張 淇，李國(guó)和，孫 飛，齊小樂

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222）

1 引言

機(jī)械加工是使用最廣泛的制造工藝[1]，切削溫度做作為切削加工過程的重要部分，對(duì)刀具壽命具有決定性的影響，同時(shí)影響切屑形態(tài)、工件變形和加工表面質(zhì)量。多年來，學(xué)者們采用多種方法對(duì)切削溫度進(jìn)行研究，包括實(shí)驗(yàn)測(cè)量、理論建模和有限元模擬。理論模型的有效性和有限元模擬結(jié)果的可靠性都需要通過與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的對(duì)比來完成，因此，實(shí)驗(yàn)測(cè)量法是最可靠也是應(yīng)用最多的切削溫度研究方法。

切削熱來源于工件切削層材料塑性變形和刀-屑以及刀-工之間的摩擦[2]。由于切削加工過程刀具和工件的導(dǎo)熱性，熱量會(huì)傳遞到刀具、工件以及切屑中去，這導(dǎo)致切削溫度呈現(xiàn)梯度分布，不同位置的切削溫度不同，很難獲得全場(chǎng)溫度。同時(shí)在較高切削速度下，短暫的切削過程，也對(duì)溫度測(cè)量方法的響應(yīng)速度提出了很高的要求。因此，切削溫度測(cè)量一直是切削溫度研究中的一個(gè)難點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者都在切削溫度測(cè)量方面給予了持續(xù)的關(guān)注，取得了大量的研究成果。這里對(duì)常用測(cè)溫手段及其研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，并對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，指出今后的發(fā)展方向。

2 切削溫度測(cè)量方法

常用的切削溫度測(cè)量方法有接觸式和非接觸式兩類。接觸式包括自然熱電偶法、人工熱電偶法和半人工熱電偶法。非接觸式主要有紅外熱成像法（IR）和電荷耦合元件測(cè)溫法（CCD）。另外還有如顏色觀察法、雙色高溫計(jì)法、定熔點(diǎn)粉末法等其他的切削溫度測(cè)量方法。

2.1 自然熱電偶法

自然熱電偶法的工作原理是測(cè)量熱電偶刀具和工件的熱端接觸區(qū)以及床尾、刀柄等冷端引出的電壓（冷、熱端與機(jī)床絕緣），測(cè)量的電壓數(shù)據(jù)記錄到毫伏計(jì)中。

由于自然熱電偶冷端升溫會(huì)引起測(cè)量誤差，所以一般采用對(duì)引出端進(jìn)行熱補(bǔ)償予以誤差消除。

A點(diǎn)為熱端，冷端為B、C點(diǎn)引出的導(dǎo)線，如圖1所示。由于導(dǎo)線在B點(diǎn)引出時(shí)距離熱端很近，在切削試驗(yàn)過程中溫度必然高于室溫，原來的自然熱電偶測(cè)得的溫度就必然不是實(shí)際的切削溫度，因此需要測(cè)得B點(diǎn)電動(dòng)勢(shì)，再利用測(cè)得的A點(diǎn)的電動(dòng)勢(shì)E1，通過式（1）計(jì)算出實(shí)際切削溫度θ：

圖1 自然熱電偶的熱補(bǔ)償Fig.1 Thermal Compensation of Natural Thermocouple

式中：bWT—工件—刀具熱電特性曲線斜率；bbW—導(dǎo)線-工件的熱電特性曲線斜率；bb—刀具引出點(diǎn)測(cè)量熱電偶熱電特性曲線斜率；E1—A點(diǎn)的電動(dòng)勢(shì)；E2—B點(diǎn)的電動(dòng)勢(shì)；θ0—室溫。

不同材料之間的熱電偶特性曲線會(huì)有所不同，所以當(dāng)采用自然熱電偶法測(cè)量的工件材質(zhì)在一種以上時(shí)，就需要標(biāo)定每種工件材質(zhì)與刀具之間的熱電特性曲線。自然熱電偶法只能夠測(cè)量到切削區(qū)的平均溫度，無法測(cè)量針對(duì)某一點(diǎn)的切削溫度。

2.2 人工熱電偶

人工熱電偶法采用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶進(jìn)行測(cè)溫。測(cè)量時(shí)，在刀具或工件上安裝的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶作為熱傳感器將熱電勢(shì)信號(hào)傳到毫伏計(jì)進(jìn)行讀取，最后對(duì)照熱電偶標(biāo)定曲線得到被測(cè)點(diǎn)溫度[3]。

