CN104924154B - 一种用于测量机床加工时工件表面以下不同深度的温度值的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测量机床加工时工件表面以下不同深度的温度值的方法，包括以下步骤：1)沿经过工件轴线的平面或沿与其轴线垂直的平面将工件剖成两个待加工体并对剖面抛光；2)在剖面上划分出多个条形区域，在每个条形区域内镀上一种熔点已知的薄膜，同一剖面上每个条形区域内的薄膜的材料不同；3)将两个待加工件连接紧固；4)设定切削参数，进行机械加工，使回转加工体两剖面上薄膜的一部分熔化，薄膜的熔化部分与不熔化部分形成分界线；5)测量每种材料形成的薄膜上的分界线所在的深度，绘制温度‑深度曲线图。本发明可以测量机械加工时工件已加工表面下不同深度的温度值，可测的深度最小可达几十微米，而且温度值准确。

Description

一种用于测量机床加工时工件表面以下不同深度的温度值的 方法

技术领域

本发明属于温度分布测量领域，更具体地，涉及一种用于测量机床加工时工件表面以下不同深度的温度值的方法。

背景技术

工件已加工表面完整性对零件的疲劳寿命、抗腐蚀性能、加工变形等有重要影响。而工件表面完整性的形成是由于加工时工件表层的力、热的耦合作用形成的，其中切削热对工件的影响不仅有热应力的作用，还会使金属工件产生相变，进而影响到残余应力、表面硬度等。所以获知层深的温度分布对研究工件表面完整性有重大意义。

车削加工广泛用于各种回转体的加工，如液压杆、传动轴、螺纹等(镗孔也可视为车削加工的一种)，通常这些回转体零件在工作时要承受剧烈的交变载荷，由于这些交变载荷容易在工件表面诱发微裂纹，最终导致零件疲劳破坏，所以对车削表面完整性要求较高，进而对车削工件层深的温度分布的测量提出更高要求。

车削加工时工件的温度是随着深度变化的，越靠近工件表面温度越高，越远离工件表面温度越低，通常温度影响层在0.2mm的深度范围之内，如何测量在如此浅的深度内温度的分布是目前的技术难题。目前常用的温度测试方法有热电偶法、光纤光栅法、红外成像法等。热电偶法测量温度值虽然较准确，但当要求测量距离热源很近的位置时，如距离工件表层0.1mm的深度范围之内，热电偶的测量头与热源的距离就很难精确定位，要用它来测量不同深度的温度就不可行。另外，由于热电偶在安装时要在工件上打孔，这会影响到温度在工件的分布，从而导致测量温度不是实际加工时的温度。光纤光栅法也遇到同样的问题，即测量头安装的位置不可控、需要在工件打孔的问题。红外成像法是非接触式测量，其测量结果很大程度依赖于材料的发射率的标定，但材料的发射率又跟温度及工件的表面形貌有关，这种耦合作用使得它的测量精度大大降低。若在切削时加冷却液，红外测量法将不可行。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于测量机床加工时工件表面以下不同深度的温度值的方法，该方法可以测量机床加工时工件已加工表面下不同深度的温度值，可测的深度量程最小可达几十微米，而且温度值准确。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种用于测量机床加工时工件表面以下不同深度的温度值的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)剖开：沿工件的纵向或横向将工件剖开，形成两个待加工体，在每个待加工体上均加工出螺纹连接孔，再将每个待加工体上的剖面均加工至粗糙度Ra≤0.2μm，平面度□≤5μm；

2)镀膜：在每个待加工体的剖面上划分出多个彼此平行的条形区域，然后在每个条形区域的整个区域内均均匀镀上一种熔点已知的薄膜，对于两个待加工体而言，它们之间处于同一位置的条形区域对应相同且所镀材料也相同，而且同一剖面上每个条形区域内的薄膜的材料各自不同，每个剖面上镀的薄膜的厚度为200～300纳米；

3)紧固：将两个待加工体贴合在一起，再用螺栓装置穿过所述螺纹连接孔将两个待加工体连接紧固，从而形成加工件；

4)加工：设定包括切深、进给、切削速度、刀具种类和/或冷却条件在内的一系列切削参数，对加工件进行机床加工，使该加工件中的薄膜随着加工温度而相应发生熔化，并记录所有薄膜的熔化部分与不熔化部分之间所形成的分界线；

