WO2018166203A1 - 一种用于端面车削温度测量的装置与方法 - Google Patents

一种用于端面车削温度测量的装置与方法 Download PDF

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寇文能
孙玉文
张方圆
刘朋和
孙伟
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    • G01K7/02—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using thermoelectric elements, e.g. thermocouples
    • G01K7/023—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using thermoelectric elements, e.g. thermocouples provided with specially adapted connectors

Definitions

  • the present invention relates to the field of cutting processing technology, and relates to a measuring device for face turning temperature and a measuring method thereof.
  • Turning temperature is an important physical phenomenon that occurs during turning.
  • the heat generated during the turning process is dissipated in the surrounding medium, and the rest is transferred into the tool, the chip and the workpiece to obtain a certain temperature.
  • Different turning temperatures can cause different tools and workpieces to be thermally deformed, which affects the machining accuracy of the parts, tool life and reduces production efficiency.
  • the turning temperature is also an important factor affecting the surface quality of the workpiece. Therefore, by studying the turning temperature, the turning process can be further developed.
  • orthogonal turning is a frequently used cutting method for calculation and modeling, and face cutting can easily achieve orthogonal cutting.
  • research on the change of material organization is usually also to extract the tissue material after orthogonal turning of the end face. Therefore, it is very important to study the equipment and method of face turning temperature measurement for studying the turning process.
  • thermocouple temperature measurement is a relatively mature and commonly used turning temperature measurement method.
  • the principle is that two different conductor materials are connected and there is a temperature difference at the joint, which will cause an overflow electromotive force due to surface electron overflow, forming a thermoelectric potential. , called the Seebeck effect. Since the thermoelectromotive force formed by a specific two materials under a certain temperature condition is constant, the heat state of the region to be tested and its temperature change can be judged according to the magnitude of the thermoelectric potential.
  • the present invention provides a simple structure, convenient operation, and high measurement accuracy. It is suitable for the device for measuring the temperature of the end face turning and its measuring method.
  • a device for measuring the temperature of the end face cutting comprising a thermocouple sensor 5, a slip ring 9, a temperature signal processing end 16 and an experimental workpiece 1;
  • the experimental workpiece 1 is a material for turning temperature material to be tested, which is cylindrical , the left side reserves the clamping space, the right side reserves the turning tool width, the middle is the protruding annular rib 2;
  • the annular rib 2 has two holes, one is the blind hole 3, the other is the through hole 4, blind The central axis of the hole 3 and the through hole 4 are in a straight line;
  • the probe of the thermocouple sensor 5 is provided in the blind hole 3, and the other side of the thermocouple sensor 5 is connected to the rotor 8 of the slip ring through the input wire 6;
  • the rotor 8 is located outside the right side of the experimental workpiece 1, and the two are fixed to the fixing groove 12 of the rotor by screws 7, and the rotor 8 holding the slip ring is coaxial with the experimental workpiece 1 to counteract the centri
  • the number of the annular ribs 2 on the experimental workpiece 1 is two or more, and the height of the annular rib 2 is 5 to 15 mm, and the height from the left to the right gradually decreases; the thickness of the annular rib 2 does not exceed the width of the blade 10, In this way, the external turning process can be equivalent to the 90° turning face turning process; the groove in the annular rib 2 is machined by the grooving knife, and the groove maintains a certain width.
  • the blind hole 3 and the through hole 4 are processed by a process of the electric spark drilling machine.
  • the diameter of the through hole 4 is larger than that of the blind hole 3, and is processed by one step, and then processed through the through hole 4 and the thermocouple.
  • the sensor 5 has a blind hole 3 of comparable probe diameter, and the treatment is mainly to prevent discharge interference of the upper via 4 of the processing blind hole 3.
  • the holes of each annular rib 2 are distributed at an angle in the vertical axial plane, which facilitates the installation of the thermocouple probe and balances the centrifugal force.
  • a device measuring method for end face cutting temperature measurement the steps are as follows:
