切削區(qū)熱電偶測溫刀具的制備及其性能測試

劉志軍　林新貴　全燕鳴

1.廣州航海學院,廣州,510725　　2.華南理工大學,廣州,510640

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切削區(qū)熱電偶測溫刀具的制備及其性能測試

劉志軍1林新貴2全燕鳴2

1.廣州航海學院,廣州,5107252.華南理工大學,廣州,510640

由于切削測溫溫感器無法直接接觸切削區(qū),故在鉑銠絲表面噴涂耐熱絕緣層制作耐熱熱電偶,把表面覆蓋耐熱絕緣層的熱電偶埋入硬質(zhì)合金粉末，壓制、燒結(jié)成熱電偶測溫刀片。通過恒溫箱測溫實驗判定熱電偶的測溫性能，用性能正常的熱電偶測溫刀具進行切削測溫實驗，測溫實驗結(jié)果及切削刀具鏡測結(jié)果表明，熱電偶測溫刀具能直接、可靠地進行切削區(qū)溫度的測量,但是用此工藝制作的刀具切削壽命較短；實驗結(jié)果還表明直徑越大的鉑銠絲制作的熱電偶測溫刀具的成品率越高，但是鉑銠絲直徑越大，刀具壽命越短；實驗進一步揭示切削區(qū)內(nèi)各點的溫差較大，但是一次切削切削區(qū)溫度場處于穩(wěn)態(tài)時切削測溫點的溫度是穩(wěn)定的，溫度場處于穩(wěn)態(tài)時切削溫度的變化能迅速反映刀具的磨損狀態(tài)的變化。

熱電偶;切削;切削區(qū);測溫刀具

0　引言

切削熱是切削變形和摩擦能最為本質(zhì)、直接的反映,切削熱在很多情況下通過切削溫度來表征。在切削生產(chǎn)實際及科研中，切削溫度是評價切削狀態(tài)最常用的指標。然而，無論是在車削還是銑削態(tài)下直接測量切削區(qū)的溫度一直是難題之一。

國內(nèi)外科研工作者對切削測溫做了大量的研究工作，其成果可以歸納如下：①測溫研究以車削測溫為主，測溫方式主要分為接觸式測溫和非接觸式測溫。接觸式測溫一般采用熱電偶或熱電阻直接測溫，如文獻[1-3]先用熱電偶測量距離切削區(qū)一定距離的某些點的溫度,再以此溫度值為參照,基于刀具的熱傳導模型反求切削區(qū)的溫度。非接觸式測溫以紅外測溫和刀體內(nèi)置腔鏡測溫為代表，如文獻[4-5]采用紅外的方式測量車削時工件和刀具的溫度場，并用人工熱電偶接觸式測量切削區(qū)外的測溫點來驗證紅外測溫的準確性。文獻[6]的研究進一步表明,紅外測溫時切屑會阻擋攝像儀的視場，另外，切削區(qū)附近的溫度梯度大、前刀面是非理想平面和切削過程中切削區(qū)的灰度和粗糙度動態(tài)變化等因素會嚴重影響切削區(qū)的發(fā)射率值，最終影響測溫結(jié)果的準確性。因此，對切削紅外測溫的準確性還有待探討。②近年來,國內(nèi)外學者一直在努力地解決旋轉(zhuǎn)類刀具(銑刀、鉆頭等)切削溫度的測量問題。過去由于把溫度信號從旋轉(zhuǎn)體引入靜態(tài)測量設備較難，國內(nèi)外有關銑刀切削測溫實驗幾乎都使用紅外的方式，很多科研工作者一直在嘗試用接觸式測溫的方式來實現(xiàn)銑削測溫[7-8],并在某些方面取得可喜的成果,如文獻[9]用無線的方式有效地把溫度信號從旋轉(zhuǎn)體引入靜態(tài)測量設備，并基于現(xiàn)代芯片技術的發(fā)展解決了微弱熱電勢信號放大、濾波的難題。③文獻[8]的研究成果表明,對接觸式測溫而言，切削區(qū)空間小，切屑的擦蹭容易把溫感器擦離刀體,因此,把測溫感應器穩(wěn)定地固定在切削區(qū)的切削面內(nèi)是非常困難的。由于切削測溫本身非常困難，所以反求結(jié)果是否精準還不能通過精準的實驗來驗證，另外反求模型在不同的切削狀態(tài)下是否具有通用性和準確性也難以通過實驗來驗證，再者反求方式不具有實時性。④薄膜熱電偶是一種先進的測量瞬態(tài)溫度的傳感器，在刀具切削測溫中也得到了初步的應用[10],但它存在一些明顯的不足,如薄膜熱電偶溫度傳感器制作必須通過絕緣層使感應器基體與工件材料絕緣,切削時薄膜熱電偶溫度傳感器不能與工件直接接觸，否則薄膜材料會立即被磨損掉，因此，必須在薄膜熱電偶傳感器的上表面涂一層保護層。絕緣層和保護層對刀具溫度的傳導有較大的影響，目前的研究還無法避免其影響。由于薄膜熱電偶需要有絕緣層和保護層,故薄膜熱電偶傳感器也很難應用在涂層刀具切削溫度測量?？傊?研究一種直接、準確和穩(wěn)定的刀具切削溫度測量方法仍是切削領域的一個難題。

