铣削加工过程中的内场温度在线监测方法技术

本发明专利技术公开了一种铣削加工过程中的内场温度在线监测方法，包括：步骤一：数据采集：利用红外热成像仪实时对刀具和工件进行拍摄，获得刀具外场温度热图；步骤二：数据处理：提取刀具外场表面点的温度；步骤三：传热解析：建立铣削的热传导正问题模型；步骤四：虚拟仿真：模拟铣刀在铣削中的传热过程，在刀具内场施加不同大小的热通量，求解刀具内部温度场，获得刀具内部各点在不同温度下的温升灵敏度系数；步骤五：传热反解：构建传热反问题模型，将传热反解问题视为最优化问题，求解各时刻下刀具内场的热通量大小；步骤六：求解内场温度：将刀具内部各点的温升灵敏度系数及内场的热通量大小代入热传导正问题模型中，求解刀具内场温度。求解刀具内场温度。求解刀具内场温度。

【技术实现步骤摘要】
铣削加工过程中的内场温度在线监测方法


[0001]本专利技术属于机械切削加工
，具体的为一种铣削加工过程中的内场温度在线监测方法。

技术介绍

[0002]机械加工过程中，由摩擦和塑性变形产生的大量热量形成了三个热源，分别是第一变形区(剪切滑移区)、第二变形区(刀屑接触区)和三级变形区(挤压摩擦回弹区)。如图1所示，刀具的温升主要是由于刀屑接触区产生的热量通过刀具和切屑间的接触热导进入刀具所致。大量进入刀具的热量集中在微小的刀屑界面区域，导致该区域出现极高的温度。现有研究表明，刀屑接触区产生的热量是造成刀具磨损的主要原因，由其所带来的极高的温度使刀具与工件的化学元素在固态下相互扩散，这种扩散磨损改变了材料原来的成分与结构，使刀具变得脆弱。并且，温度的升高还会使空气中的氧与刀具中的合金元素之间发生氧化作用加剧，产生较软的氧化物并在切削过程中脱落，这种氧化磨损进一步加剧了刀具的磨损程度。
[0003]铣削是一种间断加工操作，由于铣刀单个刀刃与工件并非持续接触，刀刃上的热载荷具有周期非连续的特点，因此其需要承受热冷却和热加载的疲劳循环。相较于车削，刀具在铣削过程中承受比车削更严重的热载荷，这不可避免地会加重刀具磨损，缩短刀具寿命，影响加工精度和生产效率。因此，通过在线监测刀屑接触区内的最高温度，可以避免由于刀屑接触区内温度过高造成刀具剧烈磨损，这对于防止刀具提前老化、减少加工成本具有重要意义。
[0004]根据国内外学者关于刀具内场温度的研究，目前的切削过程中刀具内场温度测量的方法主要分为两种类别，分别是直接测量法和间接测量法。
[0005]直接测量法指利用测试设备直接对刀具的内场温度进行测量，现目前主流的直接测量法有热电偶测温技术和红外成像仪测温技术。利用热电偶能够测量了刀屑接触区附近某处的温度，但是，由于(i)刀屑接触区内极高的温度梯度导致峰值温度附近1mm内的温度与峰值温度间存在上百摄氏度的差距；以及(ii)嵌入热电偶会导致刀具的力学、热学性能受到影响，加大刀具的磨损，降低刀具的使用寿命，干扰热流在刀具内的正常传导。因此，难以利用热电偶直接测量刀具内场的温度。由于切削过程中切屑会遮挡刀屑接触区，导致红外热成像仪无法拍摄到刀屑接触区处的最高温度。为了解决这一问题，目前有学者利用红外热成像仪测量机械加工时透明刀具钇铝石榴石材料的内部温度。透明材料刀具的相关研究虽然利用红外热成像仪直接测量了刀屑接触区的温度，但透明本身材料的物理性能及形状无法满足实际刀具的需求，无法在工程上进行实际应用。因此，难以利用红外热成像仪直接测量刀具内场的温度。
[0006]间接测量法利用测量加工过程中的易测变量，依据易测变量与待测变量间的数学关系，通过各种数学计算和估计的方法，从而实现对待测变量的测量。根据间接测量模型的不同，可以将间接测量分为解析模型法、人工智能法、传热反求法三种类别。
[0007]解析模型法通过建立切削力和切削热关系的解析模型，求解刀具内场温度。然而，由于刀屑接触区的热量分配同时受到刀具工件材料的热物理性能、切削工艺参数、切削液、刀具磨损状况、刀屑接触压力等因素的共同影响，并且在微小的刀屑接触区域内存在复杂的力学和热学行为的耦合，使得精确估计刀屑接触区的热量分配存在困难。现目前，热量分配往往基于许多简化假设计算得到，例如将刀屑接触视为完全紧密接触，从而忽略了接触热阻对热量分配带来的影响。因此在无法准确估计热分配系数的条件下，模型的精度难以得到保障。
[0008]人工智能法利用大量的数据来训练ANN人工神经网络模型，其具有预测精度高，响应速度快的特点。然而，实际工程中难以用直接测量法对刀屑接触区内的最大温度进行测量，仅能用有限元仿真所获得的数据代替实际真实数据对人工智能模型进行训练，由于有限元法与人工智能模型均存在误差，同时应用将导致求解精度出现级联衰退，难以对刀具内场温度进行准确预测。
[0009]传热反求法是通过求解热传导的反问题来获得刀具内场温度的方法。一般来说，利用测试设备能够直接测量的刀具某位置的温度，来估计流入刀具的热通量称为“热传导的反问题”。然而，现有的传热反求模型将切削温度的升高视为单一刀屑接触区内热通量持续作用的结果，而铣削温度的升高是多个铣刀刃上的刀屑接触区内的热通量周期性断续作用的结果，因此，现有的传热反求模型无法运用于铣削过程刀具的内场温度在线监测中。

