夾絲半人工非標(biāo)熱電偶在銑削溫度測(cè)量中的應(yīng)用

摘要:介紹夾絲半人工熱電偶在銑削溫度測(cè)量中的應(yīng)用原理,并針對(duì)被加工材料分別為鋁合金LF5和鋁合金6063"T6的情況,詳細(xì)闡述其溫度標(biāo)定的方法。
　　銑削溫度是工藝研究的一個(gè)重點(diǎn)問題,而被測(cè)點(diǎn)溫度的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量是其關(guān)鍵技術(shù)。目前在實(shí)驗(yàn)過程中用來測(cè)量切削溫度的方法常用的主要有:熱電偶法、光熱輻射法、金相結(jié)構(gòu)法等"。
　　熱電偶法因其具有實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡單、測(cè)量方便的特點(diǎn),成為目前較成熟也較常用的切削溫度測(cè)量方法。根據(jù)不同的測(cè)量原理和用途,熱電偶法可細(xì)分為以下幾種2): (1) 自然熱電偶法。這種方法簡便可靠，可方便地研究切削條件(如切削速度、進(jìn)給量等)對(duì)切削溫度的影響,但它只能測(cè)定切削區(qū)域的平均溫度,無法測(cè)得切削區(qū)指定點(diǎn)的溫度,同時(shí),當(dāng)?shù)毒卟牧匣蚬ぜ牧献儞Q后,熱電偶的熱電特性曲線也必須重新標(biāo)定; (2) 人工熱電偶法。人工熱電偶法可用于測(cè)量刀具、切屑和工件上指定點(diǎn)的溫度,可測(cè)得溫度分布場(chǎng)和最高溫度點(diǎn)的位置。其主要優(yōu)點(diǎn)是:對(duì)于特定的人工熱電偶材料只需標(biāo)定一次,熱電偶材料可靈活選擇。但由于將人工熱電偶埋入超硬刀具材料(如陶瓷、PCBN、 PCD等)內(nèi)比較困難,因此限制了該方法的推廣應(yīng)用; (3) 半人工熱電偶法。這種方法是由自然熱電偶法和人工熱電偶法結(jié)合組成的。
　　文中采用的測(cè)溫方法是半人工非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶法夾絲半人工非標(biāo)熱電偶測(cè)溫法。
　　熱電偶的工作原理是:當(dāng)兩種材料不同的導(dǎo)體兩端連接成回路時(shí),由于接合點(diǎn)溫度不同,會(huì)在回路里產(chǎn)生熱電流的物理現(xiàn)象,這種現(xiàn)象稱為溫差電效應(yīng)或塞貝克效應(yīng)。
為了正確測(cè)得銑削過程中的銑削溫度,實(shí)驗(yàn)中采用夾絲半人工非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶測(cè)溫方法,測(cè)量示意圖如圖1所示。
 
