切削溫度測量方法研究進(jìn)展

張 淇，李國和，孫 飛，齊小樂

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222）

1 引言

機(jī)械加工是使用最廣泛的制造工藝[1]，切削溫度做作為切削加工過程的重要部分，對(duì)刀具壽命具有決定性的影響，同時(shí)影響切屑形態(tài)、工件變形和加工表面質(zhì)量。多年來，學(xué)者們采用多種方法對(duì)切削溫度進(jìn)行研究，包括實(shí)驗(yàn)測量、理論建模和有限元模擬。理論模型的有效性和有限元模擬結(jié)果的可靠性都需要通過與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果的對(duì)比來完成，因此，實(shí)驗(yàn)測量法是最可靠也是應(yīng)用最多的切削溫度研究方法。

切削熱來源于工件切削層材料塑性變形和刀-屑以及刀-工之間的摩擦[2]。由于切削加工過程刀具和工件的導(dǎo)熱性，熱量會(huì)傳遞到刀具、工件以及切屑中去，這導(dǎo)致切削溫度呈現(xiàn)梯度分布，不同位置的切削溫度不同，很難獲得全場溫度。同時(shí)在較高切削速度下，短暫的切削過程，也對(duì)溫度測量方法的響應(yīng)速度提出了很高的要求。因此，切削溫度測量一直是切削溫度研究中的一個(gè)難點(diǎn)。

國內(nèi)外學(xué)者都在切削溫度測量方面給予了持續(xù)的關(guān)注，取得了大量的研究成果。這里對(duì)常用測溫手段及其研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，并對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，指出今后的發(fā)展方向。

2 切削溫度測量方法

常用的切削溫度測量方法有接觸式和非接觸式兩類。接觸式包括自然熱電偶法、人工熱電偶法和半人工熱電偶法。非接觸式主要有紅外熱成像法（IR）和電荷耦合元件測溫法（CCD）。另外還有如顏色觀察法、雙色高溫計(jì)法、定熔點(diǎn)粉末法等其他的切削溫度測量方法。

2.1 自然熱電偶法

自然熱電偶法的工作原理是測量熱電偶刀具和工件的熱端接觸區(qū)以及床尾、刀柄等冷端引出的電壓（冷、熱端與機(jī)床絕緣），測量的電壓數(shù)據(jù)記錄到毫伏計(jì)中。

由于自然熱電偶冷端升溫會(huì)引起測量誤差，所以一般采用對(duì)引出端進(jìn)行熱補(bǔ)償予以誤差消除。

A點(diǎn)為熱端，冷端為B、C點(diǎn)引出的導(dǎo)線，如圖1所示。由于導(dǎo)線在B點(diǎn)引出時(shí)距離熱端很近，在切削試驗(yàn)過程中溫度必然高于室溫，原來的自然熱電偶測得的溫度就必然不是實(shí)際的切削溫度，因此需要測得B點(diǎn)電動(dòng)勢(shì)，再利用測得的A點(diǎn)的電動(dòng)勢(shì)E1，通過式（1）計(jì)算出實(shí)際切削溫度θ：

圖1 自然熱電偶的熱補(bǔ)償Fig.1 Thermal Compensation of Natural Thermocouple

式中：bWT—工件—刀具熱電特性曲線斜率；bbW—導(dǎo)線-工件的熱電特性曲線斜率；bb—刀具引出點(diǎn)測量熱電偶熱電特性曲線斜率；E1—A點(diǎn)的電動(dòng)勢(shì)；E2—B點(diǎn)的電動(dòng)勢(shì)；θ0—室溫。

不同材料之間的熱電偶特性曲線會(huì)有所不同，所以當(dāng)采用自然熱電偶法測量的工件材質(zhì)在一種以上時(shí)，就需要標(biāo)定每種工件材質(zhì)與刀具之間的熱電特性曲線。自然熱電偶法只能夠測量到切削區(qū)的平均溫度，無法測量針對(duì)某一點(diǎn)的切削溫度。

