朱紅霞和沈興全工程師在《金屬切削溫度測量方法的研究》文中綜述了金屬切削加工技術(shù)中切削溫度的測量方法，并對幾種新穎鉆削溫度測試方法進行概述。分別指出了各類溫度測定方法的適用場合及優(yōu)缺點，對金屬切削溫度測量方法的發(fā)展趨勢做了分析。為金屬切削加工質(zhì)量、刀具壽命提供了研究依據(jù)。

①自然熱電偶法和人工熱電偶法

目前切削溫度測量方法應用廣泛，成熟可靠的是自然熱電偶法和人工熱電偶法。圖1所示為自然熱電偶測溫簡易裝置，作為自然熱電偶兩極的刀具、工件必須是具有不同化學成分的材質(zhì)，刀具、工件、顯示儀表相連便組成了一個簡單的閉合電路。毫伏計兩端各接有分別來自工件、刀具引出端導線，切削加工時，切削區(qū)溫度上升，切削區(qū)的刀具工件就相當于一個熱端，毫伏計接連處相當于一個冷端(室溫)，冷熱端之間因為溫差必然導致熱電勢，在該閉合電路里冷熱端形成的回路中的電動勢在毫伏表記錄下來，溫度值可從相對應的溫度與毫伏值標定獲知。。采用自然熱電偶法僅限于獲取平均切削溫度，它不能夠測量某一具體點溫度，而且針對不同刀具或工件材料，需要重新對溫度-毫伏值曲線進行標定。自然熱電偶測溫方法主要應用于車削加工。



圖1  自然熱電偶法測量切削溫度示意圖
1、鋼頂尖；2、銅銷；3、毫伏計；4、車刀；5、工件；6、車床主軸尾部
 

人工熱電偶法(見圖2)解決了自然熱電偶法只能測切削區(qū)平均溫度這一限制，其能夠測得切削區(qū)刀、屑、工件某一具體點的溫度。人工熱電偶是由2種絕緣的金屬絲構(gòu)成的，而且金屬絲事先已進行標定，金屬絲焊接于刀具或工件的測溫點上或埋進測溫點開的小孔內(nèi)(小孔會影響刀具里熱流及溫度分布，甚至減弱刀具強度，所以孔的直徑在滿足要求的情況下應盡可能的小)，形成熱端。冷端通過導線串聯(lián)毫伏計，與自然熱電偶法同理，冷熱端之間因為溫差導致熱電勢，根據(jù)記錄的毫伏值和標定曲線得到熱端溫度。該法不用反復標定特定電偶材料，且電偶材質(zhì)更換方便，但是對于高硬度材質(zhì)的刀具，開孔后埋入金屬絲的操作過程困難，致使該法應用推廣受到限制。



a測刀具/b測工件
圖2  人工熱電偶法測量切削溫度示意圖
1、工件；2、刀具；3、毫伏計
 

②新型薄膜熱電偶法
新型薄膜熱電偶法采用真空蒸鍍，將熱電偶材料沉積在絕緣基板上形成的。熱電偶的材料雖然很多，但是必須保證工程技術(shù)可靠性、測量精確度。應滿足的要求：不同材料組成的熱電偶能夠輸出較大電動勢；熱電特性、物理性質(zhì)、化學性質(zhì)穩(wěn)定；高導電率、低電阻溫度系數(shù)；較好的工藝性，以便成批生產(chǎn)。薄膜熱電偶采用的電極材料在500～1800℃時可用鎳鉻-鎳硅、鉑銠-鉑等。薄膜熱電偶可達到微米級(0.01~0.1μm)。其熱容量小，響應速度快，可用來測瞬變的表面溫度和微小面積上的溫度。大連理工大學的孫寶元教授等采用先進的磁控濺射和離子鍍技術(shù)，解決了絕緣、鍍膜牢固性問題。在刀具頭(見圖3)內(nèi)部濺射二氧化硅絕緣膜并通過離子鍍技術(shù)將鎳鉻膜和鎳硅膜鍍在刀具上，補償導線采用與薄膜熱電偶材料相同的2mm的鎳鉻、鎳硅絲，在刀頭下半部加工通孔引出至與室溫一致處。由于熱電偶測溫接點位于刀尖，響應迅速，時間常數(shù)約為0.8ms。

