磨削測溫方法綜述

1、磨削溫度測量方法在機(jī)械制造業(yè)中，雖然已發(fā)展出各種不同的零件成型工藝，但目前仍有90%以上的機(jī)械零件是通過切削加工制 成。在切削過程中，機(jī)床作功轉(zhuǎn)換為等量的切削熱，這些切削熱除少量逸散到周圍介質(zhì)中以外，其余均傳入刀具、 切屑和工件中，刀具、工件和機(jī)床溫升將加速刀具磨損，引起工件熱變形，嚴(yán)重時(shí)甚至引起機(jī)床熱變形。因此，在 進(jìn)行切削理論研究、刀具切削性能試驗(yàn)及被加工材料加工性能試驗(yàn)等研究時(shí)，對切削溫度的測量非常重要。測量切 削溫度時(shí)，既可測定切削區(qū)域的平均溫度，也可測量出切屑、刀具和工件中的溫度分布。常用的切削溫度測量方法 主要有熱電偶法、光輻射法、熱輻射法、金相結(jié)構(gòu)法等。二、切削溫度測量方法熱電偶

2、法當(dāng)兩種不同材質(zhì)組成的材料副（如切削加工中的刀具一工件）接近并受熱時(shí)，會因表層電子溢出而產(chǎn)生溢出電動 勢，并在材料副的接觸界面間形成電位差（即熱電勢）。由于特定材料副在一定溫升條件下形成的熱電勢是一定的， 因此可根據(jù)熱電勢的大小來測定材料副（即熱電偶）的受熱狀態(tài)及溫度變化情況。采用熱電偶法的測溫裝置結(jié)構(gòu)簡單， 測量方便，是目前較成熟也較常用的切削溫度測量方法。根據(jù)不同的測量原理和用途，熱電偶法又可細(xì)分為以下幾種：（1）自然熱電偶法自然熱電偶法主要用于測定切削區(qū)域的平均溫度。采用自然熱電偶法的測溫裝置是利用刀具和工件分別作為自 然熱電偶的兩極，組成閉合電路測量切削溫度。刀具引出端用導(dǎo)線接入毫伏計(jì)

3、的一極，工件引出端的導(dǎo)線通過起電 刷作用的銅頂尖接入毫伏計(jì)的另一極。測溫時(shí)，刀具與工件引出端應(yīng)處于室溫下，且刀具和工件應(yīng)分別與機(jī)床絕緣。 切削加工時(shí)，刀具與工件接觸區(qū)產(chǎn)生的高溫（熱端）與刀具、工件各自引出端的室溫（冷端）形成溫差電勢，該電勢值可 用接入的毫伏計(jì)測出，切削溫度越高，該電勢值越大。切削溫度與熱電勢毫伏值之間的對應(yīng)關(guān)系可通過切削溫度標(biāo) 定得到。根據(jù)切削實(shí)驗(yàn)中測出的熱電勢毫伏值，可在標(biāo)定曲線上查出對應(yīng)的溫度值。采用自然熱電偶法測量切削溫度簡便可靠，可方便地研究切削條件（如切削速度、進(jìn)給量等）對切削溫度的影響。 值得注意的是，用自然熱電偶法只能測出切削區(qū)的平均溫度，無法測得切削區(qū)指定點(diǎn)的

4、溫度；同時(shí)，當(dāng)?shù)毒卟牧匣?（和）工件材料變換后，切削溫度一毫伏值曲線也必須重新標(biāo)定。人工熱電偶法人工熱電偶法（也稱熱電偶插入法）可用于測量刀具、切屑和工件上指定點(diǎn)的溫度，并可測得溫度分布場和最高 溫度的位置。人工熱電偶法測溫裝置是在刀具或工件被測點(diǎn)處鉆一個小孔（孔徑越小越好，通常巾V0.5mm =，孔中 插入一對標(biāo)準(zhǔn)熱電偶并使其與孔壁之間保持絕緣。切削時(shí)，熱電偶接點(diǎn)感受出被測點(diǎn)溫度，并通過串接在回路中的 毫伏計(jì)測出電勢值，然后參照熱電偶標(biāo)定曲線得出被測點(diǎn)的溫度。人工熱電偶法的優(yōu)點(diǎn)是：對于特定的人工熱電偶材料只需標(biāo)定一次；熱電偶材料可靈活選擇，以改善熱電偶的 熱電敏感性和動態(tài)響應(yīng)速度，提高熱電偶