2.2 人工熱電偶

人工熱電偶法采用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶進(jìn)行測溫。測量時(shí)，在刀具或工件上安裝的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶作為熱傳感器將熱電勢(shì)信號(hào)傳到毫伏計(jì)進(jìn)行讀取，最后對(duì)照熱電偶標(biāo)定曲線得到被測點(diǎn)溫度[3]。

人工熱電偶法能夠較好地解決自然熱電偶法只能測量平均溫度的不足：首先，一對(duì)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶外接的測量頭可以用于點(diǎn)測量；其次，標(biāo)準(zhǔn)熱電偶在測溫時(shí)不用對(duì)其進(jìn)行材料熱電特性曲線標(biāo)定，比較方便；另外，人工熱電偶可以測量非金屬材料。然而考慮到刀尖強(qiáng)度需求，人工熱電偶不能直接測量刀尖點(diǎn)的溫度。另外人工熱電偶法在測量時(shí)其響應(yīng)時(shí)間較長，這就導(dǎo)致測量結(jié)果的滯后性，使得該方法在測量某一時(shí)刻的切削溫度時(shí)精確度較差。

2.3 半人工熱電偶

半人工熱電偶在測溫時(shí)采用夾絲或者薄膜與被測區(qū)域連接形成回路，在根本上與自然熱電偶法測溫原理相同。熱電偶熱端利用一根熱電敏感材料金屬絲或者薄膜，冷端利用工件或刀具形成熱電勢(shì)回路。目前半人工熱電偶法主要有兩種形式：（1）夾絲式；（2）薄膜式。另外，半人工熱電偶法測溫時(shí)不必考慮絕緣問題，應(yīng)用范圍較為廣泛[4]。

2.4 紅外熱成像技術(shù)

紅外熱成像技術(shù)是將切削熱以圖像形式呈現(xiàn)在屏幕上，直觀獲得測量區(qū)域內(nèi)的溫度分布及其變化的一種方法。其測量的理論基礎(chǔ)是普朗克黑體輻射定律，即自然界一切物體溫度高于絕對(duì)零度時(shí)都會(huì)向外界發(fā)出輻射，根據(jù)物體表面輻射出熱能的多少，能夠確定物體表面的溫度場。其表達(dá)式為：

式中：Ebλ—黑體光譜輻射能量密度；c1—第一輻射常數(shù)，通常：c1=3.741×10-16W·cm2；c2—第二輻射常數(shù)，一般有c2=1.4388×10-2W·K；λ—光譜輻射的波長。

目前常用的紅外熱成像測溫設(shè)備是紅外熱像儀，其工作原理，如圖2所示。紅外熱像儀內(nèi)部的紅外探測器將探測到的紅外信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理形成標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)，最終將溫度數(shù)據(jù)在屏幕上直觀顯示出來。紅外熱像儀的響應(yīng)速度較快，同時(shí)在測量區(qū)域內(nèi)切削溫度分布方面具有較突出的優(yōu)勢(shì)。

圖2 紅外信號(hào)的處理流程Fig.2 Infrared Signal Processing Flow

2.5 CCD測溫裝置

CCD 測溫法的工作原理利用光電二極管作為傳感器，捕捉可見光譜范圍內(nèi)物體在高溫下輻射的能量并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過放大器和轉(zhuǎn)換電路處理后轉(zhuǎn)換圖像信號(hào)[5]，其測溫裝置示意圖，如圖3所示。CCD法響應(yīng)時(shí)間短，且拍攝得到的分辨率要比紅外熱像儀法高，但其設(shè)備復(fù)雜，成本也較高。

圖3 CCD法裝置示意Fig.3 Schematic Diagram of CCD Device

2.6 其他測溫方法

顏色觀察法是一種較為直觀測溫方法。切削過程中，由于金屬表面與刀具材料的摩擦使得切削溫度快速升高，金屬受熱氧化后形成氧化層。

由于溫度等因素導(dǎo)致氧化層呈現(xiàn)出不同的氧化干涉色，所以通過顏色可以估計(jì)切削溫度。通常切削溫度越高，顏色越深[6]。45鋼切屑顏色隨切削溫度變化，如表1所示。顏色觀察法簡單實(shí)用，但是誤差較大，并且這種方法只能在切屑氧化時(shí)才能使用，所以在測溫時(shí)有一定的限制。

