一種側銑加工的切削溫度監控裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種機械加工過程中切削溫度的監控裝置及方法，具體涉及一種采用 非接觸紅外傳感器的側銑加工的切削溫度監控裝置及方法，屬于機械切削加工技術領域。
【背景技術】
[0002] 銑削是一種極為常用的高效率切削加工方法，是指使用旋轉的多刃刀具對工件進 行切削的加工方式。在銑削過程中，特別是在銑削具有低熱導率、高化學活性的材料（如 鈦合金）的過程中，工件銑削區域和刀具的溫升將導致刀具迅速磨損并發生嚴重的粘刀現 象。因此對于銑削加工，為了降低刀具磨損，延長刀具使用壽命，提高銑削質量和效率，在過 程中隨時測量和控制銑削區域的溫度就顯得極為關鍵。
[0003] 目前，常用的用于銑削的測溫方法主要有以下兩種：
[0004] (1)熱電偶法
[0005] 當兩種不同材質組成的材料副（如切削加工中的刀具一工件）接近并受熱時，會 因表層電子溢出而產生溢出電動勢，并在材料副的接觸界面間形成電位差（即熱電勢）。由 于特定材料副在一定溫升條件下所形成的熱電勢是一定的，因此可以根據熱電勢的大小來 測定材料副（即熱電偶）的受熱狀態及溫度變化情況。熱電偶法具體可分為自然熱電偶法、 人工熱電偶法、半人工熱電偶法以及等效熱電偶法。人工熱電偶法可用于測量刀具、切肩和 工件上指定點的溫度，是目前較成熟也比較常用的切削區域溫度測量方法，然而這種方法 需要在刀具或工件被測點處鉆一個小孔（孔徑越小越好，通常q)<〇.5mm )，不僅準備工作 量大，而且在更換刀具或工件時就顯得費工費時，十分繁瑣。
[0006] (2)光、熱輻射法
[0007] 光、熱輻射法測量切削溫度的原理是，刀具、切肩和工件在受熱時都會產生一定強 度的光、熱輻射，并且輻射強度隨溫度升高而加大，因此可以通過測量光、熱輻射的能量來 間接測定切削溫度。光、熱輻射法具體可分為輻射高溫計法和紅外熱像儀法。光、熱輻射法 往往只限用于測量工件和刀具外表面的溫度，而且還受到傳感器具體布置范圍的限制。由 于在銑削過程中刀具與銑削區域直接接觸，因此采用光、熱輻射法無法直接獲得切削區域 內部的溫度。
【發明內容】
[0008] 本發明所要解決的技術問題是針對現有技術的不足，提供一種采用紅外傳感器 的側銑加工的切削溫度監控裝置及方法，在側銑加工過程中，采用多個紅外探測器分別對 空切區域銑刀表面不同位置的溫度進行同步測量，從而獲得空切時刀具上多個特定點的溫 度，再通過對溫度曲線進行回歸分析，得到切削區域內部的溫度。
[0009] 本發明的工作原理見圖1，刀具9對工件8進行側銑的過程中，旋轉的刀具9的外 周將周期性地經過去除材料的切削區域（圖中涂黑部分）和不進行切削的空切區域（圖中 空白部分），過程中刀具9外周上各位置的溫度是不同而且有規律的。請參閱圖2-個旋 轉周期內刀具切削溫度隨刀具旋轉角度變化的曲線圖，圖中虛線部分為空切區域內刀具溫 度隨角度的變化曲線，實線部分為切削區域內刀具溫度隨角度的變化曲線。由圖2可知，刀 具溫度為刀具9旋轉角度的周期函數，空切區域內刀具溫度隨刀具旋轉角度增大而逐漸降 低，進入切削區域后，刀具溫度隨刀具旋轉角度增大而迅速增加直至最高溫度。由此易知， 要獲得切削區域內切削溫度（圖中實線部分）的分布范圍（最低溫度和最高溫度），只須確 定刀具9在空切區域的溫度范圍即可，即只須對圖中虛線部分進行測量即可。
[0010] 請參閱圖1，本發明通過多個獨立紅外傳感器7分別探測刀具9側面產生的紅外輻 射信號，測量獲得空切區域內刀具9位于不同位置點（如120°、180°和240°三點）的溫 度，從而得到刀具9空切時多個點的溫度分布數據；然后通過對測得的溫度分布數據按二 次函數關系進行擬合分析，得到刀具9空切時表面溫度隨旋轉角度分布的函數關系，并由 此得到切削區域內部的溫度分布范圍；再通過線性擬合分析，即可得到足夠精確的切削區 域內切削溫度隨旋轉角度分布的函數關系，從而實現對切削區域溫度的測量。
[0011] 本發明是通過以下技術方案來解決其技術問題的：
[0012] 一種側銑加工的切削溫度監控裝置，其包括溫度模塊支架組件和溫度監測系統； 所述溫度監測系統安裝于所述溫度模塊支架組件上，所述溫度模塊支架組件安裝于立式銑 床的主軸上并對該溫度監測系統進行沿所述主軸的軸向和徑向的位置調整；所述溫度監測 系統對空切區域內刀具表面不同角度位置的溫度進行同步在線測量，再對測得的溫度數據 進行擬合處理，得到切削區域內部的溫度范圍及溫度分布狀況。
[0013] 作為進一步改進，所述的溫度模塊支架組件包括軸向調整部件和徑向調整部件； 所述軸向調整部件包括環形定位支架、軸向調整支架和軸向調整滑塊，所述徑向調整部件 包括直線調整滑臺和弧形調整支架。
