基于夾絲熱電偶法的高速切削溫度測量

摘要:切削溫度與刀具磨損.工件加工表面質(zhì)量及加工精度密切相關(guān),用紅外輻射、超熱輻射等非接觸式的測溫方法只可以實(shí)現局部切削溫度的間接測量。文章設計一種利用夾絲熱電偶實(shí)現高速切削過(guò)程瞬時(shí)切削溫度測量的直接接觸式計算機輔助測溫系統,該系統利用PCH1200卡采集熱電偶測溫裝置傳輸的數據,通過(guò)Labview軟件分析處理,具有顯示溫度波形曲線(xiàn)、標定熱電偶曲線(xiàn)能力。最后通過(guò)高速切削淬硬鋼試驗測量了刀具工件界面的瞬時(shí)溫度，定性分析了切削速度.刀具磨損、加工參數對切削溫度影響的變化規律。
0引言
　　高速切削溫度以及刀具切屑區域的熱分布是影響高速切削刀具壽命、工件加工表面質(zhì)量的重要因.素。因此研究高速切削過(guò)程的溫度測量方法不僅有助于研究高速切削機理、優(yōu)化切削參數,并且可以通過(guò)溫度的變化來(lái)反映刀具磨損、機床故障、顫振等切削狀態(tài)"。
　　目前比較成熟的測量切削溫度的方法有自然熱電偶法和人工熱電偶法(2-4]。自然熱電偶法只能測量刀具工件界面的平均溫度而非最高溫度;人工熱電偶法可以測量指定點(diǎn)的溫度,并可測得溫度分布場(chǎng)和最高溫度,但由于將熱電偶材料埋入超硬刀具材料比較困.難因而限制了該方法的推廣應用。因此本文采用夾絲半人工熱電偶法設計了--種直接接觸式計算機輔助測溫系統,并通過(guò)高速切削淬硬鋼試驗測量了刀具工件界面的瞬時(shí)溫度。
1測量原理及裝置
　　自然熱電偶法是利用工件和刀具材料化學(xué)成份的不同而組成熱電偶的兩極。當工件和刀具接觸區的溫度升高后,就形成熱電偶的熱端,而工件的引出端和刀.具的尾端保持室溫，就形成了熱電偶的冷端。因銑削加工為斷續切削,用自然熱電偶法測量難度較大,且只能測量刀屑界面的平均溫度而非瞬時(shí)溫度,此外,這種方法要求刀具和工件都必須是導體,不能使用切削液,標定繁瑣,而且某些工件與刀具未必能組成理想的熱電偶副;而人工熱電偶法需要在刀具或工件被測處鉆孔,孔中插入一對標準熱電偶并使其與孔壁之間保持絕緣,通過(guò)熱電偶接點(diǎn)感受被測點(diǎn)溫度,測出回路中電勢值并參照熱電偶標定曲線(xiàn)得出被測點(diǎn)的溫度。但.該方法無(wú)法直接測得刀具/工件界面溫度,而且存在將熱電偶材料埋入超硬刀具材料比較困難刀具.上孔的存在會(huì )改變切削溫度分布等問(wèn)題;半人工熱電偶是將一根熱電敏感材料金屬絲焊在待測溫點(diǎn)上作為一極、以工件材料或刀具材料作為另--極而構成的熱電偶。本文所述夾絲熱電偶法是通過(guò)線(xiàn)切割(EDM)方法將工件加工成兩半,將絕緣熱電偶絲置于工件中間,然后將工件組裝成整體,在切削過(guò)程中,當熱電偶被切斷時(shí)，其外部的絕緣層被破壞,與工件形成短路,從而由熱電偶與工件材料兩極間產(chǎn)生電勢差,通過(guò)對電壓信號及溫度之間的關(guān)系進(jìn)行標定,就可用來(lái)測量刀具工件之間的界面溫度。
 
　　圖1為測溫裝置原理簡(jiǎn)圖。為減小試驗誤差,同時(shí)要提高切斷熱電偶絲形成短路的可靠性,因此,熱電偶采用高強度聚脂漆包康銅絲,直徑中φ55mm,在被工件夾持部分要加焊直徑0.5mm的--小段康銅絲,并做好絕緣。由于用熱電偶法測量切削溫度時(shí),測量的熱電動(dòng)勢較小,一般在幾十毫伏以?xún)?而普通萬(wàn)用表最小量程一般為200mV。因此為了增強信號,需設計放大電路,選用OP37G型運算放大器,其.上升速率為11V/μs~17V/μs,單位帶寬增益4kHz,靜態(tài)功耗.100mV~170mV。設計閉環(huán)放大倍數100,放大器電路原理如圖2所示。
 
