CN112846940A - 一种用于高速铣削过程测量刀具温度的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于高速铣削过程测量刀具温度的装置及方法，该装置包括测温***和测温***固定装置，测温***固定装置包括配合连接的左、右两个半环形固定块，两个半环形固定块套设于刀柄左、右两侧以与刀柄固定连接，测温***主要由K型热电偶、数据采集模块、数据储存模块和电源模块组成，K型热电偶固定在刀片上，所述K型热电偶固定在刀片上，所述数据采集模块、数据储存模块和电源模块分别固定在两个半环形固定块上；该方法通过K型热电偶采集刀具切削区的热电势信号，通过数据采集模块将热电势信号转化为切削温度信号，然后将其存储在数据储存模块中，以实现高速铣削过程切削温度的连续测量。该装置及方法有利于准确、可靠地测量高速铣削过程的刀具温度。
Description
技术领域
本发明属于金属切削技术领域，具体涉及一种用于高速铣削过程测量刀具温度的装置及方法。
背景技术
高速铣削作为重要的先进制造技术之一，是提高加工效率的有效手段，大幅降低零件的加工时间，具有广阔的应用前景。然而随着铣削速度的增加，导致切削区生成热增加，散热性变差。此时切削温度迅速上升，加剧刀具磨损，进而缩短刀具寿命，降低零件表面质量。在金属铣削过程中，切削温度是一个重要参数量，它决定了刀具寿命和零件表面质量。为提高刀具寿命和零件表面质量，切削温度的测量至关重要。
目前常用技术有自然热电偶、半人工热电偶、红外测温仪、红外成像仪和PVD薄膜方法等。自然热电偶和半人工热电偶都是接触式测温方法，这类测温方法布线复杂，仅适用于刀头进给方向移动的车削过程。红外测温仪和红外成像仪属于非接触式测温，红外测温设备的准确性与待加工工件的反射率和被测表面的距离有关；且由于前刀面上的切屑阻塞，无法直接测量刀具-切屑界面的温度。PVD薄膜方法，然而内置PVD的薄膜热电偶技术只能用于涂层工具且薄膜热电偶制造工序复杂、造价昂贵。
铣削过程中，机床主轴处于高速旋转的状态，传统测温方法布线复杂，测温数据传输困难，制造成本高等问题，造成高速铣削测温技术发展瓶颈，因此有必要研究一种用于高速铣削过程测量刀具温度的装置及方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于高速铣削过程测量刀具温度的装置及方法，该装置及方法有利于准确、可靠地测量高速铣削过程的刀具温度。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于高速铣削过程测量刀具温度的装置，包括测温***和测温***固定装置，所述测温***固定装置包括配合连接的左、右两个半环形固定块，所述两个半环形固定块套设于刀柄左、右两侧以与刀柄固定连接，所述测温***主要由K型热电偶、数据采集模块、数据储存模块和电源模块组成，所述K型热电偶固定在刀片上，所述数据采集模块、数据储存模块和电源模块分别固定在两个半环形固定块上。
进一步地，所述K型热电偶通过导热胶固定在硬质合金铣刀片的盲孔中。
进一步地，所述盲孔利用电火花打孔机加工，盲孔直径为1mm，距离前刀面和边缘分别为1mm和1.5mm。
进一步地，所述数据采集模块安装在其中一个半环形固定块外侧部，所述数据储存模块和电源模块安装在另一个半环形固定块外侧部的对称位置，所述两个半环形固定块上分别设有用于安装数据采集模块、数据储存模块和电源模块的安装槽。
进一步地，所述半环形固定块内侧中部设有锥形凸环，所述锥形凸环与刀柄外周部的锥形凹环配合，以实现测温***固定装置及测温***的轴向定位；所述半环形固定块内侧上端设有凸块，所述凸块与刀柄上的凹槽配合，以实现测温***固定装置及测温***的径向定位。
进一步地，所述数据采集模块由MAX31855温度采集模块和Arduino nano单片机开发板组成，以连续准确地将K型热电偶产生的热电势信号转化为切削温度信号。
进一步地，所述数据储存模块由Arduino SD卡模块和SD卡组成，以储存高速铣削过程数据采集模块采集的切削温度信号，实现切削温度的离线测量。
进一步地，所述电源模块由3.7V聚合物锂电池和3.7V转9V升压模块组成，以维持测温***运行，并将聚合物锂电池的电压值从3.7V 转化为9V供给数据采集模块，确保切削温度数据的正常采集。
进一步地，所述聚合物锂电池的质量为2g，以降低测温***整体质量。
