程耀楠++盧真真++劉+利+++韓+禹++敖曉春

摘 要：隨著國家經(jīng)濟的快速發(fā)展，對大型零件的需求日益劇增，重載切削占據(jù)著越來越重要的地位.大型零件加工時產(chǎn)生的切削溫度不僅直接影響刀具的磨損及使用壽命，而且影響工件的加工表面質(zhì)量和精確度，因此探討大型零件切削溫度測量技術(shù)，尤其銑削溫度的測量是研究重載切削過程的重要方面.為了探討大型零件銑削過程溫度測量技術(shù)，首先對大型零件材料溫度特性及影響進行分析；進而對常用的切削溫度測量方法及應(yīng)用進行闡述；最后通過對各種測溫方法的對比分析并結(jié)合大型零件材料特性提出了適合于大型零件銑削溫度的測量技術(shù)一夾絲半人工熱電偶法，并通過銑削試驗對切削溫度進行采集，獲得了可靠的熱電勢信號，為重載切削及刀具技術(shù)研究提供技術(shù)基礎(chǔ)，

關(guān)鍵詞：銑削溫度；測量技術(shù)；熱電偶；大型零件

DOI： 10.15938/j.jhust.2015.02.003

中圖分類號：TG501

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-2683（2015）02-0012-07

0 引 言

國家“十二五”規(guī)劃提出重點發(fā)展重型裝備、工程機械等裝備制造業(yè)，形成一批競爭力較強的重大裝備制造業(yè)基地，實現(xiàn)大型零件的全部國產(chǎn)化是提升國家裝備水平的重要保障.與普通零件相比，大型零件的特點是零件的尺寸和重量都很大（最大可達幾百噸），其切削加工過程材料去除量和切削力都較大，切削溫度較高.在刀具的切削作用下，切削層金屬發(fā)生塑性變形和彈性變形；工件與后刀而、切屑與前刀面的摩擦是大型零件加工過程中切削熱的兩個主要來源，隨著大型零件加工過程切削熱的增多，切削溫度升高，切削區(qū)域溫度可達1000℃以上高溫易使刀具發(fā)生粘結(jié)失效、產(chǎn)生殘余應(yīng)力與加T變質(zhì)層、降低工件的表面質(zhì)量、影響積屑瘤的消長等，這些都是切削過程中不利的一面.日前對大型零件切削溫度分布和測量技術(shù)的研究比較少，因此有必要對大型零件切削溫度進行探析，為重載切削及刀具技術(shù)研究提供技術(shù)支持.

存切削溫度試驗研究方面，M.Armendia采用具有高帶寬特性的微熱成像系統(tǒng)研究了Ti6A14V鈦合金和AISI4140鋼斷續(xù)銑削時刀具上溫度的分布情況；針對難加工材料，南京航空航天大學(xué)的王珉等應(yīng)用數(shù)學(xué)方法——有限差分法對銑削時產(chǎn)生的非穩(wěn)定三維溫度場進行了計算，并采用金相結(jié)構(gòu)法對銑削所用高速鋼刀具進行溫度測量；西北工業(yè)大學(xué)的張明賢等采用紅外熱像儀對鋁合金進行了銑削溫度測量，研究了鋁合金高速銑削溫度變化規(guī)律，

以上學(xué)者只是在試驗的基礎(chǔ)上對切削溫度進行研究，為了準(zhǔn)確的掌握切削溫度分布，目前在理論研究上，國內(nèi)外學(xué)者主要在Jaeger的移動熱源基礎(chǔ)上來研究切削溫度.S.C.Kapoor把銑削力作為唯一輸入，并假設(shè)剪切面是一個強度均勻分布、相對刀屑移動的空問無限長面熱源，針對平前刀面刀片，通過對以上建立的數(shù)學(xué)模型簡化、整理、計算出了刀具前刀而的平均溫度；東北大學(xué)的張東通過有限元法對所建立的銑削溫度數(shù)學(xué)模型進行了理論分析；重慶大學(xué)的劉飛建立和求解了帶圓弧型卷屑槽刀具在千式切削過程中切屑動態(tài)傳熱模型，得到該槽型刀具刀—屑摩擦熱分配比，為切屑、刀具動態(tài)溫度場的求解打下基礎(chǔ)；哈爾濱理工大學(xué)的譚光宇、王玉斌等利用Jaeger的動熱源方法并結(jié)合已有的平前刀面銑刀片刀一屑摩擦溫度數(shù)學(xué)模型，建立了波形刃銑刀片前刀面摩擦溫度數(shù)學(xué)模型.

