專利名稱：高速外圓磨削弧區(qū)多點(diǎn)溫度同時測試的傳感器及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高速磨削生產(chǎn)過程在線測試領(lǐng)域，特別是涉及一種高速與超高速外圓 磨削過程中磨削弧區(qū)相關(guān)點(diǎn)溫度同時測試的傳感器及其裝置。
背景技術(shù)：
回顧近30年的高速磨削技術(shù)發(fā)展歷程，傳統(tǒng)磨削技術(shù)已經(jīng)從精密光整加工方法 發(fā)展成為一種精密且可高效的加工方法。國外著名專用磨床的砂輪線速度已達(dá)到120m/s， 而我國生產(chǎn)的軸承磨床砂輪線速度都不超過60m/s，大多數(shù)磨床的線速度甚至不超過40m/ s，實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的磨削表面燒傷、工件內(nèi)部殘余應(yīng)力導(dǎo)致裂紋等加工質(zhì)量缺陷問 題，磨削效率低下等制約生產(chǎn)力問題始終制約了我國高速磨削技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用和高性能 產(chǎn)品的制造能力，與國外現(xiàn)有先進(jìn)制造技術(shù)與裝備具有較大差距。理論上，通過提高砂輪速度(Vs)，但不改變磨削深度(ap)，可以使實(shí)際切屑厚度 (ae)減小，因此可以使單顆磨粒承受的磨削力相應(yīng)減小、而砂輪耐用度可以提高。但是，提 高砂輪速度(Vs)后，磨削熱也會相應(yīng)降低嗎？如何把握高速與超高速磨削熱的演變規(guī)律？ 如何揭示磨削熱與磨削力的耦合效應(yīng)？如何掌握高速與超高速磨削特性及其對不同磨削 材料的影響規(guī)律？如何控制磨削質(zhì)量和提高磨銷效率已變得越來越迫切與重要了。目前國內(nèi)外平面磨削溫度測量主要包括夾式測溫試件和頂式測溫試件兩種結(jié)構(gòu)。 其中，兩種試件均使用圓形截面熱電偶絲。由于熱電偶絲直徑較粗，通常為125-250um。在 搭接成熱電偶節(jié)點(diǎn)時，存在滯后現(xiàn)象，甚至因圓形熱電偶絲往往產(chǎn)生錯位而無法搭接的現(xiàn) 象。因熱電偶法溫度測量是測定節(jié)點(diǎn)金屬體積內(nèi)的平均溫度，因此節(jié)點(diǎn)的大小直接影響測 溫的準(zhǔn)確性。由于磨削溫度在工件內(nèi)部存在很大梯度，因此頂式測溫試件往往只能測得磨 削表面以下一定深度的平均溫度，因此這兩種結(jié)構(gòu)均不適合高速和超高速磨削溫度測量的 情況。雖然采用紅外熱像儀等貴重儀器能夠?qū)Ω咚俸统咚倌ハ鳒囟冗M(jìn)行測量，但是實(shí)際 測試結(jié)果與實(shí)際情況差距甚大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種高速外圓磨削弧區(qū)多點(diǎn)溫度同時測試的 傳感器及其裝置，從根本上解決高速與超高速磨削弧區(qū)溫度測試難題，尤其是外圓磨削溫 度測試的技術(shù)難題，為控制磨削質(zhì)量和提高磨削效率提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是提供一種高速外圓磨削弧區(qū)多點(diǎn)溫 度同時測試的傳感器，包括外殼和熱電偶，所述的外殼由左半圓柱體和右半圓柱體組成，內(nèi) 部鑲嵌有N個所述的熱電偶，其中，1。