一种同时测量铣削过程铣刀及工件温度的测量系统的制作方法

本发明涉及铣削温度测量试验中，一种铣削刀具及工件温度测量的新方法，属于机械加工技术领域。

背景技术：

铣削加工已成为目前切削加工中最常用的加工方法。主要用来高效率的去除工件材料。随着制造技术的不断进步，铣削加工在航空、航天等结构件的加工中发挥着越来越重要的作用。铣削加工的效率和质量也直接关系到切削加工的效率和质量。铣削过程中的切削热直接影响刀具的使用寿命和加工工件表面的塑性变形程度，进而影响加工工件表面质量。铣削过程中切削刃与工件摩擦产生的切削热，对铣刀产生热疲劳冲击，使刀具加剧磨损甚至产生失效，从而影响加工表面的粗糙度、残余应力状态等。铣削加工过程铣刀处于高速旋转状态，而且产生热量的铣削刃部分空间有限，因此采用传统的方法很难同时测量铣削过程中铣削刃、刀柄以及工件表面的温度。

目前对于铣削加工过程的温度监测，以工件温度测量为主，尚无法对铣削加工过程中刀具、工件、切削刃的温度进行实时测量。目前工件温度的测量一般采用热电偶法，即在工件中埋入热电偶的方法进行测量。常用的热电偶法有两种：一种是人工热电偶法，在工件上距离切削刃一定距离的位置埋入热电偶来获取某点的瞬时温度；另一种是半人工热电偶法，利用工件材料作为热电偶中的一极，与埋入工件的另一极热电偶材料组成热电偶对，当刀具切到热电偶时可测量切削刃上某一点的瞬时温度。人工热电偶法的优点是采用标准热电偶，可以直接测量热电偶热节点(两种不同材质的热电偶线的连接点)处的瞬时温度，热电偶无需标定；采用半人工热电偶的优点是当刀具切到热电偶时，可以测量到切削刃接触点的瞬时温度，但半人工热电偶法一般要采用夹丝法，即将工件分成两部分加持热电偶丝，这会破坏工件的完整性、影响工件的热传导和温度测量精度。两种方法目前无法有效的对铣削加工过程中刀具切削刃、刀柄和工件的温度进行同步测量。

针对铣削加工过程，采用半人工热电偶的夹丝法可测量刀具切削刃上的切削温度，但由于工件是分离的，很难准确获得切削过程中工件中的温度；若采用红外热成像仪、光纤红外测温法从切出一侧测量切削温度，则很难准确获得切削刃口处的温度值。

申请号为CN201310072128.4的发明利申请文件公开了一种用于高速钻削加工的切削温度测量装置，该测温装置可以测量钻削过程钻尖处的温度。但该装置无法测量铣削过程中铣削刃的温度，不适用于本发明所述的侧铣过程中铣削刃的瞬时温度的测量。此外，也无法实现加工过程工件温度的同步测量。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于人工、半人工热电偶测温原理的用于铣削加工过程刀具及工件温度检测装置及方法，采用两种测温系统，一种采用固定在旋转刀柄上的自供电测温模块，连接固定在铣刀上的标准热电偶，能够实现对铣刀刀柄上特定位置点进行温度测量；另一种采用供电的测温模块，连接工件上的人工热电偶对工件的温度及铣刀切削刃的温度进行测量。可实现铣削过程中铣刀、工件温度的同步测量。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种同时测量铣削过程铣刀及工件温度的测量系统，包括与铣刀柄连接的铣刀，利用该铣刀对工件进行铣削加工；该测量系统还包括铣刀测温装置、工件测温装置、温度调理模块、数据采集卡和计算机，所述计算机上安装有数据采集软件；所述铣刀测温装置包括通过刀杆测温模块支架安装在铣刀柄上的多个刀杆测温模块，所述铣刀的上部设有多个测温点，所述刀杆测温模块具有热电偶插头，所述热电偶插头与测温点之间均分别连接有刀杆测温热电偶；所述刀杆测温模块与所述计算机之间设有匹配的插接件；所述工件测温装置包括多个工件测温热电偶，所述工件测温热电偶的测温热节点设置在所述工件的端面上，所述工件测温热电偶的测温热节点的间距为铣削过程中铣刀径向进给量的整数倍，所述工件测温热电偶的测温热节点与工件的顶面距离为铣削过程中铣刀轴向切深的一半；所述工件测温热电偶的一端采用树脂固定在测温热节点处，所述工件测温热电偶的另一端与温度调理模块的输入端相连，所述温度调理模块采用24V直流电源供电，所述调理模块的输出端与所述数据采集卡相连，所述数据采集卡与所述计算机相连；铣削过程结束后，所述刀杆测温模块与所述计算机相连，将采集到的铣削过程铣刀的温度传输给计算机；铣削过程中，所述数据采集卡将采集到的铣削过程工件的温度实时传输给计算机；计算机接收铣削过程铣刀的温度和铣削过程工件的温度后，通过数据采集软件同时测得铣削过程铣刀及工件的温度。