人工熱電偶法能夠較好地解決自然熱電偶法只能測(cè)量平均溫度的不足：首先，一對(duì)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶外接的測(cè)量頭可以用于點(diǎn)測(cè)量；其次，標(biāo)準(zhǔn)熱電偶在測(cè)溫時(shí)不用對(duì)其進(jìn)行材料熱電特性曲線標(biāo)定，比較方便；另外，人工熱電偶可以測(cè)量非金屬材料。然而考慮到刀尖強(qiáng)度需求，人工熱電偶不能直接測(cè)量刀尖點(diǎn)的溫度。另外人工熱電偶法在測(cè)量時(shí)其響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，這就導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的滯后性，使得該方法在測(cè)量某一時(shí)刻的切削溫度時(shí)精確度較差。

2.3 半人工熱電偶

半人工熱電偶在測(cè)溫時(shí)采用夾絲或者薄膜與被測(cè)區(qū)域連接形成回路，在根本上與自然熱電偶法測(cè)溫原理相同。熱電偶熱端利用一根熱電敏感材料金屬絲或者薄膜，冷端利用工件或刀具形成熱電勢(shì)回路。目前半人工熱電偶法主要有兩種形式：（1）夾絲式；（2）薄膜式。另外，半人工熱電偶法測(cè)溫時(shí)不必考慮絕緣問題，應(yīng)用范圍較為廣泛[4]。

2.4 紅外熱成像技術(shù)

紅外熱成像技術(shù)是將切削熱以圖像形式呈現(xiàn)在屏幕上，直觀獲得測(cè)量區(qū)域內(nèi)的溫度分布及其變化的一種方法。其測(cè)量的理論基礎(chǔ)是普朗克黑體輻射定律，即自然界一切物體溫度高于絕對(duì)零度時(shí)都會(huì)向外界發(fā)出輻射，根據(jù)物體表面輻射出熱能的多少，能夠確定物體表面的溫度場(chǎng)。其表達(dá)式為：

式中：Ebλ—黑體光譜輻射能量密度；c1—第一輻射常數(shù)，通常：c1=3.741×10-16W·cm2；c2—第二輻射常數(shù)，一般有c2=1.4388×10-2W·K；λ—光譜輻射的波長(zhǎng)。

目前常用的紅外熱成像測(cè)溫設(shè)備是紅外熱像儀，其工作原理，如圖2所示。紅外熱像儀內(nèi)部的紅外探測(cè)器將探測(cè)到的紅外信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理形成標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)，最終將溫度數(shù)據(jù)在屏幕上直觀顯示出來。紅外熱像儀的響應(yīng)速度較快，同時(shí)在測(cè)量區(qū)域內(nèi)切削溫度分布方面具有較突出的優(yōu)勢(shì)。

圖2 紅外信號(hào)的處理流程Fig.2 Infrared Signal Processing Flow

2.5 CCD測(cè)溫裝置

CCD 測(cè)溫法的工作原理利用光電二極管作為傳感器，捕捉可見光譜范圍內(nèi)物體在高溫下輻射的能量并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過放大器和轉(zhuǎn)換電路處理后轉(zhuǎn)換圖像信號(hào)[5]，其測(cè)溫裝置示意圖，如圖3所示。CCD法響應(yīng)時(shí)間短，且拍攝得到的分辨率要比紅外熱像儀法高，但其設(shè)備復(fù)雜，成本也較高。

圖3 CCD法裝置示意Fig.3 Schematic Diagram of CCD Device

2.6 其他測(cè)溫方法

顏色觀察法是一種較為直觀測(cè)溫方法。切削過程中，由于金屬表面與刀具材料的摩擦使得切削溫度快速升高，金屬受熱氧化后形成氧化層。

由于溫度等因素導(dǎo)致氧化層呈現(xiàn)出不同的氧化干涉色，所以通過顏色可以估計(jì)切削溫度。通常切削溫度越高，顏色越深[6]。45鋼切屑顏色隨切削溫度變化，如表1所示。顏色觀察法簡(jiǎn)單實(shí)用，但是誤差較大，并且這種方法只能在切屑氧化時(shí)才能使用，所以在測(cè)溫時(shí)有一定的限制。