針對現(xiàn)有研究存在的問題，筆者在絞絲熱電偶線材表面噴涂一層耐熱絕緣層，把帶絕緣層的絞絲熱電偶預埋在硬質(zhì)合金粉末內(nèi)并將硬質(zhì)合金粉末壓制、燒結(jié)成硬質(zhì)合金母材，把硬質(zhì)合金母材切割成刀片時使絞絲熱電偶的絞接點置于切削區(qū)，并通過磨刀工藝使切削區(qū)的熱電偶絞接點露出，再進行不同工件材料、不同切削工藝切削測溫重復實驗，以驗證熱電偶刀具的穩(wěn)定性。

1　熱電偶刀片的制備

1. 1耐熱絕緣層制備裝置

切削區(qū)熱電偶測溫刀具中熱電偶的制備是整個制造過程中最為關鍵的工藝。耐熱絕緣層制備裝置簡圖如圖1所示,鉑銠金屬絲拉直、固定于轉(zhuǎn)筒上，烤漆房工作溫度為70 ℃,噴漆過程轉(zhuǎn)筒勻速轉(zhuǎn)動,XZ-T002無機黏合劑(最高可耐溫度為1500 ℃)和離子稀釋劑泵往空壓機加壓后輸送至噴嘴,均勻噴射在鉑銠絲表面。轉(zhuǎn)筒勻速旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)筒每旋轉(zhuǎn)一圈，噴嘴停止噴漆,并烘烤30 min。

圖1　耐熱絕緣層制備裝置簡圖

1.2耐熱熱電偶的制作

鉑銠絲和鉑絲直徑分別為0.5 mm、0.4 mm和0.3 mm,長度為600 mm,每種鉑銠絲和鉑絲各20根。

把相同直徑制作熱電偶的專用鉑銠絲和鉑絲的中部絞接在一起，絞接長度為4～5 mm。進行熱電偶切削測溫時,熱電偶獲得的熱電勢信號經(jīng)熱電偶的參比端導入測溫模塊,為利于熱電偶與測溫模塊的連接,熱電偶參比端部約10 mm長的絕緣層需要剝離,而鉑銠絲在耐熱絕緣層剝離過程中極易折斷,剝離難度很大。絞絲熱電偶測溫時測溫模塊獲得的溫度為絞接點與測溫對象接觸點的溫度，如絞接點表面覆蓋耐熱層，測溫模塊獲得的熱電勢實際上是絞接點耐熱覆蓋層的熱電勢，而不是刀具體切削區(qū)的熱電勢。為使絞接點有效地接觸切削區(qū),絞接點最末端需有極小一段裸露并與刀體的切削區(qū)穩(wěn)定接觸。因此，噴漆時應對與測溫對象需良好接觸的部位進行遮蓋，其中絞接點遮蓋長度約2 mm,參比端熱塑管遮蓋長度約10 mm,見圖2。

圖2　鉑銠絲和鉑絲絞接效果圖

鉑銠絲和鉑絲絞接并對需裸露部分用熱塑管有效遮蓋后固定于圖1的耐熱絕緣層制備裝置中,噴射XZ-T002無機黏合劑,轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速為1 r/min,轉(zhuǎn)筒每旋轉(zhuǎn)一圈，噴嘴停止噴漆,以70 ℃烘烤30 min，如此循環(huán)。耐熱絕緣層每一循環(huán)厚度將增加約0.1 mm。耐熱熱電偶表面絕緣層厚度分別為0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm和0.5 mm的熱電偶各制作8根。

鉑銠熱電偶表面絕緣層制作工序完成后把熱塑管剝離(在壓制、燒結(jié)時溫度達到1400 ℃,如果不剝離，熱塑管會碳化進而影響刀具的質(zhì)量),在絞接點處把絞接的鉑銠絲剪斷成一對表面覆蓋耐熱絕緣層的成品鉑銠絞絲熱電偶。

