一种温度可控的加热切削方法及装置与流程

本发明涉及机械加工工艺技术领域，具体为一种温度可控的加热切削方法及其装置。

背景技术：

汽车、高铁、模具和核电等领域的轴承、传动轴、轮箍、冲模等重要构件工作时承受热载荷和交变应力，易产生疲劳破坏。这是由于零件加工表面状态直接影响其静态强度、疲劳强度、抗腐蚀性、耐磨性、尺寸稳定性及电磁性能等。现代制造装备业对齿轮轴、传动轴以及螺纹轴等轴类零件的可靠性和使用寿命的要求越来越高，这些零件大都承受着复杂交变应力的作用，有些还处于冲击、振动和严重腐蚀性环境中工作，在实践应用中常发现其表面和螺纹部分萌生疲劳裂纹，进而导致零件疲劳失效而造成严重的事故。因此对加工表面状态和加工表面质量的研究，一直成为切削领域的专家和学者的研究热点。

理论研究与实际应用的结果表明，通过控制或调整已加工表面的应力状态，获得合适的残余压应力，可提高零件的疲劳强度和耐腐蚀性。国内外很多研究者试图从刀具角度优化和改变切削、磨削参数来获得加工表面残余压应力。为了获得残余压应力分布并消除残余拉应力的不利影响，轴类零件在实际使用前常常进行表面残余应力的调控。从调控工序时间上来看，目前调整残余应力的方法主要分为两类：一类是切削加工后通过表面压延或增加表面密度等方法来控制，如喷丸、滚压和渗碳渗氮以及表面涂层等，这些方法除了成本昂贵使得中小型企业往往难以承担，以及一些零件(如螺纹轴)无法实施外，还可能引起额外的表面硬化，降低零件的冲击韧性；另一类是在切削加工的过程中进行控制，包括采用强冷低温切削、微量润滑切削等方法，以及优化切削参数和刀具形状，然而前者同样需要昂贵的专用设备，后者由于影响加工表面残余应力的因素多而复杂，仅考虑调整加工参数难以稳定控制加工表面的残余应力。

技术实现要素：

为了克服现有技术提及的缺点，本发明提供一种对淬硬钢等材料的环类零件进行预应力硬态切削的温度可控的加热切削方法及其装置

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种温度可控的加热切削方法，其步骤如下：

S1：切削加工前，根据待加工的环类零件的材质，由《钢材回火温度与硬度对照表》查的该零件的最低回火温度T₀；

S2：进行外环(或内环)表面切削加工时，测量环类零件的外环(或内环)表面切屑温度T₁；同时利用加热装置对环类零件的内环(或外环)部进行加热，使得环类零件的内环(或外环)部升温至T₂；切削过程中，保证T₂<T₀，而且保证内外环的温度差|T₁-T₂|<30℃。

本方法通过前期理论分析计算和实验探索，发现使工件产生残余压应力的条件是工件表层产生足够的塑性变形和加工后母体有一定的收缩。预应力拉伸的作用正是为了以后的收缩。也就是说，通过热膨胀变形，达到施加预应力拉伸的结果。这里值得注意的是，由于所需加热的温度尚未达到钢材低温回火的温度，不至于影响材料的组织及性能，因此通过预热产生热变形，像预应力切削那样，获得所需的加工表面残余压应力。

基于上述的加热切削方法，本发明还提供一种温度可控的加热切削装置，包括车床、加热装置、加热控制装置和第一温度传感器，所述加热装置和第一温度传感器电气连接所述加热控制装置，所述加热装置安装于所述车床的卡盘处并可跟随所述车床的卡盘同步转动，所述加热装置用于插入环类零件内环部或套于环类零件外环部对环类零件进行加热，所述第一温度传感器安装于所述车床的切削刀盘处可跟随所述车床的切削刀盘同步转动，所述第一温度传感器用于测量环类零件切削面的实时表面切屑温度T₁。

进一步的，所述加热装置为陶瓷加热棒或内表面安装有电热丝的套筒，所述加热装置与环类零件的接触面上设有一层硅油层，所述加热装置上还安装有第二温度传感器，所述第二温度传感器电气连接所述加热控制装置，所述第二温度传感器用于测量环类零件非切屑的内环或外环的加热温度T₂。陶瓷加热棒能绝缘绝热,硅油有较高的耐热性、耐水性、电绝缘性和较小的表面张力,常用作高级润滑油和绝缘油。

进一步的，所述加热控制装置包括单片机、第一模数转换器、第二模数转换器和驱动器，所述第一模数转换器的一端连接所述第一温度传感器和第二温度传感器，所述第一模数转换器的另一端连接所述单片机，所述第二模数转换器分别连接连接所述单片机和驱动器，所述驱动器用于连接所述加热装置；第一温度传感器和第二温度传感器将测量的温度转化成电压信号送到第一模数转换器，第一模数转换器将电压量转化为数字量，单片机读取该数字量，并经过计算得出所需要的加热装置的温度，然后通过增量式PID算法计算出所驱动器的控制量，单片机通过第二模数转换器和驱动器输出此控制量至加热装置，确定加热装置输出相应的加热电流，而成保证加热装置达到所需要加热的温度效果。

