CN217224758U - 一种钻削刀具温度分布测量系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出一种钻削刀具温度分布测量系统，包括用于生成标定数据集的数据采集模块、热电偶标定模块；所述热电偶标定模块包括加热器和与钻尖紧邻的热电偶；所述数据采集模块与热电偶相连；所述数据采集模块与工件、刀具电性连接；当生成标定数据集时，所述加热器对钻尖、热电偶同步加热以使两者的温度同步，所述数据采集模块经热电偶采集钻尖温度数据，同时对工件、刀具之间的热电势数据进行采集，并把温度数据和与之对应的热电势差数据存储为标定数据集；当测量钻削过程时的刀具温度分布情况时，以测得的刀具与工件之间的热电势来从标定数据集中检索对应的温度值作为测量值；本实用新型能方便地对钻削刀具进行温度分布状态测量。
Description
技术领域
本实用新型涉及测量技术领域，尤其是一种钻削刀具温度分布测量系统。
背景技术
在材料去除过程中，所需要的切削机械能大部分被转化成热能，并以热量的形式按不同比例传递到切屑、工件和刀具中。由热量引起的刀具温度升高易造成刀具及工件材料软化、工件已加工表面金相组织不稳定等问题，从而加速刀具磨损，降低刀具使用寿命和加工表面质量。与直角切削（车削、铣削等）不同，在钻削加工过程中，由于主切削刃上各点的刀具前角、刃倾角以及切削速度不同，导致该刃上产生的热量不均衡，并且已携带大量热量的切屑会被长时间限制在螺旋槽内，造成钻削温度在相同工况条件下比其他加工工艺要高且复杂。因此，如何获得钻削过程中的刀具主切削刃上温度分布特征，成为提高刀具使用寿命，改善已加工表面质量的关键。
接触式测温技术和非接触式测温技术是目前测温技术的主要放法。非接触测温技术有红外测温放法；接触式测温技术有热电偶法。其中红外测温技术的缺点是：1.辐射率的修正不准确；2.不能测量被遮挡掩盖物体的温度。所以只有接触式测量才可以准确测量出钻削加工时的温度。
发明内容
本实用新型提出一种钻削刀具温度分布测量系统，能方便地对钻削刀具进行温度分布状态测量。
本实用新型采用以下技术方案。
一种钻削刀具温度分布测量系统，可生成钻削工件时温度与热电势关联的标定数据集，所述系统包括用于生成标定数据集的数据采集模块、热电偶标定模块；所述热电偶标定模块包括加热器和与钻尖紧邻的热电偶；所述数据采集模块与热电偶相连；所述数据采集模块与工件、刀具电性连接；当生成标定数据集时，所述加热器对钻尖、热电偶同步加热以使两者的温度同步，所述数据采集模块经热电偶采集钻尖温度数据，同时对工件、刀具之间的热电势数据进行采集，并把温度数据和与之对应的热电势差数据存储为标定数据集；当测量钻削过程时的刀具温度分布情况时，以测得的刀具与工件之间的热电势来从标定数据集中检索对应的温度值作为测量值。
所述钻削刀具包括麻花钻，中心钻或定心钻；所述数据采集器为可对采集电势进行放大的高精度电势测量装置；
所述加热器包括钻削刀具、绝缘板和工件，以钻削刀具钻削工件时的热对钻尖、热电偶同步加热；所述钻削刀具由带主轴的刀具夹具夹持；所述工件为金属工件，分为上部工件和下部工件，由工作台夹具夹持固定于刀具下方；所述上部工件、下部工件之间以内设金属箔夹层的绝缘板分隔；所述数据采集模块通过两根导线分别与工件、刀具相连接。
所述热电偶标定模块中，将远离钻削工作区的金属箔夹层端部作为热电偶的冷端，热电偶的冷端与数据采集器的一个测量端相连，热端埋置于刀具处，数据采集器的另一测量端通过电刷与刀具相连形成热电势测量回路，所述刀具在切削工件时向下运动，当刀具未接触金属箔夹层时，所述热电势测量回路处于断路状态。
所述电势测量回路以接地结构降低测量过程的噪音干扰；所述电刷与刀具相连的部位以电刷相同材料包覆以避免次生热电势的产生。
