熱電偶在切削溫度測(cè)量中應(yīng)用

摘要：熱電溫度計(jì)是由熱電偶,、補(bǔ)償導(dǎo)線及測(cè)量?jī)x表構(gòu)成的,，熱電溫度計(jì)是由熱電偶、補(bǔ)償導(dǎo)線及測(cè)量?jī)x表構(gòu)成,，準(zhǔn)確迅速的測(cè)量切削區(qū)的溫度使用熱電偶法直接測(cè)量是簡(jiǎn)單而有效的手段,。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)不同的加工情況,，選擇不同的形式的熱電偶類型以及布置方式,。
1、引言
       切削溫度與刀具磨損,、工件加工表面質(zhì)量及加工精度密切相關(guān),，而使用紅外輻射、超熱輻射等非接觸式的測(cè)溫方法只可以實(shí)現(xiàn)局部切削溫度的間接測(cè)量,。因此,，在實(shí)際加工過(guò)程中，為了直接,、迅速且可靠的得到加工區(qū)的實(shí)際溫度,，一般仍采用接觸式測(cè)溫方法直接測(cè)量切削溫度。接觸測(cè)量法包括刀--工自然熱電偶法,、人工熱電偶法,、半人工熱電偶法等。
2,、熱電偶的測(cè)溫原理
       熱電溫度計(jì)是由熱電偶,、補(bǔ)償導(dǎo)線及測(cè)量?jī)x表構(gòu)成的。其中熱電偶是敏感元件,它由兩種不同的導(dǎo)體A和B連接在一起,構(gòu)成一個(gè)閉合回路當(dāng)兩個(gè)連接點(diǎn)1與2的溫度不同時(shí),由于熱電效應(yīng),回路中就會(huì)產(chǎn)生零點(diǎn)幾到幾十毫伏的熱電動(dòng)勢(shì),記為EAB,。接點(diǎn)1在測(cè)量時(shí)被置于測(cè)場(chǎng)所,故稱為測(cè)量端或工作端,。接點(diǎn)2則要求恒定在某-溫度下,稱為參考端或自由端,如圖1所示,。

     實(shí)驗(yàn)證明,當(dāng)電極材料選定后，熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)僅與兩個(gè)接點(diǎn)的溫度有關(guān),即
dEAB(t1,t2)=SAb× dt
     比例系數(shù)SAB稱為熱電動(dòng)勢(shì)率,它是熱電偶重要的特征量,。當(dāng)兩接點(diǎn)的溫度分別為t1,t2時(shí),回路總的熱電動(dòng)勢(shì)為

3,、熱電偶測(cè)量切削溫度的方法
3.1自然熱電偶法
     自然熱電偶法[1,2,3]主要用于測(cè)定切削區(qū)域的平均溫度。采用自然熱電偶法的測(cè)溫裝置如圖1所示,。它是利用刀具和工件分別作為自然熱電偶的兩極組成閉合電路測(cè)量切削溫度,。刀具引出端用導(dǎo)線接入毫伏計(jì)的一極,工件引出端的導(dǎo)線通過(guò)起電刷作用的銅頂尖接人毫伏計(jì)的另一極。 測(cè)溫時(shí),刀具與工件引出端應(yīng)處于室溫下,且刀具和工件應(yīng)分別與機(jī)床絕緣,。切削加工時(shí),刀具與工件接觸區(qū)產(chǎn)生的高溫(熱端)與刀具,、工件各自引出端的室溫(冷端)形成溫差電勢(shì),該電勢(shì)值可用接人的毫伏計(jì)測(cè)出,切削溫度越高，該電勢(shì)值越大,。切削溫度與熱電勢(shì)毫伏值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系可通過(guò)切削溫度標(biāo)定得到,。根據(jù)切削實(shí)驗(yàn)中測(cè)出的熱電勢(shì)毫伏值,可在標(biāo)定曲線上查出對(duì)應(yīng)的溫度值。

     采用自然熱電偶法測(cè)量切削溫度簡(jiǎn)便可靠,可方便地研究切削條件(如切削速度,、進(jìn)給量等)對(duì)切削溫度的影響,。值得注意的是.用自然熱電偶法只能測(cè)出切削區(qū)的平均溫度,無(wú)法測(cè)得切削區(qū)指定點(diǎn)的溫度;同時(shí),當(dāng)?shù)毒卟牧匣?和)工件材料變換后，切削溫度一毫伏值曲線也必須重新標(biāo)定,。
3.2人工熱電偶法
     人工熱電偶法(也稱熱電偶插入法)[1,2]可用于測(cè)量刀具,、切屑和工件上指定點(diǎn)的溫度,并可測(cè)得溫度分布場(chǎng)和最高溫度的位置。人工熱電偶法測(cè)溫裝置如圖2所示,。在刀具或工件被測(cè)點(diǎn)處鉆一個(gè)小孔(孔徑越小越好,，通常<0.5mm),孔中插人 一對(duì)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶并使其與孔壁之間保持絕緣。切削時(shí),熱電偶接點(diǎn)感受出被測(cè)點(diǎn)溫度,并通過(guò)串接在回路中的毫伏計(jì)測(cè)出電勢(shì)值然后參照熱電偶標(biāo)定曲線得出被測(cè)點(diǎn)的溫度,。

