CN103128599B - 一种用于高速钻削加工的切削温度监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高速钻削加工的切削温度监测装置，其包括温度模块支架组件和温度监测系统，所述温度支架组件设置于切削刀柄上，所述温度监测系统安装在该温度模块支架组件之中。本发明可通过一次对钻削刀具的实验设置实现刀具寿命周期内的长时间、连续的切削温度的监测，并且动平衡性能好、对工件材料没有要求，适用于金属或非金属材料高速钻削加工中长时间、连续变化切削温度的测量与记录。

Description

一种用于高速钻削加工的切削温度监测装置

技术领域

本发明涉及一种切削温度监测装置，具体涉及一种用于高速钻削加工的切削温度监测装置，属于机械工程技术领域。

背景技术

钻削加工作为传统机械加工工艺中最为基本的一种切削加工方法，用来在工件上生成孔，钻孔工序约占机械加工总量的40～50%。近年来随着机械结构零部件材料－结构一体化的趋势，装配连接制孔工艺所占的比重快速上升，为了保证制孔质量、提高加工效率，高速钻削技术被广泛重视。然而，钻削本身作为一种半封闭式的机械加工方法，切削条件相对恶劣，钻削力和钻削热都较为集中地产生在钻削刀具与工件相互作用的切削区域内，极易造成材料剧烈变形所形成的大钻削力(扭矩、轴向力)和切削热量集中所形成的钻削高温。其中，钻削温度对钻削工艺的影响随着高速钻削技术的应用更加显著，过高的钻削温度会直接导致钻屑变形复杂、钻头磨损严重、使用寿命短等问题，这也会间接导致孔加工精度和孔加工表面质量的下降。在高速钻削高温、高强度难加工材料和对温度极为敏感的树脂基复合材料时，钻削温度的控制更是成为保证加工效率和制孔质量的关键所在，过高的钻削温度将会直接导致刀具失效和孔加工质量不合格。因此，在高速钻削条件下对钻削温度进行长时间、连续的监测，以此为依据建立在刀具寿命周期内的切削温度变化和孔加工质量变化模型并进行钻削工艺优化，是高速钻削加工技术应用的必要条件。

对于开放式切削加工（如车削）的长时间、连续变化温度监测一般采用辐射温度原理获取，最常用的是红外热像仪法和光纤红外温度计法。由于切削区域半封闭，辐射无法直接到达，因此这类方法对于钻削加工的切削温度监测是不适用的。目前对钻削温度的测量仍然以瞬时切削温度的采集为主，还无法对钻削温度的变化进行长时间、连续的监测。钻削瞬时切削温度的实验测量则一般采用在工件中埋入热电偶的方法来获取某点瞬时温度值。常见的方法有两种，一是人工热电偶法，直接埋入热电偶对来采集距离切削刃较近的工件上某点的瞬时钻削温度，二是半人工热电偶法，利用工件材料作为热电偶对中的一极，与埋入工件材料的另一极热电偶组成热电偶对，直接测量切削刃上某一点的瞬时钻削温度。人工热电偶法的优点在于可利用标准热电偶，工件材料不同也不需要进行标定；半人工热电偶法的优点是能直接获得切削刃上的温度。但两种方法都涉及到先要在工件上制直径小于0.5mm的小孔且埋入热电偶，并对热电偶所埋位置有严格要求，因此实验设置比较复杂，且一次实验设置仅能完成一个切削瞬时温度值的测量，而无法获得对刀具寿命和孔加工质量有直接影响的长时间、连续变化的切削温度的监测记录。此外，对于一些无法使用电火花制小孔的工件材料（如树脂基增强复合材），半人工热电偶测温也有较大的实践难度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于人工热电偶测温原理的用于高速钻削加工的切削温度监测装置，其将实验装置固定在旋转的钻削刀具上，能够通过一次的实验设置，实现对钻削刀具在刀具寿命周期内的长时间、连续的切削温度监测，并且对所钻削的工件材料没有要求。

本发明是通过以下技术方案来解决其技术问题的：

一种用于高速钻削加工的切削温度监测装置，其包括温度模块支架组件和温度监测系统，所述温度支架组件设置于切削刀柄上，所述温度监测系统安装在该温度模块支架组件之中。

所述的温度模块支架组件包括：温度模块支架、胀紧连接套、上支架盖板、下支架盖板、下支架盖压紧螺钉和上支架盖压紧螺钉，其中，温度模块支架设有两对称的内腔，并通过套胀紧连接套的鼓涨作用与所述切削刀柄连接在一起，上支架盖板通过上支架盖压紧螺钉与温度模块支架的上端相连接，下支架盖板通过下支架盖压紧螺钉与温度模块支架的下端相连接。