当刀具接触到金属箔夹层时，所述热电势测量回路处于通路状态并产生热电势差，所述数据采集模块对热电偶测得温度信号和接触点产生的热电势信号进行同步采集，获得温度与电势间的标定曲线，并通过二次多项式拟合得到温度T与热电势U间的函数关系式。
所述绝缘板包括上绝缘层、金属箔夹层和下绝缘层；当刀具钻尖刚开始钻入上绝缘层时，刀具承受的轴向力和力矩从零开始增加，直至钻尖完全钻入上绝缘层材料后，刀具承受的轴向力和力矩达到最大值并保持稳定，该过程中因切削刃与金属箔夹层没有接触而未能产生热电势；当钻尖开始钻出上绝缘层并开始接触铜箔时，刀具承受的轴向力和力矩逐渐减小，热电势测量回路中的热电势开始产生，且随刀具主切削刃钻穿铜箔形成连续信号，该连续信号即为沿主切削刃上产生的热电势信号，所述数据采集模块对热电势信号进行温度标定后，即可得到钻削过程刀具刃上的温度分布数据。
所述测量系统还包括用于验证系统测量温度结果的准确性及方法有效性的实验验证模块，实验验证模块的验证过程是通过以实验验证模块的钻头钻削工件来对标定数据集进行验证；
所述实验验证模块的刀具的钻尖部位和外缘部位分别设有用于埋置热电偶的微型槽；为防止钻削过程热电偶移动，当进行钻削加工时，实验验证模块的钻头不动，通过旋转工件来进行钻削加工；
所述微型槽为以电火花加工成型的直径为0.4mm的微型槽；所述热电偶直径为0.18mm，以热能胶固定于实验验证模块的刀具的微型槽内；
验证过程中以标定数据集测量钻削作业中的刀具温度，所述数据采集模块根据热电偶标定模块测得温度与热电势的对应关系，从标定数据集中检索出数据采集模块测得的热电势所对应的温度数据作为钻削时的温度，作为验证值使用。
本实用新型用于测量钻削刀具的温度分布状况时，操作较为简单，方便操作者使用。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步详细的说明：
附图1是本实用新型的示意图；
附图2是刀具钻削工件的示意图；
附图3是刀具所受轴向力、力矩与热电势的对应示意图；
附图4是温度与热电势的标定曲线示意图；
附图5是热电偶在刀具上的预埋位置示意图；
图中：1-刀具；2－数据采集模块；3－上部工件；4－下部工件；5－上绝缘层；6－金属箔夹层；7－下绝缘层；
100－微型槽。
具体实施方式
如图所示，一种钻削刀具温度分布测量系统，可生成标定数据集，所述系统包括用于生成标定数据集的数据采集模块2、热电偶标定模块；所述热电偶标定模块包括加热器和与钻尖紧邻的热电偶；所述数据采集模块与热电偶相连；所述数据采集模块与工件、刀具电性连接；当生成标定数据集时，所述加热器对钻尖、热电偶同步加热以使两者的温度同步，所述数据采集模块经热电偶采集钻尖温度数据，同时对工件、刀具之间的热电势数据进行采集，并把温度数据和与之对应的热电势差数据存储为标定数据集；当测量钻削过程时的刀具温度分布情况时，以测得的刀具与工件之间的热电势来从标定数据集中检索对应的温度值作为测量值。
所述刀具1包括麻花钻，中心钻或定心钻；所述数据采集器为可对采集电势进行放大的高精度电势测量装置；
所述加热器包括刀具、绝缘板和工件，以刀具钻削工件时的热对钻尖、热电偶同步加热；所述刀具由带主轴的刀具夹具夹持；所述工件为金属工件，分为上部工件和下部工件，由工作台夹具夹持固定于刀具下方；所述上部工件3、下部工件4之间以内设金属箔夹层5的绝缘板分隔；所述数据采集模块通过两根导线分别与工件、刀具相连接。
所述热电偶标定模块中，将远离钻削工作区的金属箔夹层端部作为热电偶的冷端，热电偶的冷端与数据采集器的一个测量端相连，热端埋置于刀具处，数据采集器的另一测量端通过电刷与刀具相连形成热电势测量回路，所述刀具在切削工件时向下运动，当刀具未接触金属箔夹层时，所述热电势测量回路处于断路状态。