     人工熱電偶法的優(yōu)點(diǎn)是:對(duì)于特定的人工熱電偶材料只需標(biāo)定一次;熱電偶材料可靈活選擇,以改善熱電偶的熱電敏感性和動(dòng)態(tài)晌應(yīng)速度,提高熱電偶傳感質(zhì)量,。但由于將人工熱電偶埋入超硬刀具材料(如陶瓷、PCBN. PCD等)內(nèi)比較困難,因此限制了該方法的推廣應(yīng)用,。
3.3半人工熱電偶法
     將自然熱電偶法和人工熱電偶法結(jié)合起來(lái)即組成了半人工熱電偶法[3],。半人工熱電偶是將一根熱電敏感材料金屬絲(如康銅)焊在待測(cè)溫點(diǎn).上作為一極、以工件材料或刀具材料作為另-極而構(gòu)成的熱電偶,。采用該方法測(cè)量切削溫度的工作原理與自然熱電偶法和人工熱電偶法相同(見(jiàn)圖3),。由于半人工熱電偶法測(cè)溫時(shí)采用單根導(dǎo)線連接,不必考慮絕緣問(wèn)題,因此得到了較廣泛的應(yīng)用。

3.4等效熱電偶法
     采用自然熱電偶法測(cè)量切削溫度時(shí),由于溫升的影響,，導(dǎo)線引出點(diǎn)的溫度已不是標(biāo)定時(shí)的室溫,因此需要進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償,。但冷端溫度補(bǔ)償在原理和具體實(shí)現(xiàn)方法上均存在-定問(wèn)題，如測(cè)量PCBN刀具的切削溫度時(shí),由于作為熱電偶-端的PCBN復(fù)合片尺寸小,、導(dǎo)熱系數(shù)大,導(dǎo)線引出點(diǎn)的溫升較大,影響測(cè)量精度,需要子予以消除,但采用接長(zhǎng)刀片消除法在PCBN刀具上不易實(shí)現(xiàn),若采用附加電勢(shì)消除法則因刀片引出點(diǎn)有溫升,所測(cè)電動(dòng)勢(shì)也難以反映真正的切削溫度,。此時(shí),可采用等效熱電偶法[6,7]測(cè)量PCBN焊接車刀外圓車削的切削溫度，其工作原理如圖4所示,。刀片與工件組成自然.熱電偶的兩極熱端為刀一屑接觸部分A(其平均溫度即為需要測(cè)量的切削溫度θ );冷端分別為工件與刀具的引出端,。工件引出點(diǎn)C處的溫度為室溫θ 0,刀具引出點(diǎn)B由于距離刀尖較近而有溫升,由于B點(diǎn)溫度是測(cè)量計(jì)算切削溫度所必須的,因此需同時(shí)測(cè)量B點(diǎn)溫度θ',。測(cè)量時(shí),采用一-標(biāo)準(zhǔn)熱電偶(NiCr-NiSi)測(cè)量B點(diǎn)溫度θ' (其中NiCr端也是主測(cè)量回路C-A-B的引出端)。測(cè)量得到兩個(gè)熱電動(dòng)勢(shì):E1為工件一刀具一導(dǎo)線(NiCr)所構(gòu) 成的主測(cè)量回路產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì);E2為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶(NiCr-NiSi)產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì),。通過(guò)標(biāo)定裝置獲得各材料間的熱電特性曲線,，求出其斜率,再由測(cè)得的E1、E2計(jì)算出切削溫度θ為
     綜上所述,，為了正確迅速的測(cè)量切削區(qū)的溫度,，使用熱電偶法直接測(cè)量是簡(jiǎn)單而有效的手段。在實(shí)際應(yīng)用中,，應(yīng)根據(jù)不同的加工情況,，選擇不同的形式的熱電偶類型以及布置方式，這樣,既能保證測(cè)溫結(jié)果的正確性和實(shí)時(shí)性,，又能降低測(cè)溫儀器的成本。