表1 45鋼切屑顏色隨切削溫度變化對(duì)照表Tab.1 Comparison Table of Chip Color Changes with Cutting Temperature of 45 Steel

定熔點(diǎn)粉末法工作原理是利用觀察不同熔點(diǎn)的金屬粉末在切削后融化狀況來粗略估計(jì)切削區(qū)域的溫度場。測溫時(shí)將金屬粉末均勻在放置在進(jìn)行特殊處理的刀具上，而且粉末需要較長時(shí)間才能完全熔化[7]，響應(yīng)性差。

雙色高溫計(jì)法原理是計(jì)算測量物體發(fā)射出的兩種波長的輻射強(qiáng)度的比值來實(shí)現(xiàn)測溫[8]。這種測溫方法能夠很大程度上減小發(fā)射率對(duì)測溫的影響，使得這種方法測溫精度較高，響應(yīng)在1s左右。但只能測量金屬材質(zhì)的溫度，被測物體在低溫時(shí)誤差較大[9]。

3 各種測溫法的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 自然熱電偶法

切削過程中，用自然熱電偶法測溫能夠較為容易的測量到其中變化情況。文獻(xiàn)[10]提出了低溫油膜水滴冷卻潤滑技術(shù)并采用自然熱電偶法測量了車削鈦合金時(shí)的切削溫度，并證明了該方法對(duì)降低切削溫度有著良好的作用。文獻(xiàn)[11]采用自然熱電偶法研究了鈦基復(fù)合材料車削時(shí)的切削溫度。熱電偶熱端為刀具/工件，即刀—工切削區(qū)，冷端為工件/刀具尾部，熱端和冷端連接成回路并連入毫伏計(jì)，然后將毫伏計(jì)測得的電壓接入數(shù)據(jù)采集卡，經(jīng)軟件處理后轉(zhuǎn)換成溫度數(shù)據(jù)，最后對(duì)比被測材料的熱電特性曲線獲得切削溫度。文獻(xiàn)[12]利用自然熱電偶進(jìn)行45鋼車削溫度測量，得到了碳鋼微量潤滑條件下切削參數(shù)對(duì)切削溫度的影響。文獻(xiàn)[13]采用自然熱電偶法測量切削溫度，建立了切削碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)切削參數(shù)與切削溫度的關(guān)系。文獻(xiàn)[14]利用自然熱電偶法測量了PCBN刀具和Al2O3涂層硬質(zhì)合金刀具車削D2工具鋼的切削溫度。文獻(xiàn)[15]基于自然熱電偶法建立計(jì)算機(jī)切削溫度輔助測量系統(tǒng)。文獻(xiàn)[16]基于自然熱電偶法設(shè)計(jì)了一種集成式切削溫度監(jiān)測系統(tǒng)，在熱端電路中加入了一個(gè)可變電壓源，消除干擾熱電壓，用于熱電偶的硬件補(bǔ)償。冷端連接計(jì)算機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償，顯著提高了該系統(tǒng)的綜合測溫性能和測溫準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[17]認(rèn)為刀具-工件熱電偶系統(tǒng)最大問題在于校準(zhǔn)過程和工件旋轉(zhuǎn)時(shí)（在車削過程中）電動(dòng)勢(shì)的獲取，即測量的響應(yīng)問題。并通過在測溫裝置系統(tǒng)中架設(shè)三刷裝置來提高測溫連續(xù)性。