5)绘图：测量每种材料形成的薄膜上的分界线相对于工件表层的距离也即其所在的深度，绘制温度-深度曲线图，由此完成工件表面以下不同深度的温度值的测量。

优选地，所述工件为液压杆、传动轴或台柱的回转体结构；并且所述机床加工为车削方式。

优选地，当工件为回转体时，如果沿经过工件轴线的平面剖开工件，则步骤2)中镀膜前用螺钉穿过螺纹加工孔后将待加工体连接在一起重新加工成回转体，然后再拆掉螺钉，在每个剖面上镀膜。

优选地，在步骤4)中，通过对上述切削参数调整和搭配，相应可获得不同的机床加工条件，进而根据所绘制的曲线图来对进行切削参数进行优化配置。

优选地，步骤2)中采用物理气相沉积法、化学沉积法或电镀法镀膜。

优选地，步骤2)中镀膜前剖面先进行清洗，使用酒精擦拭多遍。

优选地，步骤2)中镀膜前还要制备多个掩膜，每个掩膜用于贴在待加工体剖面的一条形区域上；镀膜时将需镀膜的方形区域内的掩膜揭开，镀完后重新贴上掩膜，则可以在剖面上镀上不同材料的薄膜。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1)本发明能测量已加工工件内的温度分布，最浅的测量深度可达到几十微米，而且温度值准确；

2)本发明可以研究加工参数，如切深、进给、切削速度、刀具种类和/或冷却条件对已加工工件层深温度分布的影响，为优化加工参数提供约束条件；

3)本发明可以测量已加工工件层深的温度分布，为建立温度与工件加工硬化、温度与工件层深残余应力分布的关系提供支持；

4)本发明可以用于验证机械加工已加工工件层深温度在不同层深分布的理论模型。

附图说明

图1为剖面是划面若干条形区域的示意图；

图2为条形区域上得到分界线的示意图；

图3为按照设计的实验参数进行外圆车削实验得到的不同切深时工件内部温度与深度的函数关系图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参照图1～图3，一种测量回转工件机械加工层深温度分布的方法，包括以下步骤：

1)剖开：沿工件的纵向或横向将工件剖开，形成两个待加工体，在每个待加工体上均加工出螺纹连接孔，再将每个待加工体上的剖面均加工至粗糙度Ra≤0.2μm，平面度□≤5μm；

2)镀膜：在每个待加工体的剖面上划分出多个彼此平行的条形区域，然后在每个条形区域的整个区域内均均匀镀上一种熔点已知的薄膜，对于两个待加工体而言，它们之间处于同一位置的条形区域对应相同且所镀材料也相同，而且同一剖面上每个条形区域内的薄膜的材料各自不同；

3)紧固：将两个待加工体贴合在一起，再用螺栓装置穿过所述螺纹连接孔将两个待加工体连接紧固，从而形成加工件；

4)加工：设定包括切深、进给、切削速度、刀具种类和/或冷却条件在内的一系列切削参数，对加工件进行机床加工，使该加工件中的薄膜随着加工温度而相应发生熔化，并记录所有薄膜的熔化部分与不熔化部分之间所形成的分界线；

5)绘图：测量每种材料形成的薄膜上的分界线相对于工件表层的距离也即其所在的深度，绘制温度-深度曲线图，由此完成工件表面以下不同深度的温度值的测量。

下面具体结合沿回转工件的轴向将其剖成两半及车削实验的测量方法对本发明进行具体描述，方法如下：

A)将圆柱形工件的两端面车平、外圆柱面车光滑，再沿经过圆柱轴线的平面将工件剖开成两个待加工体，在剖开的两待加工体上加工出螺纹连接孔(用于使用螺钉把剖开的两部分重新连接成圆柱体)，再把两剖面加工平整并抛光至镜面程度，粗糙度Ra≤0.2μm，平面度□≤5μm；这里剖面的加工不仅要保证粗糙度，还要保证平面度，越平越好，一般要5μm以下。

