一种车削过程工件温度和尺寸变化在线测量装置的制作方法

1.本发明属于工件切削状态监测领域，具体涉及一种车削过程工件温度和尺寸变化在线测量装置。


背景技术：

2.铝合金因材质密度小，加工性好被广泛应用在航天领域。随着制造技术的发展，车削加工在航空、航天领域等精密结构件的加工中发挥着越来越重要的作用。车削过程中，切削热进入工件使其温度升高，工件受热膨胀，尺寸发生非相似性变形，影响加工表面形态、质量和工件尺寸合格率。同时切削热影响刀具的寿命。车削加工过程中，工件和主轴运转，刀具后刀面与已加工表面接触面积有限，可视化范围有限，使用非接触式测温方式难以获得准确的工件表面温度场分布和刀具刀尖的温度。工件旋转过程中，使用传统接触式测量难以获得车削过程中的尺寸变化。
3.常用的工件切削温度测量方法有夹丝热电偶法、人工热电偶法、红外成像法。中国发明专利申请号cn202010186211.4公开了一种用于车铣加工准确测量切削温度的装置，该装置可以测量工件测温试样的切削温度，但装置无法测量刀具刀尖温度，而且需要对热电偶进行标定。常用的尺寸测量方法为对表件测量和三坐标测量，但监测切削过程的切削温度，以及说明切削温度对尺寸变化影响的相关文献未见报道。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于人工热电偶测温原理的用于车削精加工过程工件温度场和刀尖温度的检测方式及装置，以及工件尺寸变化的测量方法。本发明结合一套多通道测温系统和位移测量装置，可以同时测量工件表面温度、内部径向温度、刀具刀尖温度和工件尺寸变化量。在本发明中，刀具刀尖温度视为工件切削时刻最高温度，工件表面温度、径向温度和刀尖温度构成工件二维温度场，采用实验和仿真相结合的方式，研究车削过程中工件温度场影响工件尺寸的规律，在实际加工中，优化切削参数，改变工件温度场，提高工件加工尺寸合格率。
5.为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
6.一种车削过程工件温度和尺寸变化在线测量装置，包括底座和横向布置的支杆；其特征在于，所述支杆上安装有竖向设置的垂向支杆，该垂向支杆通过第二支承安装有横向丝杠机构，所述横向丝杠机构上装有垂向丝杠机构；所述横向丝杠机构由驱动装置驱动并带动垂向丝杠机构左右移动。
7.所述垂向丝杠机构通过连接板与垂向移动板相连，该垂向移动板上装有安装支架，所述垂向丝杠机构由驱动装置驱动并带动安装支架上下移动；
8.所述安装支架上连接有导电滑环固定架和辅助支架，该导电滑环固定架上装有导电滑环，该辅助支架端部设有探头固定架；
9.在导电滑环的轴向延伸线上设有固定工件的卡盘，在工件安装区域一侧设有刀架
和装在刀架上的车刀；
10.所述工件的表面和内部均安装有通过导电滑环与热电偶温度采集器连接的温度传感器，所述车刀的侧面安装有与热电偶温度采集器连接的温度传感器，热电偶温度采集器通过转换器连接至上位机，工件径向上方安装有位移传感器，位移传感器连接至位移测距仪，位移测距仪通过传输线与上位机连接。
11.根据本发明的实施例，还可以对本发明作进一步的优化，以下为优化后形成的技术方案：
12.在其中一个优选的实施例中，所述横向丝杠机构包括位于中间的横向螺杆，以及位于横向螺杆上方和/或下方的横向滑杆；所述横向螺杆和横向滑杆的两端均安装在第二支承上，且所述横向滑杆上装有横向滑杆移动块；所述横向螺杆上装有螺母，该横向螺杆上的螺母与横向移动板固定相连；所述垂向丝杠机构通过第一支承安装在横向移动板上；所述横向螺杆端部装有横向丝杠电机。
13.在其中一个优选的实施例中，所述垂向丝杠机构包括位于中间的垂向螺杆，以及位于垂向螺杆左方和/或右方的垂向滑杆；所述垂向螺杆和垂向滑杆的两端均安装在第一支承上，且所述垂向滑杆上安装有垂向滑杆移动块；所述垂向螺杆上装有螺母，该垂向螺杆的螺母与所述连接板固定相连；所述垂向螺杆的端部装有垂向丝杠电机。
14.在其中一个优选的实施例中，所述位移测距仪的光纤探头固定在辅助支架端部的探头固定架上，且光纤探头垂直向下。
15.在其中一个优选的实施例中，所述工件内部开设有多个圆柱塞安装孔，在圆柱塞安装孔内过渡配合安装有圆柱塞，热电偶丝穿过圆柱塞16的内孔且热电偶丝的热端固定在工件内部测温热节点处。