表1 45鋼切屑顏色隨切削溫度變化對(duì)照表Tab.1 Comparison Table of Chip Color Changes with Cutting Temperature of 45 Steel

定熔點(diǎn)粉末法工作原理是利用觀察不同熔點(diǎn)的金屬粉末在切削后融化狀況來粗略估計(jì)切削區(qū)域的溫度場(chǎng)。測(cè)溫時(shí)將金屬粉末均勻在放置在進(jìn)行特殊處理的刀具上，而且粉末需要較長(zhǎng)時(shí)間才能完全熔化[7]，響應(yīng)性差。

雙色高溫計(jì)法原理是計(jì)算測(cè)量物體發(fā)射出的兩種波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度的比值來實(shí)現(xiàn)測(cè)溫[8]。這種測(cè)溫方法能夠很大程度上減小發(fā)射率對(duì)測(cè)溫的影響，使得這種方法測(cè)溫精度較高，響應(yīng)在1s左右。但只能測(cè)量金屬材質(zhì)的溫度，被測(cè)物體在低溫時(shí)誤差較大[9]。

3 各種測(cè)溫法的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 自然熱電偶法

切削過程中，用自然熱電偶法測(cè)溫能夠較為容易的測(cè)量到其中變化情況。文獻(xiàn)[10]提出了低溫油膜水滴冷卻潤(rùn)滑技術(shù)并采用自然熱電偶法測(cè)量了車削鈦合金時(shí)的切削溫度，并證明了該方法對(duì)降低切削溫度有著良好的作用。文獻(xiàn)[11]采用自然熱電偶法研究了鈦基復(fù)合材料車削時(shí)的切削溫度。熱電偶熱端為刀具/工件，即刀—工切削區(qū)，冷端為工件/刀具尾部，熱端和冷端連接成回路并連入毫伏計(jì)，然后將毫伏計(jì)測(cè)得的電壓接入數(shù)據(jù)采集卡，經(jīng)軟件處理后轉(zhuǎn)換成溫度數(shù)據(jù)，最后對(duì)比被測(cè)材料的熱電特性曲線獲得切削溫度。文獻(xiàn)[12]利用自然熱電偶進(jìn)行45鋼車削溫度測(cè)量，得到了碳鋼微量潤(rùn)滑條件下切削參數(shù)對(duì)切削溫度的影響。文獻(xiàn)[13]采用自然熱電偶法測(cè)量切削溫度，建立了切削碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料時(shí)切削參數(shù)與切削溫度的關(guān)系。文獻(xiàn)[14]利用自然熱電偶法測(cè)量了PCBN刀具和Al2O3涂層硬質(zhì)合金刀具車削D2工具鋼的切削溫度。文獻(xiàn)[15]基于自然熱電偶法建立計(jì)算機(jī)切削溫度輔助測(cè)量系統(tǒng)。文獻(xiàn)[16]基于自然熱電偶法設(shè)計(jì)了一種集成式切削溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在熱端電路中加入了一個(gè)可變電壓源，消除干擾熱電壓，用于熱電偶的硬件補(bǔ)償。冷端連接計(jì)算機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償，顯著提高了該系統(tǒng)的綜合測(cè)溫性能和測(cè)溫準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[17]認(rèn)為刀具-工件熱電偶系統(tǒng)最大問題在于校準(zhǔn)過程和工件旋轉(zhuǎn)時(shí)（在車削過程中）電動(dòng)勢(shì)的獲取，即測(cè)量的響應(yīng)問題。并通過在測(cè)溫裝置系統(tǒng)中架設(shè)三刷裝置來提高測(cè)溫連續(xù)性。