所述的温度监测系统包括：钻削刀具、两存储式温度采集模块和两标准热电偶，其中，钻削刀具安装在切削刀柄之中并设有两沿轴向贯通刀体的内冷孔，两存储式温度采集模块分别设置于所述温度模块支架中的两内腔中，两标准热电偶产生由切削热量导致的热电势信号，并且从钻削刀具的钻尖处分别穿过两内冷孔延伸至所述温度模块支架中的两内腔，最终连接至两存储式温度采集模块。

所述的存储式温度采集模块集成有能够独立提供工作电源的电源子模块和能够实现热电势信号数据长时间、连续记录并存储的存储子模块。

所述的温度模块支架组件的温度模块支架、胀紧连接套、上支架盖板、下支架盖板、下支架盖压紧螺钉和上支架盖压紧螺钉的分布呈对称状，在绕所述切削刀柄的轴线高速旋转时保持动平衡。

所述的温度模块支架组件与切削刀柄的安装同轴度由所述胀紧连接套分别鼓涨挤紧切削刀柄和温度模块支架来保证。

与现有的技术比较，本发明将一套包括标准热电偶在内的温度监测装置埋入钻削刀具，实现了通过一次实验设置完成在刀具寿命周期内长时间、连续测量与记录切削温度的变化，本发明的优点和效果是：利用自带电源和内存集成的存储式温度采集模块，实现了长时间、连续的切削温度的监测；结构呈对称分布，因此动平衡性能好，能够实现高速钻削的切削温度监测；对工件材料没有要求，能够监测金属或非金属材料（如树脂基复合材料）的钻削温度，也无须在工件材料上钻小孔埋入热电偶。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1中A部放大图。

图中，

1切削刀柄，2温度模块支架，3胀紧连接套，4上支架盖板，5下支架盖板，6下支架盖压紧螺钉，7上支架盖压紧螺钉，8钻削刀具，9存储式温度采集模块，10标准热电偶。

具体实施方式

本发明是一种用于高速钻削系统中长时间、连续变化切削温度监测的装置，其基于人工热电偶测温原理，通过将实验装置一次设置在旋转的钻削刀具上，实现刀具寿命周期内的长时间、连续的切削温度监测，具体是利用钻削刀具的内冷孔埋入标准热电偶，再通过存储式的热电势采集模块实现长时间、连续切削温度的采集。整套监测装置通过动平衡设计保持装置在旋转时的高速性能，并保证其长时间、连续的监测数据记录。

下面结合实施例和附图对本发明作详细说明，本实施例以发明技术方案为前提，给出了详细的实施方法和具体操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例所述用于高速钻削加工的切削温度监测装置包括：温度模块支架组件和温度监测系统两部分，所述温度支架组件设置于安装在机床上的切削刀柄1上，所述温度监测系统安装在该温度模块支架组件之中。

所述的温度模块支架组件包括：温度模块支架2、胀紧连接套3、上支架盖板4、下支架盖板5、下支架盖压紧螺钉6和上支架盖压紧螺钉7。温度模块支架2设有两对称的内腔，并通过两胀紧连接套3的鼓涨作用与切削刀柄1连接在一起，上支架盖板4通过上支架盖压紧螺钉7与温度模块支架2的上端相连接，下支架盖板5通过下支架盖压紧螺钉6与温度模块支架2的下端相连接。

由于钻削系统的回转速度极高，结构承载部分的温度模块支架组件在制造和安装上有严格的动平衡要求，本发明的高速回转性能通过以下方式实现：所述的温度模块支架组件，包括温度模块支架2、胀紧连接套3、上支架盖板4、下支架盖板5、下支架盖压紧螺钉6和上支架盖压紧螺钉7的结构分布呈对称状，以达到其在绕所述切削刀柄1的轴线高速旋转时保持动平衡。所述温度模块支架组件与切削刀柄1的安装同轴度由安装在温度模块支架2上下两端的两胀紧连接套3分别鼓涨挤紧切削刀柄1和温度模块支架2来保证。所述温度模块支架2、胀紧连接套3、上支架盖板4和下支架盖板5都应在零件加工中提出明确的对称、动平衡性能要求，此外温度模块支架组件的所有组成零件都应采用质量较轻的高强铝合金或其他轻合金材料，以减轻偏心质量，保证高速旋转的能力。

所述的温度监测系统包括：钻削刀具8、两存储式温度采集模块9和两标准热电偶10。所述钻削刀具8安装在切削刀柄1之中并设有两沿轴向贯通刀体的内冷孔，两个存储式温度采集模块9分别设置于所述温度模块支架2中的两个对称内腔中，两根标准热电偶10产生由切削热量导致的热电势信号，见图2，并且从钻削刀具8的钻尖处分别穿过两内冷孔延伸至所述温度模块支架2中的两内腔，最终连接至两存储式温度采集模块9。切削刀柄1上开设有两对称的小孔，以便让两标准热电偶10从钻削刀具8延伸到达温度模块支架2一侧。