在切削溫度測量技術(shù)和理論分析方面，盡管目前國內(nèi)外許多學(xué)者進行了大量研究，但絕大多數(shù)針對普通切削，也僅限于對鈦合金TC4和TC11、鋁合金LF5和6063T6及高溫合金GH4169等材料銑削溫度分布特點的研究，切削溫度分布特點作為試驗研究和理論分析的基礎(chǔ)還不夠完善，尤其在重載銑削SA508Ⅲ鋼、2.25Cr-lMo-0.25V鋼等大型零件材料的溫度方面.因此對大型零件切削溫度的研究還需要做大量的工作.

本文以加氫反應(yīng)器筒節(jié)和核島蒸發(fā)器水室封頭為典型零件分析大型零件材料溫度特性及其影響，通過對各種切削溫度測量方法的優(yōu)缺點和適用范圍進行對比分析，并結(jié)合大型零件材料溫度特性及其加工過程的各種影響，對大型零件切削溫度測量技術(shù)進行研究時采用夾絲半人工熱電偶法可達到預(yù)期效果，為大型零件切削溫度測量的研究提供參考.

1 大型零件材料溫度特性及影響分析

1.1 石油、化工領(lǐng)域大型零件材料溫度特性及其影響

加氫反應(yīng)器（如圖1所示）是石油煉制、煤化工、有機化工生產(chǎn)中的核心裝備，大型加氫反應(yīng)器重達數(shù)百噸乃至上千噸，是由幾段筒節(jié)經(jīng)加工后拼焊而成.以加氫反應(yīng)器的筒節(jié)為典型零件，介紹其材料特性，加氫反應(yīng)器在高溫、高壓、臨氫條件下操作，尺寸大、質(zhì)量重、壁厚，材料采用耐熱、抗托強度又特別高的2.25Cr-IMo-0.25V特種鋼，這種鋼被廣泛應(yīng)用于煉油化T行業(yè)的臨氫設(shè)備上

2.25Cr-1Mo-0.25V鋼是一種低合金貝氏體耐熱鋼，具有較高的強度，較好的塑性，較強的耐高溫性，硬度和塑性是影響材料切削加工性的物理力學(xué)性能，強度、韌性越高，切削力越大，切削溫度越高，同時，塑性越大，越難加工；調(diào)質(zhì)處理后，材料具有熱韌性、紅硬性，導(dǎo)致切削過程中的切削力較大，切削區(qū)域產(chǎn)生的切削熱較多；另外此種材料的導(dǎo)熱性差，被加工材料的導(dǎo)熱系數(shù)越小，由切屑帶走和工件傳出的熱量越少，越不利于降低溫度，重載條件下切削SA508Ⅲ鋼等難加丁材料時，產(chǎn)生的切削溫度高達1000℃，工件材料中合金元素在較高的溫度下金相組織發(fā)生變化，滲碳體、珠光體等含量增加，進一步提高了工件材料表面強度和硬度，這將加速刀片表層涂層的磨損，使暴露的刀片基體材料與切屑直接接觸，產(chǎn)生粘結(jié)破損，另外，高溫使刀具表層變得脆弱，加劇了刀具失效.

1.2 核電領(lǐng)域大型零件材料特性分析

水室封頭（如圖2所示）是APIOOO核島核電站中蒸汽發(fā)生器的重要零件，是典型的難加工核電大型異形件.