本发明的有益效果是：本发明温度可控的加热切削方法主要针对环类零件加工时由于内外圈的温度差引起热胀冷缩,从而产生相应的残余应力的问题，利用加热装置可在切屑过程中对零件的内外圈进行加热，适当控制加热温度,这样减少内外圈的温度差，从而改善了加工轴承表面的残余应力。本发明还提供一种结构简单，操作方便的加热切削装置，该装置利用增量式PID算法对加热装置进行控制，实现加热装置的温度可控。

附图说明

图1为本发明的一种温度可控的加热切削装置采用外环切削时的结构示意图；

图2为本发明的一种温度可控的加热切削装置采用内环切削时的结构示意图；

图3为本发明的加热控制装置的结构框图；

图4为本发明的加热控制装置的采用增量式PID控制算法的逻辑系统框图；

图5为本发明的加热控制装置的单片机的控制流程的主程序的逻辑系统框图；

图6为本发明的加热控制装置的单片机的控制流程的PID控制程序的逻辑系统框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步的说明。

一种温度可控的加热切削方法，其步骤如下：

S1：切削加工前，根据待加工的环类零件的材质，由《钢材回火温度与硬度对照表》(http://www.docin.com/p-298202603.html)查的该零件的最低回火温度T₀；

S2：进行外环(或内环)表面切削加工时，测量环类零件的外环(或内环)表面切屑温度T₁；同时利用加热装置对环类零件的内环(或外环)部进行加热，使得环类零件的内环(或外环)部升温至T₂；切削过程中，保证T₂<T₀，而且保证内外环的温度差|T₁-T₂|<30℃。

如图1和图2所示，基于上述的加热切削方法，本发明还提供一种加热切削装置，包括车床、加热装置1、加热控制装置2和第一温度传感器3，所述加热装置1和第一温度传感器3电气连接所述加热控制装置2，所述加热装置1安装于所述车床的卡盘处并可跟随所述车床的卡盘同步转动，所述加热装置1用于插入环类零件4内环部或套于环类零件4外环部对环类零件进行加热，所述第一温度传感器3安装于所述车床的切削刀盘处可跟随所述车床的切削刀盘同步转动，所述第一温度传感器3用于测量环类零件4切削面的实时温度T₁。

进一步的，所述加热装置为陶瓷加热棒或内表面安装有电热丝的套筒，所述加热装置1与环类零件4的接触面上设有一层硅油层5，所述加热装置1上还安装有第二温度传感器，所述第二温度传感器电气连接所述加热控制装置，所述第二温度传感器用于测量环类零件非切屑的内环或外环的温度T₂。陶瓷加热棒能绝缘绝热,硅油有较高的耐热性、耐水性、电绝缘性和较小的表面张力,常用作高级润滑油和绝缘油。

如图3所示，进一步的，所述加热控制装置2包括单片机、第一模数转换器、第二模数转换器和驱动器，所述第一模数转换器的一端连接所述第一温度传感器和第二温度传感器，所述第一模数转换器的另一端连接所述单片机，所述第二模数转换器分别连接连接所述单片机和驱动器，所述驱动器用于连接所述加热装置；第一温度传感器和第二温度传感器将测量的温度转化成电压信号送到第一模数转换器，第一模数转换器将电压量转化为数字量，单片机读取该数字量，并经过计算得出所需要的加热装置的温度，然后通过增量式PID算法计算出所驱动器的控制量，单片机通过第二模数转换器和驱动器输出此控制量至加热装置，确定加热装置输出相应的加热电流，而成保证加热装置达到所需要加热的温度效果。

如图4所示，进一步的，采用增量式算法时，单片机输出的控制增量就是本次执行机构的增量，增量式控制时误动作影响小，手动/自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换，此外当单片机发生故障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故能仍然保存原值，且容易通过加权处理获得比较好的控制效果。

当执行机构需要的是控制量的增量时，我们采用增量式PID控制算法，由式

$u_k=k_p\&lsqb;e_k+\frac{T}{T_1}\underset{j=0}{\overset{k}{\&Sigma;}}{e}_j+\frac{T_D}{T}(e_k+e_{k-1})\&rsqb;+u_0$

可得控制器在第k-1个采样时刻的输出值为：

$u_{k-1}=k_p\&lsqb;e_{k-1}+\frac{T}{T_1}\underset{j=0}{\overset{k-1}{\&Sigma;}}{e}_j+\frac{T_D}{T}(e_{k-1}+e_{k-2})\&rsqb;+u_0$

将两式相减得增量式PID控制算法公式为：

Δu_k＝u_k-u_k-1＝Ae_k+Be_k-1+Ce_k-2

式中：

若控制系统采用恒定的采用周期，一旦确定了A,B,C,只要用前后3次测量值的偏差，就可以求出控制增量，即可实现温度的稳定控制。

所述单片机的控制流程分为2个部分：主程序和PID控制程序。

如图5所示，主程序为：设置控制参数A、B、C，初始化误差e为0，进入控制中断程序，中断程序结束后，发送温度转换指令。

如图6所示，PID控制程序：开启中断服务程序，进入本次采样输入，依次计算偏差，计算控制量，以及输出控制量，如此时中断程序结束，则进入发送温度指令程序，若中断没结束，在进入下一个循环即再次进入采样，依次计算偏差和控制量，以及输出控制量，在此小循环过程中，采样和A/D转换器相连，和加热装置和驱动器以及D/A转换器和输出控制量相连。

以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即大凡依本发明申请专利范围及发明说明内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。