切削温度测量方法综述（一）

月下寒霜

　　一、引言
　　在机械制造业中，虽然已发展出各种不同的零件成型工艺，但目前仍有90%以上的机械零件是通过切削加工制成。在切削过程中，机床作功转换为等量的切削热，这些切削热除少量逸散到周围介质中以外，其余均传入刀具、切屑和工件中，刀具、工件和机床温升将加速刀具磨损，引起工件热变形，严重时甚至引起机床热变形。因此，在进行切削理论研究、刀具切削性能试验及被加工材料加工性能试验等研究时，对切削温度的测量非常重要。测量切削温度时，既可测定切削区域的平均温度，也可测量出切屑、刀具和工件中的温度分布。常用的切削温度测量方法主要有热电偶法、光辐射法、热辐射法、金相结构法等。
　　二、切削温度测量方法
- R  _0 N, J( Q/ j4 _( `' c' u　　1.热电偶法
　　当两种不同材质组成的材料副(如切削加工中的刀具—工件)接近并受热时，会因表层电子溢出而产生溢出电动势，并在材料副的接触界面间形成电位差(即热电势)。由于特定材料副在一定温升条件下形成的热电势是一定的，因此可根据热电势的大小来测定材料副(即热电偶)的受热状态及温度变化情况。采用热电偶法的测温装置结构简单，测量方便，是目前较成熟也较常用的切削温度测量方法。
8 ]+ C1 Z$ R/ e* V! v: d　　根据不同的测量原理和用途，热电偶法又可细分为以下几种：
　　(1)自然热电偶法
% N' y( J. Q$ m  o9 w. o; `　　自然热电偶法主要用于测定切削区域的平均温度。采用自然热电偶法的测温装置是利用刀具和工件分别作为自然热电偶的两极，组成闭合电路测量切削温度。刀具引出端用导线接入毫伏计的一极，工件引出端的导线通过起电刷作用的铜顶尖接入毫伏计的另一极。测温时，刀具与工件引出端应处于室温下，且刀具和工件应分别与机床绝缘。切削加工时，刀具与工件接触区产生的高温(热端)与刀具、工件各自引出端的室温(冷端)形成温差电势，该电势值可用接入的毫伏计测出，切削温度越高，该电势值越大。切削温度与热电势毫伏值之间的对应关系可通过切削温度标定得到。根据切削实验中测出的热电势毫伏值，可在标定曲线上查出对应的温度值。
　　采用自然热电偶法测量切削温度简便可靠，可方便地研究切削条件(如切削速度、进给量等)对切削温度的影响。值得注意的是，用自然热电偶法只能测出切削区的平均温度，无法测得切削区指定点的温度；同时，当刀具材料或(和)工件材料变换后，切削温度—毫伏值曲线也必须重新标定。
　　(2)人工热电偶法
　　人工热电偶法(也称热电偶插入法)可用于测量刀具、切屑和工件上指定点的温度，并可测得温度分布场和最高温度的位置。人工热电偶法测温装置是在刀具或工件被测点处钻一个小孔(孔径越小越好，通常φ＜0.5mm＝，孔中插入一对标准热电偶并使其与孔壁之间保持绝缘。切削时，热电偶接点感受出被测点温度，并通过串接在回路中的毫伏计测出电势值，然后参照热电偶标定曲线得出被测点的温度。
0 ~7 t) ^8 k6 D( p/ K( x　　人工热电偶法的优点是：对于特定的人工热电偶材料只需标定一次；热电偶材料可灵活选择，以改善热电偶的热电敏感性和动态响应速度，提高热电偶传感质量。但由于将人工热电偶埋入超硬刀具材料(如陶瓷、PCBN、PCD等)内比较困难，因此限制了该方法的推广应用。
　　(3)半人工热电偶法
　　将自然热电偶法和人工热电偶法结合起来即组成了半人工热电偶法。半人工热电偶是将一根热电敏感材料金属丝(如康铜)焊在待测温点上作为一极、以工件材料或刀具材料作为另一极而构成的热电偶。采用该方法测量切削温度的工作原理与自然热电偶法和人工热电偶法相同。由于半人工热电偶法测温时采用单根导线连接，不必考虑绝缘问题，因此得到了较广泛的应用。
  q) T0 `" W) y/ E3 S5 O　　(4)等效热电偶法
- Y+ @) v% |* l5 g: u7 S9 ^7 K　　采用自然热电偶法测量切削温度时，由于温升的影响，导线引出点的温度已不是标定时的室温，因此需要进行冷端温度补偿。但冷端温度补偿在原理和具体实现方法上均存在一定问题，如测量PCBN刀具的切削温度时，由于作为热电偶一端的PCBN复合片尺寸小、导热系数大，导线引出点的温升较大，影响测量精度，需要予以消除，但采用接长刀片消除法在PCBN刀具上不易实现，若采用附加电势消除法则因刀片引出点有温升，所测电动势也难以反映真正的切削温度。此时，可采用等效热电偶法测量PCBN焊接车刀外圆车削的切削温度，其工作原理是由刀片与工件组成自然热电偶的两极，热端为刀—屑接触部分A(其平均温度即为需要测量的切削温度θ)；冷端分别为工件与刀具的引出端。工件引出点C处的温度为室温θ0，刀具引出点B由于距离刀尖较近而有温升，由于B点温度是测量计算切削温度所必须的，因此需同时测量B点温度θ′。测量时，采用一标准热电偶(NiCr-NiSi)测量B点温度θ′(其中NiCr端也是主测量回路C-AB的引出端)。测量得到两个热电动势：E1为工件—刀具—导线(NiCr)所构成的主测量回路产生的热电动势；E2为标准热电偶(NiCr-NiSi)产生的热电动势。通过标定装置获得各材料间的热电特性曲线，求出其斜率，再由测得的E1、E2计算出切削温度θ为：
8 Y+ s1 R% o2 ^8 D7 h6 `6 u# D" x, N　　θ=E1/bWT+(bbw+bWT)E2/bbbWT+θ0
　　式中：bWT为工件—刀具的热电特性曲线斜率；bbw为导线—工件的热电特性曲线斜率；bb为刀具引出点测量热电偶热电特性曲线斜率。
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