  • the beneficial effects of the present invention are that the temperature data of the cutting area during the turning process is directly collected by the probe of the thermocouple sensor 5 buried in the experimental workpiece 1, and the accurate measurement of the turning temperature is realized by stepwise feeding until the probe is cut off.
  • the 90° face turning is transformed into a shape similar to external turning, which makes the experiment process more convenient.
  • the device ensures the safety by burying the thermocouple sensor 5 inside the device, and the experimental workpiece 1 itself plays a certain shielding role to reduce signal interference.
  • the interference between the devices is eliminated by the design of the rotor 8, and the high-speed rotation of the experimental workpiece 1 can be ensured.
  • the device of the invention has simple structure, convenient installation and operation, and can realize material turning temperature under certain turning parameters. Brief description of the drawing
  • FIG. 1 is a schematic structural view of a device of the present invention.
  • FIG. 2 is a right side view of the structure of the device of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic structural view of the apparatus of the present invention after completion of the experiment.
  • the device includes a thermocouple sensor 5, a slip ring 9, a temperature signal processing end 16 and an experimental workpiece 1;
  • the experimental workpiece 1 is a material for turning temperature material to be tested, which is cylindrical, left side The clamping space is reserved, the width of the turning tool is reserved on the right side, and the annular ring 2 is protruding in the middle.
  • the number of annular ribs 2 on the experimental workpiece 1 is two or more, and the height of the annular rib 2 is 5-15 mm, and the height from the left to the right gradually decreases; the thickness of the annular rib 2 does not exceed the width of the blade 10, so This external turning process is equivalent to a 90° turning face turning process; the groove in the annular rib 2 is machined by a grooving knife, and the groove maintains a certain width.
  • the annular rib 2 has two holes, one is a blind hole 3, and the other is a through hole 4, and the central axes of the blind hole 3 and the through hole 4 are in a straight line.
  • the blind hole 3 and the through hole 4 are processed by a process of the electric spark drilling machine.
  • the diameter of the through hole 4 is larger than that of the blind hole 3, and is processed by one step, and then processed through the through hole 4 and the thermocouple sensor 5
  • the diameter of the probe is equivalent to the blind hole 3, so that the treatment mainly prevents the discharge of the blind hole 3 ⁇ and the discharge of the upper layer through hole 4.
  • the holes of each annular rib 2 are angularly distributed on the vertical axial plane, which facilitates the installation of the thermocouple probe and balances the centrifugal force.
  • thermocouple sensor 5 A probe of the thermocouple sensor 5 is provided in the blind hole 3, and the other side of the thermocouple sensor 5 is connected to the rotor 8 of the slip ring via the input wire 6; the rotor 8 of the slip ring is located outside the right side of the experimental workpiece 1, both of which pass the screw 7 is fixed on the fixing groove 12 of the rotor, and the rotor 8 holding the slip ring is coaxial with the experimental workpiece 1 to cancel the centrifugal force; the stator 9 of the slip ring is connected to the temperature signal processing end 16 through the output wire 15, and the stator of the same slip ring 9 is fixed to the holder 13 by the baffle 14 to prevent rotation; the blade 10 of the cutter 11 is used for turning the annular rib 2.
  • the temperature signal processing terminal 16 selects a relatively high acquisition frequency, preferably a synchronous signal acquisition card.
  • [0020] Mount the device to the machine and use a three-jaw chuck to catch the left end of the device. Start the machine at the corresponding speed, and use the blade 10 to turn the ring rib 2 with the corresponding feed amount.
  • the temperature signal taken changes accordingly, after the temperature signal processing end 16, the temperature signal shows a wave shape, due to the increase in the amount of ring-shaped ribs, the closer the distance probe is, the higher the peaks are.
  • the blade 10 cuts the probe the measured data is the closest to the actual turning temperature.
  • thermocouple sensor 5 probe is damaged and the temperature data is no longer accepted.
  • the position of the last data acquisition is not the same as the distance of the probe, so that the last signal value is different, so it is necessary to analyze according to the data measured by the plurality of annular ribs 2.
  • the obtained sets of data are imported and sorted in the terminal, and are smoothly fitted.
  • the experiment takes the fluctuation data of the last several cycles of each set of temperature curves, eliminates the obvious interference data, and obtains the highest temperature value measured by each group. Comparing with each other, taking the maximum value is the relatively accurate face turning temperature.

