切削温度测量系统设计.docx
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切削温度测量系统设计.docx
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切削温度测量系统设计
毕业设计
论文题目切削温度测量系统设计
学院:
物理科学与工程技术学院
专业:
机械设计制造及自动化
年级:
07级
姓名:
程鹏飞
指导教师:
陈敏
职称:
教授
(2011年6月)
宜春学院教务处制
1.毕业设计任务书
2.毕业设计开题报告
3.毕业设计答辩资格审查表
4.设计原创性申明
5.论文版权使用授权书
6.毕业设计正文
7.外文资料原文
8.外文资料译文
宜春学院
毕业设计任务书
题目:
切削温度测量系统设计
学院:
理工学院系:
机电工程系
专业:
机械设计制造及其自动化
班级:
07机制
(1)班
学号:
0734304107
姓名:
程鹏飞
起止日期:
2010年12月20日到2011年5月
指导教师:
陈敏职称:
教授
系主任:
雷鸣
审核日期:
2011年6月1日
说明
1.毕业设计任务书由指导教师填写,并经教研室审定,下达到学生。
2.进度表分前、中、后三期由学生填写,每期填写后交指导教师签署审查意见,并作为毕业设计工作检查的主要依据。
3.学生根据指导教师下达的任务书独立完成开题报告,3周内提交给指导教师批阅。
4.本任务书在毕业设计完成后,与论文一起交指导教师,作为设计评阅和毕业设计答辩的主要档案资料,是学士学位设计成册的主要内容之一。
一、毕业设计的要求和内容
要求:
1.了解现代先进切削温度测量方法的发展趋势,利用所学知识,对切削温度测量系统做出设计。
2.利用网络资源收集现代切削温度测量方法的相关资料。
3.利用文献和相关书目充分对比各类温度测试方法的优劣。
内容:
1、测温系统原理图
2、系统设计,(传感器、虚拟仪器、传感方感)
3、虚拟仪器源程序、传感器原理图一张
4、编写设计说明书一份。
二、研究方案、目标
研究方案:
1.查阅资料,了解国内外的切削温度测量技术及其在车床方面的运用。
2.综合运用工程材料、机械设计、机械设计与制造技术、单片机理论、传感器知识、虚拟仪器知识,对切削温度测量系统设计做出相应的方案。
目标:
本设计为机电一体化机械综合设计,运用了多门课程的知识,如传感器的知识、机械设计知识、以及机械制造技术内容,在撰写中还要了解机械工程热点内容,传感器技术发展的前沿技术,设计出一种前沿的切削温度测量系统。
三、阅读书目清单
1、成大先,机械设计手册[M]北京:
机械工业出版社,2003.
2、单辉祖主编,材料力学教程[M]高等教育出版社,2004.
3、徐科学主编,传感器与测试技术[M]电子工业出版社,2009.
4、吴宗泽,机械零件设计手册[M]北京:
机械工业出版社,2002.
5、刘元扬,自动检测和过程控制[M]北京:
冶金工业出版社,2005.
6、刘迎春,传感器原理设计与应用[M]长沙:
国防科技大学出版社,1998.
7、王知行,邓宗全,机械原理[M]哈尔滨工业大学出版社,2008.
8、秦曾熀主编,电工学[M]高等教育出版社,2003.
9、杜维,过程检测技术及仪表[M]北京:
化学工业出版社,2001.
10、彭军,传感器与检测技术[M]西安:
西安电子科技大学出版社,2003.
11、徐科学,传感器动态特性的应用研究方法[M]合肥:
中国科技大学出版社,1999.
12、于俊一,邹青主编,机械制造技术基础[M]机械工业出版社,2004.
