CN104772657B - 一种侧铣加工的切削温度监控装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种侧铣加工的切削温度监控装置，其包括温度模块支架组件和温度监测系统；所述温度监测系统安装于所述温度模块支架组件上，所述温度模块支架组件安装于立式铣床的主轴上并对该温度监测系统进行沿所述主轴的轴向和径向的位置调整；所述温度监测系统对空切区域内刀具表面不同角度位置的温度进行同步在线测量，再对测得的温度数据进行拟合处理，得到切削区域内部的温度范围及温度分布状况。本发明实现了非接触式测量，通过对测得的刀具上多个点的温度数据进行处理，获得切削区域内部的温度状况，完成切削区域内部三维温度场的测量，具有操作方便、测量精确、数据全面的优点。

Description

一种侧铣加工的切削温度监控装置及方法

技术领域

本发明涉及一种机械加工过程中切削温度的监控装置及方法，具体涉及一种采用非接触红外传感器的侧铣加工的切削温度监控装置及方法，属于机械切削加工技术领域。

背景技术

铣削是一种极为常用的高效率切削加工方法，是指使用旋转的多刃刀具对工件进行切削的加工方式。在铣削过程中，特别是在铣削具有低热导率、高化学活性的材料(如钛合金)的过程中，工件铣削区域和刀具的温升将导致刀具迅速磨损并发生严重的粘刀现象。因此对于铣削加工，为了降低刀具磨损，延长刀具使用寿命，提高铣削质量和效率，在过程中随时测量和控制铣削区域的温度就显得极为关键。

目前，常用的用于铣削的测温方法主要有以下两种：

(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所形成的热电势是一定的，因此可以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。热电偶法具体可分为自然热电偶法、人工热电偶法、半人工热电偶法以及等效热电偶法。人工热电偶法可用于测量刀具、切屑和工件上指定点的温度，是目前较成熟也比较常用的切削区域温度测量方法，然而这种方法需要在刀具或工件被测点处钻一个小孔(孔径越小越好，通常)，不仅准备工作量大，而且在更换刀具或工件时就显得费工费时，十分繁琐。

(2)光、热辐射法

光、热辐射法测量切削温度的原理是，刀具、切屑和工件在受热时都会产生一定强度的光、热辐射，并且辐射强度随温度升高而加大，因此可以通过测量光、热辐射的能量来间接测定切削温度。光、热辐射法具体可分为辐射高温计法和红外热像仪法。光、热辐射法往往只限用于测量工件和刀具外表面的温度，而且还受到传感器具体布置范围的限制。由于在铣削过程中刀具与铣削区域直接接触，因此采用光、热辐射法无法直接获得切削区域内部的温度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种采用红外传感器的侧铣加工的切削温度监控装置及方法，在侧铣加工过程中，采用多个红外探测器分别对空切区域铣刀表面不同位置的温度进行同步测量，从而获得空切时刀具上多个特定点的温度，再通过对温度曲线进行回归分析，得到切削区域内部的温度。

本发明的工作原理见图1，刀具9对工件8进行侧铣的过程中，旋转的刀具9的外周将周期性地经过去除材料的切削区域(图中涂黑部分)和不进行切削的空切区域(图中空白部分)，过程中刀具9外周上各位置的温度是不同而且有规律的。请参阅图2一个旋转周期内刀具切削温度随刀具旋转角度变化的曲线图，图中虚线部分为空切区域内刀具温度随角度的变化曲线，实线部分为切削区域内刀具温度随角度的变化曲线。由图2可知，刀具温度为刀具9旋转角度的周期函数，空切区域内刀具温度随刀具旋转角度增大而逐渐降低，进入切削区域后，刀具温度随刀具旋转角度增大而迅速增加直至最高温度。由此易知，要获得切削区域内切削温度(图中实线部分)的分布范围(最低温度和最高温度)，只须确定刀具9在空切区域的温度范围即可，即只须对图中虚线部分进行测量即可。

请参阅图1，本发明通过多个独立红外传感器7分别探测刀具9侧面产生的红外辐射信号，测量获得空切区域内刀具9位于不同位置点(如120°、180°和240°三点)的温度，从而得到刀具9空切时多个点的温度分布数据；然后通过对测得的温度分布数据按二次函数关系进行拟合分析，得到刀具9空切时表面温度随旋转角度分布的函数关系，并由此得到切削区域内部的温度分布范围；再通过线性拟合分析，即可得到足够精确的切削区域内切削温度随旋转角度分布的函数关系，从而实现对切削区域温度的测量。