16.在其中一个优选的实施例中，所述工件内部的温度传感器包括多个热电偶丝，热电偶丝的测温热节点与贴片热电偶的测温热节点在工件的同一截面上，热电偶丝的测温热节点之间的距离为切深的整数倍；所述热电偶丝的热端通过圆柱塞固定在测温热节点处，热电偶丝的参考端与导电滑环的转子端相连。
17.在其中一个优选的实施例中，所述车刀上的热电偶丝安装在车刀后刀面的热电偶丝安装槽中，该热电偶丝的热端固定在车刀的切削刃上。
18.在其中一个优选的实施例中，所述工件表面的温度传感器由多个贴片热电偶构成，贴片热电偶的测温热节点均布设置在圆环工件的光滑表面，贴片热电偶的测温热节点与圆环工件端面的距离为车削过程中车刀轴向进给量的非整数倍；所述贴片热电偶的热端固定在测温热节点处，贴片热电偶的参考端与导电滑环的转子端相连。
19.在其中一个优选的实施例中，所述车刀侧面的温度传感器包括一根放置在车刀后刀面的热电偶丝，热电偶丝的测温热节点设置在后刀面与切削刃的交线处；所述热电偶丝的热端固定在热节点处，热电偶丝的参考端与热电偶温度采集器相连。
20.在其中一个优选的实施例中，所述工件的温度传感器通过导电滑环与热电偶温度采集器连接，实现温度数据采集；所述导电滑环的转子端连接工件的热电偶参考端，导电滑环的定子端连接热电偶温度采集器输入端，热电偶温度采集器输出端通过导线与485转换器相连，485转换器通过usb与上位机相连。
21.以下对本发明做进一步的介绍：
22.一种车削过程工件温度和变形在线测量装置，包括车刀刀片，圆环工件，传动机构、导电滑环，传感器，数据采集系统和上位机。工件表面和内部安装有温度传感器，刀片侧面安装有温度传感器，工件温度传感器通过导电滑环与热电偶温度采集器连接，热电偶温度采集器通过485转换器连接至上位机，工件径向上方安装有位移传感器，位移传感器连接至光纤测位移装置。
23.工件表面温度传感器由多个贴片热电偶构成，贴片热电偶的测温热节点均布设置在圆环工件的光滑表面，贴片热电偶的测温热节点与圆环工件端面的距离为车削过程中车刀轴向进给量的非整数倍。贴片热电偶的热端用高温绝缘胶带固定在测温热节点处，贴片热电偶的参考端与导电滑环转子端相连。
24.工件内部温度传感器包括多个直径为0.2mm的热电偶丝，热电偶丝的测温热节点与贴片热电偶的测温热节点在工件的同一截面上，热电偶丝的测温热节点之间的距离为切深的整数倍；热电偶丝的热端通过圆柱塞固定在测温热节点处，参考端与导电滑环转子端相连。圆环工件测温热电偶丝在圆环工件内部的安装方式为借助圆柱塞安装在圆环工件内部的安装孔中，圆柱塞通过玻璃胶固定在安装孔中。
25.刀片侧面的温度传感器包括一根放置在刀具后刀面的热电偶丝，热电偶丝的测温热节点设置在后刀面与切削刃的交线处。热电偶丝的热端用高温绝缘胶带固定在热节点处，参考端与热电偶温度采集器相连。在刀具后刀面中线处加工出热电偶安装方形槽，刀尖测温热电偶丝放入热电偶安装方形槽后，调整刀尖测温热电偶丝的热端置于刀尖测温热电偶丝的测温热节点，用树脂固定住刀尖测温热电偶丝。
26.位移传感器使用光纤位移测距仪的光纤探头，光纤探头固定在光纤探头固定架上且探头垂直向下，辅助支架通过螺栓与安装支架连接，光纤位移测距仪通过传输线与上位机连接。
27.导电滑环固定在导电滑环固定架上，导电滑环固定架与安装支架通过螺栓连接，安装支架通过螺栓与移动板连接，安装支架通过螺栓与垂向丝杠连接，垂向丝杠通过螺栓与横向丝杠连接。
28.工件温度传感器通过导电滑环与热电偶温度采集器连接，实现温度数据采集。导电滑环转子端连接工件热电偶参考端，导电滑环定子端连接热电偶温度采集器输入端，热电偶温度采集器输出端通过导线与485转换器相连，485转换器通过usb与上位机相连。热电偶温度采集器采用直流电源供电，采用modbus-rut通讯，485转换器采用usb供电。
29.上位机上安装有数据采集演示窗口，数据采集演示窗口包括多组数据记录通道和与上位机相匹配的相关参数设置。上位机接收车削过程车刀刀尖温度和工件温度后，通过数据采集演示窗口同时获得车削过程车刀刀尖和工件的温度。工件的位移值通过光纤位移测距仪显示并存储在上位机中。
30.利用传动机构调节温度传感器和位移传感器的位置，使之能够在预定测量点上进行测量。
31.按照传热学理论推导一维非稳态切削热传导模型，即
[0032][0033]
式中，tf为热源温度，℃；t0为工件初始温度，℃；t为工件温度，℃；erfc为高斯误差