四、毕业设计进度计划
序号
各阶段工作内容
起止日期
备注
1
开题报告
2011.01.16-2011.01.22
前期
2
学习相关知识,查阅资料,翻译外文资料1份
2011.01.23-2011.02.26
中期
3
撰写设计初稿
2011.02.27-2011.05.20
后期
4
初稿送指导老师审阅,并修改定稿
2011.05.21-2011.05.30
5
准备答辩
2011.06.01-2011.06.05
6
答辩
2011.06.06-2011.06.10
交纸质设计3份,电子稿光盘1份
五、主要参考资料
1.刘力强《佳木斯大学学报:
自然科学版》[J]2010年第3期;
2.张幼贞.金属切削理论[M].北京:
航空工业出版社,1988;
3.StenvensonM.G,WrightP.K,ChowJ.G.JourmalofEngeeringforIndustry[J].105(1983):
1029;
4.刘献礼陈波切削温度测量的等效热电偶法[J]计量学报;
5.仇启源庞思勤现代金属切削技术[M]北京:
机械工业出版社,1992;
6.张锦霞热电偶使用维修与检定技术问答[M].中国计量出版社,2000.153-159。
7.刘献礼,袁哲俊,陈波,孟安,陈立国,严复钢,李振加.切削温度测量的等效热电偶法[J].计量学报,1999,(03)
8.段春争,李园园,李国和,甄颖.高速切削温度场测量技术研究现状[J].机械设计与制造,2008,(04).
9.陈章燕,贺士起.刀具临床硬化新理论及其应用[J].机械制造,1993,(03)
10.刘献礼,陈波,孟安,杨春,严复钢,李振加.具有温度补偿的自然热电偶法测量切削温度的原理及计算方法[J].工具技术,1998,(10).
六、毕业设计进度表(本表由学生填写,每期分别交指导教师签署审查意见)
前期
(11月15日
1至
月4日)
学生主要工作:
查找相关资料,完成开题报告,将其电子稿提交给指导老师审阅。
指导教师审查意见:
年月日
中期
(1月5日
至
5月20日)
学生主要工作:
深入企业,收集资料,阅读指定参考书,对现场应用情况和文献资料进行整理研究,完成论文初稿,将其电子稿提交给指导老师审阅。
指导教师审查意见:
年月日
后期
(5月21日
至
6月5日)
学生主要工作:
修改完善设计说明书,提交装订成册的符合学校要求的毕业设计、答辩PPT及相关材料。
指导教师审查意见:
年月日
七、其他
1.开题报告1份
2.外文资料译文1份(1000字以上,并附资料原文)
3.设计说明书1份(理科4000字以上,文科6000字以上)
指导教师:
教研室负责人:
学生开始执行
任务书日期:
学生姓名:
送交毕业论文日期:
宜春学院
毕业设计开题报告
题目:
切削温度测量系统设计
学院:
理工学院教研室机电系
专业:
机械设计制造及其自动化
班级:
07机制
(1)班
学号:
0734304107
姓名:
程鹏飞
指导教师:
陈敏
填表日期:
2010年12月07日
一、选题的依据及意义
在机械制造业中,虽然已发展出各种不同的零件成型工艺,但目前仍有90%以上的机械零件是通过切削加工制成。
在切削过程中,机床作功转换为等量的切削热,这些切削热除少量逸散到周围介质中以外,其余均传入刀具、切屑和工件中,刀具、工件和机床温升将加速刀具磨损,引起工件热变形,严重时甚至引起机床热变形。
因此,在进行切削理论研究、刀具切削性能试验及被加工材料加工性能试验等研究时,对切削温度的测量非常重要。
既然切削温度的测量如此重要,那么我们能否设计出一个系统或者工具来测量切削温度呢?
来减少刀具磨损以及工件热变形呢?