本发明同时测量铣削过程铣刀及工件温度的测量系统，其中，所述刀杆测温模块支架的主体为圆筒状，在该主体上径向对称的设有四个用于安装刀杆测温模块的安装孔，所述刀杆测温模块与所述安装孔之间为过渡配合；每个安装孔内侧的顶部设有热电偶过线槽，所述主体上设有8个顶丝孔，8个顶丝孔按照径向上均布4个、且上下两圈布置，所述铣刀柄上设有与8个顶丝孔位置对应的顶丝平台，所述主体的顶部设有上盖板，所述主体的底部设有下盖板；所述铣刀柄上设有与热电偶过线槽位置对应、且与铣刀柄的轴孔贯通的热电偶穿线孔，所述刀杆测温热电偶自所述热电偶插头依次通过所述主体上的热电偶过线槽、所述铣刀柄上的热电偶穿线孔后固定于所述铣刀上部的测温点；每个顶丝孔旋入一个顶丝，成90°分布的上下两对的顶丝顶住顶丝平台，其他四个顶丝起平衡配重作用，从而将所述刀杆测温模块支架锁紧在所述铣刀柄上。

安装在铣刀柄上的刀杆测温模块的个数为三个，所述铣刀上部设有三个测温点，三个热电偶插头与所述铣刀上部三个测温点之间连接有三个刀杆测温热电偶，三个刀杆测温热电偶与三个测温点之间的固定结构是：所述铣刀顶面上、与圆心不同的位置处加工两个直径均为1mm、深度分别为2mm和10mm的热电偶安装小孔，同时在铣刀的侧面、自铣刀顶面向下至20mm处加工出一个2mm深度的热电偶安装槽，将三个刀杆测温热电偶的一端分别各自插入两个热电偶安装孔和一个热电偶安装槽中、并与热电偶安装小孔或热电偶安装槽的底部接触，然后用树脂固定住。

所述上盖板与所述主体之间、所述下盖板与所述主体之间分别通过锁紧螺钉连接。

所述工件测温热电偶的测温热节点处设有直径≤1mm、深度为3～6mm的热电偶安装孔，所述工件测温热电偶的端部与所述热电偶安装孔的底部接触。

本发明运行过程中，当刀具未切至热电偶节点时，工件热电偶测量的是工件测温点的温度；当刀具切到工件测温热电偶的热节点时，通过工件热电偶能够获得刀具切削刃的温度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明采用两套测温系统，采用刀具及工件中埋入热电偶的方法，实现了在铣削加工过程中对铣刀刀柄不同位置、铣削刃以及工件温度的同时测量。通过此种测温方法，可以准确获得铣削过程中锋利的切削刃刃口的温度、可以捕捉刀柄的温度，同时可以获得工件中距离切削刃不同相对位置点的温度。可以更全面的分析铣削过程切削热的传递、分布等特点。

附图说明

图1为本发明的测温系统及原理示意图；

图2为本发明中刀柄测温装置的结构示意图；

图3为本发明中刀柄测温模块支架结构示意图；

图4为本发明中刀柄结构示意图；

图5为本发明中铣刀上热电偶热测温点布局示意图。

图中，1-铣刀柄，2-上盖板，3-热电偶插头，4-刀杆测温模块，5-测温点，6-锁紧螺母，7-铣刀，8-铣刀夹块，9-下盖板，10-测温模块支架，11-刀杆测温热电偶，12-锁紧螺钉，13-顶丝，14-工件，15-热电偶安装孔，16-工件测温热电偶，17-测温节点，18-热电偶穿线孔，19-顶丝平台，20-安装孔，21-螺钉孔，22-热电偶过线槽，23-顶丝孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

本发明同时测量铣削过程铣刀及工件温度的测量系统可以实现实时、同步测量铣削过程铣刀及工件温度，基于人工热电偶、半人工热电偶测温原理，通过刀柄以及工件的两种测温系统实现工件铣削过程中铣刀切削刃、刀柄以及工件温度的同步测量。本发明适用于SK、BT、JT等多种铣刀柄进行温度测量，本发明不限于此三种刀柄，下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明，本发明同时测量铣削过程铣刀及工件温度的测量系统，包括与铣刀柄1连接的铣刀7，利用该铣刀7对工件14进行铣削加工；在铣刀柄1上设有铣刀测温装置，在工件上设有工件测温装置，并且包括温度调理模块、数据采集卡和计算机，所述计算机上安装有数据采集软件，如图1所示。

如图1和图2所示，所述铣刀测温装置包括通过刀杆测温模块支架10安装在铣刀柄1上的多个刀杆测温模块4，所述铣刀7的上部设有多个测温点5，所述刀杆测温模块4具有热电偶插头3，所述热电偶插头3与测温点5之间均分别连接有刀杆测温热电偶11；所述刀杆测温模块4与所述计算机之间设有匹配的插接件即相吻合的插接头和插接口。

