基于人工热电偶法和自行设计的转轴信号变送器，建立了铣削温度测试系统。通过时间换算、周期换算、热电偶冷端温度补偿、温度换算、曲线拟合等数据处理方法，得出不同槽型铣刀片各测温点温度与前刀面刀-屑接触区平均温度和时间之间的实验方程。编制了实验数据处理应用软件。测试结果表明，该测试系统性能良好。波形刃铣刀片的切削性能优于平前刀面铣刀片。研究结果为建立加热密度函数和温度场的数学模型奠定了基础。引言粘接损坏占工具损坏的重要比例。尤其在耐热钢和高温合金的重切削和断续切削中，刀具的粘结损伤更为严重。本文以新开发的大型化工容器壳体材料3Cr-1Mo-1/4V耐热钢为主要研究对象。3Cr-1Mo-1/4V钢的切削难度大于不锈钢，刀具与切屑粘结非常严重。前刀面刀-屑接触区的最高温度和温度场是判断刀具是否粘结的主要依据，铣削温度在研究粘结损伤中起着重要作用。因此，测量铣削温度，研究温度场和表面加热密度函数，可以为研究铣刀片粘结失效机理和槽型优化技术提供重要的数据和理论依据。在实验的基础上，研究了铣削3Cr-1Mo-1/4V钢过程中铣削温度的瞬时变化规律。此外，对平前刀面铣刀片和波形刃铣刀片的铣削温度进行了对比研究。2铣削温度测量系统为了研究不同槽型铣刀片加热密度函数和温度场的数学模型，采用人工热电偶法测量了刀-屑界面的铣削温度。人工热电偶法的基本原理是将热电偶的热端焊接在叶片预定测温的位置，通过信号传输系统和动态数据采集系统可以测量焊接点的温度变化。铣床和铣刀的运动属于旋转系统。传统的方法是在信号采集电路中引入集流环来实现旋转系统的信息采集和传输。然而，由于人工热电偶的电信号极其微弱，要准确测量切削区的瞬态温度值还存在一些问题。在集流环的信号传输过程中，噪声引起的误差可能会使测量值失真，固定集流也不方便。因此，本实验设计开发了旋转系统的信号处理和传输部件——旋转轴信号发射器(已获实用新型专利)。切削时，轴信号变送器随主轴旋转，其输入端与热电偶的两极相连，输出端与电刷接触。该变送器体积小、易拆卸、易操作，不仅具有传统集电环的性能，而且抗干扰能力强。铣削温度测量系统如图1所示。图1测温系统原理图3铣削温度测试系统的硬件和软件。为了研究切削参数和不同槽型对铣刀片切削性能的影响，采用两种槽型铣刀片切削3Cr-1Mo-1/4V钢，通过A/D转换和动态数据采集处理系统，利用人工热电偶采集和处理切削温度信号。根据试验的需要，试验前要做好铣刀的测温孔、热电偶和数据采集系统的参数设置，以保证试验的顺利进行。1)获取铣刀片的测温孔。根据测试要求，选择测点坐标，如图2所示。的坐标
热电偶的测量端通过绞合点焊形成。焊接时，电源电压为220V AC，石墨电极产生电弧熔化热电偶两极。热电偶的热端利用电容放电原理焊接在叶片的测温孔底部。在确保热电偶两极之间以及每极与孔壁之间绝缘后，用环氧树脂填充固定温度计孔。热电偶叶片的安装方法如图3所示。图3热电偶安装方法3)动态数据采集系统及其参数设置测试数据由北京惯性技术研究所FAS-4DEE-2动态数据采集与处理系统采集。该系统是测功机的支撑软件，基于Windows平台，采用标准的Windows应用程序接口。预先设置系统选项，设置采集模式为“非测功机模式”，显示模式为“电压”，采集频率为2Hz，即每0.5s采集一个点，系统采集频率越低，系统干扰越小，测试数据越准确，误差越小。4铣削温度试验1)试验条件和方法试验条件工件尺寸：220mm190mm120mm；材料：3Cr-1Mo-1/4V钢；规格为16mm16mm的方形可转位铣刀是传统的平前刀面铣刀和哈尔滨理工大学研制的波形刃铣刀。它们的几何参数和材料见表1。实验在X5030A立式升降台铣床上进行，面铣刀直径为160mm。表1叶片的几何参数和材料；刀片类型；倾角；倾角；倾斜角度；品牌；波形刃铣刀片8 7 15 ~-15 yt 535；平前刀面铣刀片0 7 0 YT540表2实验切削参数；切割速度(米/分钟)；进给速度(毫米/分钟)；背吃刀量(mm) 27.646，40.211为了获得足够的数据点，尽可能减少试验次数，采用单因素法选择试验参数组合，进行了三组试验：第一组为切削速度v。