测量切削温度时,既可测定切削区域的平均温度,也可测量出切屑、刀具和工件中的温度分布。
因此,我们应该设计出一个功能全面且精确的切削温度测量系统。
二、国内外研究现状及发展趋势(含文献综述)
目前国内外就切削温度测量上,对测量切削温度使用了诸多方法,并且都取得了一定
成功。
将诸多方法归结,可分为四大类方法:
1.热电偶法;2.光、热辐射法;3.金相结构法;4.其它方法。
1.热电偶法
根据不同的测量原理和用途,热电偶法又可细分为以下几种:
(1)自然热电偶法
自然热电偶法主要用于测定切削区域的平均温度。
采用自然热电偶法的测温装置是利用刀具和工件分别作为自然热电偶的两极,组成闭合电路测量切削温度。
刀具引出端用导线接入毫伏计的一极,工件引出端的导线通过起电刷作用的铜顶尖接入毫伏计的另一极。
测温时,刀具与工件引出端应处于室温下,且刀具和工件应分别与机床绝缘。
切削加工时,刀具与工件接触区产生的高温(热端)与刀具、工件各自引出端的室温(冷端)形成温差电势,该电势值可用接入的毫伏计测出,切削温度越高,该电势值越大。
切削温度与热电势毫伏值之间的对应关系可通过切削温度标定得到。
根据切削实验中测出的热电势毫伏值,可在标定曲线上查出对应的温度值。
采用自然热电偶法测量切削温度简便可靠,可方便地研究切削条件(如切削速度、进给量等)对切削温度的影响。
值得注意的是,用自然热电偶法只能测出切削区的平均温度,无法测得切削区指定点的温度;同时,当刀具材料或(和)工件材料变换后,切削温度—毫伏值曲线也必须重新标定。
(2)人工热电偶法
人工热电偶法(也称热电偶插入法)可用于测量刀具、切屑和工件上指定点的温度,并可测得温度分布场和最高温度的位置。
人工热电偶法测温装置是在刀具或工件被测点处钻一个小孔(孔径越小越好,通常φ<0.5mm=,孔中插入一对标准热电偶并使其与孔壁之间保持绝缘。
切削时,热电偶接点感受出被测点温度,并通过串接在回路中的毫伏计测出电势值,然后参照热电偶标定曲线得出被测点的温度。
人工热电偶法的优点是:
对于特定的人工热电偶材料只需标定一次;热电偶材料可灵活选择,以改善热电偶的热电敏感性和动态响应速度,提高热电偶传感质量。
但由于将人工热电偶埋入超硬刀具材料(如陶瓷、PCBN、PCD等)内比较困难,因此限制了该方法的推广应用。
(3)半人工热电偶法
将自然热电偶法和人工热电偶法结合起来即组成了半人工热电偶法。
半人工热电偶是将一根热电敏感材料金属丝(如康铜)焊在待测温点上作为一极、以工件材料或刀具材料作为另一极而构成的热电偶。
采用该方法测量切削温度的工作原理与自然热电偶法和人工热电偶法相同。
由于半人工热电偶法测温时采用单根导线连接,不必考虑绝缘问题,因此得到了较广泛的应用。
(4)等效热电偶法
采用自然热电偶法测量切削温度时,由于温升的影响,导线引出点的温度已不是标定时的室温,因此需要进行冷端温度补偿。
但冷端温度补偿在原理和具体实现方法上均存在一定问题,如测量PCBN刀具的切削温度时,由于作为热电偶一端的PCBN复合片尺寸小、导热系数大,导线引出点的温升较大,影响测量精度,需要予以消除,但采用接长刀片消除法在PCBN刀具上不易实现,若采用附加电势消除法则因刀片引出点有温升,所测电动势也难以反映真正的切削温度。
此时,可采用等效热电偶法测量PCBN焊接车刀外圆车削的切削温度,其工作原理是由刀片与工件组成自然热电偶的两极,热端为刀—屑接触部分A(其平均温度即为需要测量的切削温度θ);冷端分别为工件与刀具的引出端。
工件引出点C处的温度为室温θ0,刀具引出点B由于距离刀尖较近而有温升,由于B点温度是测量计算切削温度所必须的,因此需同时测量B点温度θ′。
测量时,采用一标准热电偶(NiCr-NiSi)测量B点温度θ′(其中NiCr端也是主测量回路C-AB的引出端)。
测量得到两个热电动势:
