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热电偶法测量磨削区温度

  • 研究磨削区的温度分布,除了采用解析法外,采用实验方法能得到更加准确的结论,迄今为止,磨削温度的测量己出现了许多方法,新方法的不断产生,为磨削温度研究提供了有效的手段。是在所有实验测量方法中,最基本的方法是用热电偶直接测量法。
  • ①测温试件的结构
    利用热电偶原理测量磨削温度的试件有夹式及顶式两种。图3-65所示为夹式测温试件的几种结构,它们的共同点是在两试件本体间夹入热电偶丝材或箔材,热电偶丝(箔片)与本体间由绝缘材料相隔,开合连接方式均采用环氧树脂黏结。
    图3-65中结构(a)、(b)、(c)的对合面上双边或单边刻出半圆槽。结构(c)、(b)夹入漆包康铜丝或套有玻璃管的裸丝康铜丝。结构(c)一槽夹入套有玻璃管的镍铬丝,另一槽夹入食有玻璃竹的镍铝丝,保证热电偶丝与本体间可靠绝缘。所用康铜丝直径有0.07mm,0.11mm、0.15mm三种,镍铬丝直径为0.15mm。试件本体上所刻半圆槽的半径尺寸比漆包线的半径或玻璃管的半径大0.01-0.015mm,半圆槽的深度,双边刻槽对漆包线或玻璃管的外半径大0.015-0.02mm,单边刻槽时比它们的外半径大0.02mm,玻璃管内径尺寸比热电偶丝外径大0.01-0.03mm,玻璃管厚度为0.05mm。结构(d)夹入的是厚0.35mm、宽2-6mm的康铜箔片,绝缘采用厚度不大于0.02mm的云母片。试件在最后粘合时胶层厚度不大于0.01mm。
  • 夹式测温试件一经磨削,由于切削过程中的塑性变形及高的磨削温度的作用,试件本体与热电偶丝(箔片)在顶部互相搭接或焊在一起形成热电偶结点。制作夹式测温试件时,应严格控制试件本体和热电偶丝间尽可能小的间隔,这是保证每次磨削中可靠地形成并保持热电偶结点和稳定输出磨削热电势的关键。
    夹式测温试件用于测量磨削表面温度。它可以连续磨削测量,故又称为可磨式测温试件。如果把它装得与磨削件同样高度而一起磨削,就可以方便地测量出磨削温度随磨削过程(时间)的变化情况。
    由漆包层绝缘的夹式试件宜用于湿磨测温,玻璃管、云母片绝缘的宜用于湿磨或干磨测温。
    测温时的磨削方向,对于图3-65(a)、(b)所示的两种结构,沿试件长、宽方向均可磨削。沿长度方向磨削时,胶层对试件正常热传导作用的影响较小。对于图3-65(c)、(d)所示的两种结构,磨削方向只能沿长度方向,而此时试件的热传导情况与整体磨削件的热传导情况有较大不同。
    热电偶法测量金刚砂磨削区温度
  • 图3-66所示为一种顶式测温试件结构。试件本体上钻出一个或几个台阶孔(为了一个试件做几次测温用),孔径根据工艺可尽量小些,特别是顶部小孔。小孔的长度则应尽量长些。各个孔距顶面的距离逐个加大,如0.8mm、1.6mm、2.4mm、3.2mm等,其实际的距离应精确地测量出来,试件的高度h也应精确测出。热电偶丝端头打磨成尖形,井绕出一小段成螺旋弹簧状,套以适当粗细的绝缘套管,装入台阶中。端头顶到孔底,并使弹簧部分受到一定压缩,最后在孔口用室温固化硅橡胶粘封。
    热电偶丝端头与孔底接触之处就是半自然热电偶的结点。在磨削过程中,孔与顶面的距离在改变,因而每次磨削所输出的热电势反映磨削表面下不同深度处的温度。磨削后孔与顶面的距离可根据试件本体高度h的改变量来确定。从理论上讲,当孔底刚好磨穿时的热电势反映的温度则是磨削表面的温度。