c=55.292m/min为定值，分别变化进给量、背吃刀量和刀片槽形；第二组取进给量vf=36mm/min为定值，分别变化切削速度、背吃刀量和刀片槽形；第三组取背吃刀量ap=2mm为定值，分别变化切削速度、进给量和刀片槽形进行铣削温度试验。 2) 试验结果 铣削时，由于切削与空冷的交替变化，刀具表面上的温度发生周期性变化，在刀具切入工件时，在刀—屑接触面上产生高温，并向刀具体内传递，产生很大的温度梯度；当刀具切出工件时受冷却，刀—屑接触区骤然降温，刀体内温度重新分布，至再次切入时，温度又骤升。由计算机采集到的铣削温度值也证实了这一点。选择试验参数为vc=55.292m/ min、ap=2mm、vf=36mm/min 的一组数据为例，动态数据采集与处理系统采集到的温度曲线如图4 所示，其中横坐标为切削时间，纵坐标为经过放大以后的温差电动势。图4 切削区的瞬态温度变化图
5 试验数据处理与分析 动态数据采集系统采集到的数据是铣削过程中测温点各个瞬间的温差电动势，它的大小受温度测量系统本身及外界环境的影响很大，而且采集系统所显示的温差电势变化曲线也不是一个切削周期内的连续曲线；另外，利用人工热电偶法所得到的测温点温度并不是前刀面上的温度，热电偶的冷端温度也不是0℃。为了获得前刀面刀—屑接触区上的真实温度，探索该温度与对应切削时刻的内在联系，建立实验方程，必须依据数学手段对原始试验数据进行必要的处理，从众多数据中提取需要的数据，为我所用。在这里仍以切削试验参数为vc=55.292m/min、vf=36mm/ min、ap=2mm 的一组数据为例说明处理的方法和步骤。 1) 切削周期的计算 已知刀盘直径d0、工件宽度ae和主轴转速n(rpm)，则切入时间ti为
ti=arcsin( ae)1d03n(1)
刀盘的旋转周期为T=60/n，那么切出时间to为
to= 1(180°-arcsinae)3nd0(2)
将n、ae、d0分别代入上面的公式，就可以得到不同切削条件下的切入切出时间。对于标准切削条件为：vc=55.292m/min，ae=120mm，d0=160mm，则对应的切入切出时间为ti=0.1472s，to=0.3983s，刀盘的旋转周期T=0.5455s。 2) 时刻转换 由于动态数据采集与处理系统采集到的点不在一个切削周期内，需要将这些点都转化到一个周期内。切削达到稳态时，其数值是呈周期性变化的，因此只要模拟出一个周期内的温度—时间曲线，就可以代表整个切削过程中的温度变化。 选择波形刃铣刀片上第1 个测温点说明转换过程：取切削达到稳态后的某一个切出时刻作为时刻转换参考点，此处取为23s，则切入时刻为23s-ti=22.8528s；取22.8528s 为自定义时刻的0时刻，则刀具在工件上进行切削的时间段为：22.8528s+nT～23s+nT(n为非负整数)；但是，由于信号采集周期是0.5s，采集时刻为0s、0.5s、1s，因此只有采集时刻恰好在切削时间段内才有意义。为此，需要计算出在切削时间段内的采集点所对应的时刻。编制C ++ Builder 程序以进行这一步运算(由于篇幅所限，原程序省略)。可视化控件ListBox1的输出结果S1～S2就是在切削时间段内的点。根据该输出结果判断采集到的点是否在切削时间段内。例如：在49.5000～49.6472s内，有一点进行了采集(49.5s)；而在50.0455～50.1927s 时间段内，并没有进行采集。 3) 周期转换 通过时刻转换，从采集曲线中提取到适合的时刻后，需要将其转换为一个周期内的时刻，以方便计算。切削达到稳态后，切削温度的变化可以看作一个周期函数，其周期就是刀具的旋转周期。因而可以将所有的点都转换到一个周期内(由于篇幅所限，计算周期转换的C ++ Builder 程序省略)。程序中字符串S1所对应的值为采集点的时刻，S2所对应的值为转换到一个周期内的时刻。 4) 热电偶的冷端温度补偿 热电偶的热电势的大小不但与热端温度有关，而且与冷端温度有关，只有在冷端温度恒定的情况下，热电势才能反映热端温度大小。各种热电偶的分度表是在冷端温度为0℃的情况下得到的。而本实验所采用测温热电偶的冷端放置在大气中，其温度并非0℃，而是接近环境温度，因此不能直接用测得的热电势E(θ，θ0)去查分度表得到θ。为了消除冷端温度变化对测量的影响，笔者采用计算法实现冷端温度补偿，其计算公式为：