1.3熱電偶測溫刀具制備

表面覆蓋耐熱絕緣層的人工熱電偶制作完成后需把熱電偶預埋在硬質(zhì)合金粉末(YT5)內(nèi)，然后將硬質(zhì)合金粉末壓制、燒結(jié)成直徑為50 mm、厚度約20 mm的硬質(zhì)合金塊。預埋時需特別注意以下幾點：①熱電偶絞接點需垂直向上，即角度α為零(圖3);②硬質(zhì)合金粉末的壓制壓縮比為2.5～4,為使壓制后絞接點距離硬質(zhì)合金塊上表面約1 mm,覆蓋絞接點端部的硬質(zhì)合金粉末厚度應約為4 mm;③為使與外接儀器連接的補償線路易于與硬質(zhì)合金塊分離，將參比端長度約250 mm的鉑銠絲和鉑絲置于一個盲孔直徑為3 mm、孔深為100 mm的圓柱保護套內(nèi)，圓柱外徑為15 mm。熱電偶預埋、裝模工序后需進行壓制、燒結(jié)工序，圖3為預埋、壓制和燒結(jié)工序示意圖,其中制備參數(shù)如下：燒結(jié)溫度為1460 ℃,燒結(jié)時間為1 h。

圖3　預埋、壓制和燒結(jié)示意圖

采用線切割方式把硬質(zhì)合金塊切割成三角形刀具，切割時使熱電偶絞接點距離主副切削刃0.5～1.0 mm,即使絞接點位于前刀面的切削區(qū)內(nèi),再以磨刀方式把硬質(zhì)合金刀片內(nèi)的絞絲熱電偶絞接點端部磨露于前刀面。把熱電偶參比端引出，便于熱電偶接入熱電勢信號采集模塊，圖4為熱電偶測溫刀具結(jié)構(gòu)示意圖和實物圖。

圖4　熱電偶測溫刀具結(jié)構(gòu)示意圖和實物圖

1.4耐熱絕緣層絕緣性測試

表面噴涂耐熱絕緣層的鉑銠絞絲熱電偶預埋在硬質(zhì)合金粉末內(nèi)壓制、燒結(jié)時，由于硬質(zhì)合金粉末的壓縮比較大(2.5～4)會引起壓制過程熱電偶隨壓縮粉末移動而發(fā)生嚴重變形，致使熱電偶表面的耐熱絕緣層破損而與鉑銠絲/鉑絲剝離。如硬質(zhì)合金粉受壓而從破裂的耐熱絕緣層擠入鉑銠絲/鉑絲，將導致鉑銠絲/鉑絲與硬質(zhì)合金刀體之間在破裂點處引起短路，最終影響熱電偶的測溫性能，為此需要對熱電偶測溫刀具進行測溫性能測試。

在磨刀砂輪上將切割好的熱電偶測溫刀具打磨至絞接點露于前刀面。如圖5所示,把熱電偶測溫刀具鑲?cè)?HY-XB高溫節(jié)能箱式爐(溫度誤差為±2℃)爐壁上按刀具尺寸所開的三角孔內(nèi),熱電偶參比端引出接入NI-USB9126測溫采集模塊,用保溫泥對刀具與爐壁間的縫隙進行密封。為溫控爐設置系列溫度點,爐內(nèi)溫度在溫度設置點穩(wěn)定后,啟動測溫程序采集該溫度點時爐內(nèi)實際溫度,如果在不同溫度點測溫采集模塊獲得的溫度與加熱爐設置溫度一致,則認為熱電偶工作正常，即熱電偶測溫刀具內(nèi)熱電偶耐熱絕緣層在壓制、燒結(jié)的過程中沒有受到破壞。

圖5　絕緣性測試實驗示意圖

1.5絕緣測試結(jié)果與分析

不同溫度點各耐熱熱電偶采集到的溫度值見表1,表1中大部分熱電偶測溫值與HY-XB高溫箱式爐設置的溫度相一致,且在高溫節(jié)能箱式爐設置溫度誤差范圍內(nèi)，可見測溫結(jié)果與高溫箱式爐設置溫度值一致的熱電偶在壓制與燒結(jié)過程中耐熱絕緣層未出現(xiàn)破損現(xiàn)象，即熱電偶從測溫端到參比端鉑銠絲與刀體之間未短路。熱電偶3測溫值顯著小于設置溫度，顯然其測量到的溫度不是絞接點的溫度(爐內(nèi)溫度)，而是刀體某一點的溫度，可見該熱電偶在刀體內(nèi)的某處絕緣層已破裂而導致該處鉑銠絲與刀體之間短路。