    夹式和顶式两种测温试件有共同缺陷,它们都破坏了试件整体性,造成传热有异于实体件的传热情况,影响测得温度的真实性。此外,夹式试件所形成的热电偶结点总是有一定厚度,即绝缘层的破坏总是有一定深度,所以它反映的不是真正的表面温度。顶式试件,在顶丝将磨透时,顶部金属很薄、刚性差,也影响磨削温度的真实性。因此要提高测温精度,还应在改进试件结构上下点工夫。对于夹式试件,探求和应用更合适的致密、强韧、耐高温的绝缘材料,使金刚砂磨削中绝缘层的破坏深度极小而稳定,或许是提高测温精度的途径。
    外圆磨削金刚砂是用的测温装置
  • ②热电偶测温法:图3-67所示为利用热电偶法测量外圆磨削接触区温度的一种装置。该装置的心轴3安装在磨床顶尖上。心轴上套有两个同一材料制成的圆环试件1与2,其间夹入被绝缘的热电偶10(可以是人工热电偶或是半人工热电偶),圆环形试件固紧在心轴3上,圆环试件2是可装卸的,它被螺母4夹紧,热电偶通过集流盘6(它和套筒5、隔套7均相互绝缘),接通显示记录装置。
    平面磨削用的测温装置

    平面磨削时可采用的测温装置种类很多,图3-68所示为其中一种装置。热电偶由钢-康铜丝(0.05mm)组成。嵌在槽中的热电偶,其热接端焊牢于被测部位,连接焊点的热电偶丝的全长沿等温线压在试样中。磨削时试件表面每次被磨去0.06mm,一层层磨下去,热接端的位置就从离表面较远的点逐渐向表面接近,分别测得的温度即为离表面不同深度处的温度。
  • ③热电偶的标定:可在高温硅碳棒管状电炉中进行,标定装置原理如图3-69所示。待标定的热电偶10由工件材料和康铜丝3组成。康铜丝夹持在两块材料相同的钢板4中间,用两片薄的云母片2作为绝缘层,尾部用瓷管1隔开,头部1mm左右的长度上制有凸台,使康铜丝与钢板紧密接触,在标定时形成热结点。为了保证标定精度,将补偿导线7、8浸在水槽里,以降低和保持冷端温度。待标定的热电偶10与标准热电偶12的端部应尽量接近,两者同置于管式炉11中。所需标定的温度由温度自动控制器13(与标准热电偶匹配)加以控制,由于待标定热电偶的热容量比标准热电偶大,故在标定温度时需保温15min,使待标定热电偶的温度与标准热电偶温度一致。
    这种标定方法是传统管式炉法,虽可标定出相对稳定的结果,但仍属静态标定法的范围。虽然有些文献介绍过一些快速标定方法,但往往保证不了必要的标定精度,有的误差甚至超过30%以上。也有利用铂电热丝进行快速标定,但最终仍需长达10h的缓慢冷却过程,基本上属于静态标定。国外也设法在减少热惯性的差异上进行试验,在不太高的升温速度下保证了一些标定精度,但由于热惯性的原因仍无法保证降温曲线的重合一致性。国内在高精度快速标定方面进行了一些研究,采用单接点快速标定方法进行标定,其原理如图3-70所示。
    将待标定试件C的头部做成厚度极薄的肋片,然后将直径为0.8mm的标准镍铬(A)-镍铝(B)热电偶丝的端部磨尖,让两根热电极丝以一定的压力从肋片的两对面对准顶紧在薄膜肋片的同一位置上。由于薄膜肋片厚度极小(一般<0.5mm),磨尖的热电极丝又是对准顶紧的,故可认为三种材料是理想地交汇在一点上,该点为两个热电偶的公共热接点T,即热电极A、B构成标准热电偶AB,同时热电极A又与试件C构成待标定的热电偶AC。因两对热电偶都从同一点T引出,无论点T温度变化快慢,它们反正都感受同一温度,有效消除了因感受温度不同所造成的标定误差。
    总之,利用热电偶测量工件的金刚砂磨料磨削温度,简单方便,造价低廉,无论是采用顶式和夹式测温,只要其精度要求不是足够高,均是可行的一种方法。当然对于一些要求非接触式温度测量的场合,就需要采用其他方法进行。
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