一种侧铣加工的切削温度监控装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种机械加工过程中切削温度的监控装置及方法，具体涉及一种采用 非接触红外传感器的侧铣加工的切削温度监控装置及方法，属于机械切削加工技术领域。
【背景技术】
[0002] 铣削是一种极为常用的高效率切削加工方法，是指使用旋转的多刃刀具对工件进 行切削的加工方式。在铣削过程中，特别是在铣削具有低热导率、高化学活性的材料（如 钛合金）的过程中，工件铣削区域和刀具的温升将导致刀具迅速磨损并发生严重的粘刀现 象。因此对于铣削加工，为了降低刀具磨损，延长刀具使用寿命，提高铣削质量和效率，在过 程中随时测量和控制铣削区域的温度就显得极为关键。
[0003] 目前，常用的用于铣削的测温方法主要有以下两种：
[0004] (1)热电偶法
[0005] 当两种不同材质组成的材料副（如切削加工中的刀具一工件）接近并受热时，会 因表层电子溢出而产生溢出电动势，并在材料副的接触界面间形成电位差（即热电势）。由 于特定材料副在一定温升条件下所形成的热电势是一定的，因此可以根据热电势的大小来 测定材料副（即热电偶）的受热状态及温度变化情况。热电偶法具体可分为自然热电偶法、 人工热电偶法、半人工热电偶法以及等效热电偶法。人工热电偶法可用于测量刀具、切肩和 工件上指定点的温度，是目前较成熟也比较常用的切削区域温度测量方法，然而这种方法 需要在刀具或工件被测点处钻一个小孔（孔径越小越好，通常q)<〇.5mm )，不仅准备工作 量大，而且在更换刀具或工件时就显得费工费时，十分繁琐。
[0006] (2)光、热辐射法
[0007] 光、热辐射法测量切削温度的原理是，刀具、切肩和工件在受热时都会产生一定强 度的光、热辐射，并且辐射强度随温度升高而加大，因此可以通过测量光、热辐射的能量来 间接测定切削温度。光、热辐射法具体可分为辐射高温计法和红外热像仪法。光、热辐射法 往往只限用于测量工件和刀具外表面的温度，而且还受到传感器具体布置范围的限制。由 于在铣削过程中刀具与铣削区域直接接触，因此采用光、热辐射法无法直接获得切削区域 内部的温度。
【发明内容】
[0008] 本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种采用红外传感器 的侧铣加工的切削温度监控装置及方法，在侧铣加工过程中，采用多个红外探测器分别对 空切区域铣刀表面不同位置的温度进行同步测量，从而获得空切时刀具上多个特定点的温 度，再通过对温度曲线进行回归分析，得到切削区域内部的温度。
[0009] 本发明的工作原理见图1，刀具9对工件8进行侧铣的过程中，旋转的刀具9的外 周将周期性地经过去除材料的切削区域（图中涂黑部分）和不进行切削的空切区域（图中 空白部分），过程中刀具9外周上各位置的温度是不同而且有规律的。请参阅图2-个旋 转周期内刀具切削温度随刀具旋转角度变化的曲线图，图中虚线部分为空切区域内刀具温 度随角度的变化曲线，实线部分为切削区域内刀具温度随角度的变化曲线。由图2可知，刀 具温度为刀具9旋转角度的周期函数，空切区域内刀具温度随刀具旋转角度增大而逐渐降 低，进入切削区域后，刀具温度随刀具旋转角度增大而迅速增加直至最高温度。由此易知， 要获得切削区域内切削温度（图中实线部分）的分布范围（最低温度和最高温度），只须确 定刀具9在空切区域的温度范围即可，即只须对图中虚线部分进行测量即可。
[0010] 请参阅图1，本发明通过多个独立红外传感器7分别探测刀具9侧面产生的红外辐 射信号，测量获得空切区域内刀具9位于不同位置点（如120°、180°和240°三点）的温 度，从而得到刀具9空切时多个点的温度分布数据；然后通过对测得的温度分布数据按二 次函数关系进行拟合分析，得到刀具9空切时表面温度随旋转角度分布的函数关系，并由 此得到切削区域内部的温度分布范围；再通过线性拟合分析，即可得到足够精确的切削区 域内切削温度随旋转角度分布的函数关系，从而实现对切削区域温度的测量。
[0011] 本发明是通过以下技术方案来解决其技术问题的：
[0012] 一种侧铣加工的切削温度监控装置，其包括温度模块支架组件和温度监测系统； 所述温度监测系统安装于所述温度模块支架组件上，所述温度模块支架组件安装于立式铣 床的主轴上并对该温度监测系统进行沿所述主轴的轴向和径向的位置调整；所述温度监测 系统对空切区域内刀具表面不同角度位置的温度进行同步在线测量，再对测得的温度数据 进行拟合处理，得到切削区域内部的温度范围及温度分布状况。
[0013] 作为进一步改进，所述的温度模块支架组件包括轴向调整部件和径向调整部件； 所述轴向调整部件包括环形定位支架、轴向调整支架和轴向调整滑块，所述径向调整部件 包括直线调整滑台和弧形调整支架。