E1为工件—刀具—导线(NiCr)所构成的主测量回路产生的热电动势;E2为标准热电偶(NiCr-NiSi)产生的热电动势。
通过标定装置获得各材料间的热电特性曲线,求出其斜率,再由测得的E1、E2计算出切削温度θ为:
θ=E1/bWT+(bbw+bWT)E2/bbbWT+θ0
式中:
bWT为工件—刀具的热电特性曲线斜率;bbw为导线—工件的热电特性曲线斜率;bb为刀具引出点测量热电偶热电特性曲线斜率。
2.金相结构法
(1)金相结构法
金相结构法是基于金属材料在高温下会发生相应的金相结构变化这一原理进行测温的。
该方法通过观察刀具或工件切削前后金相组织的变化来判定切削温度的变化,主要适用于高速钢刀具,因为当温度超过600℃时,高速钢的红硬性下降,组织结构发生一系列变化,可通过经抛光、腐蚀后的金相磨片来检查其金相组织变化。
但这种方法的应用范围局限于金属材料制成的刀具,并且只有在高温下才能观察到材料明显的组织结构变化;此外,观测和分析的工作量也较大。
(2)扫描电镜法
扫描电镜法测量切削温度是用扫描电镜观测刀具预定剖面显微组织的变化,并与标准试样对照,从而确定刀具切削过程中所达到的温度值。
应用扫描电镜法首先需要制取样件和对照样件,考虑到在不同温度和不同保温时间条件下材料的显微组织不同,对照样件需要多制取一些;得到对照样件的显微组织照片后即可确定被测刀具某一部位的切削温度。
扫描电镜法测定切削温度的分辨率和确定温度分布的准确性均很高。
但扫描电镜法也存在以下缺点:
①只能测量600℃以上的温度;②样件制作相当繁琐;③属事后破坏性测量,不便于在生产现场推广应用;④所确定的切削温度分布状态属于定量分析;⑤设备复杂,技术难度高,实际应用受到一定限制。
3.光、热辐射法
采用光、热辐射法测量切削温度的原理是刀具、切屑和工件材料受热时都会产生一定强度的光、热辐射,且辐射强度随温度升高而加大,因此可通过测量光、热辐射的能量间接测定切削温度。
(1)辐射高温计法
使用红外辐射高温计可测定刀具或工件表面的温度分布。
红外探测器将接收的红外线转换为电信号,经线性化处理后即可获得相应的温度值。
但采用红外辐射高温计只限于测量刀具或工件外表面的温度。
(2)红外照相法
采用红外照相法的车削温度测量装置安装于车床横溜板的机座板上,使刀具、照相机相对于工件排成一线;照相机配有专门的红外辐射聚焦调节装置;刀夹可使照相机镜头尽可能接近工件表面;为避免切屑溅射的影响,照相机镜头用有机玻璃罩子罩住,镜头与工件表面之间设计了挡屑板,透过板上的小孔可对刀具和工件表面摄影(采用高温红外胶卷)。
测量温度前,首先用热电偶进行定标校准,即热电偶由电加热并在不同温度下照相,所需曝光时间通过预试验确定,显影后的胶卷用显微光密度计读数,得到高温红外胶卷在不同曝光时间下光密度与温度的对应关系。
根据此对应关系,可以确定切削过程中工件或刀具的温度。
用红外照相法测定的切削温度可用于研究切削温度的分布情况。
(3)红外热像仪法
红外热像仪的基本工作原理是利用了斯蒂芬—波尔兹曼定律,即E=εσT4式中:
E为物体辐射单元单位面积的辐射能量(W/m2);ε为物体辐射单元表面辐射率(取决于物体表面性质);σ为斯蒂芬—波尔兹曼常数(σ=5.76×10-8W/m2·K4);T为物体辐射单元的表面温度(K)。
切削时,红外热像仪通过光机扫描机构探测工件(或刀具)表面辐射单元的辐射能量,并将每个辐射单元的辐射能量转换为电子视频信号,通过对信号进行处理,以可见图像的形式进行显示,显示的热像图代表被测表面的二维辐射能量场,若辐射单元的表面辐射率已知,则可通过斯蒂芬—波尔兹曼定律求出辐射单元表面的温度分布场及动态变化。
虽然红外热像仪所测温度为相对温度,滞后于实际切削温度,但根据传热反求算法可准确求得切削过程中工件(或刀具)的温度变化规律及动态分布。
