专利名称：高速外圆磨削弧区多点温度同时测试的传感器及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及高速磨削生产过程在线测试领域，特别是涉及一种高速与超高速外圆 磨削过程中磨削弧区相关点温度同时测试的传感器及其装置。
背景技术：
回顾近30年的高速磨削技术发展历程，传统磨削技术已经从精密光整加工方法 发展成为一种精密且可高效的加工方法。国外著名专用磨床的砂轮线速度已达到120m/s， 而我国生产的轴承磨床砂轮线速度都不超过60m/s，大多数磨床的线速度甚至不超过40m/ s，实际生产中经常出现的磨削表面烧伤、工件内部残余应力导致裂纹等加工质量缺陷问 题，磨削效率低下等制约生产力问题始终制约了我国高速磨削技术的发展、应用和高性能 产品的制造能力，与国外现有先进制造技术与装备具有较大差距。理论上，通过提高砂轮速度(Vs)，但不改变磨削深度(ap)，可以使实际切屑厚度 (ae)减小，因此可以使单颗磨粒承受的磨削力相应减小、而砂轮耐用度可以提高。但是，提 高砂轮速度(Vs)后，磨削热也会相应降低吗？如何把握高速与超高速磨削热的演变规律？ 如何揭示磨削热与磨削力的耦合效应？如何掌握高速与超高速磨削特性及其对不同磨削 材料的影响规律？如何控制磨削质量和提高磨销效率已变得越来越迫切与重要了。目前国内外平面磨削温度测量主要包括夹式测温试件和顶式测温试件两种结构。 其中，两种试件均使用圆形截面热电偶丝。由于热电偶丝直径较粗，通常为125-250um。在 搭接成热电偶节点时，存在滞后现象，甚至因圆形热电偶丝往往产生错位而无法搭接的现 象。因热电偶法温度测量是测定节点金属体积内的平均温度，因此节点的大小直接影响测 温的准确性。由于磨削温度在工件内部存在很大梯度，因此顶式测温试件往往只能测得磨 削表面以下一定深度的平均温度，因此这两种结构均不适合高速和超高速磨削温度测量的 情况。虽然采用红外热像仪等贵重仪器能够对高速和超高速磨削温度进行测量，但是实际 测试结果与实际情况差距甚大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高速外圆磨削弧区多点温度同时测试的 传感器及其装置，从根本上解决高速与超高速磨削弧区温度测试难题，尤其是外圆磨削温 度测试的技术难题，为控制磨削质量和提高磨削效率提供基础数据和科学依据。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种高速外圆磨削弧区多点温 度同时测试的传感器，包括外壳和热电偶，所述的外壳由左半圆柱体和右半圆柱体组成，内 部镶嵌有N个所述的热电偶，其中，1。所述的左半圆柱体平面上等间距地刻有N条卡槽；所述的卡槽与左半圆柱体的中 心轴线相互平行并且平分在中心轴向的两侧；所述的卡槽的宽度由所述的热电偶的厚度决 定；所述的右半圆柱体与所述的左半圆柱体有相同的结构；所述的每条卡槽内放置有一个 所述的热电偶；所述的左半圆柱体和右半圆柱体焊接在一起组成圆柱体外壳；所述的圆柱体外壳外部加工成外螺纹。所述的热电偶由两个热电偶丝和三个绝缘云母片组成；在所述的三个并排的绝缘 云母片与两个热电偶丝间隔排列，每两个绝缘云母片之间放置有一个所述的热电偶丝；所 述的热电偶丝前端为扁平头部；所述的绝缘云母片的尺寸与所述的热电偶丝相配。所述的热电偶的个数vVdnKy^ + l)，其中，1为磨削弧长、h为热电偶的厚度、d
h+d