蒸汽發(fā)生器運行過程中，承受著復(fù)雜的熱力、應(yīng)力或水力，安全問題十分重要，為了包容放射性物質(zhì)，任何工況下都必須要保持結(jié)構(gòu)完整性，這就要求水室封頭材料具有較好的抗射線、熱等各種輻射性能，高承壓性，良好的低溫沖擊韌性以及較低的無延性轉(zhuǎn)變溫度，所以選用難加工材料SA508Ⅲ鋼作為水窒封頭的加工材料.SA508Ⅲ鋼作為低碳合金鋼，其具有較高的強度、良好的低溫沖擊韌性和較低的無延性轉(zhuǎn)變溫度等特點，因此加工過程中易產(chǎn)生韌性較高難以折斷的切屑，切屑纏繞在刀具上致使切削區(qū)域溫度升高，從而引起刀一屑粘結(jié)，水室封頭與其它蒸汽發(fā)牛器零件之問是通過焊接連接在一起的，為了達到強化基體、提高淬透性以及降低焊縫敏感性等目的，通常在SA508Ⅲ鋼中添加Mn、Ni、Mo等親鐵性鐵族元素，而硬質(zhì)合金刀具中的Co，元素也為鐵族元素，在高溫環(huán)境下同族元素親和性較強，同時由于切削時材料去除量和切削力較大，容易引起刀具磨損甚至出現(xiàn)刀一屑粘結(jié)而最終導(dǎo)致刀具失效.

切削溫度的分布特點理論上雖然可以通過有限元仿真來體現(xiàn)，但是由于有限元仿真在大型零件應(yīng)用方面的局限性，與獲得實際刀具/丁件溫度分布還有一定的差距，因此，有必要根據(jù)大型零件的特點進行實用的切削溫度測量技術(shù)研究.

2 切削溫度測量技術(shù)對比分析

對切削溫度進行測量的方法有很多，但熱電偶法、光熱輻射法、間接測量法等是較常用的主要測溫方法.

2.1 熱電偶法

切削溫度進行測量時由于熱電偶法的優(yōu)越性和實用性，得到了較廣泛的應(yīng)用，該方法的測溫原理為：當(dāng)兩種材質(zhì)成分不同的導(dǎo)體組成閉合回路時，回路中就會有電流流過，當(dāng)兩端存在溫度梯度時，就會存在Seebeck電動勢——熱電動勢.根據(jù)切削材料和機床自身特點等的不同，熱電偶法又可細(xì)分為以下幾種：

1）自然熱電偶法：如圖3所示，熱電偶的兩極由化學(xué)成分不同的材料組成，根據(jù)切削加工要求，工件和刀具材料不同，兇此工件與刀具便成為熱電偶的兩極，熱端由工件與刀具切削區(qū)接觸產(chǎn)生，工件的引出端和刀具的末端處于室溫，構(gòu)成冷端，切削時由于切削變形及摩擦產(chǎn)生大量的熱，使切削區(qū)形成高溫，這樣在刀具與工件的回路中便產(chǎn)生了溫差電動勢，利用毫伏表可將數(shù)據(jù)記錄下來，自然熱電偶法測到的切削溫度是刀一屑和刀一丁摩擦詠的平均溫度，得不到切削區(qū)選定點的溫度，而且每次更換工件材料或刀具材料都需要重新標(biāo)定.

2）人工熱電偶法：如圖4所示，組成熱電偶的金屬絲已標(biāo)定，金屬絲的一端焊接在刀具或工件溫度要測量的點上形成熱端，另一端串接毫伏表成為冷端，即可測得焊接點的溫度.變換熱電偶材料時不需要重新標(biāo)定即可測量，另外可根據(jù)試驗需要靈活選擇金屬絲.

但該方法也有一定的局限性，首先由于焊接技術(shù)的條件限制，焊接在刀具或工件的點有一定的質(zhì)量，影響溫度測量的及時性；其次，根據(jù)該方法的測溫原理，需要將熱電偶絲埋入要測的工件或刀具中，似要埋入PCBN、PCD、陶瓷等超硬刀具材料有一定的難度；最后，該方法所測溫度只是距離前刀面一定距離的溫度，測量結(jié)果與實際值有差距.

3）半人工熱電偶法：如圖5所示，國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)自然熱電偶和人工.熱電偶的優(yōu)缺點，對其進行綜合分析判斷，取其測溫方法的優(yōu)點，提出了半人工熱電偶法.

