一種用于測量機床加工時工件表面以下不同深度的溫度值的方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于溫度分布測量領域，更具體地，涉及一種用于測量機床加工時工件表 面以下不同深度的溫度值的方法。
【背景技術】
[0002] 工件已加工表面完整性對零件的疲勞壽命、抗腐蝕性能、加工變形等有重要影響。 而工件表面完整性的形成是由于加工時工件表層的力、熱的耦合作用形成的，其中切削熱 對工件的影響不僅有熱應力的作用，還會使金屬工件產生相變，進而影響到殘余應力、表面 硬度等。所以獲知層深的溫度分布對研宄工件表面完整性有重大意義。
[0003] 車削加工廣泛用于各種回轉體的加工，如液壓桿、傳動軸、螺紋等（鏜孔也可視為 車削加工的一種），通常這些回轉體零件在工作時要承受劇烈的交變載荷，由于這些交變載 荷容易在工件表面誘發微裂紋，最終導致零件疲勞破壞，所以對車削表面完整性要求較高， 進而對車削工件層深的溫度分布的測量提出更高要求。
[0004] 車削加工時工件的溫度是隨著深度變化的，越靠近工件表面溫度越高，越遠離工 件表面溫度越低，通常溫度影響層在0. 2_的深度范圍之內，如何測量在如此淺的深度內 溫度的分布是目前的技術難題。目前常用的溫度測試方法有熱電偶法、光纖光柵法、紅外成 像法等。熱電偶法測量溫度值雖然較準確，但當要求測量距離熱源很近的位置時，如距離工 件表層0. 1_的深度范圍之內，熱電偶的測量頭與熱源的距離就很難精確定位，要用它來 測量不同深度的溫度就不可行。另外，由于熱電偶在安裝時要在工件上打孔，這會影響到溫 度在工件的分布，從而導致測量溫度不是實際加工時的溫度。光纖光柵法也遇到同樣的問 題，即測量頭安裝的位置不可控、需要在工件打孔的問題。紅外成像法是非接觸式測量，其 測量結果很大程度依賴于材料的發射率的標定，但材料的發射率又跟溫度及工件的表面形 貌有關，這種耦合作用使得它的測量精度大大降低。若在切削時加冷卻液，紅外測量法將不 可行。
【發明內容】
[0005] 針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種用于測量機床加工時工 件表面以下不同深度的溫度值的方法，該方法可以測量機床加工時工件已加工表面下不同 深度的溫度值，可測的深度量程最小可達幾十微米，而且溫度值準確。
[0006] 為實現上述目的，按照本發明，提供了一種用于測量機床加工時工件表面以下不 同深度的溫度值的方法，其特征在于：該方法包括以下步驟：
[0007] 1)剖開：沿工件的縱向或橫向將工件剖開，形成兩個待加工體，在每個待加工體 上均加工出螺紋連接孔，再將每個待加工體上的剖面均加工至粗糙度Ra< 0. 2ym，平面度 ￡7^5)im；
[0008] 2)鍍膜：在每個待加工體的剖面上劃分出多個彼此平行的條形區域，然后在每個 條形區域的整個區域內均均勻鍍上一種熔點已知的薄膜，對于兩個待加工體而言，它們之 間處于同一位置的條形區域對應相同且所鍍材料也相同，而且同一剖面上每個條形區域內 的薄膜的材料各自不同；
[0009] 3)緊固：將兩個待加工件貼合在一起，再用螺栓裝置穿過所述螺紋連接孔將兩個 待加工件連接緊固，從而形成加工件；
[0010] 4)加工：設定包括切深、進給、切削速度、刀具種類和/或冷卻條件在內的一系列 切削參數，對加工件進行機床加工，使該加工件中的薄膜隨著加工溫度而相應發生熔化，并 記錄所有薄膜的熔化部分與不熔化部分之間所形成的分界線；
[0011] 5)繪圖：測量每種材料形成的薄膜上的分界線相對于工件表層的距離也即其所 在的深度，繪制溫度-深度曲線圖，由此完成工件表面以下不同深度的溫度值的測量。
[0012] 優選地，所述工件優選為譬如液壓桿、傳動軸或臺柱的回轉體結構；并且所述機床 加工為車削方式。
[0013] 優選地，當工件為回轉體時，如果沿經過工件軸線的平面剖開工件，則步驟2)中 鍍膜前用螺釘穿過螺紋加工孔后將待加工件連接在一起重新加工成回轉體，然后再拆掉螺 釘，在每個剖面上鍍膜。
[0014] 優選地，在步驟4)中，優選通過對上述切削參數調整和搭配，相應可獲得不同的 機床加工條件，進而根據所繪制的曲線圖來對進行切削參數進行優化配置。