为卡槽的间距；所述的传感器外径D = int(NX (h+d)+2)，其中，h为热电偶的厚度、d为卡 槽的间距、N为热电偶个数。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种高速外圆磨削弧区多点 温度同时测试的装置，包括依次连接的集流环、数据处理采集设备、信号处理软件和数显装 置，所述的传感装置还包括S个传感器，其中，S ^ 1 ；所述的S个用于高速外圆磨削弧区多 点温度同时测试的传感器拧入测试工件中，沿所述的测试工件磨削宽度方向排列，以形成 沿磨削宽度方向连续的磨削弧区测试表面，用于在高速外圆磨削过程中采集磨削弧区相关 点温度；所述的传感器引出的导线与所述的集流环外环引出线相连；所述的传感器的直径 大于磨削弧区长度；所述的传感器与测试工件采用相同的材料制成。 所述的传感器的个数S根据测试工件磨削宽度B、传感器直径D和传感器间距A进
行确定，即 J=int(^^-1)。 D+A所述的磨削弧区相关点包括沿测试工件磨削弧长上的N个温度测试点和测试工 件磨削宽度方向的S个温度测试点。有益效果由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效 果通过将传感器安装在磨削弧区工件表面的相关点，包括沿工件磨削弧长(圆周方向)的 温度测试点和工件磨削宽度方向的温度测试点，可以准确地获取磨削弧区不同位置的工件 表面瞬间温度、关键位置点(如磨粒进入点、离开点、最大磨削深度点等)的温差、最高温度 点位置，进而掌握磨削弧区不同点温度的相互耦合作用等。用于测试的传感器将多个热电 偶丝(片)与用于绝缘的云母片集为一体，并通过相位超前校正网络，可以同时测试磨削弧 长上多个点的瞬间温度及其变化，并使系统响应达到ms级，从根本上解决高速与超高速外 圆磨削弧长多点温度同时测试的技术瓶颈。本发明的实现方式不但简单方便，而且具有很 好的适应性和柔性，从根本上解决了高速与超高速磨削弧区温度测试难题，尤其是外圆磨 削温度测试的技术难题，可以有效地为控制磨削质量和提高磨削效率提供基础数据和科学 依据，填补了该领域的空白。
图1是本发明中传感器结构示意图；图2是本发明中传感器内热电偶组成示意图；图3是本发明中热电偶丝示意图；图4是本发明中测试装置结构框图；图5是本发明中传感器安装在工件上的示意图；图6是本发明中工件圆弧面ADC示意图7是图6的展开图；图8是本发明测试装置测试原理图；图9是本发明实施例1的磨削几何接触弧长示意图；图10是本发明实施例2的磨削几何接触弧长示意图。
具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明 而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人 员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定 的范围。本发明涉及一种高速外圆磨削弧区多点温度同时测试的传感器，如图1所示，包 括外壳和热电偶4，所述的外壳由左半圆柱体2和右半圆柱体3组成，内部镶嵌有N个所述 的热电偶4，其中，N > 1。所述的左半圆柱体2平面上等间距地刻有N条卡槽5;所述的卡 槽5与左半圆柱体2的中心轴线相互平行并且平分在中心轴向的两侧；所述的卡槽5的宽 度由所述的热电偶4的厚度决定；所述的右半圆柱体3与所述的左半圆柱体2有相同的结 构；所述的每条卡槽5内放置有一个所述的热电偶4 ；所述的左半圆柱体2和右半圆柱体3 焊接在一起组成圆柱体外壳；所述的圆柱体外壳外部加工成外螺纹。该传感器的制造步骤 如下首先通过模具制作出左半圆柱体和右半圆柱体，然后将热电偶安装在左、右半圆柱体 内部的卡槽中，同时将导线与热电偶相连卡入导线槽中，再将左、右半圆柱体焊接好，最后
