切削热 (温度) 是用来表征、评价刀具或工件材料切削特征的最常用物理量之一.在进行非旋转类刀具的切削热研究时, 热电偶是最常见的测温工具[1,2,3,4].然而对旋转类刀具 (如铣刀) , 主要有红外测温和加强光CCD等非接触式技术, 这些技术仅能从宏观上描述温度场的分布, 测量误差较大[5,6].能准确、方便地实现铣削温度的测量一直是刀具研究领域的一项急待解决的基础问题.文[7,8]虽介绍了多种应用于铣削测温的热电偶有线测温方法, 但用有线的方法把被测对象的热电势信号引出到静态测设备, 在信号引出过程容易发生附加热电势, 并且结构复杂、稳定性差.本文作者在文[9]和专利[10]提出了“一种旋转类刀具热电偶无线测温系统”, 该方法用无线的方式解决了把旋转类刀具的热电势信号引出到静态测设备的问题, 但当时的研究并未发现热电偶无线测温系统的热电势采集模块上热电偶参比端的温度在切削测温过程具有动态变化的特性, 因此之前所有的基于热电偶的铣削测温系统都没考虑如何实现对具有温度动态变化特征的参比端温度进行动态补偿.

本文首先对热电偶无线测温系统的热电势采集模块上热电偶参比端的温度进行测温实验, 针对切削测温过程热电偶参比端温度具有动态变化的特征, 提出用热电阻来动态采集热电势采集模块热电偶参比端的温度, 最后结合数据库实现对参比端温度的动态补偿, 实现对切削测温点温度的准确测量.

测温热电偶在回路中产生电势

式 (1) 中, f (t) 为测量端温度t时的函数, f (t0) 为参比端温度t0时的函数.热电偶分度表中的热电势值都是在参比端温度为0 (℃) 的情况下给出的, 实际工程中参比端的温度不为0 (℃) 就必须得[12]

式 (2) 中, E (t, 0) 为热电偶测量端温度为t及参比端温度为0℃时的热电势;E (t, t0) 为热电偶的测量端温度为t和参比端温度为t0时的热电势;E (t0, 0) 为热电偶的测量端温度为t0时所应加的校正值.因此, 只要知道热电偶参比端的温度t0, 就可以从分度表查出t0对应的热电势E (t0, 0) , 将这个值与E (t, t0) 相加得到E (t, 0) , 再从分度表查得E (t, 0) 对应的温度值.

用热电偶铣削测温系统进行铣削温度的测量时, 其热电势采集模块参比端温度为恒值还是变值?如果为变值则需进行热电偶参比端温度的动态测定和补偿.

把热电偶无线测温系统的热电势采集模块套在距离刀头50 mm处的铣刀外圆.热电阻用焊锡固定在热电偶无线测温系统的热电势采集模块的热电偶参比端 (见图1) , 进行切削并测量热电偶无线测温系统的热电势采集模块热电偶参比端的温度值, 获得的温度曲线如图2, 切削参数:工件材料:45钢;淬火硬度 (HBS) :187;强度 (GPa) :0.637;铣削刀具:高速钢, Φ16×100, 4刃;机床型号:HYM 600 A数控铣床;主轴转速n/ (r·min-1) :1 000, 1 200;进给量f/ (mm·r-1) :0.1轴向背吃刀量apa/mm:8;径向背吃刀量apt/mm:1.5.

从图2可知, 铣削过程热电势采集与无线发射模热电偶参比端的温升达10℃以上, 随切削参数增大上升幅度还有增大的可能, 因此对参比端的温度进行实时补偿就显得非常重要.产生温升的原因在于:1) 环境温度影响参比端的温度;2) 热电势采集与无线发射模块套在铣刀外围, 铣刀上的热量会传入热电势采集与无线发射模块;3) 切削过程大量的切削热散入空气, 热电势采集与无线发射模距切削区很近, 热空气会影响热电势采集与无线发射模块参比端的温度.诸多因素使得热电势采集与无线发射模块参比端的温度在切削过程发生明显变化.为此进行参比端温度的动态补偿是非常必要的.