比較難測得的，單純采用熱電偶法會有許多局限，測量不便利，誤差較大。采用軟件與熱電偶等硬件相結(jié)合的方法是鉆削溫度測量的新渠道。軟件采用LABVIEW虛擬儀器技術(shù)實現(xiàn)，利用LABVIEW軟件模塊化、層次化軟件結(jié)構(gòu)，建立鉆削溫度測試信號的界面系統(tǒng)。硬件部分由計算機、數(shù)據(jù)采集卡、放大電路和電耦回路組成(見圖4)。系統(tǒng)以半人工熱電偶作為傳感器，獲取信號后由數(shù)據(jù)采集卡送入計算機，在虛擬儀器界面獲取鉆削溫度相關(guān)數(shù)據(jù)或所需圖形。



圖4  鉆削溫度測試系統(tǒng)簡圖
1、虎鉗；2、墊塊；3、工件；4、鉆頭；5、卡具；6、主軸；7、計算機；8、康銅絲；9、放大電路；10、采集卡；11、工作臺
 

④紅外熱像儀法紅外熱像儀法
原理可用公式表示為輻射單元單位面積的輻射能量E，即 E=εσT⁴，公式中ε為物體輻射單元表面輻射率；σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)；T為輻射單元的表面溫度。

該方法借助光機掃描器偵測加工面輻射出來的能量，電子信號由各輻射單元輻射能所轉(zhuǎn)換而成，處理后的信號最終可以以不同方式顯示出物體溫度圖像。如果ε是已知的，由定律可得輻射面溫度場分布情況。使用紅外熱像儀可非接觸測量物體大面積溫度分布，使用方便，但是其價格昂貴，且所測為相對溫度，比實際加工中的切削溫度值稍顯滯后。

⑤增強CCD相機法
CCD即Charge Coupled Device，由半導體材料制作成，具有高感光度，其成像原理是將拍攝到的光線轉(zhuǎn)換為電荷，電荷再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，壓縮處理數(shù)字信號上傳至電腦中，最終得到所采集圖像。增強CCD相機曝光時間很短，干擾濾光片0.8μm，在可見光譜范圍內(nèi)，對切削區(qū)進行拍攝，便可獲得切削加工過程中切削溫度場的表征圖像，切削溫度分布情況依據(jù)標定的“溫度-相機亮度水平”來確定。因為增強CCD相機測溫方法是一種光學測溫法，所以測量切削溫度時可避免接觸加工刀具工件，其拍攝響應時間比較短，有很高的分辨率，制約條件是光學輻射波長。雖然該方法測溫具有許多優(yōu)勢，但是對于切削加工，動態(tài)切削區(qū)測溫表面的不恒定性導致輻射系數(shù)也是不穩(wěn)定的，輻射系數(shù)會受試件相變、刀具工件表面溫度等眾多因素的影響，最終成像與實際情況有一定差異。圖5為增強CCD相機法測溫裝置示意。



圖5  增強CCD相機法測溫裝置示意圖
1、增強CCD相機；2、分束鏡；3、濾光鏡；4、透鏡；5、氫氖激光器；6、試件；7、發(fā)射管；8、投射體；9、切屑；10、密封黑箱；11、刀片；12、刀夾體；13、傳遞管
 
 

⑥一種適于鉆削的紅外測溫法
紅外測溫法是輻射式測溫的一種，利用物體的熱輻射現(xiàn)象來測量物體溫度。紅外測溫儀主要包括光學系統(tǒng)、光電探測器、信號放大器及信號處理、顯示輸出等部分。在鉆削加工中，針對筒壁內(nèi)表面溫度難以直接測得的情況，采用響應速度快、靈敏度高、體積小的紅外傳感器對鉆削溫度進行間接測試的方法。無論密封與非密封狀態(tài)，被測物體內(nèi)部溫度場會隨著所處環(huán)境溫度場的變化而變化,其間存在著某一對應關(guān)系。根據(jù)傳熱學理論,如果被測介質(zhì)隨環(huán)境溫度的變化關(guān)系是已知的，通過測定被測體外表面的溫度，所需點的溫度便可間接獲得。圖6為一種對藥筒進行鉆削試驗的紅外測溫裝置示意圖，試驗中使用不同的切削參數(shù)對上下表面進行同步測溫。試驗中事先在筒內(nèi)的一端開一小口將紅外傳感器裝入筒壁內(nèi)以測量內(nèi)壁溫度。



圖6  一種鉆削試驗紅外測溫裝置示意圖
1、步進電機；2、蝸輪蝸桿減速機；3、主軸；4、鉆頭；5、紅外傳感器