由于該方法綜合了以上兩種測溫方法的有利方而，并采用單線連接，因此得到了廣泛應(yīng)用.

2.2光、熱輻射法

與熱電偶法相比，光熱輻射法是一種無損測量方法，其測溫原理為：切削過程中產(chǎn)生的切削熱使工件、刀具和切屑產(chǎn)生一定強度的光熱輻射，溫度越高，短波輻射越強，輻射總量越大，因此可以通過檢測光熱輻射的強度來測量切削溫度，根據(jù)采集輻射信號的裝置小同義可分為：1）紅外熱像儀測溫法是利用斯蒂芬一波爾茲曼定律來進行溫度測量的，采川紅外熱像儀測溫時由于儀器數(shù)據(jù)的緩存及分辨率的影響，所測溫度滯后于實際溫度，且只是溫度的相對值.2）輛射高溫計測溫法：如圖6所示，所用儀器為紅外輻射高溫計，具體為利用紅外探測器將切削熱產(chǎn)生的紅外線信號接收，然后通過A/D轉(zhuǎn)換為電信號，為了獲得相應(yīng)的溫度值，需要對電信號進行線性化處理.由于該裝置接收的紅外線信號是工件或刀具表面的信號，所以該測溫法測得的足工件或刀具表面的溫度.

3）紅外照相測溫法：所用儀器為紅外照相機，即在切削過程對刀具或工件進行拍照來研究其溫度分布情況，適用于連續(xù)切削.

2.3間接測溫法

1）金相結(jié)構(gòu)測溫法：由光學(xué)顯微鏡可以看出工件或刀具材料的金相結(jié)構(gòu)在切削前后隨著溫度的改變發(fā)生一定的變化，可以通過觀測金屬材料金相組織的變化來研究切削溫度.由于該方法要求在溫度的影響下金屬材料的金相組織發(fā)生顯著變化從而來測量切削溫度的，所以用來測量高速鋼刀具的溫度變化比較適宜，因為該刀具溫度超過600℃時，金桿組織變化比較明顯，對金相磨片進行拋光、磨蝕便呵達到溫度測量的目的.該方法的不足是適用面窄，工序較繁瑣.

2）掃描電鏡測溫法的優(yōu)點：準(zhǔn)確的確定工件或刀具的溫度分布；切削溫度測量分辨率高.缺點：破壞性測量；試樣制作過程復(fù)雜；只是定量的分析了切削溫度分布特點；測溫范圍有限；設(shè)備安裝淵試難度大.

2.4示溫涂料法

示溫涂料法由于變色后顏色穩(wěn)定性的不同義又可分為可逆示溫涂料法和不可逆示溫涂料法.可逆示溫涂料法的顏色在冷卻后會恢復(fù)到原來的顏包，其變色原理有氧化、升華、熱分解、同相反應(yīng)等，具體為切削加T時產(chǎn)生熱量，示溫涂料中的熱敏涂料在一定的溫度下被氧化、升華、熱分解、產(chǎn)生固相反應(yīng)而產(chǎn)生一定的變化，從而達到溫度測量的日的；不可逆示溫涂料法是在一定的溫度下通過觀測涂料中PH值、晶型、電子轉(zhuǎn)移的變化來測量切削溫度.該測溫方法主要應(yīng)用于飛機儀表溫度分布的測量，

另外量熱計測溫法、顯微硬度分析測溫法等往切削溫度測量方面也較常見，

綜上所述，無論是熱電偶測溫法、光熱輻射測溫法、金相結(jié)構(gòu)測溫法還是示溫涂料測溫法都有其優(yōu)劣和適用范圍，因此，在實際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)具體情況優(yōu)選最合適的切削溫度測試方法.大型零件切削時由于加工環(huán)境的影響，對切削區(qū)溫度進行測量有一定的條件性，故很難得到切削區(qū)的實際溫度，為了測得小誤差、高精度、大范圍的大型零件切削溫度，仍需對切削溫度測量方法作進一步深入研究和改進完善.