所述的左半圓柱體平面上等間距地刻有N條卡槽；所述的卡槽與左半圓柱體的中 心軸線相互平行并且平分在中心軸向的兩側(cè)；所述的卡槽的寬度由所述的熱電偶的厚度決 定；所述的右半圓柱體與所述的左半圓柱體有相同的結(jié)構(gòu)；所述的每條卡槽內(nèi)放置有一個 所述的熱電偶；所述的左半圓柱體和右半圓柱體焊接在一起組成圓柱體外殼；所述的圓柱體外殼外部加工成外螺紋。所述的熱電偶由兩個熱電偶絲和三個絕緣云母片組成；在所述的三個并排的絕緣 云母片與兩個熱電偶絲間隔排列，每兩個絕緣云母片之間放置有一個所述的熱電偶絲；所 述的熱電偶絲前端為扁平頭部；所述的絕緣云母片的尺寸與所述的熱電偶絲相配。所述的熱電偶的個數(shù)vVdnKy^ + l)，其中，1為磨削弧長、h為熱電偶的厚度、d
h+d
為卡槽的間距；所述的傳感器外徑D = int(NX (h+d)+2)，其中，h為熱電偶的厚度、d為卡 槽的間距、N為熱電偶個數(shù)。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是提供一種高速外圓磨削弧區(qū)多點(diǎn) 溫度同時測試的裝置，包括依次連接的集流環(huán)、數(shù)據(jù)處理采集設(shè)備、信號處理軟件和數(shù)顯裝 置，所述的傳感裝置還包括S個傳感器，其中，S ^ 1 ；所述的S個用于高速外圓磨削弧區(qū)多 點(diǎn)溫度同時測試的傳感器擰入測試工件中，沿所述的測試工件磨削寬度方向排列，以形成 沿磨削寬度方向連續(xù)的磨削弧區(qū)測試表面，用于在高速外圓磨削過程中采集磨削弧區(qū)相關(guān) 點(diǎn)溫度；所述的傳感器引出的導(dǎo)線與所述的集流環(huán)外環(huán)引出線相連；所述的傳感器的直徑 大于磨削弧區(qū)長度；所述的傳感器與測試工件采用相同的材料制成。 所述的傳感器的個數(shù)S根據(jù)測試工件磨削寬度B、傳感器直徑D和傳感器間距A進(jìn)
行確定，即 J=int(^^-1)。 D+A所述的磨削弧區(qū)相關(guān)點(diǎn)包括沿測試工件磨削弧長上的N個溫度測試點(diǎn)和測試工 件磨削寬度方向的S個溫度測試點(diǎn)。有益效果由于采用了上述的技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)和積極效 果通過將傳感器安裝在磨削弧區(qū)工件表面的相關(guān)點(diǎn)，包括沿工件磨削弧長(圓周方向)的 溫度測試點(diǎn)和工件磨削寬度方向的溫度測試點(diǎn)，可以準(zhǔn)確地獲取磨削弧區(qū)不同位置的工件 表面瞬間溫度、關(guān)鍵位置點(diǎn)(如磨粒進(jìn)入點(diǎn)、離開點(diǎn)、最大磨削深度點(diǎn)等)的溫差、最高溫度 點(diǎn)位置，進(jìn)而掌握磨削弧區(qū)不同點(diǎn)溫度的相互耦合作用等。用于測試的傳感器將多個熱電 偶絲(片)與用于絕緣的云母片集為一體，并通過相位超前校正網(wǎng)絡(luò)，可以同時測試磨削弧 長上多個點(diǎn)的瞬間溫度及其變化，并使系統(tǒng)響應(yīng)達(dá)到ms級，從根本上解決高速與超高速外 圓磨削弧長多點(diǎn)溫度同時測試的技術(shù)瓶頸。本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方式不但簡單方便，而且具有很 好的適應(yīng)性和柔性，從根本上解決了高速與超高速磨削弧區(qū)溫度測試難題，尤其是外圓磨 削溫度測試的技術(shù)難題，可以有效地為控制磨削質(zhì)量和提高磨削效率提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué) 依據(jù)，填補(bǔ)了該領(lǐng)域的空白。