表1　各熱電偶測溫結(jié)果　℃

不同直徑的鉑銠絲和不同厚度的絕緣層熱電偶測溫刀具的成品率見表2。由表2可見,直徑大的鉑銠絲制作的熱電偶測溫刀具的成品率較高,原因是直徑較小的鉑銠絲在壓制過程中極易被拉斷；隨著絕緣層厚度的增加,熱電偶測溫刀具中熱電偶的成品率隨之提高，在厚度達到0.2 mm后成品率與厚度增加無關，原因在于絕緣層太薄，壓制過程中出現(xiàn)絕緣層壓制破裂的概率提高，硬質(zhì)合金粉末很容易滲透至鉑銠絲而出現(xiàn)鉑銠絲與刀體之間短路。耐熱絕緣層越厚,在壓制過程中越易破裂，但是由于絕緣層達一定厚度后耐熱層即使破裂硬質(zhì)合金粉末也難以壓透絕緣層而導致硬質(zhì)合金體與鉑銠絲在破裂處出現(xiàn)短路。

表2　熱電偶測溫刀具的成品率

2　熱電偶刀具切削測溫實驗

2.1切削測溫實驗

鉑銠絲直徑分別為0.3 mm、0.4 mm和0.5 mm，耐熱絕緣層厚度為0.2 mm的測溫性能正常的熱電偶測溫刀具各5支,并據(jù)表3的參數(shù)要求,用高精密線切割機切割成形。在磨刀砂輪上將切割好的刀片進行精磨,使得熱電偶絞接端到前刀面的距離l各不相同，表4所示為X射線探傷測量到各熱電偶刀具的l值。

表3　各刀片的結(jié)構(gòu)參數(shù)　(°)

表4　各熱電偶刀具的l值 　mm

把裝配耐熱熱電偶刀片的刀具安裝于CKA6150數(shù)控車床,把熱電偶參比端接入NI-USB9126測溫采集模塊。

切削測溫工件材質(zhì)為45鋼(正火HBS 187);切削形式為外圓干車削;連續(xù)切削直到熱電偶采集的切削溫度出現(xiàn)異常變化;溫度采集頻率為1 Hz;切削速度分別為200 m/min、300 m/min和400 m/min,背吃刀量為1.5 mm,進給量為0.15 mm/r。

部分實驗在連續(xù)切削時切削溫度出現(xiàn)下降趨勢后立即停止實驗,并在工具顯微鏡下觀察該實驗刀具切削區(qū)的磨損狀況;部分實驗在連續(xù)切削切削溫度出現(xiàn)下降趨勢后繼續(xù)切削,溫度出現(xiàn)劇烈上升則立即停止切削,顯微觀察實驗刀具磨損狀況。

2.2實驗結(jié)果與討論

圖6所示為相同切削工藝下不同熱電偶測溫刀具切削測溫采集到的溫度曲線,圖6中各曲線幾乎重疊的現(xiàn)象表明實驗重復性很高,與一般熱電偶測溫重復性較差現(xiàn)象區(qū)別很大,原因在于熱電偶測溫刀具中絞接點與測溫點穩(wěn)定地接觸保證了實驗的重復性。圖6中切削初始階段切削區(qū)溫度上升非?？? 隨著切削的進行逐漸進入穩(wěn)態(tài),大部分實驗30 s后切削溫度達到最高點并穩(wěn)定在該溫度點,可見測溫點的溫度在該時間點達到熱平衡。在195 s時曲線4溫度值趨于下降,切削實驗后顯微觀測發(fā)現(xiàn)絞接點處出現(xiàn)深度磨損的蝕坑,這種情況下熱電偶未能有效地接觸前刀面切削區(qū)而出現(xiàn)溫度降低趨勢,其他情況下未出現(xiàn)切削溫度劇變的刀具也都出現(xiàn)深度約0.2～0.3 mm的微坑,顯然曲線4溫度下降狀態(tài)下采集到的溫度值并非切削區(qū)前刀面的表面溫度,而是前刀面下距離前刀面0.6 mm以下刀體的溫度,可見在距離切削區(qū)表面一定距離的刀體溫度小于切削區(qū)的溫度。

圖6　切削測溫曲線(切削速度為200 m/min)

