高温传感器安全监测，温度传感技术钻具实时监测

文 | 三楼的猫头鹰

编辑 | 三楼的猫头鹰

在现代制造领域中，钻孔作为一种常见的金属加工方法，在实际应用中扮演着重要角色，可是在钻孔过程中，金属切削产生的大部分能量都被转化为热量从而引发温度的迅速上升。

这一热现象对加工结果、变形模式、表面冶金状态以及刀具磨损率产生显著影响，所以深入了解钻孔过程中的温度特性对于提高钻孔性能和加工效率具有关键意义。

钻井温度理论分析与建模

钻孔加工作为一种常用的金属加工方法，钻孔过程中的热现象却往往被忽视，尽管它对加工结果和材料性能产生着深远的影响。

金属切削时产生的热量不仅会导致工件和切削刀具的温度升高，还会影响加工表面的最终冶金状态，高温环境还可能引发变形和应力累积，进而影响加工精度和质量。

切削热是钻削过程中的关键物理现象，其对刀具、工件的孔精度、表面粗糙度以及刀具磨损等性能产生着重要影响，因此，深入理论分析钻削温度是不可或缺的，有助于研究人员从根本上减少刀具温度。

将钻头视为半无限体，并建立了沿切削刃的温度分布分析模型，通过瞬态分析，对刀具、切屑和工件进行热量分配，从而获得钻削温度的估算。

一种假设提出了钻头切削刃类似于一系列基本切削刀具（ECT）的概念，每个基本切削刀具在钻孔过程中执行简单的金属切削操作。

通过钻削过程中测得的推力和扭矩，计算每个ECT的切削力，进而通过每个ECT的切屑厚度和剪切角估算切屑速度，从而获得钻孔过程中摩擦力和热量的分布。

研究人员构建了预测热流进入工件的模型，并利用嵌入式热电偶进行实验验证，从而证实了在一定的钻孔速度和进给范围内该模型能够准确预测工件的温度。

有限元方法也被用于研究钻孔深度、腹板厚度、切削速度以及螺旋角等对钻孔温度的影响，并预测了沿切削刃的温度分布，还建立了工件温度预测模型，运用逆传热法确定热流以及切削刃和横刃的分配系数，从而获取湿钻和横刃钻削过程中工件的温度。

使用涂层和未涂层钻头，在干燥条件下进行实验研究，同时结合逆热传导方法和微量润滑（MQL）考虑了热对流系数，通过反演方法与实验测温结果的一致性，验证了这一方法的可行性。

钻孔温度测量技术

钻孔过程中产生的温度会导致刀具磨损，缩短刀具寿命，钻孔温度对孔质量和表面完整性具有不可忽视的影响，研究人员采用各种技术来测量工件和刀具的温度分布，以尽量减少切削热造成的损坏。

预先在工件中嵌入温度计，测量刀具、切屑和工件的温度，以确定钻孔过程中切削热的分配比例，总结出传递到切屑的热量约占70%-80%，约为10% 在工件中，剩余的热量转移到刀具。

现有的温度测量技术可分为接触式测量、非接触式测量和间接测量，接触测量在测量技术中有着悠久的历史和广泛的应用，主要包括工具工作热电偶法、嵌入式热电偶法和工具箔热电偶系统，是最成熟的温度测量方法。

但由于接触式测量时需要安装热电偶并采集信号，某些情况下可能会出现热电偶安装受限、信号提取困难等问题。

非接触式测量包括高温计、红外辐射相机、光纤双色高温计，可以简单直观地测量钻孔温度，测量前需要校准，除非特殊定位，否则钻头在工件内部时很难测量温度。

间接测量有金相法和扫描电镜法，观察金属材料在不同高温环境下的金相变化，但该技术仅适用于600℃以上的高温，并且制样时需要破坏工具，导致该技术无法推广。

接触式测量技术

钻削过程中的温度测量对于确保刀具和工件性能至关重要，在这方面工具工作热电偶是最常见且易于实现的测温方法，这种方法利用不同材料的工具和工件构成的热电偶，在钻孔开始时产生电动势，然后通过建立温度与电动势的关系来确定温度。

工具工作热电偶虽然成本低且易于实施，但实际上却存在一个问题，即其测得的电动势与界面的平均温度并不一定匹配，事实上工具-工件热电偶产生的电动势甚至可能与界面的平均温度不符合，除非温度均匀或者信号随温度呈线性变化，这种方法并不适合用于测量温度分布。

