西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 吳萬(wàn)欣 葛海江 田軍委

切削熱的測(cè)量技術(shù)是金屬機(jī)械切削研究領(lǐng)域中的重要基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)，本文設(shè)計(jì)了采集切削溫度的實(shí)驗(yàn)臺(tái)。在切削時(shí)，兩端溫度變化導(dǎo)致熱電偶的變化可通過(guò)毫伏計(jì)顯示電信號(hào)，通過(guò)公式計(jì)算可轉(zhuǎn)化成為所求的切削溫度。通過(guò)對(duì)電阻應(yīng)變片形變來(lái)對(duì)電信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化可得出切削溫度的測(cè)量值。本設(shè)計(jì)應(yīng)用廣泛，具有較大的前景和發(fā)展空間。

在一些工件的加工過(guò)程中，刀具與整個(gè)工件間的接觸可能會(huì)同時(shí)產(chǎn)生大量的熱量，這些產(chǎn)生的熱量中大約有60%-95%會(huì)被工件傳入工件，而這些直接傳入工件的內(nèi)部熱量集中在工件的表面就會(huì)形成大的工件溫度梯度。切削加工過(guò)程及其中的各種熱效應(yīng)對(duì)一個(gè)工件的切削精度和加工質(zhì)量等都會(huì)產(chǎn)生非常大的直接影響，并且也可能會(huì)影響工件的使用性能。本文以切削溫度測(cè)量為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一種切削溫度測(cè)試系統(tǒng)并驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性，對(duì)溫度進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量，對(duì)保證工件的加工質(zhì)量一致性起到了積極的作用。

1 切削實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的切削實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個(gè)切削實(shí)驗(yàn)臺(tái)由45鋼階梯式法蘭切削傳動(dòng)主軸、電阻偶和應(yīng)變片及45鋼自然式熱電偶法蘭式切削主軸溫度變化測(cè)試控制裝置這幾個(gè)組成部分。

圖1 切削實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

圖2 自然熱偶法切削溫度測(cè)試裝置

圖3 切削溫度測(cè)量裝置

連接好的銅銷(xiāo)與車(chē)刀的接口是自然熱偶法蘭式切削溫度自動(dòng)測(cè)試控制裝置。該裝置通過(guò)兩條導(dǎo)線(xiàn)分別連接移動(dòng)車(chē)床車(chē)刀和原裝置于車(chē)床主軸后的高壓銅銷(xiāo)，通過(guò)車(chē)刀主軸內(nèi)孔導(dǎo)線(xiàn)接觸切削工件并將其接入毫伏計(jì)，在車(chē)床進(jìn)行切削時(shí)工件與切削刀具間的電會(huì)同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)熱電勢(shì)的相互變化。通過(guò)毫伏恒溫計(jì)可以測(cè)量每個(gè)熱電偶工件兩端間的熱電動(dòng)勢(shì)，從而實(shí)時(shí)確定車(chē)床切削工作溫度，其主要功能用于實(shí)時(shí)測(cè)量車(chē)床切削工作區(qū)域內(nèi)的平均溫度。

電阻應(yīng)變片式切削溫度測(cè)試裝置搭建簡(jiǎn)易、不占空間、測(cè)量方便；而自然熱偶法切削溫度測(cè)試裝置安全有效，可用于整體的平均溫度測(cè)量，由導(dǎo)線(xiàn)接觸銅銷(xiāo)、銅銷(xiāo)接觸工件的方法使得更換工件更容易。

2 切削溫度的測(cè)量

2.1 自然熱偶法測(cè)切削溫度裝置

如圖2所示，自熱電偶法測(cè)量切削熱主要是利用不同材料的刀具、相關(guān)的顯示裝置與工件進(jìn)行連接，組成一個(gè)毫伏計(jì)閉合電路進(jìn)行測(cè)量。該毫伏計(jì)分別由熱端和冷端構(gòu)成，當(dāng)進(jìn)行加工的時(shí)候，切削部分所在的區(qū)域的溫度發(fā)生了改變，該區(qū)域連接處就視為熱端，毫伏計(jì)連接的另一端也就是待加工工件區(qū)就屬于冷端，由此產(chǎn)生了相應(yīng)的溫度差異就使得兩端的電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生了變化，通過(guò)對(duì)電動(dòng)勢(shì)的采集和測(cè)量并完成記錄，再對(duì)電動(dòng)勢(shì)對(duì)應(yīng)的溫度值進(jìn)行標(biāo)定得出不同電動(dòng)勢(shì)對(duì)應(yīng)的溫度值，由此得出當(dāng)前加工過(guò)程中的溫度變化，當(dāng)更換不同材料工件或刀具時(shí)必須重新進(jìn)行標(biāo)定工作，以確保溫度值的準(zhǔn)確性。

2.2 切削溫度測(cè)量裝置的搭建及熱電偶的選擇

圖3為毫伏計(jì)的自然熱偶法刀具切削平均溫度簡(jiǎn)易計(jì)算系統(tǒng)的搭建。將毫伏計(jì)導(dǎo)線(xiàn)一極通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)連接主軸后的銅銷(xiāo)穿過(guò)毫伏計(jì)主軸接入刀具和工件，另一極通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)接入工件刀架，中間分別串聯(lián)一個(gè)毫伏計(jì)，由刀具和毫伏計(jì)與工件連接形成毫伏計(jì)的兩極。當(dāng)工件和刀具需要進(jìn)行連續(xù)切削時(shí)，即可通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)記錄毫伏計(jì)的溫度變化進(jìn)而直接測(cè)量毫伏計(jì)的熱電勢(shì)從而直接計(jì)算得出當(dāng)下連續(xù)切削的平均溫度。熱端分別為毫伏計(jì)A端引出點(diǎn)，在該點(diǎn)測(cè)試出的數(shù)值取平均值后為目前的切削平均溫度，那么冷端分別為工件與毫伏計(jì)刀具連接定義為引出端。由圖3的示意可以得出，工件與刀具之間的引出端C所測(cè)量的的即為室溫，通過(guò)待加工的工件和導(dǎo)線(xiàn)與毫伏計(jì)連接，而位于刀具與毫伏計(jì)引出點(diǎn)的C端由于毫伏計(jì)距離工件與切削點(diǎn)較近具有的一定的溫度升高，溫度變化為θ'，也由工件通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)直接引出至毫伏計(jì)。

最終本設(shè)計(jì)確定使用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶（NiCr2NiSi）作為測(cè)量刀具引出端的材料，實(shí)現(xiàn)對(duì)B端溫度的數(shù)據(jù)采集，其中NiCr是測(cè)量過(guò)程中關(guān)于測(cè)量主回路C-A-D的引出端。

總結(jié)：本文針對(duì)于銑鉆加工過(guò)程中切削溫度局部過(guò)高的問(wèn)題，利用基于電阻應(yīng)變片對(duì)切削溫度進(jìn)行測(cè)試的裝置和基于自然熱偶法對(duì)切削溫度進(jìn)行測(cè)試的裝置系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)搭建，從而實(shí)現(xiàn)記錄切削過(guò)程中與切削溫度相關(guān)的電信號(hào)的目的，通過(guò)一系列的計(jì)算將相關(guān)電信號(hào)轉(zhuǎn)換成切削溫度測(cè)試所需要的信號(hào)，從而基本達(dá)到了對(duì)切削溫度進(jìn)行測(cè)試的要求。