材料去除过程中的温度测量技术
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余 拉 应力和 裂纹） ，其结 果将 会导 致零件 的抗 磨损性 能 降低 、抗 疲劳 性Hale Waihona Puke Baidu 变差 ，从而 降低 了零件 的
使 用寿命和 工件可靠 性 ，导 致工件尺 寸精 度 、形状 精度误 差和 刀具 的使用寿命 降低 。材 料去 除过程
和工件质 量密切相 关 ，材料 去除过程 中对温度 的测量 至关重要 。论 述 了材料 去除过程 中应用最广 泛 的车 削加 工、铣 削加工 、钻 削加工 、固结磨 料； Ｔ、游离磨 料； Ｔ、 电火花 加工 的温度 测量 方法和 ｂ ｎ ｂ ｉ
化 ；传 感 器 的稳 定性 ；传 感器 干 扰下 的温 度场 ；信 号
种 类／ 声敏 感度 ；响应 时间 ｉ不确 定性 。 噪 在 材 料去 除过程 中 ，许 多与 热 电偶 有关 的误 差来 源不 能最 小化 ，而是 可 以通过 去 除过 程本 身补 偿 。一
然 而在 目前 的制造 工 艺 中 ，切 削 热仍 然 不容 易测 量 或
影 响 尺寸精 度 ，这是 不利 的 方面 。 另一 方面 ，它如 果 控 制得 当 ，切 削 热可 以使 工件 表 面产 生理 想 的硬 化 。
要 原 因。
在材 料去 除过 程 中温度 测量 是 间接 得到 的结 果 ，
因而 目前大部分测量温度的方法都可用于材料的去除
过程 。 选 择 温 度 测 量 方法 时 应 考 虑 的 因素 ：温 度 变
．
检
潮 技 柬
材料 去除过程 中的温度测量 技术
摘 要 ：材 料去 除加 工 （ 除单位 材料 体积 所产 生 的能量 ）对工件 表 面质量 和使 用性 能 影口 极 去 向 大。特 别是 当温度在 刀具／ 工件界面 上超过 某一 临界值 时 ，就 会 引起 表面 的热损伤 （ 化 、烧 伤 、残 氧
性 如何 应用 于测 量 铣削 温度 。 动 态 热 电偶 通 过 另 一 个 滑 环 用 于 铣 削 。 不过 ， 旋 转二 次热 连 接 ，如插 口和 刀柄 、刀 具和 夹 头 、夹头 和 刀柄 、 刀 柄和 机 床 主 轴 是 复 杂 的 问题 。 Ｎａ ｕ ａ ｉ ｔ ｋｎ ｒ 等 人是 首 先运 用 刀具 工件 热 电偶在 间断切 削 过程 中未
控制。例如，当使用冷却剂时，目前许多测量方法并
不 适用 。
般情况下 ，无论是动态还是静态的热电偶 ，都是非常
实用 的 ，但是 考虑 到 热 电偶 测 量； Ｔ 温度 的复 杂性 ， ｂ Ｕ
由于扩散 、化学反应和热软化都取决于温度参
数 ，温度 的提 高会对材料去除 的生产率带来不利影 响。磨 损的切 削刃和材料的扩散对周 围温度也很敏
感 。 由于 在 刀 具／ 件 切 削 面 的 温 度 随切 削 速 度 增 Ｔ
加 ，相 应 磨 损 的增加 是 使切 削加 工剧 烈 变化 的 一个 重 ２ 年第３期 ０１ ２
以及把不确定性相对标准减少到１ ％以下的困难性 ， Ｏ
热 电偶 测 量装 置只 能 应用 于理 想 的工作 条件 下 。特 别 强调 的是 不 同类 型的 热 电偶测 量 装置 可应 用到 不 同材
料去除过程中，如车削、磨削、铣削、钻削加工等。
汽 车 Ｔ 艺 － 材 料 Ａ＆ ６ ５ ＴＭ ｊ ３
箍
溺 技
２ 切削／ 削加工温度测量技术 磨
２ １ 车 削加 工 ． 车削 温度 可通 过检 查氧 化 切 屑 的颜 色和 热 物理 的 方法 来初 步 估计 。定 量 测量 则 通过 嵌入 式 系统 和动 态 热 电偶 。 这两 种 方法 已被 证 明非 常实 用。 用于 温 度 测 量 的热 电偶 遇 到 的最 大 困难 是 在 交 界处 要经 受较 大热梯 度 。对 于嵌 入 式热 电偶 ，热 电偶 的插 入使 系统 发 生重 大 变化 ，因此 导致 测量 误 差。 此 外 ，嵌入 式 热 电偶 的热 接头 处和 刀具 将 经 受 大热梯 度
