切削温度测量方法研究进展

张 淇，李国和，孙 飞，齐小乐

（天津职业技术师范大学机械工程学院，天津 300222）

1 引言

机械加工是使用最广泛的制造工艺[1]，切削温度做作为切削加工过程的重要部分，对刀具寿命具有决定性的影响，同时影响切屑形态、工件变形和加工表面质量。多年来，学者们采用多种方法对切削温度进行研究，包括实验测量、理论建模和有限元模拟。理论模型的有效性和有限元模拟结果的可靠性都需要通过与实验测量结果的对比来完成，因此，实验测量法是最可靠也是应用最多的切削温度研究方法。

切削热来源于工件切削层材料塑性变形和刀-屑以及刀-工之间的摩擦[2]。由于切削加工过程刀具和工件的导热性，热量会传递到刀具、工件以及切屑中去，这导致切削温度呈现梯度分布，不同位置的切削温度不同，很难获得全场温度。同时在较高切削速度下，短暂的切削过程，也对温度测量方法的响应速度提出了很高的要求。因此，切削温度测量一直是切削温度研究中的一个难点。

国内外学者都在切削温度测量方面给予了持续的关注，取得了大量的研究成果。这里对常用测温手段及其研究现状进行综述，并对其优缺点进行分析，指出今后的发展方向。

2 切削温度测量方法

常用的切削温度测量方法有接触式和非接触式两类。接触式包括自然热电偶法、人工热电偶法和半人工热电偶法。非接触式主要有红外热成像法（IR）和电荷耦合元件测温法（CCD）。另外还有如颜色观察法、双色高温计法、定熔点粉末法等其他的切削温度测量方法。

2.1 自然热电偶法

自然热电偶法的工作原理是测量热电偶刀具和工件的热端接触区以及床尾、刀柄等冷端引出的电压（冷、热端与机床绝缘），测量的电压数据记录到毫伏计中。

由于自然热电偶冷端升温会引起测量误差，所以一般采用对引出端进行热补偿予以误差消除。

A点为热端，冷端为B、C点引出的导线，如图1所示。由于导线在B点引出时距离热端很近，在切削试验过程中温度必然高于室温，原来的自然热电偶测得的温度就必然不是实际的切削温度，因此需要测得B点电动势，再利用测得的A点的电动势E1，通过式（1）计算出实际切削温度θ：

图1 自然热电偶的热补偿Fig.1 Thermal Compensation of Natural Thermocouple

式中：bWT—工件—刀具热电特性曲线斜率；bbW—导线-工件的热电特性曲线斜率；bb—刀具引出点测量热电偶热电特性曲线斜率；E1—A点的电动势；E2—B点的电动势；θ0—室温。

不同材料之间的热电偶特性曲线会有所不同，所以当采用自然热电偶法测量的工件材质在一种以上时，就需要标定每种工件材质与刀具之间的热电特性曲线。自然热电偶法只能够测量到切削区的平均温度，无法测量针对某一点的切削温度。

2.2 人工热电偶

人工热电偶法采用标准热电偶进行测温。测量时，在刀具或工件上安装的标准热电偶作为热传感器将热电势信号传到毫伏计进行读取，最后对照热电偶标定曲线得到被测点温度[3]。

人工热电偶法能够较好地解决自然热电偶法只能测量平均温度的不足：首先，一对标准热电偶外接的测量头可以用于点测量；其次，标准热电偶在测温时不用对其进行材料热电特性曲线标定，比较方便；另外，人工热电偶可以测量非金属材料。然而考虑到刀尖强度需求，人工热电偶不能直接测量刀尖点的温度。另外人工热电偶法在测量时其响应时间较长，这就导致测量结果的滞后性，使得该方法在测量某一时刻的切削温度时精确度较差。

2.3 半人工热电偶

半人工热电偶在测温时采用夹丝或者薄膜与被测区域连接形成回路，在根本上与自然热电偶法测温原理相同。热电偶热端利用一根热电敏感材料金属丝或者薄膜，冷端利用工件或刀具形成热电势回路。目前半人工热电偶法主要有两种形式：（1）夹丝式；（2）薄膜式。另外，半人工热电偶法测温时不必考虑绝缘问题，应用范围较为广泛[4]。