所述电势测量回路以接地结构降低测量过程的噪音干扰；所述电刷与刀具相连的部位以电刷相同材料包覆以避免次生热电势的产生。
当刀具接触到金属箔夹层时，所述热电势测量回路处于通路状态并产生热电势差，所述数据采集模块对热电偶测得温度信号和接触点产生的热电势信号进行同步采集，获得温度与电势间的标定曲线，并通过二次多项式拟合得到温度T与热电势U间的函数关系式。
所述绝缘板包括上绝缘层5、金属箔夹层6和下绝缘层7；当刀具钻尖刚开始钻入上绝缘层时，刀具承受的轴向力和力矩从零开始增加，直至钻尖完全钻入上绝缘层材料后，刀具承受的轴向力和力矩达到最大值并保持稳定，该过程中因切削刃与金属箔夹层没有接触而未能产生热电势；当钻尖开始钻出上绝缘层并开始接触铜箔时，刀具承受的轴向力和力矩逐渐减小，热电势测量回路中的热电势开始产生，且随刀具主切削刃钻穿铜箔形成连续信号，该连续信号即为沿主切削刃上产生的热电势信号，所述数据采集模块对热电势信号进行温度标定后，即可得到钻削过程刀具刃上的温度分布数据。
所述测量系统还包括用于验证系统测量温度结果的准确性及方法有效性的实验验证模块，实验验证模块的验证过程是通过以实验验证模块的钻头钻削工件来对标定数据集进行验证；
所述实验验证模块的刀具的钻尖部位和外缘部位分别设有用于埋置热电偶的微型槽；为防止钻削过程热电偶移动，当进行钻削加工时，实验验证模块的钻头不动，通过旋转工件来进行钻削加工；
所述微型槽为以电火花加工成型的直径为0.4mm的微型槽；所述热电偶直径为0.18mm，以热能胶固定于实验验证模块的刀具的微型槽内；
验证过程中以标定数据集测量钻削作业中的刀具温度，所述数据采集模块根据热电偶标定模块测得温度与热电势的对应关系，从标定数据集中检索出数据采集模块测得的热电势所对应的温度数据作为钻削时的温度，作为验证值使用。
实施例1：
本例中，采用测量系统的的测量方法为：
（1）主轴夹具夹持钻头，上下两个工件叠放在工作台上并由夹具夹持。其中上下两个工件由两个绝缘层和一个金属箔层隔开，从上到下的顺序为：上部工件、绝缘层、金属箔层、绝缘层、下部工件。绝缘板将工件与铜箔片绝缘，与刀具组成一对热电偶。将远离工作区的铜箔一端作为热电偶的冷端，与数据采集器的一极相连，通过电刷将刀具与数据采集器的另一极相连，保证在刀具接触铜箔前，由刀具和工件组成的回路是断路。
（2）开始钻孔，并对标准热电偶进行标定，获得温度与电势间的标定曲线，再进行二次多项式拟合，最终得到温度与电势间的函数关系式:T=Au2+Bu+C,其中A、B分别为二次项和一次项的系数，C为常数项。
（3）在采用相同钻头和相同工件的其它钻孔过程中，对过程中产生的热电势进行采集，并代入温度与热电势的函数关系式，从而求出钻孔过程中的温度。
对钻削刀具温度分布测量系统有效性的验证：通过电火花加工分别在钻尖中心位置和外缘位置加工直径为0.4mm的微型槽，然后将两个直径为0.18mm的OMEGA热电偶（型号为5TC-TT-K-40-36）分别埋在微型槽中，并用热能胶对其进行固定，防止在钻削过程中热电偶发生移动，影响测量结果。将靠近钻心位置热电偶标记为TC#1，靠近外缘位置热电偶标记为TC#2，两热电偶距离主切削刃约0.5mm。为防止刀具旋转对热电偶干扰，将已预埋热电偶的钻头固定在工作台上，保持钻头不动，通过旋转工件实现钻削加工。为保证试验正常进行，在钻削前，需对固定的钻头与机床主轴利用千分表进行对中测试，直至将偏心距控制在3μm以内。
实施例2：
图2表示在切削速度60 m/min和进给速度0.3 mm/r条件下钻削铝合金时轴向力、力矩和热电势产生的原始信号。从图中可以看出，当钻尖刚开始钻入上层材料时，轴向力和力矩从零开始增加，直至钻尖完全钻入材料后，达到最大值并保持稳定，值得注意的是，在该过程中因切削刃与铜箔没有接触而未能产生热电势；当钻尖开始钻出上层板并开始接触铜箔时，轴向力和力矩逐渐减小，热电势开始产生，且随刀具主切削刃钻穿铜箔形成连续信号，该连续信号即为沿主切削刃上产生的热电势信号，对其进行温度标定后，得到刃上的温度分布。
