CN111189547B - 一种可替代铣削刀具测温的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及铣削加工领域，尤其是一种可替代铣削刀具测温的装置及方法。该装置考虑了对流换热系数对刀具温度的影响，可以通过测试断续车削刀具的温度来准确预测高速铣削加工刀具的温度。本装置包括车削刀具、无极调速风机、断续车削工件、风速仪、红外热成像仪。在立式加工中心的工作台上装夹车削刀具的刀杆；把工件连接并安装于加工中心的主轴上，随主轴转动，工件加工成盘式凸起式，用来模拟断续加工；在刀具旁边，安装两个无极调速风机，利用风速仪测试风速，使风速与铣削加工时刀具的线切削速度一致；利用红外热成像仪测试断续车削刀具的温度，进而可以更准确的预测铣削刀具的温度。按照实施例参数附表的切削参数进行测温实验。

Description

一种可替代铣削刀具测温的装置及方法

技术领域

本发明涉及铣削加工领域，尤其是一种可替代铣削刀具测温的装置及方法。

背景技术

铣削加工过程中刀具承受周期性机械载荷与热载荷，而热载荷引起的刀具切削温度升高将会影响刀具磨损及刀具寿命，因此铣削加工过程中刀具切削温度的研究有利于加深对铣削机理的认识，优化铣削加工工艺，提高刀具寿命。但是，在铣削加工中，由于刀具不停的旋转，对铣削刀具进行准确测温仍是一大难点，目前主要有红外测温和加强光CCD等非接触式技术，但这些技术仅能从宏观上描述温度场的分布，测量误差较大，热电偶测温技术也比较常用，但是结构复杂、稳定性差。能准确、方便地实现铣削温度的测量一直是刀具研究领域的一项急待解决的基础问题。

目前，对于车削刀具的测温手段很多，比如红外测温、热电偶测温等，与铣削刀具测温相比，车削刀具固定不动，测温方式更简单，也更准确，所以目前较多学者采用断续车削刀具测温替代铣削刀具测温，但发明人发现铣削过程与断续车削过程有一个不同之处，即刀具与空气对流换热系数存在差异，铣削过程中，随着主轴转速的升高，刀具面与环境空气之间的对流换热系数增大，增强非切削时间内的热量耗散效果，热对流成为高速铣削不可忽略的因素，因此高速断续车削测温替代铣削刀具测温，必须重视对流换热系数对刀具温度的影响，断续车削测温与铣削测温的环境等同，才能获得与实际铣削加工更符合的结果，但是目前缺少这方面的装置与方法。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明提出了一种新的可替代铣削刀具测温的装置及方法，即考虑对流换热系数的断续车削替代高速铣削，从而可以准确预测高速铣削刀具的温度，进而获得与实际铣削加工更符合的结果。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

第一方面，本发明提出了一种可替代铣削刀具测温的装置，该装置包括车削刀具、风速仪、红外热成像仪、断续车削工件和两台无级调速风机；所述的断续车削工件安装在加工中心的主轴上，可随着主轴转动；所述的车削刀具装夹在断续车削工件一侧，用于对断续车削工件进行车削；在靠近车削刀具的前、后两侧各安装一台无级调速风机，两台无级调速风机风速一致，通过无级调速风机准确、实时调节断续车削刀具刀尖的风速，使断续车削刀具与周围空气的对流换热系数和铣削刀具与周围空气的对流换热系数一致；所述的风速仪用于测试无级调速风机的风速；所述的红外热成像仪用于测试断续车削刀具的温度。

第二方面，本发明基于上述可替代铣削刀具测温的装置，还提出了一种可替代铣削刀具测温方法，包括以下步骤：

(1)在立式加工中心主轴一侧的工作台上装夹车削刀具；

(2)把断续车削工件连接并安装于加工中心的主轴上；

(3)在靠近车削刀具前侧、后侧，各安装一台无级调速风机；

(4)在进行切削加工前，计算出对应于铣削刀具与空气的对流换热系数的车削刀具刀尖风速，控制两个无级调速风机的风速，使车削刀具刀尖两侧实际的风速与计算的车削刀具刀尖风速相等；

(5)把风速仪放置在车削刀具刀尖前侧和后侧分别测试风机的风速，如果测试的风速与计算值相等，则取下风速仪，进入下一步，如果不相等，则重新调整无级调速风机的风速，直到测试的风速与计算值相等；