　　該方法測(cè)量切削溫度的過程是:首先將康銅絲壓扁至小于0.1 mm的厚度,制成熱電偶康銅箔片,由于不同材料的熱電效應(yīng)會(huì)在回路中產(chǎn)生熱電勢(shì),為保證康銅絲與工件間構(gòu)成半人工熱電偶回路,必須使康銅箔片與工件間絕緣、工件與夾具間絕緣,以及兩工件間的夾持可靠,康銅箔片的引出線連接自制的溫度信號(hào)放大器的一-極,工件材料遠(yuǎn)離加工區(qū)的-端接放大器的另一極,同時(shí)也作為熱電偶的冷端。當(dāng)熱電偶絲被切斷時(shí),刀具與工件及熱電偶間瞬時(shí)接觸,造成溫升,康銅絲與試樣的接觸點(diǎn)形成了熱電偶的熱端,使回路中產(chǎn)生熱電效應(yīng)。通過測(cè)量熱電偶的熱電勢(shì)而間接得到切削時(shí)的切削溫度。
2熱電偶的標(biāo)定方法
　　文中的被加工材料分別為鋁合金LF5和鋁合金6063'T6。由于鋁合金LF5 -康銅和鋁合金606316-康銅不是標(biāo)準(zhǔn)熱電偶,而且目前也沒有其溫度與熱電勢(shì)之間的關(guān)系數(shù)據(jù),所以需要標(biāo)定出這兩對(duì)熱電偶的熱電特性數(shù)據(jù),得到該熱電偶的熱電勢(shì)與溫度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,為進(jìn)一步測(cè)量這兩種鋁合金材料的銑削溫度提供可靠的數(shù)據(jù)。標(biāo)定實(shí)驗(yàn)所得到的熱電特性數(shù)據(jù)的正確性將直接影響到銑削溫度測(cè)量結(jié)果的正確性。
　　熱電偶的標(biāo)定,就是將熱電偶置于若干溫度下測(cè)量其熱電勢(shì),并確定熱電勢(shì)與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。根據(jù)溫度給定方法和熱電勢(shì)測(cè)定方法的不同,熱電偶的標(biāo)定方法主要分為3種:純金屬定點(diǎn)法、比較法和黑體空腔法。其中比較法是利用高一級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和被測(cè)熱電偶直接比較的一種檢定方法。這種方法設(shè)備簡單、操作方便,是應(yīng)用最廣泛的-種標(biāo)定方法。它適用于標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和各種二工作熱電偶。
文中標(biāo)定熱電偶的實(shí)驗(yàn)方案采用單接點(diǎn)動(dòng)態(tài)標(biāo)定方案。其原理如下:用鋁合金LF5 -康銅或鋁合金.6063T6 -康銅熱電偶和鎳鉻( NiCr) - 康銅的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶來感受同-一個(gè)溫度,這樣就可以在同-一個(gè)溫度下測(cè)得兩個(gè)熱電勢(shì)的值。對(duì)于鎳鉻-康銅標(biāo)準(zhǔn)熱電偶來說,可以通過查文獻(xiàn)[5] 獲得電勢(shì)值對(duì)應(yīng)的溫度，同時(shí)將這個(gè)溫度與鋁合金LF5 -康銅或鋁合金6063T6 -康銅熱電偶測(cè)出的熱電勢(shì)相對(duì)應(yīng),就可以標(biāo)定出鋁合金LF5 -康銅或鋁合金6063T6 -康銅熱電偶的熱電特性數(shù)據(jù)了。
　　這種熱電偶標(biāo)定的關(guān)鍵是確保兩對(duì)熱電偶在連續(xù)升降溫的每一個(gè)瞬間都嚴(yán)格感受相同的溫度。為此,采用的裝置結(jié)構(gòu)原理示意圖[6]如圖2所示,為了使兩對(duì)熱電偶感受同一-點(diǎn)上的溫度,標(biāo)定試樣的一端加工出厚度不大于0. 5 mm的薄壁,并將端部磨尖的康銅絲和標(biāo)準(zhǔn)鎳鉻絲以一定的彈簧壓力從兩邊對(duì)準(zhǔn)頂緊在該薄壁上。由于薄壁處厚度極薄,兩根磨尖的熱電偶絲又是嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)頂緊的,所以這時(shí)完全可以認(rèn)為康銅絲、標(biāo)準(zhǔn)鎳鉻絲和鋁合金試件3種材料是交匯在-個(gè)點(diǎn)上的,這個(gè)點(diǎn)就是公共的熱節(jié)點(diǎn)C.康銅絲和標(biāo)準(zhǔn)鎳鉻絲通過點(diǎn)C構(gòu)成標(biāo)定時(shí)給出溫度信號(hào)的標(biāo).準(zhǔn)熱電偶,康銅絲和鋁合金試件也通過點(diǎn)C構(gòu)成待標(biāo)定熱電偶。由于這樣構(gòu)成的兩對(duì)熱電偶都是從同一點(diǎn)C引出的。所以當(dāng)以某種方式加熱材料時(shí),無論點(diǎn)C溫度如何變化,它們感受的都是同一溫度,從而保證了標(biāo)定的可靠性和正確性。
裝置采用的加熱方式是用乙炔噴槍加熱,它可以提供標(biāo)定時(shí)所需要的溫度。
 
　　在標(biāo)定的過程中,直接用乙炔噴槍的火焰在鋁合金試樣的端部加熱。然后用HP3562動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀同步采集兩對(duì)熱電偶在加熱過程中的熱電勢(shì)。這樣就得到了實(shí)驗(yàn)過程中的原始數(shù)據(jù),再對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理就可以得到鋁合金-康銅熱電偶的熱電特性曲線了。
3標(biāo)定結(jié)果
　　為了使標(biāo)定結(jié)果正確,在標(biāo)定的過程中,將熱電偶的冷端(圖2中的試樣點(diǎn)A和標(biāo)準(zhǔn)鎳鉻絲的點(diǎn)B)置于冰水混合物,使冷端保持0C。HP3562 動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀讀出的原始數(shù)據(jù)結(jié)果見圖3所示。
 
　　通過查文獻(xiàn)[5],查出標(biāo)準(zhǔn)熱電偶電勢(shì)差對(duì)應(yīng)的溫度值，同時(shí)記下鋁合金LF5 -康銅熱電偶在該點(diǎn)的電勢(shì)差, 依次每隔5 C記一-組數(shù)據(jù),最后得到鋁合金LF5 -康銅的標(biāo)定曲線如圖4。用同樣的方法標(biāo)定出鋁合金6063T6 -康銅熱電偶的熱電曲線見圖5。
 
4結(jié)束語
　　在高速銑削工藝參數(shù)優(yōu)化研究中,采用夾絲半人工非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶法測(cè)量銑削溫度。實(shí)驗(yàn)表明,該方法應(yīng)用效果良好,可以為其他銑削工藝的研究提供借鑒。