影 响。 刀具 内置热 电偶 时 ，只 有 当交界 处等温 的情 况
下 ，才 能避 免热 接 头 处的额 外 误差 （ 工件 和 刀具 之 在 间 ，在 通 常情 况下 ，插 在 刀 片和 刀柄 之 间 ）。几 十年 来 ，车 削工 艺热 电偶 测 量 的大 部 分工作 一 直致 力于 消
大 大超 过 同类 的车 削试 验 。然 而 ，许 多研 究者 试 图测 量 间 断 的切 削 和铣 削过 程 ，特 别 关注 动态 热 电偶 。 同 时 ，还 研 究 了嵌入 热 电偶 和直 接辐 射 以及 比例 辐 射特
片 之 间的界 面 使用 。该 刀 具垫 片界 面 温度 结果 又 反馈
到 有 限 元模 型来 预 测 刀具／ 屑 界 面 的平 均 温 度 。 结 切 果 表 明 ，平均 切 削 温度 为 ６ ０～７ ０℃ ，并 且 随着 较 ０ ０ 高 的切 割速 度和进 料 速度 而增 加 。
２２ 铣 肖 力 工 ． ＵⅡ 测 量 旋 转 刀具 和 多 个 运 动 轴 的 试 验 使 铣 削难 度
关键技 术。 关键 词 ：材 料去 除 温度 测量 文 献标 识码 ：Ａ
中图分类 号 ：Ｔ ５ １４ Ｇ ０．
● ●
青 岛理工 大学 机械 工程 学 院 李晶 尧 李 长河 国 家海洋 局第 二海 洋研 究所 欧阳伟
１ 引言
在材料去除过程中，温度的变化和零件的质量直
接相 关 。一 方面 ，它通 过工 件 亚表 面损 伤和 残 余应 力
（ 类似 于红 外 成像 ） 程 序 ，在许 多 材料 中的磨 损和 和
不磨 损 碳化 物插 入 热 电偶 ，从 而 能够 给切 割温 度 提供 全 面 的数据 ，通过 温度 测 量来 确定 车 削 中 的对流 换热 系 数 ，这个 数据 对 于准 确预 测 工件 热膨 胀 所导 致 的加
工 误差 非常 必 要 。Ｋ 热 电偶 被 远 程放 置 于 刀具 和 垫 型
使 用寿命和 工件可靠 性 ，导 致工件尺 寸精 度 、形状 精度误 差和 刀具 的使用寿命 降低 。材 料去 除过程
和工件质 量密切相 关 ，材料 去除过程 中对温度 的测量 至关重要 。论 述 了材料 去除过程 中应用最广 泛 的车 削加 工、铣 削加工 、钻 削加工 、固结磨 料； Ｔ、游离磨 料； Ｔ、 电火花 加工 的温度 测量 方法和 ｂ ｎ ｂ ｉ
化 ；传 感 器 的稳 定性 ；传 感器 干 扰下 的温 度场 ；信 号
种 类／ 声敏 感度 ；响应 时间 ｉ不确 定性 。 噪 在 材 料去 除过程 中 ，许 多与 热 电偶 有关 的误 差来 源不 能最 小化 ，而是 可 以通过 去 除过 程本 身补 偿 。一
然 而在 目前 的制造 工 艺 中 ，切 削 热仍 然 不容 易测 量 或
影 响 尺寸精 度 ，这是 不利 的 方面 。 另一 方面 ，它如 果 控 制得 当 ，切 削 热可 以使 工件 表 面产 生理 想 的硬 化 。
要 原 因。
在材 料去 除过 程 中温度 测量 是 间接 得到 的结 果 ，
因而 目前大部分测量温度的方法都可用于材料的去除
过程 。 选 择 温 度 测 量 方法 时 应 考 虑 的 因素 ：温 度 变
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材料 去除过程 中的温度测量 技术
摘 要 ：材 料去 除加 工 （ 除单位 材料 体积 所产 生 的能量 ）对工件 表 面质量 和使 用性 能 影口 极 去 向 大。特 别是 当温度在 刀具／ 工件界面 上超过 某一 临界值 时 ，就 会 引起 表面 的热损伤 （ 化 、烧 伤 、残 氧
