通過透明工具對切屑工具界面進行紅外熱成像

       加工效率和生產(chǎn)率是制造競爭力的關鍵組成部分。通過精確的模擬進行數(shù)字制造已成為發(fā)達國家維持和增強其制造業(yè)競爭力的計劃中越來越重要的組成部分。迄今為止，大多數(shù)加工模型僅通過測量的切削力和切屑厚度進行驗證。準確的溫度測量對于驗證模擬的實用性至關重要。之前，很難精確測量切削刀具的溫度分布，尤其是通常無法接近的切屑-刀具界面出現(xiàn)的峰值溫度。
      紅外熱成像可用于測量表面上的溫度分布，而不會對其造成干擾。但是，它需要光學進入目標表面。通過使用透明材料制作工具，可以光學訪問通常無法訪問的接口。
      在金屬切削中，眾所周知，沿切屑-工具界面的接觸應力足夠高，以致切屑的前表面與刀具前刀面相吻合，直到其卷曲成不接觸為止。這通常被稱為粘著摩擦狀態(tài)。但是，根據(jù)通過透明切削刀具以及滑移線模型進行的直接觀察，工作材料在被稱為延遲流動區(qū)的刀具前刀面上滑動。摩擦導致材料快速加熱，超出了主剪切區(qū)中的溫度上升范圍。產(chǎn)生的高溫是工具磨損的主要原因。

圖為用于透明工具的固定裝置，反光鏡和紅外熱像儀的觀察方向

      常用的固有熱電偶技術可提供平均界面溫度，進行這樣的研究非常昂貴。紅外熱成像技術已用于研究切削刀具，工件，切屑側面和切屑的自由表面（背面）上的溫度分布。對工具和工件的側面紅外熱成像，并獲得沿工具前刀面與工件和工具側面的相交點的一維（1D）溫度分布。通常，發(fā)現(xiàn)這些測量中的不確定性主要由發(fā)射率的不確定性決定，對于發(fā)射率的15％不確定性，不確定性估計值約為50℃，超過基準值0.14。
      已經(jīng)嘗試通過提供對切屑工具界面的光學訪問并進行紅外熱成像來測量切屑工具界面上溫度的二維（2D）分布。使用一個0.5 mm厚的金剛石窗口，該窗口沿前刀面距切削刃約100μm。金剛石窗口下方的孔和金剛石出色的導熱性對溫度場的擾動令人擔憂。使用紅外熱像儀測量芯片表面上不同點在8μm至12μm波長范圍內(nèi)發(fā)出的輻射強度。校準包括使用黑體（BB）校準光學系統(tǒng)，以及通過在氮氣氣氛中加熱芯片來測量芯片的發(fā)射率。
      發(fā)現(xiàn)低發(fā)射率表面的非灰體行為會導致雙波長紅外測溫系統(tǒng)出現(xiàn)明顯的系統(tǒng)誤差，并開發(fā)了測量非灰體補償因子（NGCF）的程序。但NGCF中的任何誤差都會在溫度測量中被放大，而單波長熱成像中的發(fā)射率誤差會因溫度與強度相關的指數(shù)而減小。得出的結論是，單波長紅外熱成像可以導致更準確的測量，尤其是在溫度足夠高以至于可以進行近紅外熱成像的情況下，其強度與溫度的指數(shù)非常高。
      事實證明，使用YAG制成的透明切削刀具可以成功地對諸如Ti-6Al-4V之類的難加工合金進行固溶、退火和回火。此項研究是第一個成功的嘗試，其中用透明工具切割了Ti-6Al-4V，并測量了切屑-工具界面的溫度分布。從切削刃到接觸長度的中點，溫度升高，然后降低直至接觸結束。分別以1m/s和2m/s的切割速度和50μm/rev的進給速度進行切割時，發(fā)現(xiàn)峰值溫度為1179 K和1310 K（1037℃）。此處提供的數(shù)據(jù)的準確性和空間分辨率使研究人員可以使用此數(shù)據(jù)來驗證和微調切削模擬中使用的材料和摩擦模型。