红外热像仪测温法具有直观、简便、可远距离非接触监测等优点,在恶劣环境下测量物体表面温度时具有较大优越性。
此外,测量切削温度的光、热辐射方法还有红外干板法、红外聚光法、PbS光能电池法、高速切削双色高温计测量法等。
4.其它方法
除上述切削温度测量方法外,常见的测温方法还有显微硬度分析法、量热法、涂色法等。
(1)显微硬度分析法是将刀具、工件和切屑在不同温度下呈现不同硬度的基本原理进行逆向应用,根据材料受热后的显微硬度间接测知其切削温度。
(2)量热法是将受热后的刀具、切屑或工件浸入水中并测定水温的升高,根据水的温升计算刀具、切屑或工件的温度。
这种方法常用于测定金属切削过程中进入刀具、切屑或工件的热量百分比。
(3)另一方法是将刀具沿切屑流出方向对称剖开,在剖面上涂上可在一定温度下熔解的微细金属粉末,然后将刀具合拢固定进行切削,切削完后再将刀具分离开,通过观察微细粉末熔化区域来确定刀具内部切削温度的分布情况。
此外,还可用涂色法确定切削温度,但该方法测量精度较低。
综上所述,各种测量切削温度的方法各有其优缺点和不同的适用范围。
因此,在实际应用中应根据具体情况选用最适当的切削温度测试方法。
此外,为了在生产现场对切削温度进行更精确、更方便、更及时的测量,还需要对切削温度测量方法作进一步深入研究和改进完善。
由此可见在未来的日子里,针对切削温度测量的系统会随着测量方法的增多,而变得的更加完善。
相信对于切削温度测量系统的研究会更加深入,同时对切削温度测量系统的设计也会吸引诸多业、研究院的目光并在这方面投入相当的人力和物力。
切削温度测量系统的设计是很有前途的。
三、本课题研究内容
1.切削温度测量系统设计;
2.测量精度千分之一;
3.测量数据自动采集;
四、本课题研究方法
1.阅读大量文献,了解目前的结论和成果,取长补短,拥有一定的理论依据;
2.进行模拟实验,在实验中找到不足,加以改进;
3.选择一种最优良且操作简便的系统;
4.对现有的操作系统,数据传输系统进行改进;
五、研究目标、主要特色及工作进度
1.研究目标:
通过对切削区温度分布的研究以及现有测量切削温度方法的了解,来设计一个较好的切削温度测量系统。
2.主要特色:
尝试着设计一个切削温度测量的虚拟仪器。
3.工作进度:
目前在整理文献,资料。
从理论出发,在理论上达到一定突破后在进行模拟实验。
工作进度:
2010年12月至2011年1月3确定题目并作前期的资料查询;2011年1月3至2011年1月15做开题报告;2011年1月16至2011年3月15分析毕业设计任务书并查阅文献;2011年3月16至2011年5月15做设计内容并画出相关图纸;2011年5月16至2011年5月18上交指导老师并对论文第一次的修改;2011年5月18至2011年5月25上交指导老师并对论文第二次的修改;2011年5月26至2011年5月30制作演讲ppt;
六、参考文献
1.刘力强《佳木斯大学学报:
自然科学版》[J]2010年第3期;
2.张幼贞.金属切削理论[M].北京:
航空工业出版社,1988;
3.StenvensonM.G,WrightP.K,ChowJ.G.JourmalofEngeeringforIndustry[J].105(1983):
1029;
4.刘献礼陈波切削温度测量的等效热电偶法[J]计量学报;
5.仇启源庞思勤现代金属切削技术[M]北京:
机械工业出版社,1992;
6.张锦霞热电偶使用维修与检定技术问答[M].中国计量出版社,2000.153-159。
7.刘献礼,袁哲俊,陈波,孟安,陈立国,严复钢,李振加.切削温度测量的等效热电偶法[J].计量学报,1999,(03)
8.段春争,李园园,李国和,甄颖.高速切削温度场测量技术研究现状[J].机械设计与制造,2008,(04).