(6)红外热成像仪用三脚架固定在适当位置，对准切削区域并记录整个切削过程；

(7)开始切削加工时，车削刀具在工作台上自右向左进给运动，安装在主轴上的断续车削工件正转，确保红外热成像仪可更加准确的测量刀具的温度。

作为进一步的技术方案，所述断续车削工件整体为一个盘状结构，沿盘状结构圆周方向，在其外侧面间隔的设置有凸起部，刀具用于车削凸起部。

作为进一步的技术方案，为了防止高速加工时切屑进入风机，在风机的出风口位置外侧加了一层保护罩，所述保护罩设有若干小孔，用于出风。

作为进一步的技术方案，所述的红外热成像仪上安装防护镜头，防止高速飞出的切屑刮伤镜头。

作为进一步的技术方案，车削刀具刀尖风速的确定方法如下：

通过式(1-1)确定对流换热系数h；

其中，k_air是空气热导率，根据丘吉尔和伯恩斯坦方程得到的平均努塞尔数

如式(1-2)所示；

Pr为普朗特数，Re为雷诺数，分别定义如式(1-3)和式(1-4)。

Re＝VD/v_air (1-4)

在铣削加工中，将铣削中的热对流看作空气流经圆柱体的过程，其中V为切削速度，D为刀盘直径，α_air为空气热扩散率，v_air为空气粘度，通过式(1-1)～(1-4)确定铣削加工时对流换热系数；

在断续车削加工中，将车削中的热对流看作空气流经整个车刀(包括刀柄)的过程，其中V为刀具刀尖处风速，D为车刀柄宽度，α_air为空气热扩散率，v_air为空气粘度,通过式(1-1)～(1-4)确定车削加工时对流换热系数；使铣削刀具与空气的对流换热系数和断续车削刀具与空气的对流换热系数相等，进而求出相对应的断续车削刀具刀尖的风速，通过无级调速风机准确、实时调节断续车削刀具刀尖的风速。

本发明的有益效果：

1.本发明公开的断续车削测温装置考虑了对流换热系数对刀具温度的影响，通过在刀具前、后侧安装无级调速风机，使断续车削刀具与周围空气的对流换热系数和铣削刀具与周围空气的对流换热系数一致，进而使断续车削测温与铣削测温的环境等同，补偿现有的测温技术中未考虑热对流的影响。

2.本发明所使用的设备简单且安全性好，成本较低，操作处理简单，本发明通过断续车削刀具测温来替代铣削刀具测温。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为断续车削加工测温代替铣削加工测温的一种装置的示意图。

图2为图1的A-A剖视图；

图中：1：车削刀具，2：风速仪，3：红外热成像仪，4：无级调速风机，4-1：风机保护罩，4-2：出风口，5：无级调速风机，6：断续车削工件。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术部分所描述的，铣削过程与断续车削过程的一个不同之处在于刀具与空气对流换热系数的差异，铣削过程中，随着主轴转速的升高，刀具面与环境空气之间的对流换热系数增大，增强非切削时间内的热量耗散效果，热对流成为高速铣削不可忽略的因素。因此，高速断续车削测温替代铣削刀具测温，必须重视对流换热系数对刀具温度的影响，断续车削测温与铣削测温的环境等同，才能获得与实际铣削加工更符合的结果。针对以上问题，本发明提出一种可替代铣削刀具测温的新方法，即考虑对流换热系数的断续车削替代高速铣削，从而可以准确预测高速铣削刀具的温度。

如图1所示，本实施例提出的可替代铣削刀具测温的装置包括车削刀具1、风速仪2、红外热成像仪3、断续车削工件6、无级调速风机4和无级调速风机5；所述的断续车削工件6安装在加工中心的主轴上，可随着主轴转动；所述的车削刀具1装夹在断续车削工件6一侧，用于对断续车削工件6进行车削；在靠近车削刀具的前侧安装一台无级调速风机4，后侧安装一台无级调速风机5，无级调速风机4和无级调速风机5的出风口均朝向车削刀具1的轴线方向，在本实施例的图1中，车削刀具1水平设置，其轴线是一条水平线，无级调速风机4的出风口位于水平线的前侧，无级调速风机5的出风口位于水平线的后侧，优选的，两个出风口相对于水平线前后对称；但是需要说明的是，本发明中的无级调速风机4和无级调速风机5与车削刀具1之间的安装距离以及具体的安装位置，不做具体限定，距离远时，无级调速风机的风速可以调节的大些，距离近时，无级调速风机的风速可以调节小些，通过两个无级调速风机准确、实时调节断续车削刀具刀尖的风速，只要能使断续车削刀具与周围空气的对流换热系数和铣削刀具与周围空气的对流换热系数一致即可。

在本实施例中，无级调速风机5和无级调速风机4的风速一致，风速仪2用于测试无级调速风机的风速。风速仪2是在进行切削加工前进行风速测量，一般测完风速后便可以取下风速仪，在进行切削加工前，计算出对应于铣削刀具与空气的对流换热系数的车削刀具刀尖风速，把风速仪2放置在车削刀具刀尖前侧和后侧分别测试风机的风速，测完风速后取下风速仪；