2.4 红外热成像技术

红外热成像技术是将切削热以图像形式呈现在屏幕上，直观获得测量区域内的温度分布及其变化的一种方法。其测量的理论基础是普朗克黑体辐射定律，即自然界一切物体温度高于绝对零度时都会向外界发出辐射，根据物体表面辐射出热能的多少，能够确定物体表面的温度场。其表达式为：

式中：Ebλ—黑体光谱辐射能量密度；c1—第一辐射常数，通常：c1=3.741×10-16W·cm2；c2—第二辐射常数，一般有c2=1.4388×10-2W·K；λ—光谱辐射的波长。

目前常用的红外热成像测温设备是红外热像仪，其工作原理，如图2所示。红外热像仪内部的红外探测器将探测到的红外信号转换成电信号，经过放大器对信号进行处理形成标准视频信号，最终将温度数据在屏幕上直观显示出来。红外热像仪的响应速度较快，同时在测量区域内切削温度分布方面具有较突出的优势。

图2 红外信号的处理流程Fig.2 Infrared Signal Processing Flow

2.5 CCD测温装置

CCD 测温法的工作原理利用光电二极管作为传感器，捕捉可见光谱范围内物体在高温下辐射的能量并转换成电信号，经过放大器和转换电路处理后转换图像信号[5]，其测温装置示意图，如图3所示。CCD法响应时间短，且拍摄得到的分辨率要比红外热像仪法高，但其设备复杂，成本也较高。

图3 CCD法装置示意Fig.3 Schematic Diagram of CCD Device

2.6 其他测温方法

颜色观察法是一种较为直观测温方法。切削过程中，由于金属表面与刀具材料的摩擦使得切削温度快速升高，金属受热氧化后形成氧化层。

由于温度等因素导致氧化层呈现出不同的氧化干涉色，所以通过颜色可以估计切削温度。通常切削温度越高，颜色越深[6]。45钢切屑颜色随切削温度变化，如表1所示。颜色观察法简单实用，但是误差较大，并且这种方法只能在切屑氧化时才能使用，所以在测温时有一定的限制。

表1 45钢切屑颜色随切削温度变化对照表Tab.1 Comparison Table of Chip Color Changes with Cutting Temperature of 45 Steel

定熔点粉末法工作原理是利用观察不同熔点的金属粉末在切削后融化状况来粗略估计切削区域的温度场。测温时将金属粉末均匀在放置在进行特殊处理的刀具上，而且粉末需要较长时间才能完全熔化[7]，响应性差。

双色高温计法原理是计算测量物体发射出的两种波长的辐射强度的比值来实现测温[8]。这种测温方法能够很大程度上减小发射率对测温的影响，使得这种方法测温精度较高，响应在1s左右。但只能测量金属材质的温度，被测物体在低温时误差较大[9]。

3 各种测温法的应用现状

3.1 自然热电偶法

切削过程中，用自然热电偶法测温能够较为容易的测量到其中变化情况。文献[10]提出了低温油膜水滴冷却润滑技术并采用自然热电偶法测量了车削钛合金时的切削温度，并证明了该方法对降低切削温度有着良好的作用。文献[11]采用自然热电偶法研究了钛基复合材料车削时的切削温度。热电偶热端为刀具/工件，即刀—工切削区，冷端为工件/刀具尾部，热端和冷端连接成回路并连入毫伏计，然后将毫伏计测得的电压接入数据采集卡，经软件处理后转换成温度数据，最后对比被测材料的热电特性曲线获得切削温度。文献[12]利用自然热电偶进行45钢车削温度测量，得到了碳钢微量润滑条件下切削参数对切削温度的影响。文献[13]采用自然热电偶法测量切削温度，建立了切削碳纤维增强复合材料时切削参数与切削温度的关系。文献[14]利用自然热电偶法测量了PCBN刀具和Al2O3涂层硬质合金刀具车削D2工具钢的切削温度。文献[15]基于自然热电偶法建立计算机切削温度辅助测量系统。文献[16]基于自然热电偶法设计了一种集成式切削温度监测系统，在热端电路中加入了一个可变电压源，消除干扰热电压，用于热电偶的硬件补偿。冷端连接计算机进行补偿，显著提高了该系统的综合测温性能和测温准确性。文献[17]认为刀具-工件热电偶系统最大问题在于校准过程和工件旋转时（在车削过程中）电动势的获取，即测量的响应问题。并通过在测温装置系统中架设三刷装置来提高测温连续性。