制作外表面的螺纹。所述的热电偶的个数#=int(^^+l)，其中，1为磨削弧长、h为热电偶
的厚度、d为卡槽的间距；所述的传感器外径D = int(NX (h+d)+2)，其中，h为热电偶的厚 度、d为卡槽的间距、N为热电偶个数。如图2所示，所述的热电偶4由两个热电偶丝6和三个绝缘云母片7组成；在所述 的三个并排的绝缘云母片7与热电偶丝6间隔排列，每两个绝缘云母片7之间放置有一个 所述的热电偶丝6 ；所述的热电偶丝6前端为扁平头部；所述的绝缘云母片7的尺寸与所述 的热电偶丝6相配。整个热电偶4的厚度h为两个热电偶丝6扁平头部的厚度Ii1和三个 绝缘云母片7的厚度h2的总和，即h = 2h1+3h20其中，一个热电偶丝作为正极，另一个热电 偶丝作为负极，正极热电偶丝和负极热电偶丝之间通过绝缘云母片7进行隔离，保证热电 偶两极不会接触从而导致短路，同时通过绝缘云母片7将热电偶两极与工件隔离。绝缘云 母片7厚度仅为25 μ m，材质为矽云母片，由于矽云母片具有良好的弯曲性能，导热性能和 绝缘性能使得测量的数据更为准确。图3展示了热电偶丝6的结构，所述的热电偶丝6前 端通过轧机压扁成为扁平头部，所述的扁平头部的大小与所述的绝缘云母片7相同，其宽 度约为1mm，长度大约为5-7mm，厚度为5-10μπι。较宽的头部有利于防止热电偶两极在磨削 过程中错位，而使搭接失败，同时极薄的厚度又有利于温度传导和热电偶两极的搭接。本发明还涉及一种高速外圆磨削弧区多点温度同时测试的装置，如图4所示，包 括依次连接的集流环8、数据处理采集设备、信号处理软件和数显装置，所述的装置还包括 S个用于高速外圆磨削弧区多点温度同时测试的传感器，其中，S > 1 ；所述的传感器引出的 导线与所述的集流环外环引出线相连。所述的传感器1的直径大于磨削弧区长度；所述的传感器1与测试工件9采用相同的材料制成，传感器1经过加工，使得其与测试工件9 一致 的弧度，如图5所示，拧入测试工件9后，将与测试工件9形成沿磨削宽度方向连续的磨削 弧区测试表面。热电偶测温装置最终圆周方向的排布间距总长等于磨削弧长。砂轮在某一 磨削瞬间，磨削弧区恰好与热电偶分布区域相重合，如图6和图7所示，图中P11, P12, P13为 沿测试工件磨削弧长(圆周方向)上的温度测试点序列号；Pn、P21、P31、P41为测试工件磨削 宽度方向上的温度测试点序列号。此时一部分磨粒刚好切入，另外一部分磨粒处于切深最 大处或切出位置。此时，传感器1在高速外圆磨削过程中采集磨削弧区相关点温度，可同时 测试NXS个相关点，包括沿测试工件磨削弧长上的N个温度测试点(对应N个热电偶丝) 和测试工件磨削宽度方向的S个温度测试点(对应S个传感器)，通过集流环8将温度信号 传输给数据处理采集设备，数据处理采集设备接收到温度信号后通过信号处理软件对温度 信号进行相位超前同步校正，可以同时测试磨削弧长上多个点的瞬间温度及其变化，将各 槽内热电偶4在各个具体时刻内的温度数值在数显装置上显示，从而分析磨削弧区不同位 置处的磨削温度。该测温装置可以根据不同的被磨件而重复使用。下面通过两个具体的实施例来进一步说明本发明。实施例1对超高速外圆磨床(MMK1320)进行高速与超高速磨削试验，考察高性能产品高速 外圆磨削工艺条件的合理性。考察的高速外圆磨削工艺条件是砂轮直径ds = 400mm、宽度为20mm ；试件直径dw =80mm、宽度为15_ ；砂轮线速度Vs = 120m/s、Vw = 1. 25m/s、切深t。= 20 μ m、磨粒高度 hc = 80 μ m0由图8可知
权利要求