进一步的，为了防止高速加工时切屑进入风机，在无级调速风机5和无级调速风机4外侧加了一层专用的保护罩，例如，本实施例或者其他实施例中，保护罩材质可以为304不锈钢，孔径可以设计为100目。

进一步的，红外热成像仪3用于测试断续车削刀具1的温度，其中红外热成像仪3用三脚架固定在适当位置，对准切削区域并记录整个切削过程，且尽可能的靠近刀具，确保红外热成像仪可以更加准确的测量刀具的温度。

进更一步的，在红外热成像仪3上安装防护镜头，防止高速飞出的切屑刮伤镜头；

本装置的工作原理是：通过本装置的无级调速风机5和无级调速风机4，使断续车削刀具1与周围空气的对流换热系数和铣削刀具与周围空气的对流换热系数一致，消除对流换热系数对刀具温度的影响。

刀具面与环境空气之间的对流换热系数增大，热对流成为高速铣削不可忽略的因素。为研究刀具面与空气之间对流换热系数对刀具温度的影响，通过式(1-1)确定对流换热系数；

其中，k_air是空气热导率，根据丘吉尔和伯恩斯坦方程得到的平均努塞尔数

如式(1-2)所示。

Pr为普朗特数，Re为雷诺数，分别定义如式(1-3)和式(1-4)。

Re＝VD/v_air (1-4)

在铣削加工中，将铣削中的热对流看作空气流经圆柱体的过程，通过式(1-1)～(1-4)确定对流换热系数，其中V为切削速度，D为刀盘直径，α_air为空气热扩散率，v_air为空气粘度。在研究中假定与刀具面接触的空气为室温20℃，空气运动粘度选定为20℃时的值为1.50269E-5m²/s，常温下(20℃)，空气的热导率为0.0252W/m·K。在本案例中，铣削速度V＝800m/min＝13.33m/s，铣刀盘直径D＝100mm，Re＝8.873E4，Pr＝0.70615，

对流换热系数：h＝88.78W/(m²·℃)。

在断续车削加工中，将车削中的热对流看作空气流经整个车刀(包括刀柄)的过程，通过式(1-1)～(1-4)确定对流换热系数hc，其中V为刀尖处风速，D_tool为车刀柄宽度(D_tool＝20mm)，α_air为空气热扩散率，v_air为空气粘度。在研究中假定与刀具面接触的空气为室温20℃，空气运动粘度选定为20℃时的值为1.50269E-5m²/s，常温下(20℃)，空气的热导率为0.0252W/m·K。

使铣削刀具1和断续车削刀具与空气的对流换热系数相等，进而求出相对应的断续车削刀具刀尖的风速，本案例中求出刀尖风速为7.9m/s。

具体的测温方法如下：

(1)在立式加工中心主轴右侧的工作台上使用专用夹具装夹车削刀具1；

(2)工件加工成盘式凸起式，用来模拟断续加工，并且内部加工出六个螺纹孔，利用专用夹具，通过螺栓把断续车削工件6连接并安装于加工中心的主轴上，随主轴转动；

(3)在靠近刀具前、后侧，各安装一台无级调速风机4和无级调速风机5，保证刀具前、后两侧风速一致，通过无级调速风机4和无级调速风机5准确、实时调节断续车削刀具1刀尖点的风速，使断续车削刀具1与周围空气的对流换热系数和铣削刀具1与周围空气的对流换热系数一致。进一步的，为了防止高速加工时切屑进入风机，在无级调速风机4和无级调速风机5外侧加了一层专用的保护罩，例如保护罩材质为304不锈钢，孔径为100目；

(4)在进行切削加工前，利用上述的公式(1-1)～(1-4)计算出对应于铣削刀具与空气的对流换热系数的车削刀具刀尖风速，本案例中风速为7.9m/s，把风速仪6放置在车削刀具1刀尖前侧和后侧分别测试风机的风速，如果测得的风速为7.9m/s，则认为风速符合要求，测完风速后取下风速仪6，如果测得的风速大于或者小于7.9m/s，则认为风速不符合要求，进一步的调整两个无级调速风机，然后再利用风速仪测量风速，直到满足要求，最后测完风速后取下风速仪6。

(5)安装红外热成像仪3，利用红外热成像仪3测试断续车削刀具的温度，进而可以更准确的预测铣削刀具的温度，其中红外热成像仪3用三脚架固定在适当位置，对准切削区域并记录整个切削过程，并安装防护镜头防止高速飞出的切屑刮伤镜头；