圖1是本發(fā)明中傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明中傳感器內(nèi)熱電偶組成示意圖；圖3是本發(fā)明中熱電偶絲示意圖；圖4是本發(fā)明中測試裝置結(jié)構(gòu)框圖；圖5是本發(fā)明中傳感器安裝在工件上的示意圖；圖6是本發(fā)明中工件圓弧面ADC示意圖7是圖6的展開圖；圖8是本發(fā)明測試裝置測試原理圖；圖9是本發(fā)明實(shí)施例1的磨削幾何接觸弧長示意圖；圖10是本發(fā)明實(shí)施例2的磨削幾何接觸弧長示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人 員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定 的范圍。本發(fā)明涉及一種高速外圓磨削弧區(qū)多點(diǎn)溫度同時測試的傳感器，如圖1所示，包 括外殼和熱電偶4，所述的外殼由左半圓柱體2和右半圓柱體3組成，內(nèi)部鑲嵌有N個所述 的熱電偶4，其中，N > 1。所述的左半圓柱體2平面上等間距地刻有N條卡槽5;所述的卡 槽5與左半圓柱體2的中心軸線相互平行并且平分在中心軸向的兩側(cè)；所述的卡槽5的寬 度由所述的熱電偶4的厚度決定；所述的右半圓柱體3與所述的左半圓柱體2有相同的結(jié) 構(gòu)；所述的每條卡槽5內(nèi)放置有一個所述的熱電偶4 ；所述的左半圓柱體2和右半圓柱體3 焊接在一起組成圓柱體外殼；所述的圓柱體外殼外部加工成外螺紋。該傳感器的制造步驟 如下首先通過模具制作出左半圓柱體和右半圓柱體，然后將熱電偶安裝在左、右半圓柱體 內(nèi)部的卡槽中，同時將導(dǎo)線與熱電偶相連卡入導(dǎo)線槽中，再將左、右半圓柱體焊接好，最后
制作外表面的螺紋。所述的熱電偶的個數(shù)#=int(^^+l)，其中，1為磨削弧長、h為熱電偶
的厚度、d為卡槽的間距；所述的傳感器外徑D = int(NX (h+d)+2)，其中，h為熱電偶的厚 度、d為卡槽的間距、N為熱電偶個數(shù)。如圖2所示，所述的熱電偶4由兩個熱電偶絲6和三個絕緣云母片7組成；在所述 的三個并排的絕緣云母片7與熱電偶絲6間隔排列，每兩個絕緣云母片7之間放置有一個 所述的熱電偶絲6 ；所述的熱電偶絲6前端為扁平頭部；所述的絕緣云母片7的尺寸與所述 的熱電偶絲6相配。整個熱電偶4的厚度h為兩個熱電偶絲6扁平頭部的厚度Ii1和三個 絕緣云母片7的厚度h2的總和，即h = 2h1+3h20其中，一個熱電偶絲作為正極，另一個熱電 偶絲作為負(fù)極，正極熱電偶絲和負(fù)極熱電偶絲之間通過絕緣云母片7進(jìn)行隔離，保證熱電 偶兩極不會接觸從而導(dǎo)致短路，同時通過絕緣云母片7將熱電偶兩極與工件隔離。絕緣云 母片7厚度僅為25 μ m，材質(zhì)為矽云母片，由于矽云母片具有良好的彎曲性能，導(dǎo)熱性能和 絕緣性能使得測量的數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確。圖3展示了熱電偶絲6的結(jié)構(gòu)，所述的熱電偶絲6前 端通過軋機(jī)壓扁成為扁平頭部，所述的扁平頭部的大小與所述的絕緣云母片7相同，其寬 度約為1mm，長度大約為5-7mm，厚度為5-10μπι。較寬的頭部有利于防止熱電偶兩極在磨削 過程中錯位，而使搭接失敗，同時極薄的厚度又有利于溫度傳導(dǎo)和熱電偶兩極的搭接。本發(fā)明還涉及一種高速外圓磨削弧區(qū)多點(diǎn)溫度同時測試的裝置，如圖4所示，包 括依次連接的集流環(huán)8、數(shù)據(jù)處理采集設(shè)備、信號處理軟件和數(shù)顯裝置，所述的裝置還包括 S個用于高速外圓磨削弧區(qū)多點(diǎn)溫度同時測試的傳感器，其中，S > 1 ；所述的傳感器引出的 導(dǎo)線與所述的集流環(huán)外環(huán)引出線相連。