感
12
基于切削温度对切削加工的重要影响，研究实
1 4
5
用的切削温度测量技术是很有必要的。 通过文中各 种测温方法的综述得知，热电偶法测温虽然直接但
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
是前期准备工作繁琐，重复使用效率低。 新型薄膜 热电偶法采用先进的磁控溅射和离子镀技术，解决
中图分类号： TH16 文献标志码： A 文章编号： 1003 － 0794（2014）01 － 0096 － 03
Research on Measurement Methods of Metal Cutting Temperature
ZHU Hong-xia1，2， SHEN Xing-quan1，2
（4）红外热像仪法
度难以直接测得的情况，采用响应速度快、灵敏度
红外热像仪法原理可用公式表示为辐射单元 高、体积小的红外传感器对钻削温度进行间接测试
单位面积的辐射能量 E，即
的方法。 无论密封与非密封状态，被测物体内部温
E=εσT 4
度场会随着所处环境温度场的变化而变化, 其间存
式中 ε— ——物体辐射单元表面辐射率；
2
3
4
（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
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
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
人工热电偶法（见图 2）解决了自然热电偶法只 满足的要求：不同材料组成的热电偶能够输出较大
(1. College of Mechanical Engineering and Automation， North University of China, Taiyuan 030051； 2. Deep Hole
Machining Engineering Technology Research Center of Shanxi Province, Taiyuan 030051, China)
quality and tool life.
Key words: metal cutting; cutting temperature; temperature measurement method
1 切削加工中切削温度测定方法
能测切削区平均温度这一限制，其能够测得切削区
（1）自然热电偶法和人工热电偶法
摘 要： 金属切削温度是切削加工研究的重要内容。 综述了金属切削加工技术中切削温度的
测量方法，并对几种新颖钻削温度测试方法进行概述。 分别指出了各类温度测定方法的适用场合
及优缺点，对金属切削温度测量方法的发展趋势做了分析。 为金属切削加工质量、刀具寿命提供了
研究依据。
关键词： 金属切削； 切削温度； 温度测量方法
就相当于一个热端，毫伏计接连处相当于一个冷端 得到热端温度。 该法不用反复标定特定电偶材料，
（室温）， 冷热端之间因为温差必然导致热电势，在 且电偶材质更换方便， 但是对于高硬度材质的刀
该闭合电路里冷热端形成的回路中的电动势可用 具，开孔后埋入金属丝的操作过程困难，致使该法
毫伏表记录下来，温度值可从相对应的温度与毫伏 应用推广受到限制。
Vol.35 No.01
金属切削温度测量方法的研究— ——朱红霞，等
第 35 卷第 01 期
步测温。 试验中事先在筒内的一端开一小口将红外 半导体，其与双色高温计法均属于辐射测温法。 硅
传感器装入筒壁内以测量内壁温度。
光电池法以光生伏特型红外探测器为基础，其可测
2 3
高速运动物体的小面积的表面温度。 论, 如果被测介
σ— ——斯蒂芬-波尔兹曼常数；
质随环境温度的变化关系是已知的，通过测定被测
T— ——辐射单元的表面温度。
体外表面的温度，所需点的温度便可间接获得。 图 6
该方法借助光机扫描器侦测加工面辐射出来 为一种对药筒进行钻削试验的红外测温装置示意
的能量， 电子信号由各辐射单元辐射能所转换而 图，试验中使用不同的切削参数对上下表面进行同 97
13. 传递管
（6）一种适于钻削的红外测温法
11 10
图 4 钻削温度测试系统简图 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
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、显 示输出等部分。 在钻削加工中，针对筒壁内表面温
术将镍铬膜和镍硅膜镀在刀具上，补偿导线采用与 光线转换为电荷，电荷再经过模数转换器芯片转变
薄膜热电偶材料相同的 2 mm 的镍铬、镍硅丝，在刀 成数字信号， 压缩处理数字信号上传至电脑中，最
头下半部加工通孔引出至与室温一致处。 由于热电偶 终得到所采集图像。 增强 CCD 相机曝光时间很短，
测温接点位于刀尖，响应迅速，时间常数约为 0.8 ms。 干 扰滤光片 0.8 μm，在 可见光谱范 围内 ，对 切 削 区
* 国家基金项目（51175482）；山西省国际科技合作项目（2012081030）
电动势；热电特性、物理性质、化学性质稳定；高导
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第 35 卷第 01 期
金属切削温度测量方法的研究— ——朱红霞，等
Vol.35No.01
电率、低电阻温度系数；较好的工艺性，以便成批生 成，处理后的信号最终可以以不同方式显示出物体
具、工件必须是具有不同化学成分的材质，刀具、工 布，甚至减弱刀具强度，所以孔的直径在满足要求
件、毫伏计相连便组成了一个简单的闭合电路。 毫 的情况下应尽可能的小），形成热端。 冷端通过导线
伏计两端各接有分别来自工件、 刀具引出端导线， 串联毫伏计，与自然热电偶法同理，冷热端之间因
切削加工时，切削区温度上升，切削区的刀具工件 为温差导致热电势，根据记录的毫伏值和标定曲线
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系统 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系统。 硬件部分由计算机、数据采集卡、放大电路和电耦
来测瞬变的表面温度和微小面积上的温度。 大连理 为相对温度，比实际加工中的切削温度值稍显滞后。
工大学的孙宝元教授等采用先进的磁控溅射和离
（5）增强 CCD 相机法
子镀技术，解决了绝缘、镀膜牢固性问题。 在刀具头
CCD 即 Charge Coupled Device， 由半导体材料
（见图 3）内部溅射二氧化硅绝缘膜并通过离子镀技 制作成，具有高感光度，其成像原理是将拍摄到的
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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。
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图 5 增强 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
产。 薄膜热电偶采用的电极材料在 500～1 800 ℃时 温度图像。 如果 ε 是已知的，由定律可得辐射面温
可用镍铬-镍硅、铂铑-铂等。 薄膜热电偶可达到微 度场分布情况。 使用红外热像仪可非接触测量物体
米级（0.01~0.1 μm）。 其热容量小，响应速度快，可用 大面积温度分布，使用方便，但是其价格昂贵，且所测
NiSi
进行拍摄，便可获得切削加工过程中切削温度场的
NiCr
表征图像，切削温度分布情况依据标定的“温度-相
上半部
下半部
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
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触加工刀具工件，其拍摄响应时间比较短，有很高
图 3 薄膜热电偶刀头结构示意图
的分辨率，制约条件是光学辐射波长。 虽然该方法
（7）有限元模拟仿真计算
了绝缘、镀膜牢固性问题，可快捷测得刀部温度。 红
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、ADVANTEDGE FEM 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。 2 其他测温方法
除上述测温方法外，还有金相结构法、光纤红 外测温法、定熔点粉末法、双色高温计法、pbs 法、硅 光电池法等。 金相结构法是对比切削前后刀具或者 工件显微组织变化来研究切削温度的改变，此方法 比较繁琐，工作量大，仅适于金属材质。 光纤红外测 温是非接触测量，光纤红外测温仪体积小，廉价且