为了提高测温的准确性，嵌入式热电偶成为了一种选择，这种方法将热电偶嵌入工件或工具中，并通过焊接或环氧树脂固定，相比于工具工作热电偶，嵌入式热电偶具有更高的测量精度、更快的响应速度以及更广泛的温度范围。

研究人员还将热电偶嵌入到固定的钻头中，通过连续喷洒冷却液来确定钻旋转钛工件时的温度分布，他们还利用有限元模型对从热电偶收集的数据进行了分析，验证了模型的有效性。

还有一种被称为工具箔热电偶系统的方法，它将工具工作热电偶系统与嵌入式热电偶系统相结合，通过钻头与箔片的接触来产生电动势，并获得与温度成比例的电压信号，这种方法还被用于测量钻铝/钛叠层时的温度。

尽管热电偶测温方法在实际应用中取得了一定的效果，但它们可能会影响到刀具和工件的热流和温度梯度，一些研究人员转向了非接触式测温方法，如红外辐射技术，通过测量热辐射来确定钻头的温度，这种方法在测温过程中无需与物体直接接触，从而避免了一些实际操作上的限制。

工艺参数对钻孔温度的影响

在工具温度分布的研究中，钻孔温度通常是通过嵌入在钻头油孔内的热电偶来测量的，这项研究涵盖了两种不同的工件材料，分别是Al 7075-T651合金和AISI 1040钢，实验结果表明，在相同的钻孔深度和主轴转速下，钻头温度随着进给速度的增加而降低。

另外，在钻削AISI 1040钢时，相同进给速度下，随着主轴转速的增加，钻头温度升高，对于Al 7075-T651材料，钻头温度在增加主轴转速的情况下下降。

类似地在研究AISI 1045钻孔时，研究者发现随着主轴转速和进给速度的增加，钻孔温度也随之升高。

在钻削Ti-6Al-4V合金时，低切削速度下，随着切削速度的增加，扭矩和推力也随之增加，导致钻孔温度上升，在高切削速度下，由于热软化降低了材料硬度，切削速度的增加导致钻孔温度降低。

尽管实验条件可能不同，但在钻削铝合金和镁合金时，进给速度和切削速度的增加都会导致钻削温度升高。

对玻璃纤维增强塑料进行的钻孔温度特性研究也得出了类似的结论，无论钻削哪种材料，钻孔温度都会随着切削速度和进给量的增加而增加，这是因为随着进给速度增加，切削时间减少，从而减少了摩擦产生的热量，降低了钻孔温度。

在切削速度增加时，单位时间内的切削面积也会增加，从而导致钻孔温度上升，根据实验结果，在主轴转速为15004500r/min，进给量为0.020.06mm/rev范围内，采用低主轴转速和高进给量可以有效减少切削热的生成。

需要注意的是，低主轴转速和高进给量可能会增加切削力，从而可能增加CFRP钻削中出现分层缺陷的风险。

因此，在关注抑制切削热的同时，研究人员需要综合考虑进给量、切削速度、切削力和切削热之间的相互关系，以合理选择加工参数。

在钻削CFRP时，进给量的增加会导致钻孔温度上升，而切削速度对钻孔温度的影响相对较小，这些研究结果对于优化钻削过程参数以提高加工质量具有重要的指导意义。

层压材料钻孔过程中工艺参数的影响

在钻削过程中，钻孔温度受到进给量和切削速度的显著影响，不论是钻削碳纤维增强塑料（CFRP）还是钛合金（Ti-6Al-4V）叠层，切削速度对钻孔温度的影响比进给速度更为显著。

在对CFRP/Ti叠层进行钻孔时，从CFRP层钻取时的最高温度相较于从Ti-6Al-4V层钻取时的最高温度高出2%~14%。

在一项研究中，针对CFRP/Ti叠层，研究人员发现切削速度在35~200 m/min范围内与刀具后刀面温度呈正相关。

随着进给量的增加，刀具后刀面温度呈现下降趋势，结合数值分析和实验结果，研究者能够预测主轴转速和进给速度变化对钻孔温度的影响。

需要强调的是，工艺参数与钻孔温度之间的关系并不是简单的线性关系，其影响也不是简单的线性叠加。

实际上工具材料、工件材料、冷却工艺等因素都会在不同程度上影响工艺参数与钻孔温度的相互关系，在深入探索工艺参数与钻孔温度的关联机制时，必须更加系统地考虑这些影响因素。

钻削温度的研究表明，进给量和切削速度对钻孔温度具有重要影响，特别是在处理复杂材料叠层时，切削速度的作用更加显著。

这些关系的复杂性需要考虑多种因素的综合影响，以实现更精确的工艺参数优化，从而控制钻孔温度并提高加工质量。