为确定测得的热电势与温度之间的关系，借助标准型热电偶，对热电势和温度进行标定试验。
将一个标准OMEGA热电偶（型号为5TC-TT-K-40-36）埋置于钻头中，无限接近由刀具和铜箔组成的接触点，利用加热器对接触点位置和热电偶同时进行加热，保证热电偶测量的温度与接触点处的温度一致。
采用日本YOKOGAWA (DL750)数据采集系统对热电偶测得温度信号和接触点产生的热电势信号进行同时采集，获得温度与电势间的标定曲线，进行二次多项式拟合后，得到温度T与热电势U间的函数关系：
。
实施例3：
在向钻头埋置热电偶热端时，通过电火花加工分别在钻头的钻尖中心位置和外缘位置加工直径为0.4mm的微型槽，然后将两个直径为0.18mm的OMEGA热电偶（型号为5TC-TT-K-40-36）分别埋在微型槽中，并用热能胶对其进行固定，防止在钻削过程中热电偶发生移动，影响测量结果。将靠近钻心位置热电偶标记为TC#1，靠近外缘位置热电偶标记为TC#2，两热电偶距离主切削刃约0.5mm。为防止刀具旋转对热电偶干扰，将已预埋热电偶的钻头固定在工作台上，保持钻头不动，通过旋转工件实现钻削加工。为保证试验正常进行，在钻削前，需对固定的钻头与机床主轴利用千分表进行对中测试，直至将偏心距控制在3μm以内。
Claims (9)
1.一种钻削刀具温度分布测量系统，可生成钻削工件时温度与热电势关联的标定数据集，其特征在于：所述系统包括用于生成标定数据集的数据采集模块、热电偶标定模块；所述热电偶标定模块包括加热器和与钻尖紧邻的热电偶；所述数据采集模块与热电偶相连；所述数据采集模块与工件、刀具电性连接；当生成标定数据集时，所述加热器对钻尖、热电偶同步加热以使两者的温度同步，所述数据采集模块经热电偶采集钻尖温度数据，同时对工件、刀具之间的热电势数据进行采集，并把温度数据和与之对应的热电势差数据存储为标定数据集；当测量钻削过程时的刀具温度分布情况时，以测得的刀具与工件之间的热电势来从标定数据集中检索对应的温度值作为测量值。
2.根据权利要求1所述的一种钻削刀具温度分布测量系统，其特征在于：所述刀具包括麻花钻，中心钻或定心钻；所述数据采集模块为可对采集电势进行放大的高精度电势测量装置。
3.根据权利要求1所述的一种钻削刀具温度分布测量系统，其特征在于：所述加热器包括刀具、绝缘板和工件，以刀具钻削工件时的热对钻尖、热电偶同步加热；所述刀具由带主轴的刀具夹具夹持；所述工件为金属工件，分为上部工件和下部工件，由工作台夹具夹持固定于刀具下方；所述上部工件、下部工件之间以内设金属箔夹层的绝缘板分隔；所述数据采集模块通过两根导线分别与工件、刀具相连接。
4.根据权利要求3所述的一种钻削刀具温度分布测量系统，其特征在于：所述热电偶标定模块中，将远离钻削工作区的金属箔夹层端部作为热电偶的冷端，热电偶的冷端与数据采集器的一个测量端相连，热端埋置于刀具处，数据采集器的另一测量端通过电刷与刀具相连形成热电势测量回路，所述刀具在切削工件时向下运动，当刀具未接触金属箔夹层时，所述热电势测量回路处于断路状态。
5.根据权利要求4所述的一种钻削刀具温度分布测量系统，其特征在于：所述电势测量回路以接地结构降低测量过程的噪音干扰；所述电刷与刀具相连的部位以电刷相同材料包覆以避免次生热电势的产生。
6.根据权利要求4所述的一种钻削刀具温度分布测量系统，其特征在于：当刀具接触到金属箔夹层时，所述热电势测量回路处于通路状态并产生热电势差，所述数据采集模块对热电偶测得温度信号和接触点产生的热电势信号进行同步采集，获得温度与电势间的标定曲线，并通过二次多项式拟合得到温度T与热电势U间的函数关系式。