3.2 人工熱電偶法

人工熱電偶可以針對(duì)某一點(diǎn)或者多點(diǎn)進(jìn)行測溫。文獻(xiàn)[18]通過正交試驗(yàn)研究了SiCp/Al復(fù)合材料的切削溫度，在不同的切削參數(shù)和冷卻條件下對(duì)刀具進(jìn)行測溫。實(shí)驗(yàn)采用嵌埋人工熱電偶的方法，在刀尖附近開槽以埋入標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。文獻(xiàn)[19]采用YG6A刀具對(duì)高錳鋼進(jìn)行了高速切削實(shí)驗(yàn)并分析了銑削加工時(shí)溫度隨著切削刃切入與切出時(shí)溫度信號(hào)的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)中采用人工熱電偶將熱電偶絲埋入工件中，通過切削刃將熱電偶絲切斷采集溫度信號(hào)。文獻(xiàn)[20]在研究整體硬質(zhì)合金銑刀銑削熱的過程中采用人工熱電偶采集切削溫度數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[21]研究了單向碳纖維增強(qiáng)塑料在不同切削條件下的切削溫度。實(shí)驗(yàn)中采用K型標(biāo)準(zhǔn)人工熱電偶測量刀尖附近溫度來近似刀尖溫度。文獻(xiàn)[22]采用人工熱電偶法測量TiAlN涂層刀具切削鎳718合金的切削溫度，研究了切削參數(shù)對(duì)切削溫度的影響情況。文獻(xiàn)[23]利用K型人工熱電偶測量切削溫度，研究了718鉻鎳鐵合金在圓周銑削過程中的溫度及其分布。文獻(xiàn)[24]利用嵌入式熱電偶法對(duì)鋁合金銑削過程進(jìn)行工件內(nèi)部溫度測量。文獻(xiàn)[25]采用人工熱電偶法測量切削溫度，實(shí)驗(yàn)中將標(biāo)準(zhǔn)熱電偶安裝到工件上，研究了熱管輔助冷卻對(duì)立銑刀切削溫度的影響。文獻(xiàn)[26]利用嵌入式人工熱電偶法對(duì)間歇切削的瞬時(shí)切削溫度進(jìn)行測量，并分析了刀具瞬時(shí)平均溫度隨切削時(shí)間的變化規(guī)律。

研究者們還針對(duì)熱電偶法的一些缺點(diǎn)（如信息采集問題等）進(jìn)行了改進(jìn)。文獻(xiàn)[27]采用人工熱電偶法，對(duì)波形刃銑刀片的銑削溫度進(jìn)行了測量。實(shí)驗(yàn)中對(duì)人工熱電偶法進(jìn)行改進(jìn)來解決瞬態(tài)溫度采集問題：（1）開發(fā)了前置集流環(huán)放大電路并使其和主軸一同轉(zhuǎn)動(dòng)。（2）將標(biāo)準(zhǔn)熱電偶縮小，設(shè)計(jì)并自制標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，事前進(jìn)行標(biāo)定。（3）萬用表和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同時(shí)使用，減小誤差。文獻(xiàn)[28]研究了槽銑加工時(shí)刀具溫度的變化。研究中采用一種改進(jìn)嵌入式熱電偶的溫度測量系統(tǒng)，這種熱電偶主要的特點(diǎn)在于它能夠進(jìn)行無線控制和數(shù)據(jù)采集。文獻(xiàn)[29]采用具有自更新特性的快速響應(yīng)熱電偶測量工件溫度，分析切削熱對(duì)微切削加工精度的影響。

3.3 半人工熱電偶

夾絲式熱電偶測量端為細(xì)絲，可以減小安裝時(shí)對(duì)工件和刀具強(qiáng)度的破壞。文獻(xiàn)[30]采用夾絲半人工熱電偶法測量了對(duì)近α鈦合金進(jìn)行高速銑削的切削溫度。文獻(xiàn)[31]利用夾絲半人工熱電偶對(duì)SiCp/2009Al復(fù)合材料高速切削實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了切削溫度測量。文獻(xiàn)[32]采用夾絲半人工熱電偶法研究了TC4鈦合金銑削溫度受切削參數(shù)的影響規(guī)律，基于正交試驗(yàn)法優(yōu)化切削參數(shù)。

為了能更準(zhǔn)確的測量切削溫度，有學(xué)者在嵌入式微薄膜熱電偶的制備和測量方面也進(jìn)行了相關(guān)的研究。例如采用CVD等技術(shù)制作NiCr/NiSi薄膜式熱電偶，其響應(yīng)時(shí)間可以達(dá)到微秒級(jí)，可以用來測量瞬態(tài)切削溫度。