9.陈章燕,贺士起.刀具临床硬化新理论及其应用[J].机械制造,1993,(03)
10.刘献礼,陈波,孟安,杨春,严复钢,李振加.具有温度补偿的自然热电偶法测量切削温度的原理及计算方法[J].工具技术,1998,(10).
宜春学院11届毕业设计答辩资格审查表
题目
切削温度测量系统设计
学生姓名
程鹏飞
专业
机械设计制造及其自动化
班级
07机制
(1)班
学号
0734304107
检查内容
设计完成情况
开题报告
外文资料翻译
中、英文摘要
软硬件验收
设计期间考勤情况
累计旷课时间
学生自查说明
本人在设计写作期间,严格按照任务书进度开展设计写作工作并且及时将写作中遇到的问题反应到指导老师那里,寻求最佳解决方案,不断的改进设计方案;通过各种途径来丰富完善设计内容,提高设计的准确性。
最后严格按照任务书管理条例,对设计进行排版,不断审阅内容的准确性、格式无误的情况下完成毕业设计制作工作。
学生签名:
2011年6月1日
指导教师意见(说明是否进行答辩及评定成绩)
指导教师签名:
成绩年月日
宜春学院
设计原创性申明
本人郑重申明:
所呈交的设计是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了设计中特别加以标注引用的内容外,本设计不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果。
对本设计的研究作出重要贡献的个人和集体,均在设计中以明确方式表明。
本人完全意识到本申明的法律责任,其后果由本人承担。
作者签名:
日期:
设计版权使用授权书
本设计作者完全了解学校有关保留、使用设计的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交设计的复印件和电子版,允许设计被查阅和借阅。
本人授权宜春学院可以将本设计的全部或部分内容编入数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本设计。
作者签名:
日期:
导师签名:
日期:
宜春学院
毕业设计说明书
论文题目:
切削温度测量系统设计
学院:
物理科学与工程技术学院
专业:
机械设计制造及其自动化
年级:
07级
姓名:
程鹏飞
指导教师:
陈敏
职称:
教授
(2011年6月)
宜春学院教务处制
切削温度测量系统设计
宜春学院物理科学与工程技术学院机械设计制造及其自动化程鹏飞
指导老师:
陈敏
〖摘要〗通过系统比较设计,选定了一个采用自然热电偶法来设计切削温度测量的系统。
在传感器方面选用模糊温度传感器。
本系统中特色为设计了利用热力电偶测量切削平均温度并进行分析处理的虚拟仪器。
虚拟仪器设计的主要工作就是编制相应的软件,完成数据的采集、存储、分析、输出和显示,虚拟仪器软件包括仪器源程序、软面板程序和应用程序等几个层次。
该仪器具有显示温度波形曲线、热电偶标定、确定切削温度指示公式、判定切削状态的能力。
关键词:
切削温度虚拟仪器热电偶切削监控
〖Abstract〗Throughsystemdesign,selectacomparisonwithnaturalthermocoupletemperaturemeasurementmethodtodesignthecuttingsystem.Insensorsselectionfuzzytemperaturesensor.AvirtualinstrumentformeasuringcuttingmeantemperaturebythermocoupleandprocessingitsdataisAintroduced.Virtualinstrumentdesignofthemainjobistoprepare
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- 切削 温度 测量 系统 设计
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