E(q，0)= E(q，q0)+ E(q0，0)(3)
式中，E(q，0)为冷端温度为0℃而热端为q℃时的热电势，E(q，q0)为冷端温度为q0℃而热端为q℃时的热电势(即实测值)，E(q0，0)为冷端温度为q0℃时的应加校正值，它相当于同一支热电偶在冷端为0℃，热端温度为q0℃时的热电势，该值可以从热电偶分度表中查得。 然后用E(q，0)从分度表中查得温度q，q 就是通过计算补偿了冷端温度不在0℃所产生的热电势变化后得到的热端温度。 5) 温度转换 用人工热电偶法只能测出距前刀面有一定距离的某点处的温度，而不能直接测出前刀面的温度。因此需要借助传热学计算前刀面上的温度。当切削达到稳定状态后，通过刀片基面法线方向的各个截面的热流量近似相等，且测量孔底部到前刀面的距离与刀片宽度相比，相对较小，因此可以按照一维稳态导热来简化计算前刀面上的温度。设测量孔深度为δ2，测量孔底部到前刀面的距离为δ1，测量点温度为θ1，刀片底面温度为θ2，则前刀面上对应点的温度θ通过传热学公式计算为 θ=δ1δ2(θ1 -θ2)+θ1 6) 曲线拟合及试验结果分析 经过上述几步转换后，从试验原始曲线上获得了有限个数据点，但它们具有很大的离散性，直接分析很难寻找出内在的规律性，还需要经过排序和曲线拟合处理，从而得出铣削温度在一个切削周期内随时间变化的实验方程。 获取整切削周期内的有限个采集时刻后，首先要按从小到大的顺序排列，然后从原始实验曲线上读出对应时刻的热电势，转换为前刀面上的温度，得出温度—时间(T-t)序列，进而利用MATLAB 软件拟合出T-t方程式，经编程计算得第1点的T-t方程式如下： T=-37440t4+49693t3-22333t2+3495t+351 其余各点的T-t曲线拟合过程与第1点相同，可以把每种刀片6个测温点的曲线利用Matlab绘图功能在一个窗口显示出来，以更好地观察各个点的温度变化趋势，并进行对比。图5 为最终得到的波形刃铣刀片6个点的温度—时间曲线。
图5 波形刃铣刀片六个测温点的T-t曲线
同理，可以拟合出波形刃和平前刀面铣刀片前刀面刀—屑接触区平均温度与时间的试验方程式，分别为式(5)和式(6)，相应的图形显示见图6。
图6 刀—屑接触区平均温度—时间曲线
TW=-19657t4+26587t3-12336t2+2021t+341(5)Tf=-10906t4+16357t3-8678t2+1650t+382(6)
如图5 所示，各点切削温度变化规律符合切削理论及传热学理论，说明切削温度测试系统(含数据采集及处理系统)性能良好。 从图6 可以看出，从抗粘结破损性能出发，波形刃铣刀片的切削性能优于平前刀面铣刀片。 6 实验数据处理应用软件的编制 通过前面的数据处理手段，我们就可以得到铣削温度与时间的响应函数关系，但是从试验获得的数据量是相当庞大的，而对于其中的每一组试验值都需要经过上述处理才能获得所期望的结果。整个过程重复性的输入太多，过程中的数据衔接也都为手工计算，不仅费时费力，计算精度也不容易保证。为了计算准确及时，减轻劳动强度，提高工作效率，结合工作实际利用面向对象的可视化编程语言C ++ Builder 开发了一套数据处理软件—铣削温度试验数据处理系统。系统主要功能模块如图7 所示。
图7 系统功能模块结构图
程序编制过程中充分发挥了C ++ Builder 的GUI 编程功能，采用了面向对象的编程技术、事件驱动的编程机制，使该系统不仅具有友好的用户操作界面，而且兼备完善的功能。应用此系统，只需输入特定的参数就可以自动完成从实验数据处理到铣刀片刀体温度和受热密度函数数值计算的全部过程，大大缩短了数据处理的周期与时间。 7 结语 测试的各点温度变化规律符合切削理论及传热学理论，说明切削温度测试系统(含数据采集及处理系统)性能良好。 从抗粘结破损性能出发，波形刃铣刀片的切削性能优于平前刀面铣刀片。