文獻(xiàn)[33]對(duì)Ti6Al4V切削溫度的影響因素進(jìn)行了研究，切削溫度的測量采用半人工熱電偶法。實(shí)驗(yàn)將工件分成上下兩部分，中間放薄膜熱電偶實(shí)現(xiàn)溫度測量。文獻(xiàn)[34]基于薄膜半人工熱電偶法，在PCBN刀具前刀面上制備NiCr/NiSi薄膜熱傳感器，進(jìn)行切削溫度測量。文獻(xiàn)[35]為了提高精密車削的測溫精度，開發(fā)了一種測量瞬態(tài)切削溫度的方法。

基于薄膜熱電偶，通過磁控濺射法在刀具的刀尖制備了SiO2絕緣薄膜和NiCr/NiSi薄膜溫度傳感器，將制成的熱電偶用于溫度測量，其測量示意圖，如圖4所示。

文獻(xiàn)[36]對(duì)IC45/080A47鋼板進(jìn)行了銑削實(shí)驗(yàn)，銑削區(qū)域溫度的在線測量采用薄膜熱電偶法。將NiCr/NiSi薄膜溫度傳感器內(nèi)置到刀具中，實(shí)現(xiàn)測溫。文獻(xiàn)[37]利用改進(jìn)的擴(kuò)散鍵合技術(shù)，在多晶硅立方氮化硼（PCBN）刀片中嵌入了10個(gè)微薄膜微型熱電偶傳感器，研究了切削參數(shù)對(duì)瞬態(tài)刀具切削區(qū)溫度場的影響。文獻(xiàn)[38]采用了無線嵌入式微薄膜溫度傳感器進(jìn)行刀具溫度測量。該研究開發(fā)了一種信號(hào)調(diào)節(jié)電路來提高嵌入式微薄膜傳感器的信噪比。文獻(xiàn)[39]為監(jiān)測鈦合金加工過程中刀具溫度，將薄膜熱電偶嵌入硬質(zhì)合金刀具以實(shí)現(xiàn)測溫。為了保護(hù)薄膜傳感器不受流切屑的影響，提出了在商用碳化鎢刀片的前刀面上制備微槽和在槽內(nèi)安裝薄膜傳感器的工藝。試驗(yàn)表明，該傳感器與合金基體絕緣可靠，具有良好的線性度和均勻性。

3.4 紅外熱成像技術(shù)

作為一種新興的測溫方法，紅外測溫法的優(yōu)勢(shì)在于不僅能夠測量物體表面的溫度變化以及整個(gè)表面的溫度分布，還能在其他復(fù)雜工況下（如工件旋轉(zhuǎn)等）進(jìn)行測量。文獻(xiàn)[40]研究了硬質(zhì)合金刀片加工沉淀硬化不銹鋼的切削溫度，采用紅外熱成像法獲得切削溫度數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[41]采用了紅外測溫儀測量切削溫度，研究了重載荷銑削焊接鋁薄壁空心結(jié)構(gòu)的切削溫度影響因素。文獻(xiàn)[42]采用紅外熱像儀測量刀具-切屑界面的銑削溫度，測量結(jié)果，如圖5所示。

圖5 紅外熱像儀測量結(jié)果（n=1000r/min，f=500mm/min，ap=0.5mm）Fig.5 Measurement results of infrared thermal imager（n=1000r/min，f=500mm/min，ap=0.5mm）