3.2 人工熱電偶法

人工熱電偶可以針對(duì)某一點(diǎn)或者多點(diǎn)進(jìn)行測(cè)溫。文獻(xiàn)[18]通過正交試驗(yàn)研究了SiCp/Al復(fù)合材料的切削溫度，在不同的切削參數(shù)和冷卻條件下對(duì)刀具進(jìn)行測(cè)溫。實(shí)驗(yàn)采用嵌埋人工熱電偶的方法，在刀尖附近開槽以埋入標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。文獻(xiàn)[19]采用YG6A刀具對(duì)高錳鋼進(jìn)行了高速切削實(shí)驗(yàn)并分析了銑削加工時(shí)溫度隨著切削刃切入與切出時(shí)溫度信號(hào)的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)中采用人工熱電偶將熱電偶絲埋入工件中，通過切削刃將熱電偶絲切斷采集溫度信號(hào)。文獻(xiàn)[20]在研究整體硬質(zhì)合金銑刀銑削熱的過程中采用人工熱電偶采集切削溫度數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[21]研究了單向碳纖維增強(qiáng)塑料在不同切削條件下的切削溫度。實(shí)驗(yàn)中采用K型標(biāo)準(zhǔn)人工熱電偶測(cè)量刀尖附近溫度來近似刀尖溫度。文獻(xiàn)[22]采用人工熱電偶法測(cè)量TiAlN涂層刀具切削鎳718合金的切削溫度，研究了切削參數(shù)對(duì)切削溫度的影響情況。文獻(xiàn)[23]利用K型人工熱電偶測(cè)量切削溫度，研究了718鉻鎳鐵合金在圓周銑削過程中的溫度及其分布。文獻(xiàn)[24]利用嵌入式熱電偶法對(duì)鋁合金銑削過程進(jìn)行工件內(nèi)部溫度測(cè)量。文獻(xiàn)[25]采用人工熱電偶法測(cè)量切削溫度，實(shí)驗(yàn)中將標(biāo)準(zhǔn)熱電偶安裝到工件上，研究了熱管輔助冷卻對(duì)立銑刀切削溫度的影響。文獻(xiàn)[26]利用嵌入式人工熱電偶法對(duì)間歇切削的瞬時(shí)切削溫度進(jìn)行測(cè)量，并分析了刀具瞬時(shí)平均溫度隨切削時(shí)間的變化規(guī)律。

研究者們還針對(duì)熱電偶法的一些缺點(diǎn)（如信息采集問題等）進(jìn)行了改進(jìn)。文獻(xiàn)[27]采用人工熱電偶法，對(duì)波形刃銑刀片的銑削溫度進(jìn)行了測(cè)量。實(shí)驗(yàn)中對(duì)人工熱電偶法進(jìn)行改進(jìn)來解決瞬態(tài)溫度采集問題：（1）開發(fā)了前置集流環(huán)放大電路并使其和主軸一同轉(zhuǎn)動(dòng)。（2）將標(biāo)準(zhǔn)熱電偶縮小，設(shè)計(jì)并自制標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，事前進(jìn)行標(biāo)定。（3）萬用表和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同時(shí)使用，減小誤差。文獻(xiàn)[28]研究了槽銑加工時(shí)刀具溫度的變化。研究中采用一種改進(jìn)嵌入式熱電偶的溫度測(cè)量系統(tǒng)，這種熱電偶主要的特點(diǎn)在于它能夠進(jìn)行無線控制和數(shù)據(jù)采集。文獻(xiàn)[29]采用具有自更新特性的快速響應(yīng)熱電偶測(cè)量工件溫度，分析切削熱對(duì)微切削加工精度的影響。

3.3 半人工熱電偶

夾絲式熱電偶測(cè)量端為細(xì)絲，可以減小安裝時(shí)對(duì)工件和刀具強(qiáng)度的破壞。文獻(xiàn)[30]采用夾絲半人工熱電偶法測(cè)量了對(duì)近α鈦合金進(jìn)行高速銑削的切削溫度。文獻(xiàn)[31]利用夾絲半人工熱電偶對(duì)SiCp/2009Al復(fù)合材料高速切削實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了切削溫度測(cè)量。文獻(xiàn)[32]采用夾絲半人工熱電偶法研究了TC4鈦合金銑削溫度受切削參數(shù)的影響規(guī)律，基于正交試驗(yàn)法優(yōu)化切削參數(shù)。

為了能更準(zhǔn)確的測(cè)量切削溫度，有學(xué)者在嵌入式微薄膜熱電偶的制備和測(cè)量方面也進(jìn)行了相關(guān)的研究。例如采用CVD等技術(shù)制作NiCr/NiSi薄膜式熱電偶，其響應(yīng)時(shí)間可以達(dá)到微秒級(jí)，可以用來測(cè)量瞬態(tài)切削溫度。

