基于熱電偶法的高速銑削溫度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

[摘要]介紹了基于熱電偶法對(duì)高速銑削過(guò)程中切削溫度采用接觸式測(cè)量的計(jì)算機(jī)輔助測(cè)溫系統(tǒng)。采用自然熱電偶測(cè)量刀具一工件界面溫度，采用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶檢測(cè)工件表面和內(nèi)部溫度分布。為高速銑削加工中切削溫度的測(cè)量提供一定的借鑒。
　　金屬高速切削過(guò)程中，切削溫度對(duì)刀具磨損、工件尺寸精度等有至關(guān)重要的影響叫。因此，研究金屬加工過(guò)程中工藝參數(shù)(如切削速度、切削寬度、切削深度、冷卻方式等)對(duì)切削溫度的影響極為必要[-3]。常用的高速研究切削溫度的方法有熱電偶法、紅外熱像儀法、光纖紅外法、金相結(jié)構(gòu)法等4。本文介紹一種通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶法和自然熱電偶法測(cè)量高速銑削加工界面溫度進(jìn)而研究銑削溫度與加工參數(shù)間關(guān)系的測(cè)量系統(tǒng)。
1測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.1刀具、工件材料，標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和機(jī)床參數(shù)
(1)高速銑削條件下，選用8mm直徑4刃硬質(zhì)合金立銑刀，表面涂層材料為TiAIN，工件材料選用S136(0.35%C,13.8%Cr，0.6%Mn，0.3%V，0.8%Si)，表面淬火處理至50HRC。
(2)常規(guī)銑削條件下，選用8mm直徑4刃普通硬質(zhì)合金立銑刀，工件材料選擇45鋼，表面硬度經(jīng)熱處理至23HRC。
(3)加工前工件材料經(jīng)線切割加工成多塊，K型標(biāo)準(zhǔn)熱電偶與工件封裝成一個(gè)整體后與機(jī)床絕緣。熱電偶的測(cè)溫精度可達(dá)0-1200℃(±0.2℃)，滯后時(shí)間<1s。刀具與工件組成的自然熱電偶電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波后采集至PC。工件幾何尺寸及熱電偶安裝位置如圖1所示。
機(jī)床選用大連機(jī)床廠生產(chǎn)的FUNAC立式加工高速中心VDF-850，主軸最高轉(zhuǎn)速為15000r/min.
 
1.2自然熱電偶檢測(cè)方法
　　當(dāng)銑削過(guò)程中產(chǎn)生高溫時(shí)，由于刀具和工件材料的不同，工件-刀具接觸界面可看成熱電偶的熱端，相對(duì)于冷端(兩者的冷端均暴露在空氣中，可認(rèn)為溫度近似相等)會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)。熱電動(dòng)勢(shì)采集至信號(hào)處理電路后再送至PC,通過(guò)與實(shí)驗(yàn)標(biāo)定兩種材料的熱電特性曲線對(duì)照即可測(cè)量銑削加工的刀具-工件界面溫度。檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。刀柄上安裝銅質(zhì)套筒，中間開(kāi)有弧線型槽，通過(guò)套在槽中的導(dǎo)線將自然熱電偶中的刀具端(熱端)，經(jīng)信號(hào)放大器，再經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路送至PC。
1.3加工參數(shù)設(shè)計(jì)
(1)主軸轉(zhuǎn)速分別設(shè)定為1000，2000，4000，5000,6000，7000，8000r/min。銑削深度為5mm。側(cè)吃刀量為0.2mm，每齒進(jìn)給量為0.05mm。固定上述參數(shù)，研究銑削速度與銑削溫度之間的關(guān)系。
(2)側(cè)吃刀量分別設(shè)定為0.05mm，0.10mm，0.15mm,0.25mm，0.30mm,0.35mm,0.40mm，主軸轉(zhuǎn)速6000r/min,銑削深度為5mm，每齒進(jìn)給量為0.05mm。固定上述參數(shù)，研兗側(cè)吃刀量與銑削溫度之間的關(guān)系。
2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及原因分析
2.1工件溫度
　　銑削速度與工件溫度之間的關(guān)系如圖3所示，隨著銑削速度提高，工件溫度增幅很小。而當(dāng)銑削速度超過(guò)一個(gè)臨界值時(shí)，工件溫度有明顯下降過(guò)程，隨后保持穩(wěn)定。
從圖4中可以看出，側(cè)吃刀量大小對(duì)工件溫度的影響甚微。
 
2.2刀具-工件界面溫度
　　在低速銑削過(guò)程中，硬質(zhì)合金刀/45鋼界面溫度與主軸轉(zhuǎn)速關(guān)系如圖5所示，界面溫度與主軸轉(zhuǎn)速近似呈線性，這與傳統(tǒng)的切削理論吻合。TiAIN涂層刀具/S136界面溫度與主軸轉(zhuǎn)速關(guān)系如圖6所示，雖然工件表面硬度更高，涂層刀具高速切削時(shí)切削溫度遠(yuǎn)低于普通硬質(zhì)合金刀具。界面溫度隨主軸轉(zhuǎn)速升高，但當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速超過(guò)4000r/min時(shí)，界面溫度變化很小。
 
3結(jié)論
　　本文基于熱電偶原理動(dòng)態(tài)采集高速銑削過(guò)程中切削溫度，并:分析切削溫度與切削參數(shù)間關(guān)系。通過(guò)合理放置傳感器位置，系統(tǒng)能夠檢測(cè)工件表面和內(nèi)部的溫度分布和刀具-工件界面溫度。研究結(jié)果表明在某臨界速度以下，隨著銑削速度提高，工件表面溫度增幅很小。而刀具工件界面溫度與切削速度變化關(guān)系近似呈線性。當(dāng)銑削速度超過(guò)臨界值時(shí)，工件溫度有明顯下降過(guò)程，隨后保持穩(wěn)定。而刀具-工件界面溫度則變化較小。側(cè)吃刀量的大小對(duì)于切削溫度幾乎沒(méi)有影響。