本发明是通过以下技术方案来解决其技术问题的：

一种侧铣加工的切削温度监控装置，其包括温度模块支架组件和温度监测系统；所述温度监测系统安装于所述温度模块支架组件上，所述温度模块支架组件安装于立式铣床的主轴上并对该温度监测系统进行沿所述主轴的轴向和径向的位置调整；所述温度监测系统对空切区域内刀具表面不同角度位置的温度进行同步在线测量，再对测得的温度数据进行拟合处理，得到切削区域内部的温度范围及温度分布状况。

作为进一步改进，所述的温度模块支架组件包括轴向调整部件和径向调整部件；所述轴向调整部件包括环形定位支架、轴向调整支架和轴向调整滑块，所述径向调整部件包括直线调整滑台和弧形调整支架。

作为进一步改进，所述的轴向调整滑块的上端设有螺纹，通过螺母调节所述轴向调整滑块在所述轴向调整支架内的轴向位置，并且调整固定在该轴向调整滑块上的径向调整部件沿所述主轴轴向的位置以实现对所述刀具沿轴向不同位置的温度的监测。

作为进一步改进，所述的温度监测系统包括依次连接的多个分离式红外测温传感器、A/D转换器和PC。

作为进一步改进，所述的分离式红外测温传感器和直线调整滑台的数量均为三个。

作为进一步改进，所述的预定的角度位置为120°、180°和240°。

作为进一步改进，所述的分离式红外测温传感器的光学分辨率为10:1，温度测量范围为0℃-1000℃，温度测量精度为±1％或±1℃，响应时间为20ms。

本发明的另一技术方案为：

一种采用上述监控装置实现的侧铣加工的切削温度监控方法，其采用多个分离式红外测温传感器对空切区域内刀具表面不同角度位置的温度进行同步在线测量，测得的各角度位置上的温度数据按照二次函数关系进行拟合分析，得到侧铣时刀具空切过程中刀具表面温度随旋转角度变化的第一函数关系，以得到切削区域内部的温度范围，再采用线性拟合分析方法，得到刀具去除材料阶段温度随刀具旋转角度变化的第二函数关系，从而得到切削区域内部的温度分布。

作为进一步改进，所述切削区域内部的温度测量精度由三个径向直线调整滑台与刀轴旋转中心的同心度保证。

本发明的有益效果在于：

本发明采用多个分离式红外传感器对刀具的不同角度位置的温度进行在线监测，通过对测得数据进行拟合处理，从而得到切削区域内部温度范围及其分布状况。与现有采用人工热电偶测温技术相比较，本发明实现了非接触式测量，完全不受刀具几何参数、工件材料参数及切削参数的影响，因而能够胜任各种条件下的侧铣加工的测温需求；本发明无需预先钻孔将热电偶丝埋入刀具或工件中，因此在实际测量过程中使用更为方便；此外，热电偶往往只能测量切削区域内部某一特定点的温度，而本发明带有位置调整装置，能够将各分离式红外传感器定位到具有不同角度、不同径向距离以及不同轴向高度的刀具上的特定点，从而同时测量刀具上多个点的温度，进而通过对温度数据进行处理后获得切削区域内部的温度状况，完成切削区域内部三维温度场的测量。

附图说明

图1为本发明的测温原理示意图。

图2为切削温度随刀具旋转角度变化的分布曲线图。

图3为本发明监控装置的结构示意图。

图4为本发明温度模块支架组件与分离式红外测温传感器的安装结构图。

图5为图4的仰视图。

图中，

1主轴，2环形定位支架，3轴向调整支架，4轴向调整滑块，5直线调整滑台，6弧形可调支架，7分离式红外测温传感器，8工件，9刀具，10夹具。

具体实施方式

本发明采用多个分离式红外测温传感器对空切区域内刀具表面不同角度位置的温度进行同步在线测量，测得的各角度位置上的温度数据按照二次函数关系进行拟合分析，得到侧铣时刀具空切过程中刀具表面温度随旋转角度变化的第一函数关系，以得到切削区域内部的温度范围，再采用线性拟合分析方法，得到刀具去除材料阶段温度随刀具旋转角度变化的第二函数关系，从而得到切削区域内部的温度分布。

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细说明，实施例以本发明的技术方案为前提，给出了详细的实施方法和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

请参阅图3，图示侧铣加工的切削温度监控装置包括温度模块支架组件和温度监测系统；所述温度监测系统安装于所述温度模块支架组件上，所述温度模块支架组件安装于立式铣床的主轴1上，并对该温度监测系统进行沿所述主轴的轴向和径向的位置调整；所述温度监测系统对空切区域内刀具9表面不同角度位置的温度进行同步在线测量，再对测得的温度数据进行拟合处理，得到切削区域内部的温度范围及温度分布状况。