3.2 人工热电偶法

人工热电偶可以针对某一点或者多点进行测温。文献[18]通过正交试验研究了SiCp/Al复合材料的切削温度，在不同的切削参数和冷却条件下对刀具进行测温。实验采用嵌埋人工热电偶的方法，在刀尖附近开槽以埋入标准热电偶。文献[19]采用YG6A刀具对高锰钢进行了高速切削实验并分析了铣削加工时温度随着切削刃切入与切出时温度信号的变化规律。实验中采用人工热电偶将热电偶丝埋入工件中，通过切削刃将热电偶丝切断采集温度信号。文献[20]在研究整体硬质合金铣刀铣削热的过程中采用人工热电偶采集切削温度数据。文献[21]研究了单向碳纤维增强塑料在不同切削条件下的切削温度。实验中采用K型标准人工热电偶测量刀尖附近温度来近似刀尖温度。文献[22]采用人工热电偶法测量TiAlN涂层刀具切削镍718合金的切削温度，研究了切削参数对切削温度的影响情况。文献[23]利用K型人工热电偶测量切削温度，研究了718铬镍铁合金在圆周铣削过程中的温度及其分布。文献[24]利用嵌入式热电偶法对铝合金铣削过程进行工件内部温度测量。文献[25]采用人工热电偶法测量切削温度，实验中将标准热电偶安装到工件上，研究了热管辅助冷却对立铣刀切削温度的影响。文献[26]利用嵌入式人工热电偶法对间歇切削的瞬时切削温度进行测量，并分析了刀具瞬时平均温度随切削时间的变化规律。

研究者们还针对热电偶法的一些缺点（如信息采集问题等）进行了改进。文献[27]采用人工热电偶法，对波形刃铣刀片的铣削温度进行了测量。实验中对人工热电偶法进行改进来解决瞬态温度采集问题：（1）开发了前置集流环放大电路并使其和主轴一同转动。（2）将标准热电偶缩小，设计并自制标准热电偶，事前进行标定。（3）万用表和动态数据采集系统同时使用，减小误差。文献[28]研究了槽铣加工时刀具温度的变化。研究中采用一种改进嵌入式热电偶的温度测量系统，这种热电偶主要的特点在于它能够进行无线控制和数据采集。文献[29]采用具有自更新特性的快速响应热电偶测量工件温度，分析切削热对微切削加工精度的影响。

3.3 半人工热电偶

夹丝式热电偶测量端为细丝，可以减小安装时对工件和刀具强度的破坏。文献[30]采用夹丝半人工热电偶法测量了对近α钛合金进行高速铣削的切削温度。文献[31]利用夹丝半人工热电偶对SiCp/2009Al复合材料高速切削实验进行了切削温度测量。文献[32]采用夹丝半人工热电偶法研究了TC4钛合金铣削温度受切削参数的影响规律，基于正交试验法优化切削参数。

为了能更准确的测量切削温度，有学者在嵌入式微薄膜热电偶的制备和测量方面也进行了相关的研究。例如采用CVD等技术制作NiCr/NiSi薄膜式热电偶，其响应时间可以达到微秒级，可以用来测量瞬态切削温度。

文献[33]对Ti6Al4V切削温度的影响因素进行了研究，切削温度的测量采用半人工热电偶法。实验将工件分成上下两部分，中间放薄膜热电偶实现温度测量。文献[34]基于薄膜半人工热电偶法，在PCBN刀具前刀面上制备NiCr/NiSi薄膜热传感器，进行切削温度测量。文献[35]为了提高精密车削的测温精度，开发了一种测量瞬态切削温度的方法。