1.一种高速外圆磨削弧区多点温度同时测试的传感器，包括外壳和热电偶(4)，其特 征在于，所述的外壳由左半圆柱体⑵和右半圆柱体⑶组成，内部镶嵌有N个所述的热电 偶(4)，其中，N彡1。
2.根据权利要求1所述的所述的高速外圆磨削弧区多点温度同时测试的传感器，其特 征在于，所述的左半圆柱体⑵平面上等间距地刻有N条卡槽(5)；所述的卡槽(5)与左半 圆柱体(2)的中心轴线相互平行并且平分在中心轴向的两侧；所述的卡槽(5)的宽度由所 述的热电偶(4)的厚度决定；所述的右半圆柱体(3)与所述的左半圆柱体(2)有相同的结 构；所述的每条卡槽(5)内放置有一个所述的热电偶(4)；所述的左半圆柱体(2)和右半圆 柱体(3)焊接在一起组成圆柱体外壳；所述的圆柱体外壳外部加工成外螺纹。
3.根据权利要求1所述的高速外圆磨削弧区多点温度同时测试的传感器，其特征在 于，所述的热电偶⑷由两个热电偶丝(6)和三个绝缘云母片(7)组成；在所述的三个并排 的绝缘云母片(7)与两个热电偶丝(6)间隔排列，即每两个绝缘云母片(7)之间放置有一 个所述的热电偶丝(6)；所述的热电偶丝(6)前端为扁平头部；所述的绝缘云母片(7)的尺 寸与所述的热电偶丝(6)相配。
4.根据权利要求1所述的高速外圆磨削弧区多点温度同时测试的传感器，其特征在于，所述的热电偶⑷的个数#=11^^+1)，其中，1为磨削弧长、h为热电偶(4)的厚度、h+dd为卡槽(5)的间距；所述的传感器外径D = int(NX (h+d)+2)，其中，h为热电偶(4)的厚 度、d为卡槽(5)的间距、N为热电偶(4)个数。
5.一种高速外圆磨削弧区多点温度同时测试的传感装置，包括依次连接的集流环、数 据处理采集设备、信号处理软件和数显装置，其特征在于，所述的传感装置还包括S个如权 利要求1所述的传感器(1)，其中，1 ；所述的S个传感器(1)拧入测试工件(9)中，沿所 述的测试工件(9)磨削宽度方向排列，以形成沿磨削宽度方向连续的磨削弧区测试表面， 用于在高速外圆磨削过程中采集磨削弧区相关点温度；所述的传感器(1)引出的导线与所 述的集流环(8)外环引出线相连；所述的传感器(1)的直径大于磨削弧区长度；所述的传 感器(1)与测试工件(9)采用相同的材料制成。
6.根据权利要求5所述的高速外圆磨削弧区多点温度同时测试的装置，其特征在于， 所述的传感器(1)的个数S根据测试工件(9)磨削宽度B、传感器(1)直径D和传感器(1)间距A进行确定，即S=int((B/(D+A))-1)
7.根据权利要求5所述的高速外圆磨削弧区多点温度同时测试的装置，其特征在于， 所述的磨削弧区相关点包括沿测试工件(9)磨削弧长上的N个温度测试点和测试工件(9) 磨削宽度方向的S个温度测试点。
全文摘要
本发明涉及一种高速外圆磨削弧区多点温度同时测试的传感器及其装置。传感器由内侧开有若干条卡槽的左半圆柱和右半圆柱焊接而成，每条卡槽内安装有一个热电偶。将若干个该传感器拧入测试工件中，沿测试工件磨削宽度方向排列，并与测试工件形成连续的磨削弧区表面。传感器的输出端依次与集流环、数据处理采集设备、信号处理软件和数显装置相连组成测试装置。在高速外圆磨削过程中传感器对磨削弧区相关点温度进行采集，并将数据输出到信号处理软件进行后续处理，同时测试磨削弧长上多个点的瞬间温度及其变化，从而解决高速与超高速磨削弧区温度测试难题。
文档编号B24B49/14GK102001041SQ20101050991
公开日2011年4月6日 申请日期2010年10月18日 优先权日2010年10月18日
发明者倪嘉铭, 周哓琴, 周振新, 庞静珠, 李蓓智, 杨建国, 黄海涛 申请人:上海机床厂有限公司, 东华大学