切削温度测试系统研究

西安工业大学机电工程学院 吴万欣 葛海江 田军委

切削热的测量技术是金属机械切削研究领域中的重要基础实验和技术，本文设计了采集切削温度的实验台。在切削时，两端温度变化导致热电偶的变化可通过毫伏计显示电信号，通过公式计算可转化成为所求的切削温度。通过对电阻应变片形变来对电信号进行转化可得出切削温度的测量值。本设计应用广泛，具有较大的前景和发展空间。

在一些工件的加工过程中，刀具与整个工件间的接触可能会同时产生大量的热量，这些产生的热量中大约有60%-95%会被工件传入工件，而这些直接传入工件的内部热量集中在工件的表面就会形成大的工件温度梯度。切削加工过程及其中的各种热效应对一个工件的切削精度和加工质量等都会产生非常大的直接影响，并且也可能会影响工件的使用性能。本文以切削温度测量为目标，设计了一种切削温度测试系统并验证了设计的正确性，对温度进行精准测量，对保证工件的加工质量一致性起到了积极的作用。

1 切削实验台设计

设计的切削实验台结构如图1所示，整个切削实验台由45钢阶梯式法兰切削传动主轴、电阻偶和应变片及45钢自然式热电偶法兰式切削主轴温度变化测试控制装置这几个组成部分。

图1 切削实验台结构图

图2 自然热偶法切削温度测试装置

图3 切削温度测量装置

连接好的铜销与车刀的接口是自然热偶法兰式切削温度自动测试控制装置。该装置通过两条导线分别连接移动车床车刀和原装置于车床主轴后的高压铜销，通过车刀主轴内孔导线接触切削工件并将其接入毫伏计，在车床进行切削时工件与切削刀具间的电会同时产生多个热电势的相互变化。通过毫伏恒温计可以测量每个热电偶工件两端间的热电动势，从而实时确定车床切削工作温度，其主要功能用于实时测量车床切削工作区域内的平均温度。

电阻应变片式切削温度测试装置搭建简易、不占空间、测量方便；而自然热偶法切削温度测试装置安全有效，可用于整体的平均温度测量，由导线接触铜销、铜销接触工件的方法使得更换工件更容易。

2 切削温度的测量

2.1 自然热偶法测切削温度装置

如图2所示，自热电偶法测量切削热主要是利用不同材料的刀具、相关的显示装置与工件进行连接，组成一个毫伏计闭合电路进行测量。该毫伏计分别由热端和冷端构成，当进行加工的时候，切削部分所在的区域的温度发生了改变，该区域连接处就视为热端，毫伏计连接的另一端也就是待加工工件区就属于冷端，由此产生了相应的温度差异就使得两端的电动势产生了变化，通过对电动势的采集和测量并完成记录，再对电动势对应的温度值进行标定得出不同电动势对应的温度值，由此得出当前加工过程中的温度变化，当更换不同材料工件或刀具时必须重新进行标定工作，以确保温度值的准确性。

2.2 切削温度测量装置的搭建及热电偶的选择

图3为毫伏计的自然热偶法刀具切削平均温度简易计算系统的搭建。将毫伏计导线一极通过导线连接主轴后的铜销穿过毫伏计主轴接入刀具和工件，另一极通过导线接入工件刀架，中间分别串联一个毫伏计，由刀具和毫伏计与工件连接形成毫伏计的两极。当工件和刀具需要进行连续切削时，即可通过导线记录毫伏计的温度变化进而直接测量毫伏计的热电势从而直接计算得出当下连续切削的平均温度。热端分别为毫伏计A端引出点，在该点测试出的数值取平均值后为目前的切削平均温度，那么冷端分别为工件与毫伏计刀具连接定义为引出端。由图3的示意可以得出，工件与刀具之间的引出端C所测量的的即为室温，通过待加工的工件和导线与毫伏计连接，而位于刀具与毫伏计引出点的C端由于毫伏计距离工件与切削点较近具有的一定的温度升高，温度变化为θ'，也由工件通过导线直接引出至毫伏计。

最终本设计确定使用标准热电偶（NiCr2NiSi）作为测量刀具引出端的材料，实现对B端温度的数据采集，其中NiCr是测量过程中关于测量主回路C-A-D的引出端。

总结：本文针对于铣钻加工过程中切削温度局部过高的问题，利用基于电阻应变片对切削温度进行测试的装置和基于自然热偶法对切削温度进行测试的装置系统进行了设计搭建，从而实现记录切削过程中与切削温度相关的电信号的目的，通过一系列的计算将相关电信号转换成切削温度测试所需要的信号，从而基本达到了对切削温度进行测试的要求。