5、傳感質(zhì)量。但由于將人工熱電偶埋入超硬刀具材料（如陶瓷、PCBN、PCD 等）內(nèi)比較困難，因此限制了該方法的推廣應(yīng)用。（3）半人工熱電偶法將自然熱電偶法和人工熱電偶法結(jié)合起來即組成了半人工熱電偶法。半人工熱電偶是將一根熱電敏感材料金屬 絲（如康銅）焊在待測溫點(diǎn)上作為一極、以工件材料或刀具材料作為另一極而構(gòu)成的熱電偶。采用該方法測量切削溫 度的工作原理與自然熱電偶法和人工熱電偶法相同。由于半人工熱電偶法測溫時(shí)采用單根導(dǎo)線連接，不必考慮絕緣 問題，因此得到了較廣泛的應(yīng)用。（4）等效熱電偶法采用自然熱電偶法測量切削溫度時(shí)，由于溫升的影響，導(dǎo)線引出點(diǎn)的溫度已不是標(biāo)定時(shí)的室溫，因此需要進(jìn)行 冷端溫度補(bǔ)償。

6、但冷端溫度補(bǔ)償在原理和具體實(shí)現(xiàn)方法上均存在一定問題，如測量PCBN刀具的切削溫度時(shí)，由于 作為熱電偶一端的PCBN復(fù)合片尺寸小、導(dǎo)熱系數(shù)大，導(dǎo)線引出點(diǎn)的溫升較大，影響測量精度，需要予以消除，但 采用接長刀片消除法在PCBN刀具上不易實(shí)現(xiàn)，若采用附加電勢消除法則因刀片引出點(diǎn)有溫升，所測電動勢也難以 反映真正的切削溫度。此時(shí)，可采用等效熱電偶法測量PCBN焊接車刀外圓車削的切削溫度，其工作原理是由刀片 與工件組成自然熱電偶的兩極，熱端為刀一屑接觸部分A（其平均溫度即為需要測量的切削溫度0）；冷端分別為工件 與刀具的引出端。工件引出點(diǎn)C處的溫度為室溫00,刀具引出點(diǎn)B由于距離刀尖較近而有溫升，由于B

7、點(diǎn)溫度是 測量計(jì)算切削溫度所必須的，因此需同時(shí)測量B點(diǎn)溫度0。測量時(shí)，采用一標(biāo)準(zhǔn)熱電偶（NiCr-NiSi）測量B點(diǎn)溫度0， （其中NiCr端也是主測量回路C-AB的引出端）。測量得到兩個熱電動勢：1為工件一刀具一導(dǎo)線（NiCr）所構(gòu)成的主測 量回路產(chǎn)生的熱電動勢；E2為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶(NiCr-NiSi)產(chǎn)生的熱電動勢。通過標(biāo)定裝置獲得各材料間的熱電特性曲線，求出其斜率，再由測得的E1、E2計(jì)算出切削溫度0為：e=E1/bWT+(bbw+bWT)E2/bbbWT+00式中：bWT為工件一刀具的熱電特性曲線斜率；bbw為導(dǎo)線一工件的熱電特性曲線斜率；bb為刀具引出點(diǎn)測量 熱電偶熱電特性曲線斜率。光

8、、熱輻射法采用光、熱輻射法測量切削溫度的原理是刀具、切屑和工件材料受熱時(shí)都會產(chǎn)生一定強(qiáng)度的光、熱輻射，且輻 射強(qiáng)度隨溫度升高而加大，因此可通過測量光、熱輻射的能量間接測定切削溫度。輻射高溫計(jì)法使用紅外輻射高溫計(jì)可測定刀具或工件表面的溫度分布。紅外探測器將接收的紅外線轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)線性化 處理后即可獲得相應(yīng)的溫度值。但采用紅外輻射高溫計(jì)只限于測量刀具或工件外表面的溫度。紅外照相法采用紅外照相法的車削溫度測量裝置安裝于車床橫溜板的機(jī)座板上，使刀具、照相機(jī)相對于工件排成一線；照 相機(jī)配有專門的紅外輻射聚焦調(diào)節(jié)裝置；刀夾可使照相機(jī)鏡頭盡可能接近工件表面；為避免切屑濺射的影響，照相 機(jī)鏡頭用有機(jī)玻璃罩

9、子罩住，鏡頭與工件表面之間設(shè)計(jì)了擋屑板，透過板上的小孔可對刀具和工件表面攝影(采用 高溫紅外膠卷)。測量溫度前，首先用熱電偶進(jìn)行定標(biāo)校準(zhǔn)，即熱電偶由電加熱并在不同溫度下照相，所需曝光時(shí) 間通過預(yù)試驗(yàn)確定，顯影后的膠卷用顯微光密度計(jì)讀數(shù)，得到高溫紅外膠卷在不同曝光時(shí)間下光密度與溫度的對應(yīng) 關(guān)系。根據(jù)此對應(yīng)關(guān)系，可以確定切削過程中工件或刀具的溫度。用紅外照相法測定的切削溫度可用于研究切削溫 度的分布情況。紅外熱像儀法紅外熱像儀的基本工作原理是利用了斯蒂芬一波爾茲曼定律，即E= a T4式中：E為物體輻射單元單位面積的輻射能量(W/m2)； 為物體輻射單元表面輻射率(取決于物體表面性質(zhì))； a為斯蒂