所述两标准热电偶10采用标准热电偶，可以根据所钻削材料和钻削参数的不同来选择不同类型的热电偶，如钻削高温高强材料可选择K型标准热电偶，切削温度较低的树脂基材料则可选择J型标准热电偶。两标准热电偶10通过高温胶固定在位于钻削刀具8后刀面上内冷孔的出口处，注意最好不要被高温胶埋入，以免影响监测温度数据的准确性。

本发明的长时间、连续变化切削温度信号的监测通过以下方式实现：所述的存储式温度采集模块9集成有电源子模块和存储子模块，该电源子模块能够独立提供工作电源，实现装置脱离外部电源而工作，该存储子模块能够实现热电势信号数据的长时间、连续记录和存储。

所述温度监测系统中的存储式温度采集模块9可根据具体监测需求而采用不同的子模块组合，对于要求监测时间较长的钻削刀具8可采用内存较大的模块，对于要求监测温度更准确的可采用数据采集频率更高的模块。

本发明所述用于高速钻削加工的切削温度监测装置的初次安装较为复杂，应注意装配顺序。首先应该让上支架盖板4、两胀紧连接套3、温度模块支架2安置到位，注意必须将温度模块支架2旋转至使切削刀柄1上的两个过线小孔暴露在其两个内腔中，然后通过上支架盖压紧螺钉7压紧上支架盖板4，此时温度模块支架2已经通过上端的胀紧套与切削刀柄1之间基本固定；然后将已经埋入两标准热电偶10的钻削刀具8安装在切削刀柄1中，并使两根热电偶线分别穿入温度模块支架2的两个内腔；然后将两个存储式温度采集模块9分别装入温度模块支架2的两个内腔，并将腔内的热电偶线插入两存储式温度采集模块9内；套入下支架盖板5，并用下支架盖压紧螺钉6将其压紧，此时温度模块支架2在上下两端通过胀紧连接套3与切削刀柄1对中挤紧并结合在了一起，从而完成初次安装。

本发明所述用于高速钻削加工的切削温度监测装置的简要工作流程为：设置在钻削刀具8内冷孔中的两标准热电偶10的末端位于钻削刀具8上，钻削过程中产生的切削热量传递到钻削刀具8的后刀面上并使得两标准热电偶10产生由其导致的热电势信号，热电势信号被两存储式温度采集模块9长时间、连续记录并完成存储。需要读取监测记录时只需松开下支架盖压紧螺钉6，取下下支架盖板5，从温度模块支架2向下开口的两个内腔中取出两存储式温度采集模块9，即可进行数据读取，获得钻削刀具8从开始记录温度到刀具失效的全刀具寿命周期内的连续温度数值。

Claims (4)

1.一种用于高速钻削加工的切削温度监测装置，其特征在于：所述切削温度监测装置包括温度模块支架组件和温度监测系统，所述温度支架组件设置于切削刀柄上，所述温度监测系统安装在该温度模块支架组件之中；所述的温度模块支架组件包括：温度模块支架、胀紧连接套、上支架盖板、下支架盖板、下支架盖压紧螺钉和上支架盖压紧螺钉，其中，温度模块支架设有两对称的内腔，并通过套胀紧连接套的鼓涨作用与所述切削刀柄连接在一起，上支架盖板通过上支架盖压紧螺钉与温度模块支架的上端相连接，下支架盖板通过下支架盖压紧螺钉与温度模块支架的下端相连接；所述的温度监测系统包括：钻削刀具、两存储式温度采集模块和两标准热电偶，其中，钻削刀具安装在切削刀柄之中并设有两沿轴向贯通刀体的内冷孔，两存储式温度采集模块分别设置于所述温度模块支架中的两内腔中，两标准热电偶产生由切削热量导致的热电势信号，并且从钻削刀具的钻尖处分别穿过两内冷孔延伸至所述温度模块支架中的两内腔，最终连接至两存储式温度采集模块。

2.根据权利要求1所述的用于高速钻削加工的切削温度监测装置，其特征在于：所述的存储式温度采集模块集成有能够独立提供工作电源的电源子模块和能够实现热电势信号数据长时间、连续记录并存储的存储子模块。

3.根据权利要求1所述的用于高速钻削加工的切削温度监测装置，其特征在于：所述的温度模块支架组件的温度模块支架、胀紧连接套、上支架盖板、下支架盖板、下支架盖压紧螺钉和上支架盖压紧螺钉的分布呈对称状，在绕所述切削刀柄的轴线高速旋转时保持动平衡。

4.根据权利要求1所述的用于高速钻削加工的切削温度监测装置，其特征在于：所述的温度模块支架组件与切削刀柄的安装同轴度由所述胀紧连接套分别鼓涨挤紧切削刀柄和温度模块支架来保证。