B)将剖开和抛光后的两个待加工体的剖面贴合、端面对齐，用螺钉穿过螺纹连接孔后连接在一起，再用车床重新车成圆柱形；

C)拆掉螺钉，把车成圆柱形的工件拆成两半，在每个待加工体的剖面上划分出多个彼此平行的条形区域，然后在每个条形区域的整个区域内均均匀镀上一种熔点已知的薄膜(如铝、锌、铝锌合金、陶瓷材料、金属氧化物等的薄膜)，薄膜厚度为200～300nm，优选300nm；薄膜厚度选择在200～300nm，过薄会影响到薄膜的熔点，过厚会导致薄膜附着不牢固；

可用物理气相沉积法镀膜，如磁控溅射法、离子镀膜法，化学沉积法或电镀法。镀膜前待加工体的剖面要清洗干净，再用纯酒精擦拭多遍，以保证剖面洁净，利于薄膜的附着。为了在待加工体的剖面上能镀上多种材料的薄膜，使得在一次切削实验中可以测量多个温度值，镀膜前还要制备掩膜。掩膜做成与条件区域大小形状一致的形状，垂直于工件轴线排列在剖面上，实际镀膜时把需要镀膜的部位的掩膜揭开，镀完后重新盖上，到镀另一个位置的膜时再揭开相应位置的掩膜，镀完后再盖上，以此类推，可以在剖面上镀上不同材料(则熔点也不同)的薄膜。镀膜完毕后要注意保护好薄膜，不能触摸和磕碰；

D)镀完膜后把两待加工体对齐贴合在一起，用螺钉连接牢固，形成回转加工件；螺钉连接后确保贴合面不出现过大的缝隙；

E)进行车削实验，可以设定不同的切深、切削速度、进给量、使用不同几何参数的刀具和/或冷却液条件，对回转加工件进行外圆车削，以研究这些参数对工件内温度分布的影响。

F)车削完后把螺钉拆掉，将工件打开，在显微镜下观察薄膜熔化部分与未熔化部分的分界线，并测量分界线到回转工件表层的距离，得出该薄膜熔点的温度在工件内分布的深度。由于所镀的薄膜沿工件轴向分布是有一定宽度的，因此熔化与未熔化部分的界线将是一条线，可以在这条界线上取多个采样点，求熔化深度的平均值。统计不同熔点薄膜的熔化深度，得出对应该车削参数下的多个温度值在工件内分布的深度。

表1是设计的一组车削实验参数，用于研究不同切深对工件内部温度的影响。当切削温度高于薄膜的熔点时将导致剖面上的薄膜熔化，由于温度是随深度变化的，深度越大，温度(材料熔点)越低，因此每个条形区域内的薄膜将只熔化到一定深度，熔化部分与不熔化部分将形成可以在显微镜下观察到的界线。不同材料薄膜的熔点不同，因此熔化的深度也将不同。图1给各个区域标上序号(如图1中的1、2、3、4、5、6)，每个区域镀一种熔点已知的材料形成薄膜，每个区域内的薄膜材料各不相同。图2是已加工表面层附近的放大区域，在该区域可以观察到薄膜熔化部分与不熔化部分的分界线，并可以测量分界线到已加工表面的距离。分界线即为等温线，到已加工表面的距离就是该等温线在工件内部的深度，不同条形区域内等温线分布的深度不同。

表1车削参数

镀膜是该方法的主要特征，镀膜材料的熔点就是所测的温度值，测量的实质是某材料薄膜上的分界线的深度与该材料的熔点(温度)的关系；多条薄膜镀在同一个工件上时，一次切削就可以测量多个温度值，避免了镀在多个工件上因不同工件加工误差和切削参数误差导致的温度分布不一致的问题。工件剖开并用螺钉连接的方法：这个方法使得薄膜可以沿工件径向布置到工件内部，以测量温度分布。工件剖开的方式可以是沿轴线剖开，也可以是沿径向剖开。