大部分切削測試實驗在300 s左右出現(xiàn)切削溫度降低,并在幾秒后溫度再次迅速上升。原因在于熱電偶的硬度遠低于硬質(zhì)合金刀具的硬度,切削時絞接點快速磨損,并引發(fā)絞接點附近刀具快速磨損,一旦刀具處在非正常磨損狀態(tài),磨損速度加劇而使刀具切削溫度快速地上升,大量的熱量未能及時散出而使距離前刀面一定距離的絞接點溫度也出現(xiàn)迅速上升。以本工藝制作的熱電偶測溫刀片壽命約300 s。可見切削區(qū)溫度場處于穩(wěn)態(tài)時，切削溫度能迅速反映刀具的磨損狀態(tài)。

表5表明，鉑銠絲直徑越大、切削溫度發(fā)生異常的時間越短(即刀具磨壽命越短)的原因在于鉑銠絲直徑越大、越易誘發(fā)刀具磨損。相同切削工藝下各熱電偶采集到的溫度與熱電偶絲的直徑和表面覆蓋層的厚度并不直接相關。表5表明，l<0.3 mm(表5中l(wèi)值為四舍五入結(jié)果)時各測溫曲線穩(wěn)態(tài)平均溫度無明顯差異,l> 0.5 mm后穩(wěn)態(tài)平均溫度顯著下降,可見切削區(qū)一定范圍內(nèi)溫度幾乎為一等勢場,在等勢場之外的溫度梯度較大。

表5　熱電偶切削壽命/穩(wěn)態(tài)平均溫度統(tǒng)計結(jié)果

3　結(jié)論

(1)在鉑銠絲表面噴涂一層耐熱絕緣層后再與硬質(zhì)合金粉末壓制成熱電偶測溫刀具,用此刀具可直接測量到切削區(qū)的切削溫度,測量穩(wěn)定性較好，但是刀具切削壽命僅為300 s左右。

(2)直徑大的鉑銠絲制作的熱電偶測溫刀具成品率較高，但是鉑銠絲直徑越大，刀具壽命越短，原因在于鉑銠硬度遠遠小于刀具材質(zhì)，大直徑鉑銠絲易誘發(fā)刀具破/磨損;0.2 mm為絕緣層最佳厚度,厚度大于0.2 mm后成品率與厚度增加無關。

(3)切削區(qū)最高溫度點不是切削區(qū)上某一點而是切削區(qū)某一點為中心的很小區(qū)域,區(qū)域之外的溫度梯度很大。

(4)切削區(qū)溫度場處于穩(wěn)態(tài)時切削溫度能準確、迅速地反映刀具的磨損狀態(tài)。

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(編輯陳勇)

Fabrication and Characteristics of Thermocouple Temperature Measuring Cutter for Cutting Zone

Liu Zhijun1Lin Xingui2Quan Yanming2

1.Guangzhou Maritime Institute,Guangzhou,510725 2.South China University of Technology,Guangzhou,510640

Cutting temperature measurement sensor could not directly contact the cutting zone,for resolving this problem,a heat-resistant insulation layer was sprayed on the surface of platinum rhodium wire so as to form the heat-resistant thermocouple initially,and then,the thermocouple covered by a heat insulation layer was embedded into the cemented carbide powder,and pressed and sintered to form a thermocouple temperature measuring blade.Temperature measuring performance of thermocouple was judged by the temperature measurement experiments in thermostat,and the normal thermocouple temperature measuring cutter was used in the experiments of cutting temperature measurement.The experiments show that the thermocouple temperature measuring cutter can take the temperature measurement of the cutting zone directly and reliably,but the life of cutter is short.Experiments also show that the larger the diameter of platinum rhodium wire,the higher yield of the thermocouple temperature measuring cutter,but accordingly,the life of cutter is shorter.Experiments further reveal that the temperature differences among each points in the cutting zone are bigger,but the temperature of cutting measure point is stable when the temperature field of the cutting zone is in a steady state,the change of the temperature field in steady state cutting temperature can quickly response the change of the tool wear state.

thermocouple；cutting；cutting zone；temperature measurement cutter

2015-03-09

國家自然科學基金資助項目(50975092)

TG501.4DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.14.020

劉志軍,男.1973年生。廣州航海學院船舶工程系副教授、博士。主要研究方向為切削散熱及測量技術。林新貴,男,1973年生。華南理工大學機械與汽車工程學院博士研究生。全燕鳴,女,1956年生。華南理工大學機械與汽車工程學院教授、博士研究生導師。