7.根据权利要求4所述的一种钻削刀具温度分布测量系统，其特征在于：所述绝缘板包括上绝缘层、金属箔夹层和下绝缘层；当刀具钻尖刚开始钻入上绝缘层时，刀具承受的轴向力和力矩从零开始增加，直至钻尖完全钻入上绝缘层材料后，刀具承受的轴向力和力矩达到最大值并保持稳定，该过程中因切削刃与金属箔夹层没有接触而未能产生热电势；当钻尖开始钻出上绝缘层并开始接触铜箔时，刀具承受的轴向力和力矩逐渐减小，热电势测量回路中的热电势开始产生，且随刀具主切削刃钻穿铜箔形成连续信号，该连续信号即为沿主切削刃上产生的热电势信号，所述数据采集模块对热电势信号进行温度标定后，即可得到钻削过程刀具刃上的温度分布数据。
8.根据权利要求1所述的一种钻削刀具温度分布测量系统，其特征在于：所述测量系统还包括用于验证系统测量温度结果的准确性及方法有效性的实验验证模块，实验验证模块的验证过程是通过以实验验证模块的钻头钻削工件来对标定数据集进行验证。
9.根据权利要求8所述的一种钻削刀具温度分布测量系统，其特征在于：所述实验验证模块的刀具的钻尖部位和外缘部位分别设有用于埋置热电偶的微型槽；为防止钻削过程热电偶移动，当进行钻削加工时，实验验证模块的钻头不动，通过旋转工件来进行钻削加工；
所述微型槽为以电火花加工成型的直径为0.4mm的微型槽；所述热电偶直径为0.18mm，以热能胶固定于实验验证模块的刀具的微型槽内。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202120229494.6U CN217224758U (zh) | 2021-01-27 | 2021-01-27 | 一种钻削刀具温度分布测量系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202120229494.6U CN217224758U (zh) | 2021-01-27 | 2021-01-27 | 一种钻削刀具温度分布测量系统 |
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| CN217224758U true CN217224758U (zh) | 2022-08-19 |
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| CN202120229494.6U Active CN217224758U (zh) | 2021-01-27 | 2021-01-27 | 一种钻削刀具温度分布测量系统 |
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|---|---|
| CN (1) | CN217224758U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112692647A (zh) * | 2021-01-27 | 2021-04-23 | 福州大学 | 一种钻削刀具温度分布测量系统 |
-
2021
- 2021-01-27 CN CN202120229494.6U patent/CN217224758U/zh active Active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112692647A (zh) * | 2021-01-27 | 2021-04-23 | 福州大学 | 一种钻削刀具温度分布测量系统 |
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