基于薄膜热电偶，通过磁控溅射法在刀具的刀尖制备了SiO2绝缘薄膜和NiCr/NiSi薄膜温度传感器，将制成的热电偶用于温度测量，其测量示意图，如图4所示。

文献[36]对IC45/080A47钢板进行了铣削实验，铣削区域温度的在线测量采用薄膜热电偶法。将NiCr/NiSi薄膜温度传感器内置到刀具中，实现测温。文献[37]利用改进的扩散键合技术，在多晶硅立方氮化硼（PCBN）刀片中嵌入了10个微薄膜微型热电偶传感器，研究了切削参数对瞬态刀具切削区温度场的影响。文献[38]采用了无线嵌入式微薄膜温度传感器进行刀具温度测量。该研究开发了一种信号调节电路来提高嵌入式微薄膜传感器的信噪比。文献[39]为监测钛合金加工过程中刀具温度，将薄膜热电偶嵌入硬质合金刀具以实现测温。为了保护薄膜传感器不受流切屑的影响，提出了在商用碳化钨刀片的前刀面上制备微槽和在槽内安装薄膜传感器的工艺。试验表明，该传感器与合金基体绝缘可靠，具有良好的线性度和均匀性。

3.4 红外热成像技术

作为一种新兴的测温方法，红外测温法的优势在于不仅能够测量物体表面的温度变化以及整个表面的温度分布，还能在其他复杂工况下（如工件旋转等）进行测量。文献[40]研究了硬质合金刀片加工沉淀硬化不锈钢的切削温度，采用红外热成像法获得切削温度数据。文献[41]采用了红外测温仪测量切削温度，研究了重载荷铣削焊接铝薄壁空心结构的切削温度影响因素。文献[42]采用红外热像仪测量刀具-切屑界面的铣削温度，测量结果，如图5所示。

图5 红外热像仪测量结果（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）

文献[43]研究了多刃刀具在断续切削条件下旋转条件对切削温度的影响，采用热成像仪TESTO875-1进行测温，测量并分析了切屑、刀具和零件之间的热分布。文献[44]采用AMPROBE IR750红外温度仪，开展了镁基复合材料受硬质合金刀具切削时切削温度的研究。文献[45]采用红外热像仪（型号FLIRA325）研究了切削参数对切削温度的影响。文献[46]认为在工具旋转时，红外测温法具有较好的效果，采用红外热像仪研究了切削参数（v和f）对切削温度的影响。文献[47]采用红外温测温装置，研究了无涂层和带PVD制备的AlTiN涂层Al2O3/TiCN混合陶瓷刀具硬切削AISI 52100 钢（62HRC）的温度。文献[48]对影响发射率的因素进行了实验研究。结果表明，测温误差较小时测量角度在（5～10）°和（30～35）°范围里，实验结果，如图6所示。测量距离在（1.1～1.2）m范围内，测温结果比较稳定时，粗加工45 钢发射率取（0.45～0.48）范围内时测温较准确。

图6 角度对发射率影响Fig.6 Influence of Measurement Angle on Emissivity

文献[49]采用FLIR-T425 热像仪记录碳纤维增强塑料铣削过程中的温度，从温度入手对超声辅助铣削与常规铣削进行了比较。

3.5 CCD测温装置

CCD 增强相机测温的主要优势在于其响应速度，测量响应时间能达到微秒级。文献[50]使用红外CCD相机进行温度测量，研究了SANMA316L不锈钢和45钢加工时刀具几何尺寸和进给量对切削温度的影响，其实验装置，如图7所示。

图7 刀具温度CCD测量Fig.7 Tool Temperature Measurement by CCD

文献[51]利用曝光时间极短的增强型CCD相机和8μm干涉滤光片，在可见光谱范围内对正交切削42CrMo4 钢的温度进行测量，研究了切削速度和切屑厚度对切削温度分布的影响。文献[52]采用装有增强型CCD摄像机的弹道装置，对界面切削温度及其与弹坑磨损机理的关系进行了研究。文献[53]采用红外CCD装置在二维正交车削中测量了刃口温度分布，如图8所示。