所述的傳感器1的直徑大于磨削弧區(qū)長度；所述的傳感器1與測試工件9采用相同的材料制成，傳感器1經(jīng)過加工，使得其與測試工件9 一致 的弧度，如圖5所示，擰入測試工件9后，將與測試工件9形成沿磨削寬度方向連續(xù)的磨削 弧區(qū)測試表面。熱電偶測溫裝置最終圓周方向的排布間距總長等于磨削弧長。砂輪在某一 磨削瞬間，磨削弧區(qū)恰好與熱電偶分布區(qū)域相重合，如圖6和圖7所示，圖中P11, P12, P13為 沿測試工件磨削弧長(圓周方向)上的溫度測試點(diǎn)序列號；Pn、P21、P31、P41為測試工件磨削 寬度方向上的溫度測試點(diǎn)序列號。此時一部分磨粒剛好切入，另外一部分磨粒處于切深最 大處或切出位置。此時，傳感器1在高速外圓磨削過程中采集磨削弧區(qū)相關(guān)點(diǎn)溫度，可同時 測試NXS個相關(guān)點(diǎn)，包括沿測試工件磨削弧長上的N個溫度測試點(diǎn)(對應(yīng)N個熱電偶絲) 和測試工件磨削寬度方向的S個溫度測試點(diǎn)(對應(yīng)S個傳感器)，通過集流環(huán)8將溫度信號 傳輸給數(shù)據(jù)處理采集設(shè)備，數(shù)據(jù)處理采集設(shè)備接收到溫度信號后通過信號處理軟件對溫度 信號進(jìn)行相位超前同步校正，可以同時測試磨削弧長上多個點(diǎn)的瞬間溫度及其變化，將各 槽內(nèi)熱電偶4在各個具體時刻內(nèi)的溫度數(shù)值在數(shù)顯裝置上顯示，從而分析磨削弧區(qū)不同位 置處的磨削溫度。該測溫裝置可以根據(jù)不同的被磨件而重復(fù)使用。下面通過兩個具體的實(shí)施例來進(jìn)一步說明本發(fā)明。實(shí)施例1對超高速外圓磨床(MMK1320)進(jìn)行高速與超高速磨削試驗，考察高性能產(chǎn)品高速 外圓磨削工藝條件的合理性。考察的高速外圓磨削工藝條件是砂輪直徑ds = 400mm、寬度為20mm ；試件直徑dw =80mm、寬度為15_ ；砂輪線速度Vs = 120m/s、Vw = 1. 25m/s、切深t。= 20 μ m、磨粒高度 hc = 80 μ m0由圖8可知
權(quán)利要求
1.一種高速外圓磨削弧區(qū)多點(diǎn)溫度同時測試的傳感器，包括外殼和熱電偶(4)，其特 征在于，所述的外殼由左半圓柱體⑵和右半圓柱體⑶組成，內(nèi)部鑲嵌有N個所述的熱電 偶(4)，其中，N彡1。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的所述的高速外圓磨削弧區(qū)多點(diǎn)溫度同時測試的傳感器，其特 征在于，所述的左半圓柱體⑵平面上等間距地刻有N條卡槽(5)；所述的卡槽(5)與左半 圓柱體(2)的中心軸線相互平行并且平分在中心軸向的兩側(cè)；所述的卡槽(5)的寬度由所 述的熱電偶(4)的厚度決定；所述的右半圓柱體(3)與所述的左半圓柱體(2)有相同的結(jié) 構(gòu)；所述的每條卡槽(5)內(nèi)放置有一個所述的熱電偶(4)；所述的左半圓柱體(2)和右半圓 柱體(3)焊接在一起組成圓柱體外殼；所述的圓柱體外殼外部加工成外螺紋。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速外圓磨削弧區(qū)多點(diǎn)溫度同時測試的傳感器，其特征在 于，所述的熱電偶⑷由兩個熱電偶絲(6)和三個絕緣云母片(7)組成；在所述的三個并排 的絕緣云母片(7)與兩個熱電偶絲(6)間隔排列，即每兩個絕緣云母片(7)之間放置有一 個所述的熱電偶絲(6)；所述的熱電偶絲(6)前端為扁平頭部；所述的絕緣云母片(7)的尺 寸與所述的熱電偶絲(6)相配。