在切削加工时，切削刀具按照图1所示的方向，在工作台上自右向左进给运动，安装在主轴上的工件正转，红外热成像仪3测量刀具的温度，得到铣削刀具的温度。

本实施例中具体参数如下表所示：

实施例参数附表

本发明提出了一种可替代铣削刀具测温的新方法，利用该装置，可以准确测量出断续加工GJV450时刀具的温度，最高温度为545℃，进而可以推断出铣削加工GJV450的刀具温度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可替代铣削刀具测温的装置，其特征在于，该装置包括车削刀具、风速仪、红外热成像仪、断续车削工件和两台无级调速风机；所述的断续车削工件安装在加工中心的主轴上，可随着主轴转动；所述的车削刀具装夹在断续车削工件一侧，用于对断续车削工件进行车削，断续车削工件整体为一个盘状结构，沿盘状结构圆周方向，在其外侧面间隔的设置有凸起部，刀具用于车削凸起部；在靠近车削刀具的前、后两侧各安装一台无级调速风机，两台无级调速风机风速一致，通过无级调速风机准确、实时调节断续车削刀具刀尖的风速，使断续车削刀具与周围空气的对流换热系数和铣削刀具与周围空气的对流换热系数一致；所述的风速仪用于测试无级调速风机的风速；所述的红外热成像仪用于测试断续车削刀具的温度。

2.如权利要求1所述的一种可替代铣削刀具测温的装置，其特征在于，所述的红外热成像仪用三脚架固定在适当位置，对准切削区域并记录整个切削过程，并安装防护镜头。

3.如权利要求1所述的一种可替代铣削刀具测温的装置，其特征在于，在进行切削加工前，风速仪放置在车削刀具刀尖前侧和后侧分别测试风机的风速。

4.如权利要求1所述的一种可替代铣削刀具测温的装置，其特征在于，在风机的出风口位置设有一个保护罩，所述保护罩设有若干小孔，用于出风。

5.一种可替代铣削刀具测温方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在立式加工中心主轴一侧的工作台上装夹车削刀具；

(2)把断续车削工件连接并安装于加工中心的主轴上，断续车削工件整体为一个盘状结构，沿盘状结构圆周方向，在其外侧面间隔的设置有凸起部，刀具用于车削凸起部；

(3)在靠近车削刀具前侧、后侧，各安装一台无级调速风机；

(4)在进行切削加工前，计算出对应于铣削刀具与空气的对流换热系数的车削刀具刀尖风速，控制两个无级调速风机的风速，使车削刀具刀尖两侧实际的风速与计算的车削刀具刀尖风速相等；

(5)把风速仪放置在车削刀具刀尖前侧和后侧分别测试风机的风速，如果测试的风速与计算值相等，则取下风速仪，进入下一步，如果不相等，则重新调整无级调速风机的风速，直到测试的风速与计算值相等

(6)红外热成像仪用三脚架固定在适当位置，对准切削区域并记录整个切削过程，确保红外热成像仪可更加准确的测量刀具的温度；

(7)开始切削加工时，车削刀具在工作台上自右向左进给运动，安装在主轴上的断续车削工件正转，红外热成像仪实时测量刀具的温度。

6.如权利要求5所述的可替代铣削刀具测温方法，其特征在于，在风机的出风口位置外侧加了一层保护罩，保护罩上设有若干小孔，用于出风。

7.如权利要求5所述的可替代铣削刀具测温方法，其特征在于，所述的红外热成像仪上安装防护镜头。

8.如权利要求5所述的可替代铣削刀具测温方法，其特征在于，车削刀具刀尖风速的确定方法如下：

通过式(1-1)确定对流换热系数h；

其中，k_air是空气热导率，根据丘吉尔和伯恩斯坦方程得到的平均努塞尔数

如式(1-2)所示；

Pr为普朗特数，Re为雷诺数，分别定义如式(1-3)和式(1-4)；

Re＝VD/v_air (1-4)

在铣削加工中，将铣削中的热对流看作空气流经圆柱体的过程，其中V为切削速度，D为刀盘直径，α_air为空气热扩散率，v_air为空气粘度，通过式(1-1)～(1-4)确定铣削加工时对流换热系数；

在断续车削加工中，将车削中的热对流看作空气流经整个车刀的过程，其中V为刀具刀尖处风速，D为车刀柄宽度，α_air为空气热扩散率，v_air为空气粘度,通过式(1-1)～(1-4)确定对流换热系数；

使铣削刀具与空气的对流换热系数和断续车削刀具与空气的对流换热系数相等，进而求出相对应的断续车削刀具刀尖的风速，通过无级调速风机准确、实时调节断续车削刀具刀尖的风速。

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