文獻(xiàn)[33]對(duì)Ti6Al4V切削溫度的影響因素進(jìn)行了研究，切削溫度的測(cè)量采用半人工熱電偶法。實(shí)驗(yàn)將工件分成上下兩部分，中間放薄膜熱電偶實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。文獻(xiàn)[34]基于薄膜半人工熱電偶法，在PCBN刀具前刀面上制備NiCr/NiSi薄膜熱傳感器，進(jìn)行切削溫度測(cè)量。文獻(xiàn)[35]為了提高精密車削的測(cè)溫精度，開發(fā)了一種測(cè)量瞬態(tài)切削溫度的方法。

基于薄膜熱電偶，通過磁控濺射法在刀具的刀尖制備了SiO2絕緣薄膜和NiCr/NiSi薄膜溫度傳感器，將制成的熱電偶用于溫度測(cè)量，其測(cè)量示意圖，如圖4所示。

文獻(xiàn)[36]對(duì)IC45/080A47鋼板進(jìn)行了銑削實(shí)驗(yàn)，銑削區(qū)域溫度的在線測(cè)量采用薄膜熱電偶法。將NiCr/NiSi薄膜溫度傳感器內(nèi)置到刀具中，實(shí)現(xiàn)測(cè)溫。文獻(xiàn)[37]利用改進(jìn)的擴(kuò)散鍵合技術(shù)，在多晶硅立方氮化硼（PCBN）刀片中嵌入了10個(gè)微薄膜微型熱電偶傳感器，研究了切削參數(shù)對(duì)瞬態(tài)刀具切削區(qū)溫度場(chǎng)的影響。文獻(xiàn)[38]采用了無線嵌入式微薄膜溫度傳感器進(jìn)行刀具溫度測(cè)量。該研究開發(fā)了一種信號(hào)調(diào)節(jié)電路來提高嵌入式微薄膜傳感器的信噪比。文獻(xiàn)[39]為監(jiān)測(cè)鈦合金加工過程中刀具溫度，將薄膜熱電偶嵌入硬質(zhì)合金刀具以實(shí)現(xiàn)測(cè)溫。為了保護(hù)薄膜傳感器不受流切屑的影響，提出了在商用碳化鎢刀片的前刀面上制備微槽和在槽內(nèi)安裝薄膜傳感器的工藝。試驗(yàn)表明，該傳感器與合金基體絕緣可靠，具有良好的線性度和均勻性。

3.4 紅外熱成像技術(shù)

作為一種新興的測(cè)溫方法，紅外測(cè)溫法的優(yōu)勢(shì)在于不僅能夠測(cè)量物體表面的溫度變化以及整個(gè)表面的溫度分布，還能在其他復(fù)雜工況下（如工件旋轉(zhuǎn)等）進(jìn)行測(cè)量。文獻(xiàn)[40]研究了硬質(zhì)合金刀片加工沉淀硬化不銹鋼的切削溫度，采用紅外熱成像法獲得切削溫度數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[41]采用了紅外測(cè)溫儀測(cè)量切削溫度，研究了重載荷銑削焊接鋁薄壁空心結(jié)構(gòu)的切削溫度影響因素。文獻(xiàn)[42]采用紅外熱像儀測(cè)量刀具-切屑界面的銑削溫度，測(cè)量結(jié)果，如圖5所示。

圖5 紅外熱像儀測(cè)量結(jié)果（n=1000r/min，f=500mm/min，ap=0.5mm）Fig.5 Measurement results of infrared thermal imager（n=1000r/min，f=500mm/min，ap=0.5mm）