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Abstract

一种用于端面车削温度测量的装置与方法，属于切削加工技术领域，适用于测量端面车削时切削区域产生的温度。该装置包含热电偶传感器(5)、滑环(8，9)以及经过特殊设计的实验工件(1)；实验工件(1)为待测车削温度材料制品；实验工件(1)上设计的环状筋(2)将端面车削转换成外圆车削；通孔(4)与盲孔(3)的设计使热电偶传感器(5)合理地埋在实验工件(1)内部，提高了车削过程的安全性以及信号的稳定性。同时，使用滑环(8，9)结构排除了装置间的干扰；温度信号经滑环(8，9)由数据采集卡采集并传输至温度信号处理端(16)，最终得到较为精确的端面车削温度。该装置结构简单，操作方便，为实现端面车削温度的精确测量提供了良好的测量装置与方法。

Description

一种用于端面车削温度测量的装置与方法 技术领域
[0001] 本发明属于切削加工技术领域， 涉及一种端面车削温度的测量装置及其测量方 法。
背景技术
[0002] 车削温度是车削过程中产生的一种重要的物理现象。 车削过程中产生的热一部 分散逸在周围介质中， 其余传入刀具、 切屑和工件中， 使其获得一定的温度。 不同的车削温度会导致不同的刀具、 工件的热变形， 从而影响零件的加工精度 、 刀具寿命， 降低生产效率。 同吋， 由于金属材料的组织也会随着车削温度的 不同产生变化， 所以车削温度也是影响工件表面质量的重要因素。 因此， 通过 研究车削温度能够促进车削加工工艺得到进一步发展。 在科学研究中， 为了便 于计算和建模， 正交车削是经常采用的一种切削方式， 而端面切削可以很方便 地实现正交切削。 此外， 对于材料组织变化的研究通常也是提取端面正交车削 后的组织材料。 因此， 研究端面车削温度测量的装置与方法对于研究车削加工 工艺具有非常重要的意义。
[0003] 目前车削温度测量的方法有很多种， 包括热电偶法、 光辐射法、 热辐射法、 金 相结构法等。 其中， 热电偶测温是目前比较成熟也较为常用的车削温度测量方 法， 其原理是两种不同的导体材料相连并在连接处存在温差吋， 会因表层电子 溢出而产生溢出电动势， 形成热电势， 称为赛贝克效应 （Seebeck) 。 由于特定 两种材料在一定温度条件下形成的热电动势是一定的， 因此， 可根据热电势的 大小来判断待测区域受热状态及其温度变化情况。 但是对于车削温度的测量， 由于工件的高速运转， 给温度测量带来了很多不便， 尤其是端面温度测量， 存 在较大的离心力， 有一定的信号干扰， 装置之间也容易相互干扰， 导致目前现 有的车削测温装置存在结构复杂、 测量结果不够准确等缺点。
技术问题
[0004] 为了解决以上问题， 本发明提供了一种结构简单、 操作方便、 测量精度高， 尤 其适合端面车削温度测量的装置及其测量方法。
问题的解决方案
技术解决方案
[0005] 本发明的技术方案：
[0006] 一种用于端面切削温度测量的装置， 包括热电偶传感器 5、 滑环 9、 温度信号处 理端 16和实验工件 1 ; 实验工件 1为待测车削温度材料制品， 其为圆筒状， 左侧 预留夹持空间， 右侧预留车削刀具宽度， 中间为突出的环状筋 2; 环状筋 2上有 两个孔， 一个为盲孔 3， 另一个为通孔 4， 盲孔 3和通孔 4的中心轴在一条直线上 ； 在盲孔 3中设有热电偶传感器 5的探头， 热电偶传感器 5另一侧通过输入导线 6 与滑环的转子 8连接； 滑环的转子 8位于实验工件 1右侧外， 二者通过螺钉 7固定 在转子的固定槽 12上， 保持滑环的转子 8与实验工件 1同轴， 以抵消离心力； 滑 环的定子 9通过输出导线 15与温度信号处理端 16连接， 同吋滑环的定子 9通过挡 板 14固定在固定架 13上， 防止转动； 刀具 11的刀刃 10用于车削环状筋 2。
[0007] 实验工件 1上环状筋 2的数量为两个以上， 环状筋 2的高度为 5~15mm， 从左向右 高度逐渐递减； 环状筋 2的厚度不超过刀刃 10的宽度， 如此即可把这种外圆车削 过程等效成 90°车刀端面车削过程； 环状筋 2中的凹槽是由切槽刀加工而成， 凹槽 保持一定宽度。
[0008] 盲孔 3和通孔 4由电火花打孔机一个工序加工而成， 通孔 4的直径比盲孔 3大， 由 一个工步加工而成， 然后通过通孔 4加工与热电偶传感器 5的探头直径相当的盲 孔 3， 这样处理主要为防止加工盲孔 3吋上层通孔 4的放电干扰。 各环状筋 2的孔 在垂直轴向平面上成一定角分布， 方便安装热电偶探头， 同吋平衡离心力。