函数；x为测温点与热源的径向距离，m；α为工件的热扩散率，m2/h；τ为时间，h。
[0034]
利用仿真软件建立二维车削模型，提取工件温度，将仿真工件温度与理论模型计算温度进行对比，用实验验证仿真和理论模型的有效性。
[0035]
本发明运行过程中，刀具未切到贴片热电偶测温热节点时，工件测温贴片热电偶测量的是工件表面温度；刀具切到贴片热电偶的测温热节点时，工件贴片热电偶测的是切削刃的温度；刀具未切到工件热电偶丝的测温热节点时，工件热电偶丝测量的是工件内部温度；刀具切到工件热电偶丝测温热节点时，工件测温热电偶丝测量的是切削刃的温度。
[0036]
与现有技术相比，本发明的进一步改进在于：本发明采用一套多通道测温系统，采用刀具、工件埋入热电偶和工件表面热电偶的方法，实现了在车削加工过程中对车刀刀尖温度和工件温度场的同时测量和实时测量；采用光纤探头测量工件表面位移值来计算工件尺寸变化量，实现了工件温度和尺寸的同时测量。通过此种测温和测尺寸方法，可以捕捉车削过程中，刀尖温度和工件温度随进程变化情况，可以获得工件在空间中的温度分布情况，可以获得工件在切削过程中的尺寸变化情况，可以分析切削温度对尺寸变化的影响规律，可以更全面地分析工件车削过程中切削热的传递和分配方式，可以减小机床振动对测量精度的影响。
附图说明
[0037]
图1为本发明的测温装置及原理示意图；
[0038]
图2为本发明的丝杠调节导电滑环和位移传感器位置示意图；
[0039]
图3为本发明的丝杠传动示意图；
[0040]
图4为本发明的导电滑环与位移传感器安装示意图；
[0041]
图5为本发明的工件内部热电偶安装方式示意图；
[0042]
图6为圆柱塞的结构示意图；
[0043]
图7为刀片结构示意图；
[0044]
图8为热变形量计算原理图；
[0045]
图9为二维仿真工件温度场图。
[0046]
图中，1-支杆；2-底座；3-刀架；4-三爪卡盘；5-横向丝杠电机；6-辅助支架；61-探头固定架；7-车刀；8-导电滑环固定架；81-下连接件；82-法兰盘；83-导电滑环；9-安装支架；10-垂向移动板；11-垂向丝杠机构；111-第一支承；112-垂向螺杆；113-垂向滑杆移动块；114-连接板；115-垂向滑杆；12-横向丝杠机构；121-横向螺杆；122-第二支承；123-横向滑杆；124-横向滑杆移动块；13-垂向丝杠电机；14-圆环工件；15-横向移动板；16-圆柱塞；17-圆柱塞安装孔；18-槽。
具体实施方式
[0047]
以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。
[0048]
本发明描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明；本发
明用cnmg12040ha型数控车床车刀进行工件切削，但本发明不限于数控车床车刀。
[0049]
为了实现实时、同步测量车削过程中车刀刀尖温度、工件温度场和工件尺寸变化量，本发明公开了一种车削过程中工件温度场和工件尺寸变化的测量方法及装置，该测量系统主要由车刀刀片、圆环工件、传动机构、工件温度传感器、刀尖温度传感器、工件位移传感器、导电滑环、热电偶温度采集器、485转换器、光线位移测距仪、数据采集演示窗口和上位机组成。
[0050]
热电偶测温的基本原理是基于金属导体的热电效应。该测量系统的温度传感器采用k型热电偶，其测温范围为0～500℃，测量精度为
±
1℃，分辨率为0.1℃，热电偶丝径为0.2mm，长度为1m，可以使温度测量实现较高精度。贴片热电偶的热端为扁平状，可以较好地与工件表面贴合，缩短温度传感器与工件的热平衡时间，减小热电偶的响应时间实现切削温度的实时测量。位移传感器采用光纤位移测距仪，光纤位移测距仪的测量终端为光纤探头，测量精度为0.1μm，可以实现工件位移的实时测量，可以使尺寸变化的测量实现高精度。光纤位移测距仪是一种用光学杠杆原理来测量位移、振动以及表面状态的非接触式量仪。在上位机的数据采集演示窗口中，实时采集和显示温度传感器所获得的温度值，并以曲线的方式呈现温度变化，可以实时观察温度变化。位移传感器获得的位移值通过光纤位移测距仪的显示器显示并记录在上位机中，按照“尺寸热变化值＝位移初始值 切深-位移值”计算工件尺寸热变化值，计算原理参见图8.