性 如何 应用 于测 量 铣削 温度 。 动 态 热 电偶 通 过 另 一 个 滑 环 用 于 铣 削 。 不过 ， 旋 转二 次热 连 接 ，如插 口和 刀柄 、刀 具和 夹 头 、夹头 和 刀柄 、 刀 柄和 机 床 主 轴 是 复 杂 的 问题 。 Ｎａ ｕ ａ ｉ ｔ ｋｎ ｒ 等 人是 首 先运 用 刀具 工件 热 电偶在 间断切 削 过程 中未
控制。例如，当使用冷却剂时，目前许多测量方法并
不 适用 。
般情况下 ，无论是动态还是静态的热电偶 ，都是非常
实用 的 ，但是 考虑 到 热 电偶 测 量； Ｔ 温度 的复 杂性 ， ｂ Ｕ
由于扩散 、化学反应和热软化都取决于温度参
数 ，温度 的提 高会对材料去除 的生产率带来不利影 响。磨 损的切 削刃和材料的扩散对周 围温度也很敏
感 。 由于 在 刀 具／ 件 切 削 面 的 温 度 随切 削 速 度 增 Ｔ
加 ，相 应 磨 损 的增加 是 使切 削加 工剧 烈 变化 的 一个 重 ２ 年第３期 ０１ ２
以及把不确定性相对标准减少到１ ％以下的困难性 ， Ｏ
热 电偶 测 量装 置只 能 应用 于理 想 的工作 条件 下 。特 别 强调 的是 不 同类 型的 热 电偶测 量 装置 可应 用到 不 同材
料去除过程中，如车削、磨削、铣削、钻削加工等。
汽 车 Ｔ 艺 － 材 料 Ａ＆ ６ ５ ＴＭ ｊ ３
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溺 技
２ 切削／ 削加工温度测量技术 磨
２ １ 车 削加 工 ． 车削 温度 可通 过检 查氧 化 切 屑 的颜 色和 热 物理 的 方法 来初 步 估计 。定 量 测量 则 通过 嵌入 式 系统 和动 态 热 电偶 。 这两 种 方法 已被 证 明非 常实 用。 用于 温 度 测 量 的热 电偶 遇 到 的最 大 困难 是 在 交 界处 要经 受较 大热梯 度 。对 于嵌 入 式热 电偶 ，热 电偶 的插 入使 系统 发 生重 大 变化 ，因此 导致 测量 误 差。 此 外 ，嵌入 式 热 电偶 的热 接头 处和 刀具 将 经 受 大热梯 度
影 响。 刀具 内置热 电偶 时 ，只 有 当交界 处等温 的情 况
下 ，才 能避 免热 接 头 处的额 外 误差 （ 工件 和 刀具 之 在 间 ，在 通 常情 况下 ，插 在 刀 片和 刀柄 之 间 ）。几 十年 来 ，车 削工 艺热 电偶 测 量 的大 部 分工作 一 直致 力于 消
大 大超 过 同类 的车 削试 验 。然 而 ，许 多研 究者 试 图测 量 间 断 的切 削 和铣 削过 程 ，特 别 关注 动态 热 电偶 。 同 时 ，还 研 究 了嵌入 热 电偶 和直 接辐 射 以及 比例 辐 射特
片 之 间的界 面 使用 。该 刀 具垫 片界 面 温度 结果 又 反馈
到 有 限 元模 型来 预 测 刀具／ 屑 界 面 的平 均 温 度 。 结 切 果 表 明 ，平均 切 削 温度 为 ６ ０～７ ０℃ ，并 且 随着 较 ０ ０ 高 的切 割速 度和进 料 速度 而增 加 。
２２ 铣 肖 力 工 ． ＵⅡ 测 量 旋 转 刀具 和 多 个 运 动 轴 的 试 验 使 铣 削难 度
关键技 术。 关键 词 ：材 料去 除 温度 测量 文 献标 识码 ：Ａ
中图分类 号 ：Ｔ ５ １４ Ｇ ０．
● ●
青 岛理工 大学 机械 工程 学 院 李晶 尧 李 长河 国 家海洋 局第 二海 洋研 究所 欧阳伟
１ 引言
在材料去除过程中，温度的变化和零件的质量直
接相 关 。一 方面 ，它通 过工 件 亚表 面损 伤和 残 余应 力
（ 类似 于红 外 成像 ） 程 序 ，在许 多 材料 中的磨 损和 和
不磨 损 碳化 物插 入 热 电偶 ，从 而 能够 给切 割温 度 提供 全 面 的数据 ，通过 温度 测 量来 确定 车 削 中 的对流 换热 系 数 ，这个 数据 对 于准 确预 测 工件 热膨 胀 所导 致 的加
工 误差 非常 必 要 。Ｋ 热 电偶 被 远 程放 置 于 刀具 和 垫 型