如图1、图2和图3所示，为了保证刀杆测温装置铣削过程动平衡的要求，各组成零件的加工具有较高的精度要求。所述刀杆测温模块支架10采用高强度铝合金加工而成，其主体为圆筒状，所述主体上设有8个顶丝孔23，8个顶丝孔23按照径向上均布4个、且上下两圈布置，如图2和图4所示，即在主体的侧面加工有成90°分布的8个顶丝孔，所述铣刀柄1上设有与8个顶丝孔23位置对应的顶丝平台19，该顶丝平台19可以采用外圆磨的方法磨出成90°分布的四个宽度为5mm的平面，用以顶丝锁紧刀杆测温模块支架10，装配时，锁紧成上下对应的成90°分布的两对(四个)顶丝，其他四个顶丝起平衡配重作用。

在该主体上径向对称的设有四个用于安装刀杆测温模块4的安装孔20，可以采用线切割的加工方式加工出四个间隔90°分布的刀杆测温模块4的安装孔，所述刀杆测温模块4与所述安装孔20之间为过渡配合。每个安装孔20内侧的顶部设有热电偶过线槽22，所述铣刀柄1上设有与热电偶过线槽22位置对应、且与铣刀柄1的轴孔贯通的热电偶穿线孔18，该热电偶穿线孔18可以采用在铣刀柄1中距端面指定距离处电火花加工出相互垂直、直径约为5mm的通孔，用以穿过热电偶线。

所述主体的上下端加工有螺钉孔21，所述主体的顶部设有上盖板2，所述主体的底部设有下盖板9，所述上盖板2与所述主体之间、所述下盖板9与所述主体之间分别通过锁紧螺钉12连接。

所述刀杆测温热电偶11自所述热电偶插头3依次通过所述主体上的热电偶过线槽22、所述铣刀柄1上的热电偶穿线孔18后固定于所述铣刀7上部的测温点5；每个顶丝孔旋入一个顶丝，成90°分布的上下两对的顶丝13顶住顶丝平台19，另外4个顶丝13作为配重旋入顶丝孔，从而将所述刀杆测温模块支架10锁紧在所述铣刀柄1上。

本发明中的一个实施例是，安装在铣刀柄1上的刀杆测温模块4的个数为四个，如图2和图5所示，本发明一个实施例中，所述铣刀7上部设有三个测温点5，其中，三个热电偶插头3与所述铣刀7上部三个测温点5之间连接有三个刀杆测温热电偶11，三个刀杆测温热电偶11与三个测温点5之间的固定结构是：所述铣刀7顶面上、与圆心不同的位置处加工两个直径均为1mm、深度分别为2mm和10mm的热电偶安装小孔，同时在铣刀7的侧面、自铣刀顶面向下至20mm处加工出一个2mm深度的热电偶安装槽。一般可根据实际加工的温度范围选择热电偶的分度类型，如T型、K型等，将三个刀杆测温热电偶11的一端分别各自插入两个热电偶安装小孔和一个热电偶安装槽中、并保证热电偶节点接触到加工孔的底部即测温点5，并采用具有较好热传导性能的树脂固定。与另外一个刀杆测温模块4的热电偶插头3相连的热电偶没有连接测温点，将其缠绕在刀杆上以平衡系统。铣削过程产生的热量一部分传递到铣刀，一部分传递到工件中，另一部分被产生的切屑带走。在切削过程中传递到铣刀的热量会使铣刀产生温度分布，按照不同位置分布的刀杆测温热电偶11可以同时测量铣刀杆上多处的温度。

如图1所示，所述工件测温装置包括多个工件测温热电偶16，所述工件测温热电偶16的测温热节点17设置在所述工件14的端面上，所述工件测温热电偶16的测温热节点17的间距为铣削过程中铣刀径向进给量的整数倍，所述工件测温热电偶16的测温热节点17与工件14的顶面距离为铣削过程中铣刀轴向切深的一半；所述工件测温热电偶16的测温热节点17处设有直径≤1mm、深度为3～6mm的热电偶安装孔15，所述工件测温热电偶16的端部与所述热电偶安装孔的底部接触，所述工件测温热电偶16的一端采用树脂固定在测温热节点17处，所述工件测温热电偶16的另一端与温度调理模块的输入端相连，所述温度调理模块采用24V直流电源供电，所述调理模块的输出端与所述数据采集卡相连，所述数据采集卡与所述计算机相连。铣刀在靠近工件热电偶的过程中，工件中热电偶测量的是相对于铣刀产生的铣削热源不同位置点的工件中的温度，此处也是基于人工热电偶的测温原理。当铣刀切削到热电偶热节点的时候，热电偶能够与工件搭接形成热节点，而铣削刃又与热节点接触，所以能瞬时感受到铣削刃的温度。由于每齿进给量小于热电偶的热节点的尺寸，切削刃每切到热电偶热节点一次，热电偶的热节点都与铣削刃接触，能够瞬时捕捉到铣削刃刃口的温度值。

铣削过程结束后，所述刀杆测温模块4与所述计算机相连，将采集到的铣削过程铣刀的温度传输给计算机；铣削过程中，所述数据采集卡将采集到的铣削过程工件的温度实时传输给计算机；计算机接收铣削过程铣刀的温度和铣削过程工件的温度后，通过数据采集软件同时测得铣削过程铣刀及工件的温度。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。