螺旋测温阵列的内孔镗削温度场与热流场构建装置及方法

本发明属于金属切削加工温度测量与热场反演，具体地，涉及一种螺旋测温阵列的内孔镗削温度场与热流场构建装置及方法。

背景技术：

1、内孔镗削是机械制造领域中常用的孔加工方式，广泛应用于航空航天、汽车、能源装备及精密机械等零部件的孔系加工过程中。在内孔镗削过程中，镗刀切削刃与工件材料相互作用，切削区会产生大量切削热。该部分切削热一方面使刀具—工件接触界面温度升高，影响刀具磨损和加工表面质量；另一方面会由内孔加工表面向工件内部传导，使工件产生温升、热变形和温度梯度，进而影响工件尺寸精度和加工稳定性。因此，获取内孔镗削过程中的切削界面温度、工件内部温度场以及工件侧热流密度分布，对分析切削热传导规律、评价加工热影响和优化镗削工艺参数具有重要意义。

2、现有切削温度测量方法主要包括红外测温法、热像测温法、自然热电偶法、刀具内嵌热电偶法以及工件侧热电偶测温法等。其中，红外测温法和热像测温法属于非接触式测量方法，具有响应速度快、对加工系统干扰小等特点，但其测量结果容易受到表面发射率、切屑遮挡、测量角度以及加工区域可视性的影响。对于内孔镗削而言，切削区域位于工件内孔内部，测量空间相对封闭，刀杆、切屑和工件结构均可能遮挡测温视线，因此非接触式测温方法难以稳定获取切削界面附近的真实温度响应。

3、自然热电偶法和刀具内嵌热电偶法能够获得切削区或刀具附近的温度信息，但前者通常依赖刀具材料、工件材料及电接触状态，测量结果多反映刀具—工件接触区域的综合温度响应；后者通常需要对刀具进行开孔或嵌入式改造，可能影响刀具结构刚度和切削刃附近热传导状态。同时，上述方法主要关注切削区或刀具侧温度，难以直接获得工件内部不同空间位置处的温度响应。

4、工件侧薄片式热电偶能够布置在靠近被加工表面的位置，用于测量切削界面附近的瞬态温度，适合获取切削区局部温度变化。铠装热电偶具有结构强度高、耐振动和适于埋入工件内部等特点，可适用于测量工件内部温度变化。

5、现有公告号为cn104924154b的中国专利，公开了一种用于测量机床加工时工件表面以下不同深度的温度值的方法，包括以下步骤：1)沿经过工件轴线的平面或沿与其轴线垂直的平面将工件剖成两个待加工体并对剖面抛光；2)在剖面上划分出多个条形区域，在每个条形区域内镀上一种熔点已知的薄膜，同一剖面上每个条形区域内的薄膜的材料不同；3)将两个待加工件连接紧固；4)设定切削参数，进行机械加工，使回转加工体两剖面上薄膜的一部分熔化，薄膜的熔化部分与不熔化部分形成分界线；5)测量每种材料形成的薄膜上的分界线所在的深度，绘制温度-深度曲线图。本发明可以测量机械加工时工件已加工表面下不同深度的温度值。

6、然而，现有工件侧测温方式通常集中于切削界面、近表面区域或少量内部测点，测点布置多为单点、单截面或简单多深度布置，难以形成同时覆盖径向深度、圆周位置和轴向位置的空间测温阵列。

7、此外，在内孔镗削过程中，切削刃随主轴旋转并伴随轴向进给，其热作用位置在内孔加工表面上具有螺旋运动特征，切削热会向工件壁厚方向、圆周方向和轴向方向扩散。若仅依靠少量离散温度点，难以准确构建工件内部温度场；若直接将不同空间位置测点的温差作为径向温度梯度，也难以满足基于傅里叶导热定律进行热流密度计算的物理要求。

8、综上，现有内孔镗削测温技术由于缺乏适应螺旋热源特征的空间测温阵列，无法在同一加工过程中同步获取切削界面与工件内部多位置温度响应，导致测量结果仅停留在单点或局部温升层面，难以支撑工件内部温度场构建、局部温度梯度计算及工件侧热流密度分布反演等深度分析。

9、因此，需要建立一种与内孔镗削热源运动特征相适应的空间测温方式，并结合测温点空间坐标与温度数据构建工件内部温度场，实现工件侧热流密度分布的反演。为此，本发明设计了一种螺旋测温阵列的内孔镗削温度场与热流场构建装置及方法，解决了上述存在的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种螺旋测温阵列的内孔镗削温度场与热流场构建装置及方法。

2、根据本发明提供的一种螺旋测温阵列的内孔镗削温度场与热流场构建装置，包括：分体式环形工件、薄片式热电偶、铠装热电偶、多通道同步数据采集模块和镗刀。

3、所述分体式环形工件的内壁为内孔加工表面，分体式环形工件由其内孔轴线所穿过的平面分为两部分，并由两部分拼接而成。所述镗刀穿设于分体式环形工件并对内孔加工表面镗削加工。所述分体式环形工件两部分的拼接面，分别开设有容置薄片式热电偶的容纳腔，所述薄片式热电偶靠近或齐平于内孔加工表面设置。

4、所述分体式环形工件外环壁为外周面，至少两个所述铠装热电偶沿外周面螺旋排布，所述铠装热电偶沿分体式环形工件径向穿设于其侧壁，且至少两个铠装热电偶与内孔加工表面距离不同。所有铠装热电偶和薄片式热电偶均电连接于多通道同步数据采集模块。所述分体式环形工件包括第一半环形工件和第二半环形工件，并相互拼接形成分体式环形工件。