[0014] 作為進一步改進，所述的軸向調整滑塊的上端設有螺紋，通過螺母調節所述軸向 調整滑塊在所述軸向調整支架內的軸向位置，并且調整固定在該軸向調整滑塊上的徑向調 整部件沿所述主軸軸向的位置以實現對所述刀具沿軸向不同位置的溫度的監測。
[0015] 作為進一步改進，所述的溫度監測系統包括依次連接的多個分離式紅外測溫傳感 器、A/D轉換器和PC。
[0016] 作為進一步改進，所述的分離式紅外測溫傳感器和直線調整滑臺的數量均為三 個。
[0017] 作為進一步改進，所述的預定的角度位置為120°、180°和240°。
[0018] 作為進一步改進，所述的分離式紅外測溫傳感器的光學分辨率為10:1，溫度測量 范圍為〇°C -1000°c，溫度測量精度為±1%或±1°C，響應時間為20ms。
[0019] 本發明的另一技術方案為：
[0020] 一種采用上述監控裝置實現的側銑加工的切削溫度監控方法，其采用多個分離式 紅外測溫傳感器對空切區域內刀具表面不同角度位置的溫度進行同步在線測量，測得的各 角度位置上的溫度數據按照二次函數關系進行擬合分析，得到側銑時刀具空切過程中刀具 表面溫度隨旋轉角度變化的第一函數關系，以得到切削區域內部的溫度范圍，再采用線性 擬合分析方法，得到刀具去除材料階段溫度隨刀具旋轉角度變化的第二函數關系，從而得 到切削區域內部的溫度分布。
[0021] 作為進一步改進，所述切削區域內部的溫度測量精度由三個徑向直線調整滑臺與 刀軸旋轉中心的同心度保證。
[0022] 本發明的有益效果在于：
[0023] 本發明采用多個分離式紅外傳感器對刀具的不同角度位置的溫度進行在線監測， 通過對測得數據進行擬合處理，從而得到切削區域內部溫度范圍及其分布狀況。與現有采 用人工熱電偶測溫技術相比較，本發明實現了非接觸式測量，完全不受刀具幾何參數、工件 材料參數及切削參數的影響，因而能夠勝任各種條件下的側銑加工的測溫需求；本發明無 需預先鉆孔將熱電偶絲埋入刀具或工件中，因此在實際測量過程中使用更為方便；此外，熱 電偶往往只能測量切削區域內部某一特定點的溫度，而本發明帶有位置調整裝置，能夠將 各分離式紅外傳感器定位到具有不同角度、不同徑向距離以及不同軸向高度的刀具上的特 定點，從而同時測量刀具上多個點的溫度，進而通過對溫度數據進行處理后獲得切削區域 內部的溫度狀況，完成切削區域內部三維溫度場的測量。
【附圖說明】
[0024] 圖1為本發明的測溫原理示意圖。
[0025] 圖2為切削溫度隨刀具旋轉角度變化的分布曲線圖。
[0026] 圖3為本發明監控裝置的結構示意圖。
[0027] 圖4為本發明溫度模塊支架組件與分離式紅外測溫傳感器的安裝結構圖。
[0028] 圖5為圖4的仰視圖。
[0029] 圖中，
[0030] 1主軸，2環形定位支架，3軸向調整支架，4軸向調整滑塊，5直線調整滑臺，6弧形 可調支架，7分離式紅外測溫傳感器，8工件，9刀具，10夾具。
【具體實施方式】
[0031] 本發明采用多個分離式紅外測溫傳感器對空切區域內刀具表面不同角度位置的 溫度進行同步在線測量，測得的各角度位置上的溫度數據按照二次函數關系進行擬合分 析，得到側銑時刀具空切過程中刀具表面溫度隨旋轉角度變化的第一函數關系，以得到切 削區域內部的溫度范圍，再采用線性擬合分析方法，得到刀具去除材料階段溫度隨刀具旋 轉角度變化的第二函數關系，從而得到切削區域內部的溫度分布。
[0032] 下面結合實施例和附圖對本發明作進一步詳細說明，實施例以本發明的技術方案 為前提，給出了詳細的實施方法和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述實施 例。
[0033] 請參閱圖3,圖示側銑加工的切削溫度監控裝置包括溫度模塊支架組件和溫度監 測系統；所述溫度監測系統安裝于所述溫度模塊支架組件上，所述溫度模塊支架組件安裝 于立式銑床的主軸1上，并對該溫度監測系統進行沿所述主軸的軸向和徑向的位置調整； 所述溫度監測系統對空切區域內刀具9表面不同角度位置的溫度進行同步在線測量，再對 測得的溫度數據進行擬合處理，得到切削區域內部的溫度范圍及溫度分布狀況。
[0034] 所述的溫度模塊支架組件包括軸向調整部件和徑向調整部件。
[0035] 再請結合參閱圖4和圖5,所述軸向調整部件包括環形定位支架2、軸向調整支架 3和軸向調整滑塊4。該環形定位支架2為前后的兩半圓環組合件，通過螺栓夾緊固定在所 述主軸1上。所述軸向調整支架3通過螺釘固定在所述環形定位支架2上，并且該軸向調 整支架3上開設有沿所述主軸1軸向的滑槽，所述軸向調整滑塊4嵌入該滑槽，并且在其中 沿主軸1軸向滑移，最后通過螺釘