所述的温度模块支架组件包括轴向调整部件和径向调整部件。

再请结合参阅图4和图5，所述轴向调整部件包括环形定位支架2、轴向调整支架3和轴向调整滑块4。该环形定位支架2为前后的两半圆环组合件，通过螺栓夹紧固定在所述主轴1上。所述轴向调整支架3通过螺钉固定在所述环形定位支架2上，并且该轴向调整支架3上开设有沿所述主轴1轴向的滑槽，所述轴向调整滑块4嵌入该滑槽，并且在其中沿主轴1轴向滑移，最后通过螺钉进行定位，保证其在轴向上的位置精度；所述的轴向调整滑块4的上端设有螺纹，通过螺纹传动和螺母调节可以调整所述轴向调整滑块4在所述轴向调整支架3内的轴向位置，从而调整固定在该轴向调整滑块4上的径向调整部件沿所述主轴1轴向的位置，以实现对所述刀具9沿轴向不同位置的温度的监测。

所述径向调整部件包括三个直线调整滑台5和弧形调整支架6。该弧形调整支架6为圆弧状构件，固定连接于所述轴向调整滑块4上，并且所述弧形调整支架6的圆弧圆心与所述刀具9的轴线同心，以保证所述分离式红外测温传感器7与刀具9的同轴度，该弧形调整支架6上开设有与圆弧同心的弧形槽；所述直线调整滑台5通过螺钉安装在该弧形槽中，通过调节该直线调整滑台5在弧形槽中的位置能够调整改变其与所述刀具9的角度位置，从而将分离式红外测温传感器7定位到不同的刀具旋转角度上。所述直线调整滑台5的下端部设有分离式红外测温传感器7的安装孔，通过所述直线调整滑台5的微调，该直线调整滑台5的下端部能够沿所述刀具9的径向移动，以靠近或离开所述刀具9的轴线，以调节所述分离式红外传感器7与刀轴的径向距离，保证三个分离式红外测温传感器7与刀具9的距离保持一致，从而减小由分离式红外传感器7位置误差所引起的测温误差。

请参阅图3，所述的温度监测系统包括依次连接的红外辐射采集仪、A/D转换器和PC以及与该红外辐射采集仪连接的三个分离式红外测温传感器7；该温度监测系统的精度为±1％或±1℃，显示分辨率为0.1℃。

所述三个分离式红外测温传感器7通过夹具分别固定在所述直线调整滑台5下端部的安装孔中，靠近所述刀具9并且与该刀具9保持一固定距离，该三个分离式红外测温传感器7围绕着所述刀具9周围分布在预定的角度位置，该预定的角度位置为120°、180°和240°(见图1)。

所述分离式红外测温传感器7能够探测所述刀具9侧面上由于铣削温升而产生的特定红外辐射信号，该红外辐射信号被分离式红外测温传感器7接收后传输给所述红外辐射采集仪。

本实施例中，所述分离式红外测温传感器7的传感头是一个独立的高温计(不需要电路盒)，通过光纤可将多个传感器数据连接到通信盒，降低了传感器成本，简化了安装和应用中的问题。所述的分离式红外测温传感器7的光学分辨率为10:1，温度测量范围为0℃-1000℃，温度测量精度为±1％或±1℃，响应时间为20ms，频率为50HZ。根据具体监测需求的不同可以选用不同参数的分离式红外测温传感器7，例如，对于切削温度较高的侧铣加工可选用测温范围更大的分离式红外测温传感器7，对于监测精度要求更高的场合可选用响应时间更短、频率更高的分离式红外测温传感器7。

所述红外辐射采集仪接收所述分离式红外测温传感器7测得的所述刀具9上三个角度位置的红外辐射信号，并经过A/D转换器转换为数字信号，得到所述刀具9的数字型温度数据；所述PC对该温度数据进行拟合处理，得到切削区域内部的温度范围及温度分布状况。

本发明所述侧铣加工的切削温度监控方法包括以下步骤：

1)在所述立式铣床的主轴1上安装工件8、刀具9和所述监控装置。安装方法包括以下步骤：

A)将所述工件8装夹到夹具10中，将所述刀具9安装到所述主轴孔内。

B)所述切削温度监控装置的安装较为复杂，要注意各部件的安装顺序。首先将所述环形定位支架2通过螺栓连接固定到主轴1上，请参阅图4，再按照由上至下的顺序依次将所述轴向调整支架3通过螺钉固定在所述环形定位支架2上，将所述轴向调整滑块4嵌入所述轴向调整支架3的滑槽中且通过螺钉进行定位；将三个所述直线调整滑台5通过螺钉安装到所述弧形可调支架6的弧形槽中，并分别调整定位在所述刀具9的120°、180°和240°的角度位置上(见图5)，然后将已经装配好的所述弧形可调支架6和三个直线调整滑台5一起安装连接在所述轴向调整滑块4上。所述切削区域内部的温度测量精度由三个径向直线调整滑台5与刀轴旋转中心的同心度保证。