[0015] 優選地，步驟2)中每個剖面上鍍的薄膜的厚度為200~300納米。
[0016] 優選地，步驟2)中采用物理氣相沉積法、化學沉積法或電鍍法鍍膜。
[0017] 優選地，步驟2)中鍍膜前剖面先進行清洗，并且使用酒精擦拭多遍。
[0018] 優選地，步驟2)中鍍膜前還要制備多個掩膜，每個掩膜用于貼在待加工體剖面的 一條形區域上；鍍膜時將需鍍膜的方形區域內的掩膜揭開，鍍完后重新貼上掩膜，則可以在 剖面上鍍上不同材料的薄膜。
[0019] 總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有 益效果：
[0020] 1)本發明能測量已加工工件內的溫度分布，最淺的測量深度可達到幾十微米，而 且溫度值準確；
[0021] 2)本發明可以研宄加工參數，如切深、進給、切削速度、刀具種類和/或冷卻條件 對已加工工件層深溫度分布的影響，為優化加工參數提供約束條件；
[0022] 3)本發明可以測量已加工工件層深的溫度分布，為建立溫度與工件加工硬化、溫 度與工件層深殘余應力分布的關系提供支持；
[0023] 4)本發明可以用于驗證機械加工已加工工件層深溫度在不同層深分布的理論模 型。
【附圖說明】
[0024] 圖1為剖面是劃面若干條形區域的示意圖；
[0025] 圖2為條形區域上得到分界線的示意圖；
[0026] 圖3為按照設計的實驗參數進行外圓車削實驗得到的不同切深時工件內部溫度 與深度的函數關系圖。
【具體實施方式】
[0027] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并 不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要 彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0028] 參照圖1~圖3,一種測量回轉工件機械加工層深溫度分布的方法，包括以下步 驟：
[0029] 1)剖開：沿工件的縱向或橫向將工件剖開，形成兩個待加工體，在每個待加工體 上均加工出螺紋連接孔，再將每個待加工體上的剖面均加工至粗糙度Ra< 0. 2ym，平面度 ^7sS5).im；
[0030] 2)鍍膜：在每個待加工體的剖面上劃分出多個彼此平行的條形區域，然后在每個 條形區域的整個區域內均均勻鍍上一種熔點已知的薄膜，對于兩個待加工體而言，它們之 間處于同一位置的條形區域對應相同且所鍍材料也相同，而且同一剖面上每個條形區域內 的薄膜的材料各自不同；
[0031] 3)緊固：將兩個待加工件貼合在一起，再用螺栓裝置穿過所述螺紋連接孔將兩個 待加工件連接緊固，從而形成加工件；
[0032] 4)加工：設定包括切深、進給、切削速度、刀具種類和/或冷卻條件在內的一系列 切削參數，對加工件進行機床加工，使該加工件中的薄膜隨著加工溫度而相應發生熔化，并 記錄所有薄膜的熔化部分與不熔化部分之間所形成的分界線；
[0033] 5)繪圖：測量每種材料形成的薄膜上的分界線相對于工件表層的距離也即其所 在的深度，繪制溫度-深度曲線圖，由此完成工件表面以下不同深度的溫度值的測量。
[0034] 下面具體結合沿回轉工件的軸向將其剖成兩半及車削實驗的測量方法對本發明 進行具體描述，方法如下：
[0035] A)將圓柱形工件的兩端面車平、外圓柱面車光滑，再沿經過圓柱軸線的平面將 工件剖開成兩個待加工件，在剖開的兩待加工件上加工出螺紋連接孔（用于使用螺釘 把剖開的兩部分重新連接成圓柱體），再把兩剖面加工平整并拋光至鏡面程度，粗糙度 Ra< 0. 2ym，平面度乙7<5叫31;這里剖面的加工不僅要保證粗糙度，還要保證平面度，越平 越好，一般要5ym以下。
[0036] B)將剖開和拋光后的兩個待加工件的剖面貼合、端面對齊，用螺釘穿過螺紋連接 孔后連接在一起，再用車床重新車成圓柱形；
[0037] C)拆掉螺釘，把車成圓柱形的工件拆成兩半，在每個待加工體的剖面上劃分出多 個彼此平行的條形區域，然后在每個條形區域的整個區域內均均勻鍍上一種熔點已知的薄 膜（如鋁、鋅、鋁鋅合金、陶瓷材料、金屬氧化物等的薄膜），薄膜厚度為200~300nm，優選 300nm;薄膜厚度選擇在200~3