本发明还提供了一种基于所述装置的用于高速铣削过程测量刀具温度的方法，通过K型热电偶采集刀具切削区的热电势信号，通过数据采集模块将热电势信号转化为切削温度信号，然后将其存储在数据储存模块中，以实现高速铣削过程切削温度的连续测量。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：提供了一种用于高速铣削过程测量刀具温度的装置及方法，该装置及方法可以在不破坏刀柄的情况下，将测温***安全可靠地固定在刀柄上，通过将热电偶***到微孔之中并固定，有效避免了铁屑对测量结果的干扰，大大提高了测量精度，而数据采集模块与数据储存模块和电源模块均布在测温***固定装置的对称位置，保证刀柄具有良好的动平衡性能，尤其适合于高速铣削过程的切削温度测量；此外，通过无线传输方式大大减少了测量现场各种电线、传输线的数量，减少了复杂加工现场的安全隐患，通过数据储存模块储存切削温度数据，实现切削过程的实时连续测温。因此，本发明具有很强的实用性和广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例的装置装配及原理图。
图2是本发明实施例中测温***固定装置与刀柄的装配关系示意图。
图3是本发明实施例中测温***的测温原理图。
图4是本发明实施例中两个半环形固定块的结构示意图。
图5是本发明实施例中用于埋放K型热电偶的带盲孔铣刀片的结构示意图。
图6是本发明实施例中用于锁紧测温***的两个固定板的结构示意图。
图中：1-拉钉，2-BT40刀柄，3-半环形固定块Ⅰ，4、6-固定板，5-半环形固定块Ⅱ，7-螺母，8-螺栓，9-400R 63-22-4T铣刀盘，10-铣刀片，11-单片机开发板安装槽，12-温度采集模块安装槽，13-数据储存模块安装槽，14-电源模块安装槽，15-刀柄凹槽，16-刀柄锥形凹环，17-锥形凸环，18-凸块。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1-3所示，本实施例提供了一种用于高速铣削过程测量刀具温度的装置，包括测温***和测温***固定装置，所述测温***固定装置包括配合连接的左、右两个半环形固定块，所述两个半环形固定块套设于刀柄左、右两侧以与刀柄固定连接，在不破坏刀柄的条件下，测温***固定装置可以安全可靠地固定在刀柄，所述测温***主要由K型热电偶、数据采集模块、数据储存模块和电源模块组成，所述K型热电偶固定在刀片上，所述数据采集模块、数据储存模块和电源模块分别固定在两个半环形固定块上。
如图4所示，所述数据采集模块安装在其中一个半环形固定块外侧部，所述数据储存模块和电源模块安装在另一个半环形固定块外侧部的对称位置，以保证刀柄在高速旋转的条件下具有良好的动平衡性能，所述两个半环形固定块上分别设有用于安装数据采集模块、数据储存模块和电源模块的安装槽。
如图5所示，所述K型热电偶通过导热胶固定在硬质合金铣刀片的盲孔中。所述盲孔利用电火花打孔机加工，盲孔直径为1mm，距离前刀面和边缘分别为1mm和1.5mm。实现过程为：通过电火花打孔机，在硬质合金铣刀片上加工1个距离前刀面1mm且直径1mm的盲孔。将K型热电偶伸入盲孔，保证热电偶金属结点与盲孔底部紧密接触；组成K型热电偶的两种不同导体除金属结点外，其余部分不接触；最后利用导热胶固定K型热电偶的位置，确保高速铣削时K型热电偶能够可靠得固定在刀片上。
如图2所示，所述半环形固定块内侧中部设有锥形凸环，所述锥形凸环与刀柄外周部的锥形凹环配合，以实现测温***固定装置及测温***的轴向定位。所述半环形固定块内侧上端设有凸块，所述凸块与刀柄上的凹槽配合，以实现测温***固定装置及测温***的径向定位。从而保证测温***固定装置在高速铣削过程中可靠地固定在机床主轴上。
在本实施例中，所述K型热电偶与数据采集模块通过无线传输方式进行通讯。所述数据采集模块由MAX31855温度采集模块和Arduino nano单片机开发板组成，以连续准确地将K型热电偶产生的热电势信号转化为切削温度信号。所述数据储存模块由Arduino SD卡模块和SD卡组成，以储存高速铣削过程数据采集模块采集的切削温度信号，实现切削温度的离线测量，在与外部无数据线连接的条件下，仍可以正常工作，测量得到高速铣削过程中刀具表面的切削温度，克服由于刀柄旋转，切削温度测量难的问题。
所述电源模块由3.7V聚合物锂电池和3.7V转9V升压模块组成，以维持测温***运行，并将聚合物锂电池的电压值从3.7V 转化为9V供给数据采集模块，确保切削温度数据的正常采集。所述3.7V聚合物锂电池，电池容量为130mAh，可维持测温***运行半小时，满足切削温度的测量要求。所述3.7V聚合物锂电池，电池质量为2g，大幅度降低测温***整体质量，减小铣削过程产生的离心力，保证测温***工作安全可靠。所述3.7V转9V升压模块，将聚合物锂电池的电压值从3.7V 转化为9V，以供给数据采集模块，确保切削温度数据的正常采集。
基于塞贝克效应( Seebeck Effect )，当K型热电偶热端与冷端存在温度差，金属回路间产生热电势信号，此时安装于测温***固定装置上的数据采集模块将K型热电偶在刀具切削刃区产生的热电势信号转化处理切削温度信号，然后通过数据储存模块，将切削温度信号存储在数据储存模块的SD卡中，实现高速切削刀具切削刃区切削温度的直接、实时、连续测量。