5、所述第一半环形工件和第二半环形工件相互之间的抵接面均为接触面。每个所述接触面上均开设有薄片式热电偶安装槽，所述薄片式热电偶为沿分体式环形工件径向延伸的片状结构，所述薄片式热电偶的两侧主面分别容置于第一半环形工件和第二半环形工件相互靠近的两个薄片式热电偶安装槽内。

6、所述第一半环形工件和第二半环形工件由螺栓紧固连接。

7、优选的，所述分体式环形工件的外周面上设置有多个铠装热电偶安装螺纹孔。所述铠装热电偶安装螺纹孔由外周面向内孔轴心方向加工形成，铠装热电偶穿设并安装于铠装热电偶安装螺纹孔。至少两个铠装热电偶安装螺纹孔具有不同孔深。

8、优选的，所述铠装热电偶安装螺纹孔沿外周面螺旋分布。

9、优选的，所述多通道同步数据采集模块分别与薄片式热电偶和铠装热电偶电连接，用于采集各通道热电势信号并转换为温度信号，同时对各通道温度信号进行存储、筛选和计算。

10、根据本发明提供的一种螺旋测温阵列的内孔镗削温度场与热流场构建方法，采用螺旋测温阵列的内孔镗削温度场与热流场构建装置，步骤包括：

11、步骤s1：制备分体式环形工件。

12、步骤s2：安装薄片式热电偶。

13、步骤s3：安装多深度铠装热电偶阵列。

14、步骤s4：连接多通道同步数据采集模块。

15、步骤s5：进行内孔镗削加工，同步采集切削界面温度信号和工件内部多点温度信号。

16、步骤s6：建立各测温点空间坐标

pi(

ri,

θi,

zi)，并提取特征温度

ti。

17、步骤s7：根据测温点空间坐标

pi(

ri,

θi,

zi)和特征温度

ti构建离散特征温度场

t(

r,

θ,

z)，式中，r、

θ、z分别表示径向距离、圆周角度、轴向位置坐标。

18、步骤s8：局部插值或拟合获得局部温度梯度

t。

19、步骤s9：基于傅里叶导热定律计算工件侧局部热流密度，并构建热流密度分布。

20、输出：温度场、热流场、热分配比例或等效热边界条件。

21、优选的，在步骤s6中：对于每一个测温点，建立其空间坐标

pi(

ri,

θi,

zi)，其中

pi表示为第i个测温点，

ri表示第i个测温点距内孔加工表面的径向距离，

θi表示第i个测温点在圆周方向上的角度位置，

zi表示第i个测温点在轴向方向上的位置。与测温点i对应的特征温度记为

ti。所述特征温度

ti为同一时间窗内的同步温度、稳定切削阶段平均温度、稳定切削阶段峰值温度中任意一种。

22、优选的，在步骤s7中：将薄片式热电偶和多个铠装热电偶对应的测温点空间坐标

pi(

ri,

θi,

zi)与其特征温度

ti相映射，形成一组空间离散温度数据。表示第i个测温点的空间坐标，表示第i个测温点的特征温度。

23、优选的，在步骤s8中：对于某一局部邻域，将温度场近似表示为：

24、

t(

r,

θ,

z)=

a0+

ar

r+

aθ

θ+

az

z

25、其中，

a0为常数项，

ar、

aθ和

az分别表征局部温度场在径向、圆周方向和轴向方向上的温度变化系数。

26、优选的，根据局部拟合得到的温度场表达式，分别获得径向、圆周方向以及轴向方向上的局部温度变化率，并根据各方向局部温度变化率确定对应区域的局部温度梯度

t：

27、

28、其中，

r为所述局部邻域对应位置距分体式环形工件轴线的等效半径，、和分别表示在空间坐标系中，温度场处的径向、圆周方向和轴向方向的单位向量。

29、优选的，在步骤s9中：根据被加工工件材料的导热系数

λ以及步骤s8得到的局部温度梯度

t，工件侧局部热流密度

q可按如下关系计算：

30、

q=-

λ

t

31、其中，

q为工件侧局部导热热流密度矢量，且其方向与局部温度梯度方向相反，

λ为被加工工件材料的导热系数，

t为温度梯度。通过对不同局部区域分别计算局部热流密度，进一步构建工件侧热流密度分布。

32、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

33、1、本发明将薄片式热电偶和多个铠装热电偶组合应用于内孔镗削过程，能够在同一镗削加工过程中同步获取切削界面附近温度响应和工件内部多点温度响应，提高了内孔镗削温度测量信息的完整性。

34、2、本发明通过在分体式环形工件外周面设置多个具有不同孔深的铠装热电偶安装螺纹孔，并使其沿圆周方向和轴向方向错列布置，形成螺旋测温阵列，使铠装热电偶测温点能够在径向、圆周和轴向方向上形成空间采样分布，有利于表征内孔镗削螺旋热源作用下工件内部温度的空间变化。

35、3、本发明将各测温点的空间坐标与对应特征温度相结合，构建工件内部离散特征温度场，避免了仅依靠单点温度或少量离散温度值评价切削热影响的局限。

36、4、本发明通过对离散特征温度场进行局部插值或拟合获得局部温度梯度，并基于傅里叶导热定律计算工件侧局部热流密度及热流密度分布，能够为切削热分配比例、等效热边界条件和内孔镗削热特性评价提供测量依据。