[0051]
参见图1-图3，温度传感器和位移传感器通过传动机构被放置在正确的位置上，可以减小机床振动对测量精度的影响。整个测量系统由支杆1和底座2支撑，支杆1上通过角码件21安装有垂向支杆20，连接方式为螺栓连接。垂向支杆20上通过第二支承122安装有横向丝杠机构12，连接方式为螺栓连接。横向丝杠机构12包括横向螺杆121、横向滑杆123和横向滑杆滑块124，横向丝杠机构12上通过横向移动板15和第一支承111安装有垂向丝杠机构11，连接方式为螺栓连接。垂向丝杠机构11包括垂向螺杆112、垂向滑杆滑块113、连接板114和垂向滑杆115；其中连接板114与垂向螺杆112的螺母连接方式为焊接。垂向丝杠机构11通过连接板114连接垂向移动板10，在垂向移动板10上通过螺栓连接安装支架9。横向丝杠机构12实现横向直线运动，垂向丝杠机构11实现垂向直线运动。横向丝杠电机5驱动横向螺杆121左右运动，同时横向移动板15随之左右运动，带动垂向丝杠机构11左右运动，横向滑杆滑块124跟随横向移动板15运动，以引导和保持垂向丝杠机构11平稳运行。垂向丝杠电机13驱动垂向螺杆112上下运动，同时垂向移动板10随之上下运动，带动安装支架9上下运动，实现导电滑环83和光纤探头的位置调整。
[0052]
参见图4，导电滑环固定架8通过螺栓与安装支架9连接，安装支架9使用3d增材打印技术打印出来，可以采用3d增材打印的加工方式加工出长度为120mm、大圆环直径为φ120mm、大圆环厚度为10mm、小圆环外径为φ90mm、小圆环厚度为5mm的导电滑环固定架8，导电滑环与导电滑环固定架8的连接方式为法兰连接，上下连接件用两个螺栓连接。在导电滑环固定架8中加工出深3mm、宽6mm的凹槽，凹槽用以放置法兰盘82。法兰盘82外径为84mm、内径为26mm，在法兰盘82的端面加工出深2mm、直径为59mm的凹槽用以放置导电滑环83，距离法兰盘82轴心15mm处均布三个孔，孔直径为φ3mm，凹槽、外径、内径均同轴。辅助支架6通过螺栓安装在安装支架9上，光纤探头安装在光纤探头固定架光纤探头固定架上，且光学探头垂直向下，可以调整光纤探头与工件的轴向距离。
[0053]
参见图5-图7，工件内部有6个圆柱塞安装孔17，可以采用钻孔的加工方式加工出直径为φ5mm、长度为40mm的圆柱塞安装孔17，圆柱塞16与圆柱塞安装孔17之间为过渡配合，可以采用3d增材打印的加工方式加工出外径为φ4mm、内径为φ1.5mm、高度为5mm、长度为50mm的圆柱塞16。热电偶丝5穿过圆柱塞16的内孔，通过摩擦力和玻璃胶调整热电偶丝热端的位置，使热电偶丝热端固定在工件内部测温热节点处；工件表面测温热节点处的三根贴片热电偶用绝缘胶带固定在工件光滑表面上。刀尖热电偶丝安装在车刀7后刀面的热电偶丝安装槽18中，可以采用线切割的加工方式加工出深度为0.6mm、宽度为1mm、长度贯穿整个后刀面的热电偶丝安装方形槽18，热电偶丝的热端通过绝缘胶带固定在车刀7的切削刃上。
[0054]
参见图9，根据铝合金的本构模型和失效参数，用abaqus建立二维正交切削模型，得到切削进程中的工件温度场。理论计算得到工件初始温度为28℃、热源温度为43℃、τ＝1s时，不同深度工件径向温度为x＝0.005m，t＝37.7631；x＝0.01m，t＝33.4812；x＝0.015m，t＝30.6187；x＝0.02m，t＝29.0541。本发明测量刀尖温度、工件表面温度和工件内部温度可以得到切削工件的二维温度场，刀尖温度即为热源温度，车刀切削时，可以获得车削时的工件径向温度；车刀切削后，可以获得随切削进程的工件径向温度变化，实现车削的二维温度场获取。
[0055]
热电偶温度采集器采用15v直流电源供电，热电偶温度采集器通过导线与usb转485转换器相连，usb转485转换器通过usb与上位机相连进行通电和通讯，上位机上安装有数据采集演示窗口，数据采集演示窗口包括多组数据记录通道和与上位机相匹配的相关参数设置。
[0056]
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。