本实施例还提供了本装置及方法的安装实现过程。
（1）K型热电偶安装：通过电火花打孔机，在硬质合金铣刀片上加工1个距离前刀面1mm及直径1mm的盲孔。将K型热电偶伸入盲孔，保证热电偶金属结点与盲孔底部紧密接触；组成K型热电偶的两种不同导体除金属结点外，其余部分不接触；最后利用导热胶固定K型热电偶的位置，确保高速铣削时K型热电偶能够可靠得固定在刀片上。
（2）装配测温***：测温***其包括数据采集模块、数据储存模块和电源模块，分别将数据采集模块、数据储存模块和电源模块安装在温***固定装置的两个半环形固定块I、II的位置11、12、13和14，如图4所示。其中数据采集模块与数据储存模块和电源模块分别分布在测温***固定装置的对称位置，保证刀柄在高速旋转的条件下具有良好的动平衡性能。通过固定板4和固定板6将测温***完全约束在测温固定***装置上，如图6所示。
（3）锁紧测温***固定装置：测温***固定装置为半环形结构，将其上端凸块可与刀柄凹槽配合，实现测温***的径向定位；其中间的锥形凸环可与刀柄锥形凹环配合，实现测温***的轴向定位，如图2所示。通过螺栓锁紧测温***固定装置的两个半环形固定块Ⅰ和Ⅱ，保证测温***固定装置在高速铣削过程可靠地固定在机床主轴上。
（4）切削温度测试：工件材料为ADC12，铣削参数为：铣削速度900m/min、进给量0.1mm/r、轴向切深0.1mm、径向切深3mm。工件固定不动，机床主轴旋转实现铣刀对工件的切削加工，数据采集***通过K型热电偶采集铣刀上靠近刀尖处的温度后，将切削温度数据通过数据储存模块储存在SD卡中。切削加工结束后，通过计算机读取得到SD卡中的切削温度数据。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于高速铣削过程测量刀具温度的装置，其特征在于，包括测温***和测温***固定装置，所述测温***固定装置包括配合连接的左、右两个半环形固定块，所述两个半环形固定块套设于刀柄左、右两侧以与刀柄固定连接，所述测温***主要由K型热电偶、数据采集模块、数据储存模块和电源模块组成，所述K型热电偶固定在刀片上，所述数据采集模块、数据储存模块和电源模块分别固定在两个半环形固定块上。
2.根据权利要求1所述的一种用于高速铣削过程测量刀具温度的装置，其特征在于，所述K型热电偶通过导热胶固定在硬质合金铣刀片的盲孔中。
3.根据权利要求2所述的一种用于高速铣削过程测量刀具温度的装置，其特征在于，所述盲孔利用电火花打孔机加工，盲孔直径为1mm，距离前刀面和边缘分别为1mm和1.5mm。
4.根据权利要求1所述的一种用于高速铣削过程测量刀具温度的装置，其特征在于，所述数据采集模块安装在其中一个半环形固定块外侧部，所述数据储存模块和电源模块安装在另一个半环形固定块外侧部的对称位置，所述两个半环形固定块上分别设有用于安装数据采集模块、数据储存模块和电源模块的安装槽。
5.根据权利要求1所述的一种用于高速铣削过程测量刀具温度的装置，其特征在于，所述半环形固定块内侧中部设有锥形凸环，所述锥形凸环与刀柄外周部的锥形凹环配合，以实现测温***固定装置及测温***的轴向定位；所述半环形固定块内侧上端设有凸块，所述凸块与刀柄上的凹槽配合，以实现测温***固定装置及测温***的径向定位。
6.根据权利要求1所述的一种用于高速铣削过程测量刀具温度的装置，其特征在于，所述数据采集模块由MAX31855温度采集模块和Arduino nano单片机开发板组成，以连续准确地将K型热电偶产生的热电势信号转化为切削温度信号。
7.根据权利要求1所述的一种用于高速铣削过程测量刀具温度的装置，其特征在于，所述数据储存模块由Arduino SD卡模块和SD卡组成，以储存高速铣削过程数据采集模块采集的切削温度信号，实现切削温度的离线测量。
8.根据权利要求1所述的一种用于高速铣削过程测量刀具温度的装置，其特征在于，所述电源模块由3.7V聚合物锂电池和3.7V转9V升压模块组成，以维持测温***运行，并将聚合物锂电池的电压值从3.7V 转化为9V供给数据采集模块，确保切削温度数据的正常采集。
9.根据权利要求8所述的一种用于高速铣削过程测量刀具温度的装置，其特征在于，所述聚合物锂电池的质量为2g，以降低测温***整体质量。
10.一种基于权利要求1-9任一项所述装置的用于高速铣削过程测量刀具温度的方法，其特征在于，通过K型热电偶采集刀具切削区的热电势信号，通过数据采集模块将热电势信号转化为切削温度信号，然后将其存储在数据储存模块中，以实现高速铣削过程切削温度的连续测量。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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