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速外圓磨削弧區(qū)多點(diǎn)溫度同時測試的傳感器，其特征在于，所述的熱電偶⑷的個數(shù)#=11^^+1)，其中，1為磨削弧長、h為熱電偶(4)的厚度、h+dd為卡槽(5)的間距；所述的傳感器外徑D = int(NX (h+d)+2)，其中，h為熱電偶(4)的厚 度、d為卡槽(5)的間距、N為熱電偶(4)個數(shù)。
5.一種高速外圓磨削弧區(qū)多點(diǎn)溫度同時測試的傳感裝置，包括依次連接的集流環(huán)、數(shù) 據(jù)處理采集設(shè)備、信號處理軟件和數(shù)顯裝置，其特征在于，所述的傳感裝置還包括S個如權(quán) 利要求1所述的傳感器(1)，其中，1 ；所述的S個傳感器(1)擰入測試工件(9)中，沿所 述的測試工件(9)磨削寬度方向排列，以形成沿磨削寬度方向連續(xù)的磨削弧區(qū)測試表面， 用于在高速外圓磨削過程中采集磨削弧區(qū)相關(guān)點(diǎn)溫度；所述的傳感器(1)引出的導(dǎo)線與所 述的集流環(huán)(8)外環(huán)引出線相連；所述的傳感器(1)的直徑大于磨削弧區(qū)長度；所述的傳 感器(1)與測試工件(9)采用相同的材料制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高速外圓磨削弧區(qū)多點(diǎn)溫度同時測試的裝置，其特征在于， 所述的傳感器(1)的個數(shù)S根據(jù)測試工件(9)磨削寬度B、傳感器(1)直徑D和傳感器(1)間距A進(jìn)行確定，即S=int((B/(D+A))-1)
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高速外圓磨削弧區(qū)多點(diǎn)溫度同時測試的裝置，其特征在于， 所述的磨削弧區(qū)相關(guān)點(diǎn)包括沿測試工件(9)磨削弧長上的N個溫度測試點(diǎn)和測試工件(9) 磨削寬度方向的S個溫度測試點(diǎn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高速外圓磨削弧區(qū)多點(diǎn)溫度同時測試的傳感器及其裝置。傳感器由內(nèi)側(cè)開有若干條卡槽的左半圓柱和右半圓柱焊接而成，每條卡槽內(nèi)安裝有一個熱電偶。將若干個該傳感器擰入測試工件中，沿測試工件磨削寬度方向排列，并與測試工件形成連續(xù)的磨削弧區(qū)表面。傳感器的輸出端依次與集流環(huán)、數(shù)據(jù)處理采集設(shè)備、信號處理軟件和數(shù)顯裝置相連組成測試裝置。在高速外圓磨削過程中傳感器對磨削弧區(qū)相關(guān)點(diǎn)溫度進(jìn)行采集，并將數(shù)據(jù)輸出到信號處理軟件進(jìn)行后續(xù)處理，同時測試磨削弧長上多個點(diǎn)的瞬間溫度及其變化，從而解決高速與超高速磨削弧區(qū)溫度測試難題。
文檔編號B24B49/14GK102001041SQ20101050991
公開日2011年4月6日 申請日期2010年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月18日
發(fā)明者倪嘉銘, 周嘵琴, 周振新, 龐靜珠, 李蓓智, 楊建國, 黃海濤 申請人:上海機(jī)床廠有限公司, 東華大學(xué)