文獻(xiàn)[43]研究了多刃刀具在斷續(xù)切削條件下旋轉(zhuǎn)條件對(duì)切削溫度的影響，采用熱成像儀TESTO875-1進(jìn)行測(cè)溫，測(cè)量并分析了切屑、刀具和零件之間的熱分布。文獻(xiàn)[44]采用AMPROBE IR750紅外溫度儀，開展了鎂基復(fù)合材料受硬質(zhì)合金刀具切削時(shí)切削溫度的研究。文獻(xiàn)[45]采用紅外熱像儀（型號(hào)FLIRA325）研究了切削參數(shù)對(duì)切削溫度的影響。文獻(xiàn)[46]認(rèn)為在工具旋轉(zhuǎn)時(shí)，紅外測(cè)溫法具有較好的效果，采用紅外熱像儀研究了切削參數(shù)（v和f）對(duì)切削溫度的影響。文獻(xiàn)[47]采用紅外溫測(cè)溫裝置，研究了無涂層和帶PVD制備的AlTiN涂層Al2O3/TiCN混合陶瓷刀具硬切削AISI 52100 鋼（62HRC）的溫度。文獻(xiàn)[48]對(duì)影響發(fā)射率的因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，測(cè)溫誤差較小時(shí)測(cè)量角度在（5～10）°和（30～35）°范圍里，實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖6所示。測(cè)量距離在（1.1～1.2）m范圍內(nèi)，測(cè)溫結(jié)果比較穩(wěn)定時(shí)，粗加工45 鋼發(fā)射率?。?.45～0.48）范圍內(nèi)時(shí)測(cè)溫較準(zhǔn)確。

圖6 角度對(duì)發(fā)射率影響Fig.6 Influence of Measurement Angle on Emissivity

文獻(xiàn)[49]采用FLIR-T425 熱像儀記錄碳纖維增強(qiáng)塑料銑削過程中的溫度，從溫度入手對(duì)超聲輔助銑削與常規(guī)銑削進(jìn)行了比較。

3.5 CCD測(cè)溫裝置

CCD 增強(qiáng)相機(jī)測(cè)溫的主要優(yōu)勢(shì)在于其響應(yīng)速度，測(cè)量響應(yīng)時(shí)間能達(dá)到微秒級(jí)。文獻(xiàn)[50]使用紅外CCD相機(jī)進(jìn)行溫度測(cè)量，研究了SANMA316L不銹鋼和45鋼加工時(shí)刀具幾何尺寸和進(jìn)給量對(duì)切削溫度的影響，其實(shí)驗(yàn)裝置，如圖7所示。

圖7 刀具溫度CCD測(cè)量Fig.7 Tool Temperature Measurement by CCD

文獻(xiàn)[51]利用曝光時(shí)間極短的增強(qiáng)型CCD相機(jī)和8μm干涉濾光片，在可見光譜范圍內(nèi)對(duì)正交切削42CrMo4 鋼的溫度進(jìn)行測(cè)量，研究了切削速度和切屑厚度對(duì)切削溫度分布的影響。文獻(xiàn)[52]采用裝有增強(qiáng)型CCD攝像機(jī)的彈道裝置，對(duì)界面切削溫度及其與彈坑磨損機(jī)理的關(guān)系進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[53]采用紅外CCD裝置在二維正交車削中測(cè)量了刃口溫度分布，如圖8所示。

圖8 刀尖溫度分布Fig.8 Tip Temperature Distribution

4 存在的問題和發(fā)展方向

4.1 存在的問題

從目前的研究來看，當(dāng)前的切削溫度測(cè)量還存在諸多問題，主要表現(xiàn)在：

（1）測(cè)量切削區(qū)溫度場(chǎng)對(duì)于切削溫度的研究有重要意義，然而一些測(cè)溫方法不能很好地反映切削溫度分布。自然熱電偶法不能很好地測(cè)量單點(diǎn)的溫度；人工熱電偶法以及半人工熱電偶法只能測(cè)量單點(diǎn)的變化，當(dāng)測(cè)量點(diǎn)較多時(shí)，就會(huì)受到測(cè)量空間的限制；紅外熱成像技術(shù)與CCD技術(shù)都只能測(cè)量切削區(qū)的表面溫度。

（2）隨著切削溫度研究的發(fā)展，研究者們對(duì)設(shè)備的測(cè)量響應(yīng)要求越來越快。測(cè)溫響應(yīng)能力較好的方法有薄膜熱電偶、新型熱成像裝置（四代熱像儀）以及CCD法。但在這些方法會(huì)也受到一些因素的限制。具體表現(xiàn)在：半人工薄膜熱電偶在高溫條件下會(huì)因分解而失效，通常測(cè)量溫度在（0～300）℃范圍內(nèi)；CCD法同樣受到溫度波動(dòng)的限制，CCD法需要被測(cè)對(duì)象在500℃以上才能測(cè)量；同時(shí)，CCD法動(dòng)態(tài)測(cè)溫范圍較小，一次性能夠測(cè)量的溫度波動(dòng)大多在（100～200）℃，所以當(dāng)切削溫度波動(dòng)較大時(shí)CCD法不能很好地發(fā)揮作用；紅外熱像儀響應(yīng)能力比前兩者差，目前紅外熱像以設(shè)備能達(dá)到的最高的測(cè)量頻率在120Hz左右；另外，紅外熱像儀的分辨率有限，觀測(cè)時(shí)放大圖像容易失真，導(dǎo)致結(jié)果有誤差。

