一种新型快速响应半人工热电偶

　　1引言

　　切削过程中，由于一部分能量转化为热能，因此产生切削温度，它直接影响刀具的磨损和耐用度，并影响工件的加工精度和表面质量。精确地测量实际切削温度，对于研究金属或非金属材料的切削机理、选择最佳切削条件以及评价材料的加工性都有重要的意义。

　　在切削过程中，由于被加工材料的不均匀性，以及切屑变形过程和振动等原因，在很多情况下，切削温度是一个随时间而变化的动态量，某一瞬时可能出现很高的切削温度。而某些非金属材料需要在一定温度范围内进行切削，因此需要测定瞬时点的温度。

　　切削温度的测量广泛使用的是自然热电偶法[1-2]。但当被加工材料是非金属时，就不能用自然热电偶法测量切削温度。而且通常的自然热电偶法不能满足快速测温的需要。我们研制的半人工热电偶快速测温传感器可以用来测定切削过程中某瞬时点的温度。

　　2传感器结构设计

　　构成半人工热电偶测温传感器的一极为刀头材料，即W 18Cr4V高速钢，另一极为0. 12mm厚的镍铬薄片。具体做法是把高速钢刀头分成上、下两部分，并在下半部分开一宽2mm、深1. 5mm的小槽，然后把镍铬片置于槽内，夹在两刀片之间。镍铬片除在刀尖处与高速钢形成面积为1. 6 X 1. 5mmz的热接点外，其余均与高速钢刀头通过镀Si02绝缘膜绝缘。由此可见，高速钢刀头本身就是测温传感器，它既能切削同时又能测温。使用时刀头装在机夹刀杆上，而且刀头与刀杆、刀垫、压块用云母片绝缘。

　　3静态标定

　　将高速钢条和镍铬片焊接成的热电偶热端插入HWS-I型标准恒温水槽、HWY-I型标准恒温油槽、YG-S型热电偶卧式检定炉，水槽、油槽、检定炉的温度由YG-ZL-PID-2型智能高精度控温仪控制，控温精度达0. 1 °C /1 Omin。热电偶冷端置于冰点器内。在0~620℃范围内每50℃检定一个点。每个检定点的热电势E用HP34401A型多功能数字万用表测量。得到的热电势E与热端温度T之间的关系曲线如图1所示。可以看出研制的热电偶线性良好。

　　4动态标定

　　采用迅速投掷法[3]测定热电偶的响应时间 τ。实验前，测温刀头处于室温环境中，然后迅速将刀头热接点部位投入热水中以获得温度阶跃。产生的热电势跃变用ADLINK公司的PCI-9118DG型多通道快速采集卡采集，然后送入计算机用VC编制的动态切削温度系统进行显示、存储并分析处理。采样频率为l OkHz o传感器的阶跃响应波形如图2所示。

　　当传感器的输出达到稳态值的63. 2%所需要的时间即为系统的时间常数 τ，由测得的数据可计算出响应时间约为10ms.