3 大型零件切削溫度測量技術(shù)

大型零件銑削過程需要用切削液，對于要求工件和刀具組成熱電偶副的自然熱電偶法無法適用，另外針對銑削加工為斷續(xù)切削這一特點，很難用自然熱電偶法對其進行溫度測量，而且測得只是刀/屑界面的平均溫度而非瞬時溫度；人工熱電偶法需要在相應(yīng)的安裝位置處鉆孔來放置熱電偶，但對于大型零部件所用2.25Cr-IMo-0.25V鋼和SA508Ⅲ鋼等難加工材料，孔比較難打，且小孔的存在及小孔和熱電偶間的空氣不僅削弱了零件強度而且對于某些特定場合測量誤差達到50%；由紅外輻射高溫計測溫法的測溫原理可知，無法得到工件或刀具基體內(nèi)溫度；紅外熱像儀法所測溫度為相對溫度，與實際切削溫度有一定差距；用于研究切削溫度的分布情況時一般采用紅外照相法和示溫涂料法；金相結(jié)構(gòu)法只適用于高速鋼刀具且該方法觀測和分析的工作量都較大，而且大型零部件加工所用刀具大都為硬質(zhì)合金，所以不適合用金相結(jié)構(gòu)法；掃描電鏡法雖然具有溫度分布的準(zhǔn)確性和分辨率高等優(yōu)點但屬于破壞性測量，所以不能用該方法測量大型零件切削溫度.

通過對熱電偶法、紅外輻射法、金相組織法等測溫方法進行對比分析，并針對實際應(yīng)用中大型零件加工的特點，本文采用夾絲半人工熱電偶法對大型零件銑削溫度進行測量.

3.1 測溫原理及裝置

夾絲半人工熱電偶法即通過特種加工將工件分成兩部分，將帶有絕緣層的鎳鉻絲夾于工件中間，用卡具將分開的兩部分工件卡緊，銑削時工件與熱電偶絲之問的絕緣層被破壞，與工件形成短路，從而產(chǎn)生熱電勢，通過放大器對電壓信號的放大、數(shù)據(jù)采集卡對數(shù)據(jù)的采集及熱電偶的標(biāo)定，可測得刀具/工件之間的界面溫度.夾絲半人工熱電偶法裝置示意圖如圖7所示.

用半人工熱電偶法測量大型零件切削溫度時，產(chǎn)生一般為幾十毫伏的較小熱電動勢，而普通的萬用表（量程一般為200mV）無法測量，為了得到大型零件加工的溫度信號，本文設(shè)計閉環(huán)放大倍數(shù)為100倍的放大電路，選用OP07AH型運算放大器，通過Multisim仿真，可得到放大100倍的電動勢，放大電路設(shè)計及仿真如圖8所示.

試驗進行數(shù)據(jù)采集和A/D轉(zhuǎn)換時采用同步高速數(shù)據(jù)采集卡PCI-8002A.PCI-8002A卡是一種基于32位PCI總線、可直接插在IBM-PC/AT或與之兼容的計算機內(nèi)的任一PCI插槽中的數(shù)據(jù)采集卡，集AD模擬輸入、DI數(shù)字量輸入和計DO數(shù)字量輸出為一身的多功能數(shù)據(jù)采集卡，該數(shù)據(jù)采集卡的AD模擬輸入通道為單端4通道模擬輸入，DI數(shù)字量輸入通道數(shù)為8路，輸出通道為8路.相應(yīng)的硬件模塊配置后在計算機上利用程序開發(fā)環(huán)境Labview編制相應(yīng)的軟件，對輸入的數(shù)據(jù)進行分析和處理，顯示銑削熱電勢波形.

3.2熱電偶的標(biāo)定

由于大型零件的材料大都為非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，因此在對切削溫度進行測量時其輸出熱電勢與溫度之間的對應(yīng)關(guān)系無現(xiàn)成資料可查，所以需要標(biāo)定熱電特性，得到其溫度與電勢的關(guān)系數(shù)據(jù).標(biāo)定試驗所得數(shù)據(jù)的精確性直接影響切削溫度測量的準(zhǔn)確性.熱電偶的標(biāo)定方法有比較法、固定法、黑體空腔法等，其中比較法是利用高一級的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶與被測熱電偶進行直接比較，其設(shè)備簡單，操作簡便，比較適合標(biāo)定熱電偶，得到大型零件材料與鎳硅絲的溫度電勢關(guān)系方程.