图3为热电偶参比端的温度动态变化时, 基于数据库和热电阻实现参比端温度动态补偿的原理图.测温点的热电偶获得E (t, t0) 值, 由于热电偶参比端的温度是动态变化的, 而热电阻测温不存在参比端温度补偿的问题, 因此用热电阻来测量热电偶参比端的热Rt0.E (t, t0) 和Rt0经过A/D转换成数值信号, 再经无线发射和无线接受装置把数值传输到PC机, 并分别储存于数据库E (t, t0) 和Rt0数据库.从在PC机建立的热电阻分度表数据库和热电偶分度表数据库.查热电阻分度表数据库得到Rt0对应的温度值t0.由值t0查热电偶分度表数据库, 得到参比端的温度值t0对应的热电势E (t0, 0) .E (t0, 0) 与E (t, t0) 相加就得到E (t, 0) , 由E (t, 0) 查热电偶分度表数据库, 得到测温点的温度t.

实验原理:由式 (1) 知, 用参比端0℃恒温器法解决参比端温度补偿时, 系统误差为零.因此, 分别用参比端0℃恒温器法和上文讨论的参比端温度动态补偿法实现的热电偶有线测温系统 (这两套测温系统除参比端补偿方法不同, 其他部分都一致) 同时测量烧杯中水的温度.对比测量结果, 如果结果一致, 则参比端温度动态补偿法能有效实现参比端温度补偿.之所以采用有线的方法, 是因为把热电势采集模块置于恒温器内, 恒温器会对无线信号进行屏蔽.

主要实验仪器:容积为2升的烧杯一只;基于参比端0℃恒温器法实现的自制热电偶有线测温系统1套;基于参比端温度动态补偿法实现的自制热电偶有线测温系统1套;0℃恒温冰箱2台, 精度0.01;铂热电阻1套;镍铬-镍硅热电偶2套;PC机2台;固定热电偶的铜块1块;支撑铜块的支架一个.

实验步骤:

1) 在PC机1中建立热电偶热电势存储数据库E (t, t0) 和热电阻信号存储数据库Rt0;

2) 把热电偶1和热电阻与基于参比端温度动态补偿法实现的自制热电偶有线测温系统接好, 并使该热电偶测温系统与PC机1正常通信, 热电偶1测温端固定在铜环上, 热电偶金属部分悬浮在水中不与烧杯壁和铜环接触, 确保热电偶测量到的温度为水的温度.把该套测温系统的热电势采集模块置于温度保持0℃的恒温器1内, 0.5 h后进行第4步;

3) 把热电偶2与基于参比端0℃恒温器法实现的自制热电偶有线测温系统接好, 并使该热电偶测温系统与PC机2正常通信, 同样把热电偶2固定在铜环上, 热电偶金属部分悬浮在水中.把该套测温系统的热电势采集模块置于恒温器2内, 并使温度保持0℃, 0.5 h后进行第4步;

4) 烧杯中水加热致沸腾, 关闭恒温器1, 并打开恒温器门, 制造一种参比端动态变化的测温环境, 同时启动两套测温系统开始测温, 测温时间为1 800 s, 采集周期90 s.表1为采集到的各种信号及信号处理结果.

由表1知, 恒温器1关闭并打开箱门后自制热电偶有线测温系统热电偶参比端温度会逐渐上升, 即动态变化;各同一测温时刻, 两套系统获得的温度值差不超过0.2℃;参比端0℃恒温器法测温获得的平均沸水温度与参比端温度动态补偿法获得的平均沸水温度几乎一致 (0.01℃) , 可见基于数据库和热电阻实现参比端温度动态补偿能对参比端温度实现准确动态补偿.

对铣削过程用于切削测温的热电势采集与无线发射模块热电偶参比端的温升达10 (℃) 以上, 用热电偶测温时候必须进行参比端温度的动态补偿;各同一测温时刻, 两套系统获得的温度值差不超过0.2℃, 参比端0℃恒温器法测温获得的平均沸水温度T1与参比端温度动态补偿法获得的平均沸水温度T2几乎一致 (0.01℃) , 基于数据库和热电阻能实现参比端温度动态补偿能对参比端温度实现准确动态补偿.