本发明可以测量回转工件已加工表面以下不同深度的温度的方法，该方法通过把工件沿轴线剖开，并把已知熔点的多种材料的薄膜镀到剖面上，再把工件合并起来连接牢固，进行车削实验。车削完毕后把工件打开，在显微镜下观察薄膜熔化与未熔化部分的分界线到工件已加工表面层的距离，统计求多个测量采样点的平均值，得到对应薄膜熔点的温度的分布的深度。通过测量多种熔点的材料的薄膜熔化深度，就可得到多个温度值在工件内部的分布深度。本发明可以测量离切削热源很近或离工件表面只有几十微米处的工件内部的温度分布，测量温度值较准确，可以测量不同切削速度、进给量、切深、不同刀具种类和/或冷却条件下的工件内部温度在不同深度的分布。优选通过对上述切削参数调整和搭配，相应可获得不同的机床加工条件，进而根据所绘制的曲线图来对进行切削参数进行优化配置。

本方法基本上可以适用于所有的回转体，包括圆柱、台柱等等。

本方法不仅可以用于车削外圆的温度测试，镗孔加工时孔壁表层温度的分布也可以用这种方法进行测试，以及车螺纹、台柱等较复杂的回转体也适用。

当工件是沿径向剖开时，也是将多条薄膜镀在剖面上，剖面的处理方法和镀膜方法和沿轴向剖开的方法类似，只是径向剖开时的条形区域的上下边缘为弧形，螺纹孔的轴线与待加工体的纵向垂直，而纵向剖开时的条形区域的上下边缘为直线，螺纹孔的轴线与待加工体的纵向平行。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于测量机床加工时工件表面以下不同深度的温度值的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)剖开：沿工件的纵向或横向将工件剖开，形成两个待加工体，在每个待加工体上均加工出螺纹连接孔，再将每个待加工体上的剖面均加工至粗糙度Ra≤0.2μm，平面度□≤5μm；

2)镀膜：在每个待加工体的剖面上划分出多个彼此平行的条形区域，然后在每个条形区域的整个区域内均均匀镀上一种熔点已知的薄膜，对于两个待加工体而言，它们之间处于同一位置的条形区域对应相同且所镀材料也相同，而且同一剖面上每个条形区域内的薄膜的材料各自不同，每个剖面上镀的薄膜的厚度为200～300纳米；

3)紧固：将两个待加工体贴合在一起，再用螺栓装置穿过所述螺纹连接孔将两个待加工体连接紧固，从而形成加工件；

4)加工：设定包括切深、进给、切削速度、刀具种类和/或冷却条件在内的一系列切削参数，对加工件进行机床加工，使该加工件中的薄膜随着加工温度而相应发生熔化，并记录所有薄膜的熔化部分与不熔化部分之间所形成的分界线；

5)绘图：测量每种材料形成的薄膜上的分界线相对于工件表层的距离也即其所在的深度，绘制温度-深度曲线图，由此完成工件表面以下不同深度的温度值的测量。

2.根据权利要求1所述的一种用于测量机床加工时工件表面以下不同深度的温度值的方法，其特征在于：所述工件为液压杆、传动轴或台柱的回转体结构；并且所述机床加工为车削方式。

3.根据权利要求2所述的一种用于测量机床加工时工件表面以下不同深度的温度值的方法，其特征在于：当工件为回转体时，如果沿经过工件轴线的平面剖开工件，则步骤2)中镀膜前用螺钉穿过螺纹加工孔后将待加工体连接在一起重新加工成回转体，然后再拆掉螺钉，在每个剖面上镀膜。

4.根据权利要求1所述的一种用于测量机床加工时工件表面以下不同深度的温度值的方法，其特征在于：在步骤4)中，通过对上述切削参数调整和搭配，相应可获得不同的机床加工条件，进而根据所绘制的曲线图来对进行切削参数进行优化配置。

5.根据权利要求1所述的一种用于测量机床加工时工件表面以下不同深度的温度值的方法，其特征在于：步骤2)中采用物理气相沉积法、化学沉积法或电镀法镀膜。

6.根据权利要求1所述的一种用于测量机床加工时工件表面以下不同深度的温度值的方法，其特征在于：步骤2)中镀膜前剖面先进行清洗，使用酒精擦拭多遍。

7.根据权利要求1所述的一种用于测量机床加工时工件表面以下不同深度的温度值的方法，其特征在于：步骤2)中镀膜前还要制备多个掩膜，每个掩膜用于贴在待加工体剖面的一条形区域上；镀膜时将需镀膜的方形区域内的掩膜揭开，镀完后重新贴上掩膜，则可以在剖面上镀上不同材料的薄膜。