图8 刀尖温度分布Fig.8 Tip Temperature Distribution

4 存在的问题和发展方向

4.1 存在的问题

从目前的研究来看，当前的切削温度测量还存在诸多问题，主要表现在：

（1）测量切削区温度场对于切削温度的研究有重要意义，然而一些测温方法不能很好地反映切削温度分布。自然热电偶法不能很好地测量单点的温度；人工热电偶法以及半人工热电偶法只能测量单点的变化，当测量点较多时，就会受到测量空间的限制；红外热成像技术与CCD技术都只能测量切削区的表面温度。

（2）随着切削温度研究的发展，研究者们对设备的测量响应要求越来越快。测温响应能力较好的方法有薄膜热电偶、新型热成像装置（四代热像仪）以及CCD法。但在这些方法会也受到一些因素的限制。具体表现在：半人工薄膜热电偶在高温条件下会因分解而失效，通常测量温度在（0～300）℃范围内；CCD法同样受到温度波动的限制，CCD法需要被测对象在500℃以上才能测量；同时，CCD法动态测温范围较小，一次性能够测量的温度波动大多在（100～200）℃，所以当切削温度波动较大时CCD法不能很好地发挥作用；红外热像仪响应能力比前两者差，目前红外热像以设备能达到的最高的测量频率在120Hz左右；另外，红外热像仪的分辨率有限，观测时放大图像容易失真，导致结果有误差。

（3）根据普朗克定律，发射率影响着大部分非接触式测温装置的准确性。研究证明，不同材料的表面形貌等因素会在很大程度上影响工件以及刀具的发射率。所以精准确定工件和刀具的发射率难度较大。目前大部分非接触式测温设备对发射率采用固定值设定方式，无法实现动态设定，导致切削温度测量产生较大误差。

4.2 发展方向

针对上述的问题，将来可以在如下方向开展进一步的深入研究：

（1）相对于非接触式测温，热电偶法能直接测量到切削区温度，抗干扰能力较强。在这一基础上，提高其精度及响应能力应该是热电偶法的发展趋势。

（2）非接触式测温法在空间上得到了很大程度的解放，并且在反映温度场分布以及响应能力上也有较大的优势。在红外热成像技术的发展方面，研究发现固定发射率的设定对其测温结果具有较大的影响。根据材料的发射率曲线由固定发射率值改进为动态值，实时修正热辐射率，减少测量之前的准备工作，提高热像仪的测量准确性；提高数据采集系统的灵敏度以及成像设备的分辨率也能够提高红外热成像法的测温功能。

（3）应结合实际工况和测温需求，合理安排测温方法。在测量空间足够的情况下，结合多种测温方法能够获得更加全面而准确的温度数据，这有利于同推动测温研究的发展。

（4）结合有限元模拟和红外测温法全场分析切削区温度也是一个可行的研究方向。利用红外热像仪测量工件表面的切削温度，之后将数据导入有限元模拟软件中进行模拟，得到全场切削温度。这种方法在理论上能够揭示切削热传递的内在机理。

5 总结

切削温度是切削加工机理研究的一项重要内容，国内外研究者们提出了许多切削测温的理论和方法，每种理论和方法都有自己的优势和不足：干扰因素较少的接触式测温法有时并不能达到足够快速地响应时间；远程测温法能够测量温度分布，测温也足够灵敏，但是又受到发射率等因素的限制。每种测温法都有各自的发展前景和应用空间。

目前，红外热成像技术在响应速度、反映切削热分布以及测温的准确性三个方面的表现较为突出，可以作为今后重点发展的一种测温手段，但在发射率确定和设置方面还需要进一步改进，以提高温度测量的可靠性。此外，结合有限元模拟和红外测温法进行切削温度分析也是一个可行的研究方向，有望获得切削区域的全场温度分布。