[0014] 作为进一步改进，所述的轴向调整滑块的上端设有螺纹，通过螺母调节所述轴向 调整滑块在所述轴向调整支架内的轴向位置，并且调整固定在该轴向调整滑块上的径向调 整部件沿所述主轴轴向的位置以实现对所述刀具沿轴向不同位置的温度的监测。
[0015] 作为进一步改进，所述的温度监测系统包括依次连接的多个分离式红外测温传感 器、A/D转换器和PC。
[0016] 作为进一步改进，所述的分离式红外测温传感器和直线调整滑台的数量均为三 个。
[0017] 作为进一步改进，所述的预定的角度位置为120°、180°和240°。
[0018] 作为进一步改进，所述的分离式红外测温传感器的光学分辨率为10:1，温度测量 范围为〇°C -1000°c，温度测量精度为±1%或±1°C，响应时间为20ms。
[0019] 本发明的另一技术方案为：
[0020] 一种采用上述监控装置实现的侧铣加工的切削温度监控方法，其采用多个分离式 红外测温传感器对空切区域内刀具表面不同角度位置的温度进行同步在线测量，测得的各 角度位置上的温度数据按照二次函数关系进行拟合分析，得到侧铣时刀具空切过程中刀具 表面温度随旋转角度变化的第一函数关系，以得到切削区域内部的温度范围，再采用线性 拟合分析方法，得到刀具去除材料阶段温度随刀具旋转角度变化的第二函数关系，从而得 到切削区域内部的温度分布。
[0021] 作为进一步改进，所述切削区域内部的温度测量精度由三个径向直线调整滑台与 刀轴旋转中心的同心度保证。
[0022] 本发明的有益效果在于：
[0023] 本发明采用多个分离式红外传感器对刀具的不同角度位置的温度进行在线监测， 通过对测得数据进行拟合处理，从而得到切削区域内部温度范围及其分布状况。与现有采 用人工热电偶测温技术相比较，本发明实现了非接触式测量，完全不受刀具几何参数、工件 材料参数及切削参数的影响，因而能够胜任各种条件下的侧铣加工的测温需求；本发明无 需预先钻孔将热电偶丝埋入刀具或工件中，因此在实际测量过程中使用更为方便；此外，热 电偶往往只能测量切削区域内部某一特定点的温度，而本发明带有位置调整装置，能够将 各分离式红外传感器定位到具有不同角度、不同径向距离以及不同轴向高度的刀具上的特 定点，从而同时测量刀具上多个点的温度，进而通过对温度数据进行处理后获得切削区域 内部的温度状况，完成切削区域内部三维温度场的测量。
【附图说明】
[0024] 图1为本发明的测温原理示意图。
[0025] 图2为切削温度随刀具旋转角度变化的分布曲线图。
[0026] 图3为本发明监控装置的结构示意图。
[0027] 图4为本发明温度模块支架组件与分离式红外测温传感器的安装结构图。
[0028] 图5为图4的仰视图。
[0029] 图中，
[0030] 1主轴，2环形定位支架，3轴向调整支架，4轴向调整滑块，5直线调整滑台，6弧形 可调支架，7分离式红外测温传感器，8工件，9刀具，10夹具。
【具体实施方式】
[0031] 本发明采用多个分离式红外测温传感器对空切区域内刀具表面不同角度位置的 温度进行同步在线测量，测得的各角度位置上的温度数据按照二次函数关系进行拟合分 析，得到侧铣时刀具空切过程中刀具表面温度随旋转角度变化的第一函数关系，以得到切 削区域内部的温度范围，再采用线性拟合分析方法，得到刀具去除材料阶段温度随刀具旋 转角度变化的第二函数关系，从而得到切削区域内部的温度分布。
[0032] 下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细说明，实施例以本发明的技术方案 为前提，给出了详细的实施方法和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施 例。
[0033] 请参阅图3,图示侧铣加工的切削温度监控装置包括温度模块支架组件和温度监 测系统；所述温度监测系统安装于所述温度模块支架组件上，所述温度模块支架组件安装 于立式铣床的主轴1上，并对该温度监测系统进行沿所述主轴的轴向和径向的位置调整； 所述温度监测系统对空切区域内刀具9表面不同角度位置的温度进行同步在线测量，再对 测得的温度数据进行拟合处理，得到切削区域内部的温度范围及温度分布状况。
[0034] 所述的温度模块支架组件包括轴向调整部件和径向调整部件。
[0035] 再请结合参阅图4和图5,所述轴向调整部件包括环形定位支架2、轴向调整支架 3和轴向调整滑块4。该环形定位支架2为前后的两半圆环组合件，通过螺栓夹紧固定在所 述主轴1上。所述轴向调整支架3通过螺钉固定在所述环形定位支架2上，并且该轴向调 整支架3上开设有沿所述主轴1轴向的滑槽，所述轴向调整滑块4嵌入该滑槽，并且在其中 沿主轴1轴向滑移，最后通过螺钉