文獻(xiàn)[43]研究了多刃刀具在斷續(xù)切削條件下旋轉(zhuǎn)條件對(duì)切削溫度的影響，采用熱成像儀TESTO875-1進(jìn)行測溫，測量并分析了切屑、刀具和零件之間的熱分布。文獻(xiàn)[44]采用AMPROBE IR750紅外溫度儀，開展了鎂基復(fù)合材料受硬質(zhì)合金刀具切削時(shí)切削溫度的研究。文獻(xiàn)[45]采用紅外熱像儀（型號(hào)FLIRA325）研究了切削參數(shù)對(duì)切削溫度的影響。文獻(xiàn)[46]認(rèn)為在工具旋轉(zhuǎn)時(shí)，紅外測溫法具有較好的效果，采用紅外熱像儀研究了切削參數(shù)（v和f）對(duì)切削溫度的影響。文獻(xiàn)[47]采用紅外溫測溫裝置，研究了無涂層和帶PVD制備的AlTiN涂層Al2O3/TiCN混合陶瓷刀具硬切削AISI 52100 鋼（62HRC）的溫度。文獻(xiàn)[48]對(duì)影響發(fā)射率的因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，測溫誤差較小時(shí)測量角度在（5～10）°和（30～35）°范圍里，實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖6所示。測量距離在（1.1～1.2）m范圍內(nèi)，測溫結(jié)果比較穩(wěn)定時(shí)，粗加工45 鋼發(fā)射率?。?.45～0.48）范圍內(nèi)時(shí)測溫較準(zhǔn)確。

圖6 角度對(duì)發(fā)射率影響Fig.6 Influence of Measurement Angle on Emissivity

文獻(xiàn)[49]采用FLIR-T425 熱像儀記錄碳纖維增強(qiáng)塑料銑削過程中的溫度，從溫度入手對(duì)超聲輔助銑削與常規(guī)銑削進(jìn)行了比較。

3.5 CCD測溫裝置

CCD 增強(qiáng)相機(jī)測溫的主要優(yōu)勢(shì)在于其響應(yīng)速度，測量響應(yīng)時(shí)間能達(dá)到微秒級(jí)。文獻(xiàn)[50]使用紅外CCD相機(jī)進(jìn)行溫度測量，研究了SANMA316L不銹鋼和45鋼加工時(shí)刀具幾何尺寸和進(jìn)給量對(duì)切削溫度的影響，其實(shí)驗(yàn)裝置，如圖7所示。

圖7 刀具溫度CCD測量Fig.7 Tool Temperature Measurement by CCD

文獻(xiàn)[51]利用曝光時(shí)間極短的增強(qiáng)型CCD相機(jī)和8μm干涉濾光片，在可見光譜范圍內(nèi)對(duì)正交切削42CrMo4 鋼的溫度進(jìn)行測量，研究了切削速度和切屑厚度對(duì)切削溫度分布的影響。文獻(xiàn)[52]采用裝有增強(qiáng)型CCD攝像機(jī)的彈道裝置，對(duì)界面切削溫度及其與彈坑磨損機(jī)理的關(guān)系進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[53]采用紅外CCD裝置在二維正交車削中測量了刃口溫度分布，如圖8所示。

圖8 刀尖溫度分布Fig.8 Tip Temperature Distribution

4 存在的問題和發(fā)展方向

4.1 存在的問題

從目前的研究來看，當(dāng)前的切削溫度測量還存在諸多問題，主要表現(xiàn)在：

（1）測量切削區(qū)溫度場對(duì)于切削溫度的研究有重要意義，然而一些測溫方法不能很好地反映切削溫度分布。自然熱電偶法不能很好地測量單點(diǎn)的溫度；人工熱電偶法以及半人工熱電偶法只能測量單點(diǎn)的變化，當(dāng)測量點(diǎn)較多時(shí)，就會(huì)受到測量空間的限制；紅外熱成像技術(shù)與CCD技術(shù)都只能測量切削區(qū)的表面溫度。

（2）隨著切削溫度研究的發(fā)展，研究者們對(duì)設(shè)備的測量響應(yīng)要求越來越快。測溫響應(yīng)能力較好的方法有薄膜熱電偶、新型熱成像裝置（四代熱像儀）以及CCD法。但在這些方法會(huì)也受到一些因素的限制。具體表現(xiàn)在：半人工薄膜熱電偶在高溫條件下會(huì)因分解而失效，通常測量溫度在（0～300）℃范圍內(nèi)；CCD法同樣受到溫度波動(dòng)的限制，CCD法需要被測對(duì)象在500℃以上才能測量；同時(shí)，CCD法動(dòng)態(tài)測溫范圍較小，一次性能夠測量的溫度波動(dòng)大多在（100～200）℃，所以當(dāng)切削溫度波動(dòng)較大時(shí)CCD法不能很好地發(fā)揮作用；紅外熱像儀響應(yīng)能力比前兩者差，目前紅外熱像以設(shè)備能達(dá)到的最高的測量頻率在120Hz左右；另外，紅外熱像儀的分辨率有限，觀測時(shí)放大圖像容易失真，導(dǎo)致結(jié)果有誤差。