10、芬一波爾茲曼常數(shù)(a =5.76X10 -8W/m2K4)； T為物體輻射單元的表面溫度(K)。切削時(shí)，紅外熱像儀通過光機(jī)掃描機(jī)構(gòu)探測工件(或刀具)表面輻射單元的輻射能量，并將每個輻射單元的輻射 能量轉(zhuǎn)換為電子視頻信號，通過對信號進(jìn)行處理，以可見圖像的形式進(jìn)行顯示，顯示的熱像圖代表被測表面的二維 輻射能量場，若輻射單元的表面輻射率已知，則可通過斯蒂芬一波爾茲曼定律求出輻射單元表面的溫度分布場及動 態(tài)變化。雖然紅外熱像儀所測溫度為相對溫度，滯后于實(shí)際切削溫度，但根據(jù)傳熱反求算法可準(zhǔn)確求得切削過程中 工件(或刀具)的溫度變化規(guī)律及動態(tài)分布。紅外熱像儀測溫法具有直觀、簡便、可遠(yuǎn)距離非接觸監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)，

11、在惡 劣環(huán)境下測量物體表面溫度時(shí)具有較大優(yōu)越性。此外，測量切削溫度的光、熱輻射方法還有紅外干板法、紅外聚光法、PbS光能電池法、高速切削雙色高溫計(jì) 測量法等。金相結(jié)構(gòu)法金相結(jié)構(gòu)法金相結(jié)構(gòu)法是基于金屬材料在高溫下會發(fā)生相應(yīng)的金相結(jié)構(gòu)變化這一原理進(jìn)行測溫的。該方法通過觀察刀具或 工件切削前后金相組織的變化來判定切削溫度的變化，主要適用于高速鋼刀具，因?yàn)楫?dāng)溫度超過600C時(shí)，高速鋼 的紅硬性下降，組織結(jié)構(gòu)發(fā)生一系列變化，可通過經(jīng)拋光、腐蝕后的金相磨片來檢查其金相組織變化。但這種方法 的應(yīng)用范圍局限于金屬材料制成的刀具，并且只有在高溫下才能觀察到材料明顯的組織結(jié)構(gòu)變化；此外，觀測和分 析的工作量也較大

12、。掃描電鏡法掃描電鏡法測量切削溫度是用掃描電鏡觀測刀具預(yù)定剖面顯微組織的變化，并與標(biāo)準(zhǔn)試樣對照，從而確定刀具 切削過程中所達(dá)到的溫度值。應(yīng)用掃描電鏡法首先需要制取樣件和對照樣件，考慮到在不同溫度和不同保溫時(shí)間條 件下材料的顯微組織不同，對照樣件需要多制取一些；得到對照樣件的顯微組織照片后即可確定被測刀具某一部位 的切削溫度。掃描電鏡法測定切削溫度的分辨率和確定溫度分布的準(zhǔn)確性均很高。但掃描電鏡法也存在以下缺點(diǎn)： 只能測量600C以上的溫度；樣件制作相當(dāng)繁瑣；屬事后破壞性測量，不便于在生產(chǎn)現(xiàn)場推廣應(yīng)用；所確 定的切削溫度分布狀態(tài)屬于定量分析；設(shè)備復(fù)雜，技術(shù)難度高，實(shí)際應(yīng)用受到一定限制。其它方法除上述切削溫度測量方法外，常見的測溫方法還有顯微硬度分析法、量熱法、涂色法等。顯微硬度分析法是將刀具、工件和切屑在不同溫度下呈現(xiàn)不同硬度的基本原理進(jìn)行逆向應(yīng)用，根據(jù)材料受 熱后的顯微硬度間接測知其切削溫度。量熱法是將受熱后的刀具、切屑或工件浸入水中并測定水溫的升高，根據(jù)水的溫升計(jì)算刀具、切屑或工件 的溫度。這種方法常用于測定金屬切削過程中進(jìn)入刀具、切屑或工件的熱量百分比。(3 )另一方法是將刀具沿切屑流出方向?qū)ΨQ剖開，在剖面上涂上可在一定溫度下熔解的微細(xì)金屬粉末，然后將 刀具合攏