2數據采集與分析系統設計
　　利用計算機采集和處理測量數據在切削試驗中應用已很普及,但傳統的計算機測量和分析方法采用通用的或專(zhuān)門(mén)設計的接口板卡采集數據,但后續的分析和處理程序一般只能在通用的軟件編程環(huán)境下編制，通信和數據處理功能實(shí)現困難,缺乏直觀(guān)性和通用型。本文通過(guò)Labview軟件編程,對送入計算機的測量信號實(shí)施在線(xiàn)采集和處理,方便而直觀(guān)地分析各種切削參數對刀具工件切削溫度的影響[5]。
2.1硬件
　　試驗采用通用接口板卡PCH1200進(jìn)行數據采集和A/D轉換。PCF1200卡是基于32位PCI總線(xiàn)的多功能數據采集控制卡,支持DMA方式和雙緩沖區模式,保證實(shí)時(shí)信號的不間斷采集與存儲,支持單極性和雙極性模擬信號輸入。提供16路單端/8路差動(dòng)模擬輸入通道、2路獨立D/A輸出通道和24線(xiàn)的TIL型數字I/O等多種功能。
2.2軟件設計
　　在配置了相應的硬件模塊后,利用Labview編制相應的軟件,對輸入計算機的數據進(jìn)行分析和處理,軟件功能主要包括切削溫度數據采集與存儲、熱電偶標定、切削溫度波形顯示等。
2.2.1數據采集與存儲
　　Labview提供了強大的DAQ(DataAcquisition)產(chǎn)品軟件支持,因而數據采集功能比較容易實(shí)現。利用DAQ模板中的AnabghnputUtilities子模板中的AIwavefomScanvi節點(diǎn)來(lái)控制PCH1200卡各通道的數據采集,主要是采集卡掃描頻率和每一通道掃描次數的控制。程序內部利用1個(gè)二維數組存儲切削溫度、切削速度的采樣值,以便圖形顯示。
2.2.2康銅絲工件材料組成熱電偶的標定
　　由于工件刀具材料通常不是標準熱電偶材料，其輸出電勢與溫度之間的對應關(guān)系并無(wú)現成表格可查，因.此需要標定熱電偶的熱電勢變化。半人工熱電偶的標定采用了NiCrNisi標準熱電偶。由于標定時(shí)需要一對標準熱電偶,在外部接口中應增加1路輸入通道。用1個(gè)二維數組存儲熱電偶標定曲線(xiàn),分別表示溫度.和熱電勢,稱(chēng)為熱電偶數組。標定程序的目的是獲得.康銅絲工件材料熱電偶數組中的元素值。對于落在兩相鄰元素之間的熱電勢,用差值法確定其溫度。將康銅絲和工件材料做成的熱電偶試棒插入坩堝爐中加熱,同時(shí)插入已標定的標準熱電偶。比較其輸出電勢及對應溫度,重復標定3次，Labview將試驗中測得的數據進(jìn)行選點(diǎn)和異常數據處理后,直接利用Mathenatics模板中曲線(xiàn)擬合子模板.上的線(xiàn)性擬合節點(diǎn),即可求出標定曲線(xiàn)參數值。標定曲線(xiàn)如圖3所示。最后得出電壓溫度標定擬合公式為:
 
3試驗與結果分析
3.1切削刀具、工件材料、標準熱電偶和加工中心
　　銑床采用五軸立式加工中心,主軸最高轉速18000r/min,工件材料淬硬鋼,硬度達52HRC,切削刀具采用整體硬質(zhì)合金四刃球頭銑刀，TiCN涂層,銑刀直徑6mm,螺旋角30°。工件尺寸60mmx40mmX20mm。標定采用了NiCrNisi標準熱電偶。
3.2加工參數
　　高速銑削試驗的切削參數如下:
1)主軸轉速分別選取(n=2000,4000,6000,8000,10000,12000tyinin),軸向切深0.5mm,徑向切深0.5mm,每齒進(jìn)給量Qlmm。對切削溫度受切削速度的影響進(jìn)行分析。
 
2)為分析軸向切深和徑向切深以及刀具磨損對刀具工件界面溫度的影響規律,加工參數如表1所示。其中主軸轉速均取10000r/min。
 
3.3結果與分析
　　試驗獲得的電壓信號通過(guò)板卡PCH1200進(jìn)行數據采集、A/D轉換,送入計算機,經(jīng)Labview軟件分析可獲取試驗結果如圖4~5所示。圖4為立銑過(guò)程中涂層立銑刀與淬硬鋼工件之間的界面溫度隨切削速度的變化趨勢,當主軸轉速低于--定值時(shí),隨著(zhù)切削溫度的增加,刀工界面溫度隨之，上升,當主軸轉速超過(guò)這--定值時(shí),刀工界面溫度不再明顯上升而后保持穩定。這與薩洛蒙的高速切削理論相悖而與MeGee的理論-致。圖5為刀具磨損、加工形式對刀具工件界面溫度的影響變化。當使用后刀面磨損為0.3mm的刀具時(shí),所測界面溫度相比新刀具切削時(shí)切削溫度要更高,分析原因為磨鈍的刀具與工件表面具有更多地接觸面積,更大的摩擦力,從而產(chǎn)生更多的切削熱;當采用粗加工時(shí),刀具工件界面溫度最高,半精加工次之，精加工最低。原因為粗加工時(shí)軸向切深與徑向切深相對較半精加工與精加工時(shí)大,而精加工的軸向及徑向切深最小。因此看出,切削用量越小,界面溫度越低。
 
4結論
(1)運用夾絲熱電偶法設計了直接測量高速切削動(dòng)態(tài)溫度的計算機輔助測溫裝置,可以測取刀具工件之間的界面溫度。設計結構簡(jiǎn)單,稍加改動(dòng)還可用于瞬態(tài)車(chē)削溫度的測量,為瞬態(tài)切削溫度的測量提供新的手段。
(2)基于Labview的虛擬儀器軟件技術(shù)給切削溫度的計算機輔.助側量帶來(lái)了較大的編程方便性、較強的功能和靈活性，尤其是在切削溫度數據的處理和圖像化顯示方面。
(3)在高速切削淬硬鋼時(shí),切削溫度隨切削速度增大而增大，達到一定速度后,切削溫度沒(méi)有明顯增加，這與McGee的理論--致。并且刀具磨損越大,切削溫度越高,軸向切深及徑向切深越大,切削溫度也越高。