[0009] 一种用于端面切削温度测量的装置测量方法， 步骤如下：
[0010] ( 1) 安装待测装置， 将装置加紧固定， 并将信号输出线连接至数据采集卡； [0011] (2) 用刀刃对准最右侧环状筋 2， 按照数据目标设定切削量， 数据采集卡同吋 采集数据； 逐渐进给刀具， 直到切断热电偶传感器 5的探头无法采集到温度数据 为止；
[0012] (3) 重复以上操作， 采取每个环状筋 2所得到的温度数据；
[0013] (4) 取每一组温度曲线最后数个循环的波动数据， 排除明显干扰数据， 得到 每组所测得的最高温度值， 相互比较， 取最大值， 即为相对精确的端面车削温 度。
发明的有益效果
有益效果
[0014] 本发明的有益效果是直接通过埋进实验工件 1的热电偶传感器 5的探头采集车削 过程中切削区域的温度数据， 通过逐步进给直到切断探头为止， 实现车削温度 的准确测量。 通过本装置的特殊环状筋 2将 90°端面车削转化成类似外圆车削的形 式， 使得实验过程更加方便。 本装置通过将热电偶传感器 5埋藏在装置内部保证 了其安全性， 同吋实验工件 1本身起到了一定的屏蔽作用， 减少信号干扰。 通过 转子 8的设计排除了装置之间的干扰问题， 能够保证实验工件 1的高速旋转。 本 发明装置结构简单， 安装、 操作方便， 能够实现一定车削参数下材料车削温度 对附图的简要说明
附图说明
[0015] 图 1是本发明的装置结构示意图。
[0016] 图 2是本发明的装置结构右视图示意图。
[0017] 图 3是本发明的装置实验完成之后结构示意图。
本发明的实施方式
[0018] 以下结合附图和技术方案， 进一步说明本发明的具体实施方式。
[0019] 如图 1所示， 该装置包括热电偶传感器 5、 滑环 9、 温度信号处理端 16和实验工 件 1 ; 实验工件 1为待测车削温度材料制品， 其为圆筒状， 左侧预留夹持空间， 右侧预留车削刀具宽度， 中间为突出的环状筋 2。 实验工件 1上环状筋 2的数量为 两个以上， 环状筋 2的高度为 5~15mm， 从左向右高度逐渐递减； 环状筋 2的厚度 不超过刀刃 10的宽度， 如此即可把这种外圆车削过程等效成 90°车刀端面车削过 程； 环状筋 2中的凹槽是由切槽刀加工而成， 凹槽保持一定宽度。 环状筋 2上有 两个孔， 一个为盲孔 3， 另一个为通孔 4， 盲孔 3和通孔 4的中心轴在一条直线上 ； 盲孔 3和通孔 4由电火花打孔机一个工序加工而成， 通孔 4的直径比盲孔 3大， 由一个工步加工而成， 然后通过通孔 4加工与热电偶传感器 5的探头直径相当的 盲孔 3， 这样处理主要为防止加工盲孔 3吋， 上层通孔 4的放电干扰。 每一个环状 筋 2的孔在垂直轴向平面上成一定角分布， 方便安装热电偶探头， 同吋平衡离心 力。 在盲孔 3中设有热电偶传感器 5的探头， 热电偶传感器 5另一侧通过输入导线 6与滑环的转子 8连接； 滑环的转子 8位于实验工件 1右侧外， 二者通过螺钉 7固定 在转子的固定槽 12上， 保持滑环的转子 8与实验工件 1同轴， 以抵消离心力； 滑 环的定子 9通过输出导线 15与温度信号处理端 16连接， 同吋滑环的定子 9通过挡 板 14固定在固定架 13上， 防止转动； 刀具 11的刀刃 10用于车削环状筋 2。 温度信 号处理端 16选用采集频率比较高的， 最好是同步信号采集卡。
[0020] 将装置安装到机床上， 用三爪卡盘卡住装置左端。 以相应的速度启动机床， 用 刀刃 10以相应的进给量车削环状筋 2， 随着刀具离热电偶传感器 5的探头距离的 变化， 所采取的温度信号随之改变， 经过温度信号处理端 16， 温度信号呈现波 浪形状， 由于环状筋车削量的增加， 距离探头越近， 波峰依次增高， 当刀刃 10 切过探头的一瞬间， 此吋测得的就是最接近真实车削温度的数据。
[0021] 进一步， 热电偶传感器 5探头损坏， 不再接受温度数据。 但是由于数据采集频 率的存在， 导致最后一次采集数据的位置距离探头的远近不一样， 以至于最后 一个信号数值不一样， 因此需要根据多个环状筋 2所测得的数据进行分析。 车削 过程完成之后， 装置结构如图 3所示。
[0022] 进一步， 在终端导入并整理所得到的几组数据， 对其进行光滑拟合。 实验取每 一组温度曲线最后数个循环的波动数据， 排除明显干扰数据， 得到每组所测得 的最高温度值， 相互比较， 取最大值， 即为相对精确的端面车削温度。