標(biāo)定原理：使大型零件材料一鎳鉻和鎳硅在連續(xù)升降溫的每個瞬態(tài)都嚴(yán)格處于同一溫度，這樣才能保證測得同一溫度下兩者的電勢值，裝置原理示意圖如圖9所示.標(biāo)準(zhǔn)熱電偶鎳硅一鎳鉻可以通過文查得其電勢值對應(yīng)的溫度，然后將這個溫度與大型零件材料一鎳鉻測出的電勢對應(yīng)，從而得出大型零件材料一鎳鉻的熱電特性數(shù)據(jù)，

采崩電阻爐對大型零件材料試樣的端部加熱得到熱端，使另一端處于冰水混合物中得到冷端.然后用HP3562動態(tài)信號分析儀同步采集兩對熱電偶在加熱過程中的原始數(shù)據(jù)，再對原始數(shù)據(jù)進行處理可以得到大型零件材料鎳鉻熱電偶的熱電特性曲線.

3.3銑削試驗

通過對大型零件材料SA508Ⅲ鋼的銑削溫度測量試驗得到熱電勢信號如圖10所示.切削參數(shù)為：切削速度νr=550r/min，切削深度為αp=0.8mm，進給量fx=120min/min，工件材料為SA508Ⅲ鋼，TiAIN涂層RCMT1606M043M-TN6540硬質(zhì)合金刀具.O、P、Q為銑刀剛好切到熱電偶絲時產(chǎn)生的熱電勢信號，S是切削熱電偶絲后，工件與熱電偶絲之間產(chǎn)生的溫度信號.O、P之問的采樣點間隔為210，P、Q之問的采樣點間隔為200，數(shù)據(jù)采集卡采樣頻率為每秒1818個，因此，O、P之間的采樣點時間為0.1155s，P、Q之問的采樣點時問為0.11s，機床每轉(zhuǎn)需要時間為0.109ls，與信號相差不大，主要是由于測量響應(yīng)等引起的延遲.

本次通過夾絲半人工熱電偶法采集到的銑削溫度試驗信號的峰值電壓均值為0.6V，根據(jù)標(biāo)定的電壓溫度曲線，可得溫度值為674℃.

通過對夾絲半人工熱電偶法測量大型零件切削溫度的原理及裝置的研究以及熱電偶標(biāo)定方法的提出，可達到對大型零件銑削溫度測量技術(shù)進行分析的目的.

4 結(jié) 論

大型零件加工過程銑削溫度非常高，對刀具壽命、加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率產(chǎn)生很大的影響，本文進行大型零件加工銑削溫度測量技術(shù)研究，為大型零件高效加工提供技術(shù)支持，得到如下結(jié)論：

1）以加氫反應(yīng)器筒節(jié)和核電蒸發(fā)器水室封頭為典型大型零件，對其材料特性進行了分析，發(fā)現(xiàn)火型零件材料一般為難加工材料，具有抗拉強度高、塑形好、高溫力學(xué)性能好等特點，這些因素導(dǎo)致零件切削加工過程中切削阻力大、切削溫度高，使重載切削刀具粘結(jié)失效嚴(yán)重；

2）對比分析了熱電偶法、光熱輻射法、問接測量法及示溫涂料法等幾種常用的切削溫度測量技術(shù)，探析了其溫度測量原理，對比分析了各測量方法的優(yōu)缺點及使用范圍，確定夾絲半人T熱電偶法適合大型零件銑削溫度的測量；

3）研究了夾絲半人工熱電偶法應(yīng)用于大型零件測溫的裝置和技術(shù)原理，設(shè)計了溫度測量裝置的放大電路，提出了溫度測量熱電偶的標(biāo)定方法，并通過銑削試驗獲得銑削熱電勢信號，

以上對大型零件銑削溫度測量技術(shù)的分析研究，為進一步研究重載切削機理、切削參數(shù)的優(yōu)化及提高加工效率提供了基礎(chǔ).