（3）根據(jù)普朗克定律，發(fā)射率影響著大部分非接觸式測(cè)溫裝置的準(zhǔn)確性。研究證明，不同材料的表面形貌等因素會(huì)在很大程度上影響工件以及刀具的發(fā)射率。所以精準(zhǔn)確定工件和刀具的發(fā)射率難度較大。目前大部分非接觸式測(cè)溫設(shè)備對(duì)發(fā)射率采用固定值設(shè)定方式，無法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)設(shè)定，導(dǎo)致切削溫度測(cè)量產(chǎn)生較大誤差。

4.2 發(fā)展方向

針對(duì)上述的問題，將來可以在如下方向開展進(jìn)一步的深入研究：

（1）相對(duì)于非接觸式測(cè)溫，熱電偶法能直接測(cè)量到切削區(qū)溫度，抗干擾能力較強(qiáng)。在這一基礎(chǔ)上，提高其精度及響應(yīng)能力應(yīng)該是熱電偶法的發(fā)展趨勢(shì)。

（2）非接觸式測(cè)溫法在空間上得到了很大程度的解放，并且在反映溫度場(chǎng)分布以及響應(yīng)能力上也有較大的優(yōu)勢(shì)。在紅外熱成像技術(shù)的發(fā)展方面，研究發(fā)現(xiàn)固定發(fā)射率的設(shè)定對(duì)其測(cè)溫結(jié)果具有較大的影響。根據(jù)材料的發(fā)射率曲線由固定發(fā)射率值改進(jìn)為動(dòng)態(tài)值，實(shí)時(shí)修正熱輻射率，減少測(cè)量之前的準(zhǔn)備工作，提高熱像儀的測(cè)量準(zhǔn)確性；提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的靈敏度以及成像設(shè)備的分辨率也能夠提高紅外熱成像法的測(cè)溫功能。

（3）應(yīng)結(jié)合實(shí)際工況和測(cè)溫需求，合理安排測(cè)溫方法。在測(cè)量空間足夠的情況下，結(jié)合多種測(cè)溫方法能夠獲得更加全面而準(zhǔn)確的溫度數(shù)據(jù)，這有利于同推動(dòng)測(cè)溫研究的發(fā)展。

（4）結(jié)合有限元模擬和紅外測(cè)溫法全場(chǎng)分析切削區(qū)溫度也是一個(gè)可行的研究方向。利用紅外熱像儀測(cè)量工件表面的切削溫度，之后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入有限元模擬軟件中進(jìn)行模擬，得到全場(chǎng)切削溫度。這種方法在理論上能夠揭示切削熱傳遞的內(nèi)在機(jī)理。

5 總結(jié)

切削溫度是切削加工機(jī)理研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容，國(guó)內(nèi)外研究者們提出了許多切削測(cè)溫的理論和方法，每種理論和方法都有自己的優(yōu)勢(shì)和不足：干擾因素較少的接觸式測(cè)溫法有時(shí)并不能達(dá)到足夠快速地響應(yīng)時(shí)間；遠(yuǎn)程測(cè)溫法能夠測(cè)量溫度分布，測(cè)溫也足夠靈敏，但是又受到發(fā)射率等因素的限制。每種測(cè)溫法都有各自的發(fā)展前景和應(yīng)用空間。

目前，紅外熱成像技術(shù)在響應(yīng)速度、反映切削熱分布以及測(cè)溫的準(zhǔn)確性三個(gè)方面的表現(xiàn)較為突出，可以作為今后重點(diǎn)發(fā)展的一種測(cè)溫手段，但在發(fā)射率確定和設(shè)置方面還需要進(jìn)一步改進(jìn)，以提高溫度測(cè)量的可靠性。此外，結(jié)合有限元模擬和紅外測(cè)溫法進(jìn)行切削溫度分析也是一個(gè)可行的研究方向，有望獲得切削區(qū)域的全場(chǎng)溫度分布。