技术实现思路

[0010]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种铣削加工过程中的内场温度在线监测方法，以达到实时对铣削过程中的刀具内场温度进行在线监测的目的。
[0011]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0012]一种铣削加工过程中的内场温度在线监测方法，包括如下步骤：
[0013]步骤一：数据采集：在铣削过程中，利用红外热成像仪实时对刀具和工件进行拍摄，获得用于提取外场温度的刀具外场温度热图；
[0014]步骤二：数据处理：提取刀具外场温度热图中的刀具外场表面点的温度；
[0015]步骤三：传热解析：建立铣削的热传导正问题模型；
[0016]步骤四：虚拟仿真：模拟铣刀在铣削中的传热过程，在刀具内场施加不同大小的热通量，求解刀具内部温度场，获得刀具内部各点在不同温度下的温升灵敏度系数；
[0017]步骤五：传热反解：构建传热反问题模型，将传热反解问题视为最优化问题，求解各时刻下刀具内场的热通量大小；
[0018]步骤六：求解内场温度：将刀具内部各点的温升灵敏度系数及内场的热通量大小代入热传导正问题模型中，求解刀具内场温度。
[0019]进一步，所述步骤三中，热传导正问题模型的构建方法为：
[0020]假设刀屑接触区内任意时刻的热通量均为已知，则通过杜哈梅尔积分计算对应的温度场为：
[0021][0022]其中，T(x,y,z,t)表示t时刻坐标为(x,y,z)的点的温度；T0(x,y,z,t)表示坐标为
(x,y,z)的点的初始温度；表示单位脉冲热通量从初始时刻起至t时刻在坐标为(x,y,z)的点处引起的温升；q(λ)表示λ时刻进入刀具内的热通量；
[0023]将时域离散为每个长度为Δt的区间，分别为：Δt、2Δt、3Δt
……
kΔt，k为时间步的数量，且(k
‑
1)Δt≤t
k
≤kΔt；则温度场的离散化形式为：
[0024][0025]其中，T(x
i
,y
i
,z
i
,k)表示第k时刻坐标为(x
i
,y
i
,z
i
)的点的温度；T0表示初始温度；q
n
表示第k时刻进入刀具的热通量；为温升灵敏度系数，且：
[0026][0027]其中表示第k
‑
n时刻的温升灵敏度系数；表示由单位脉冲热通量在第k
‑
n+1时刻引起的温升；表示由单位脉冲热通量在第k
‑
n时刻引起本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铣削加工过程中的内场温度在线监测方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一：数据采集：在铣削过程中，利用红外热成像仪实时对刀具和工件进行拍摄，获得用于提取外场温度的刀具外场温度热图；步骤二：数据处理：提取刀具外场温度热图中的刀具外场表面点的温度；步骤三：传热解析：建立铣削的热传导正问题模型；步骤四：虚拟仿真：模拟铣刀在铣削中的传热过程，在刀具内场施加不同大小的热通量，求解刀具内部温度场，获得刀具内部各点在不同温度下的温升灵敏度系数；步骤五：传热反解：构建传热反问题模型，将传热反解问题视为最优化问题，求解各时刻下刀具内场的热通量大小；步骤六：求解内场温度：将刀具内部各点的温升灵敏度系数及内场的热通量大小代入热传导正问题模型中，求解刀具内场温度。2.根据权利要求1所述铣削加工过程中的内场温度在线监测方法，其特征在于：所述步骤三中，热传导正问题模型的构建方法为：假设刀屑接触区内任意时刻的热通量均为已知，则通过杜哈梅尔积分计算对应的温度场为：其中，T(x,y,z,t)表示t时刻坐标为(x,y,z)的点的温度；T0(x,y,z,t)表示坐标为(x,y,z)的点的初始温度；表示单位脉冲热通量从初始时刻起至t时刻在坐标为(x,y,z)的点处引起的温升；q(λ)表示λ时刻进入刀具内的热通量；将时域离散为每个长度为Δt的区间，分别为：Δt、2Δt、3Δt
……
kΔt，k为时间步的数量，且(k
‑
1)Δt≤t
k
≤kΔt；则温度场的离散化形式为：其中，T(x
i
,y
i
,z
i
,k)表示第k时刻坐标为(x
i
,y
i
,z
i
)的点的温度；T0表示初始温度；q
n
表示第k时刻进入刀具的热通量；为温升灵敏度系数，且：其中，表示第k
‑
n时刻的温升灵敏度系数；表示由单位脉冲热通量在第k
‑
n+1时刻引起的温升；表示由单位脉冲热通量在第k
‑
n时刻引起的温升。3.根据权利要求2所述铣削加工过程中的内场温度在线监测方法，其特征在于：所述步骤四中，采用有限元仿真获取不同温度下的温升灵敏度系数的方法如下：1)前处理：建立铣刀三维模型，导入有限元仿真软件中，指定刀具材料，设定材料的热物理性能参数，并划分网格；2)确定刀屑接触区大小：刀屑接触区的长度由背吃刀量决定，刀屑接触区的宽度为：
其中，l
contact
表示刀屑接触区的宽度；t
...

【专利技术属性】
技术研发人员：何彦，李科，吴鹏程，李育峰，王时龙，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：