Claims

权利要求书 [权利要求 1] 一种用于端面切削温度测量的装置， 其特征在于， 该装置包括热电偶 传感器 (5)、 滑环 (9)、 温度信号处理端 (16)和实验工件 (1) ; 实验工件 (1 )为待测车削温度材料制品， 其为圆筒状， 左侧预留夹持空间， 右侧 预留车削刀具宽度， 中间为突出的环状筋 (2); 环状筋 (2)上有两个孔 ， 一个为盲孔 (3)， 另一个通孔 (4)， 盲孔 (3)和通孔 (4)的中心轴在一条 直线上； 在盲孔 (3)中设有热电偶传感器 (5)的探头， 热电偶传感器 (5) 另一侧通过输入导线 (6)与滑环的转子 (8)连接； 滑环的转子 (8)位于实 验工件 (1)右侧外， 二者通过螺钉 (7)固定在转子的固定槽 (12)上， 保持 滑环的转子 (8)与实验工件 (1)同轴， 以抵消离心力； 滑环的定子 (9)通 过输出导线 (15)与温度信号处理端 (16)连接， 同吋滑环的定子 (9)通过 挡板 (14)固定在固定架 (13)上， 防止转动； 刀具 (11)的刀刃 (10)用于车 削环状筋 (2)。 2.根据权利要求 1所述的装置， 其特征在于， 所述的实验工件 (1)上环 状筋 (2)的数量为两个以上， 环状筋 (2)的高度为 5~15mm， 从左向右高 度逐渐递减； 环状筋 (2)的厚度不超过刀刃 (10)的宽度； 环状筋 (2)中的 凹槽是由切槽刀加工而成， 凹槽保持一定宽度。 3.根据权利要求 1或 2所述的装置， 其特征在于， 所述的盲孔 (3)和通孔 (4)由电火花打孔机一个工序加工而成， 通孔 (4)的直径比盲孔 (3)大， 由一个工步加工而成， 然后通过通孔 (4)加工与热电偶传感器 (5)的探 头直径相当的盲孔 (3); 各环状筋 (2)的孔在垂直轴向平面上成一定角 分布。 4.一种用于端面切削温度测量的装置测量方法， 其特征在于， 步骤如 下：
( 1) 安装待测装置， 将装置加紧固定， 并将信号输出线连接至数据 采集卡；
(2) 用刀刃对准最右侧环状筋 (2)， 按照数据目标设定切削量， 数据 采集卡同吋采集数据； 按照设定切削进给量进给刀具， 直到切断热电 偶传感器 (5)的探头无法采集到温度数据为止；
(3) 重复以上操作， 采取每个环状筋 (2)所得到的温度数据；
(4) 处理温度数据， 取每一组温度曲线最后数个循环的波动数据， 排除明显干扰数据， 得到每组所测得的最高温度值， 相互比较， 取最 大值， 即为相对精确的端面车削温度。
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