（3）根據(jù)普朗克定律，發(fā)射率影響著大部分非接觸式測溫裝置的準(zhǔn)確性。研究證明，不同材料的表面形貌等因素會(huì)在很大程度上影響工件以及刀具的發(fā)射率。所以精準(zhǔn)確定工件和刀具的發(fā)射率難度較大。目前大部分非接觸式測溫設(shè)備對(duì)發(fā)射率采用固定值設(shè)定方式，無法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)設(shè)定，導(dǎo)致切削溫度測量產(chǎn)生較大誤差。

4.2 發(fā)展方向

針對(duì)上述的問題，將來可以在如下方向開展進(jìn)一步的深入研究：

（1）相對(duì)于非接觸式測溫，熱電偶法能直接測量到切削區(qū)溫度，抗干擾能力較強(qiáng)。在這一基礎(chǔ)上，提高其精度及響應(yīng)能力應(yīng)該是熱電偶法的發(fā)展趨勢(shì)。

（2）非接觸式測溫法在空間上得到了很大程度的解放，并且在反映溫度場分布以及響應(yīng)能力上也有較大的優(yōu)勢(shì)。在紅外熱成像技術(shù)的發(fā)展方面，研究發(fā)現(xiàn)固定發(fā)射率的設(shè)定對(duì)其測溫結(jié)果具有較大的影響。根據(jù)材料的發(fā)射率曲線由固定發(fā)射率值改進(jìn)為動(dòng)態(tài)值，實(shí)時(shí)修正熱輻射率，減少測量之前的準(zhǔn)備工作，提高熱像儀的測量準(zhǔn)確性；提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的靈敏度以及成像設(shè)備的分辨率也能夠提高紅外熱成像法的測溫功能。

（3）應(yīng)結(jié)合實(shí)際工況和測溫需求，合理安排測溫方法。在測量空間足夠的情況下，結(jié)合多種測溫方法能夠獲得更加全面而準(zhǔn)確的溫度數(shù)據(jù)，這有利于同推動(dòng)測溫研究的發(fā)展。

（4）結(jié)合有限元模擬和紅外測溫法全場分析切削區(qū)溫度也是一個(gè)可行的研究方向。利用紅外熱像儀測量工件表面的切削溫度，之后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入有限元模擬軟件中進(jìn)行模擬，得到全場切削溫度。這種方法在理論上能夠揭示切削熱傳遞的內(nèi)在機(jī)理。

5 總結(jié)

切削溫度是切削加工機(jī)理研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容，國內(nèi)外研究者們提出了許多切削測溫的理論和方法，每種理論和方法都有自己的優(yōu)勢(shì)和不足：干擾因素較少的接觸式測溫法有時(shí)并不能達(dá)到足夠快速地響應(yīng)時(shí)間；遠(yuǎn)程測溫法能夠測量溫度分布，測溫也足夠靈敏，但是又受到發(fā)射率等因素的限制。每種測溫法都有各自的發(fā)展前景和應(yīng)用空間。

目前，紅外熱成像技術(shù)在響應(yīng)速度、反映切削熱分布以及測溫的準(zhǔn)確性三個(gè)方面的表現(xiàn)較為突出，可以作為今后重點(diǎn)發(fā)展的一種測溫手段，但在發(fā)射率確定和設(shè)置方面還需要進(jìn)一步改進(jìn)，以提高溫度測量的可靠性。此外，結(jié)合有限元模擬和紅外測溫法進(jìn)行切削溫度分析也是一個(gè)可行的研究方向，有望獲得切削區(qū)域的全場溫度分布。