C)将三个所述分离式红外测温传感器7分别安装到三个所述直线调整滑台5下端部的定位孔中，并且依次连接红外辐射采集仪、A/D转换器和PC，从而完成所述切削温度监控装置的安装。

2)对工件进行试切，检查所述监控装置安装的稳定性，确认无误后进行下一步骤。

3)将三个分离式红外测温传感器7分别对准所述刀具9的旋转角度为120°、180°和240°的位置且靠近所述刀具9(见图1)；通过所述温度模块支架组件的径向调整部件调整所述分离式红外测温传感器7与该刀具9轴线的径向距离到合适的数值，保证各分离式红外传感器7与刀具9轴线的相对位置保持一致，以减小因分离式红外测温传感器7位置误差而引起的测温误差；通过所述温度模块支架组件的轴向调整部件调整各分离式红外测温传感器7沿所述主轴9轴向的位置，实现对所述刀具9沿轴向不同位置的温度的测量。

4)启动所述立式铣床和分离式红外测温传感器7进入工作状态；达到稳定切削阶段后，所述红外辐射采集仪记录通过三个所述分离式红外测温传感器7测得的所述刀具9位于所述空切区域内120°、180°和240°角度位置上的温度数据，并经A/D转换器转换后传输给所述PC。

5)所述PC对步骤4)中测得的各角度位置上的温度数据按照二次函数关系进行拟合分析，得到侧铣时空切区域内所述刀具9的表面温度随旋转角度变化的第一函数关系。

6)所述PC根据步骤5)中所得的第一函数关系，得到切削区域内的温度变化范围，采用线性拟合分析方法，得到切削区域内所述刀具9的温度随旋转角度变化的第二函数关系，从而得到切削区域内部的温度分布状况，完成切削区域内部三维温度场的测量。

Claims (6)

1.一种侧铣加工的切削温度监控方法，采用切削温度监控装置实现，其特征在于，所述切削温度监控装置包括温度模块支架组件和温度监测系统；所述温度监测系统安装于所述温度模块支架组件上，所述温度模块支架组件安装于立式铣床的主轴上并对该温度监测系统进行沿所述主轴的轴向和径向的位置调整；所述温度监测系统对空切区域内刀具表面不同角度位置的温度进行同步在线测量，再对测得的温度数据进行拟合处理，得到切削区域内部的温度范围及温度分布状况；

所述的温度模块支架组件包括轴向调整部件和径向调整部件；所述轴向调整部件包括环形定位支架、轴向调整支架和轴向调整滑块，所述径向调整部件包括直线调整滑台和弧形调整支架；

所述的温度监测系统包括依次连接的多个分离式红外测温传感器、A/D转换器和PC；

所述切削温度监控方法包括：采用多个分离式红外测温传感器对空切区域内刀具表面不同角度位置的温度进行同步在线测量，测得的各角度位置上的温度数据按照二次函数关系进行拟合分析，得到侧铣时刀具在空切区域内刀具表面温度随旋转角度变化的第一函数关系，以得到切削区域内部的温度范围，再采用线性拟合分析方法，得到刀具去除材料阶段温度随刀具旋转角度变化的第二函数关系，从而得到切削区域内部的温度分布。

2.根据权利要求1所述的侧铣加工的切削温度监控方法，其特征在于，所述切削区域内部的温度测量精度由三个径向直线调整滑台与刀轴旋转中心的同心度保证。

3.根据权利要求1所述的侧铣加工的切削温度监控方法，其特征在于，所述的轴向调整滑块的上端设有螺纹，通过螺母调节所述轴向调整滑块在所述轴向调整支架内的轴向位置，并且调整固定在该轴向调整滑块上的径向调整部件沿所述主轴轴向的位置以实现对所述刀具沿轴向不同位置的温度的监测。

4.根据权利要求1所述的侧铣加工的切削温度监控方法，其特征在于，所述的分离式红外测温传感器和直线调整滑台的数量均为三个。

5.根据权利要求1所述的侧铣加工的切削温度监控方法，其特征在于，所述的不同角度角度位置为120°、180°和240°。

6.根据权利要求1所述的侧铣加工的切削温度监控方法，其特征在于，所述的分离式红外测温传感器的光学分辨率为10:1，温度测量范围为0℃-1000℃，温度测量精度为±1％或±1℃，响应时间为20ms。