基于紅外成像測溫技術在金屬機械加工中的應用

鄭曉輝

（福建船政交通職業學院，福建 福州 350000）

紅外光具有很高的溫度效應，這是紅外熱像測溫技術的基礎。溫度的測量應用特別廣泛，國內外很多研究人員在金屬溫度測量上著重研究[1]，國內對其的研究相對差些。在國內，溫度是通過使用接觸式熱電偶測得的，該設備具有價格低、精度高等優點，不過在許多情況下，尤其在機械加工過程中難以實現局部的溫度測量。通過紅外測溫技術的應用，利用電力設備的制熱效應，就可以完成對金屬機械加工的溫度進行收集，完成對加工金屬機械溫度的檢測。掌握熱像測溫技術的應用領域、發展趨勢，以及發展進程，有利于啟發科學的發展思路，為金屬加工制作加工方面的優化提供方向性的支持。

應用熱成像原理，可以對紅外溫度場進行測溫，紅外成像和測溫是紅外熱像儀最重要的功能[2]。熱像儀具有特殊的結構設計、信號處理和嚴格的測溫標定過程。將紅外鏡頭匯聚的待觀測目標收集，把光信號轉換成電信號，并經過圖像處理后輸出[3]。

1 基于紅外成像測溫技術進行金屬機械加工

1.1 切削區域的溫度識別

在加工金屬機械零件時，應用紅外成像測溫技術可以識別金屬內部溫度，主要識別金屬切削區域的溫度。基于紅外成像測溫技術的金屬機械加工研究方法起步較早，這種方法也是目前應用最廣泛的加工方法?；诩t外成像測溫技術的加工方法主要原理是利用特定溫度的均勻黑體輻射作為參考源，對紅外焦平面整列進行輻射定標。切削區域內有三個變形區，分別是工件、刀具，以及切屑區，其中各點到三個變形區熱源存在不一的距離，所得的傳導量與熱量也是不盡相同，切削區域以梯度分布的布局展示不同方向上的溫度[4]。結合傳熱學分析，采用熱電偶測溫方法，得到圖1所示的切削部位溫度分布圖。

圖1 切削部位溫度分布圖

首先使用紅外成像測溫技術，假定在一定溫度范圍內背景噪聲在一定時間內是不變，所有切削區域響應率一致。設J為探測元輸出的信號，m為探測元對應的目標信號，n為探測元對應的目標噪聲。那么切削區域的響應模型為：

當加工金屬材料為39#鋼時，此時環境因素為：切削深度a=5mm、金屬加工預材料是ST 17、進給量f=0.08mm/r。設θ為切削區平均溫度，Cv為針對切削速率v的切削溫度系數，Vc為切削速率，x為針對v的進給量修正指數，大多數時候它的值是0.19~0.51，不過指數x會隨著進給量的變化而變化，進給量越大x值越小。這時可以得到：

通過以上公式，得出切削區域的平均溫度，從而對金屬內部溫度進行識別，避免加工時溫度過高或過低的情況[5]。在金屬部件的機械加工過程中，任何偏離理想狀態的切削溫度及其分布狀態的變化都有可能引發金相異常、局部變形、損傷刀具，以及出現焊點等現象，從而影響產品加工的精度和效率。

1.2 標記進給量

在識別切削區域溫度時，加工區域的進給量也會對金屬內部溫度紅外成像造成一定影響，可以應用紅外成像測溫技術標記進給量。

設Y為輻射條件下探測元的輸出值，K為探測元的增益參數，B為探測元的偏置參數，每個探測元的K與B在兩個定標點內是固定的。進給量標記參數為：

加工金屬材料為39#鋼，切削區域的深度a=5mm，切削速率v= 98m/ min，金屬預材料為ST27。設為切削區平均溫度，Cf為針對切削進給量f的切削溫度系數，f為切削區域進給量，0.14為針對f的進給量修正指數，由此可得：

應用以上公式，能夠得出切削區域進給量對于金屬內部溫度紅外成像造成的溫度影響，進而繼續加工金屬機械。雖然這些關系通過對其熱環境、切削力及金相結構的分析，在理論上是比較清楚的。但是，由于加工時刀具與工件接觸的切削點的幾何尺寸極小，且相互運動速度極快，使用常規接觸熱電偶方法無法實現準確測溫。因此，在以往的工藝研究中極少要求對切削部位進行實時測溫，只是通過對切削后的工件進行理化分析來摸索和確定相應的工藝參數。

1.3 測量切削深度

標記好進給量之后，使用紅外成像測溫技術調整黑體溫度到低溫程度，也就是溫度為T，采集紅外焦平面陣列的輸出R。設溫度常數為m與n，切削寬度為H，計算整幅圖像的平均值為V：

進給量也能夠對溫度識別造成一定影響，切削深度也能影響金屬內部溫度識別。金屬機械材料為39#鋼、切削區域速率為v =112m/ min、金屬預材料為ST17、切削區域進給量為f=0.9mm/ r。設θ為切削區平均溫度，Cp為針對切削深度p的切削溫度系數，p為切削深度，0.05為針對p的切削深度的修正指數。此時可得：

應用以上公式，能夠得出切削區域切削深度對于金屬內部溫度紅外成像造成的溫度影響，對于加工金屬機械有著很大好處。

1.4 識別初設幾何參數

采用紅外成像測溫技術加工金屬機械時，調整黑體溫度到高溫溫度，采集紅外焦平面陣列的輸出為W，計算整幅圖像的平均值記為M，溫度常數為m與n，得出參數系數為：

金屬機械的加工質量會與初設幾何參數對切削溫度的影響有關，任何變化都會造成切削區域內溫度的改變，其中包括切削力、摩擦，以及各種變形的改變，繼而對切削溫度造成影響，引起加工金屬機械的變化。不同前角下切削溫度的對比值如表1所示。

表1 環境因素對切削溫度的影響

根據表格可以發現，金屬硬度、切削力度、摩擦力、角度都能對切削溫度造成影響，其中硬度與切削溫度呈正比例關系，金屬硬度越大，切削溫度越高。

1.5 明確金屬材質

明確金屬材質時需要對紅外成像測溫技術進行說明。選定三個定標點x、y、z，設Y為金屬硬度，A與B為金屬材質的系數，將金屬器械的響應曲線劃分為兩個區間，對每個區間分別采用紅外成像測溫方法，明確金屬材質的公式為：

在金屬加工加工過程中，金屬機械材料的硬度、強度、脆性、導熱系數等特性會直接影響到切削區域溫度，主要是因為傳熱環境、切削力，以及摩擦力等因素發生了改變，讓切削溫度在不同程度上受到了影響，一般金屬溫度隨時間變化的趨勢圖如圖2所示。

圖2 一般金屬溫度變化趨勢圖

通常情況下，一般金屬機械都在隨著時間的改變增加溫度，當溫度到達80~90℃時，金屬達到溫度臨界點，上升趨勢將會發生較小的改變。在實際生產過程中，操作員則根據切屑的顏色變化大致判斷切削部位的溫度，作為控制切削深度及速度的主要依據，這樣做無法滿足精密加工的要求。針對這種情況，我們使用紅外熱成像儀對車、刨、銑等切削過程進行了演示性測試。從實例中可以看出使用紅外熱成像測溫儀所拍攝得到的熱圖像清晰地反映出切削區域的溫度及分布狀況，相信配合其它相應的技術可滿足切削工藝研究的基本需求。

2 對比實驗探析

為了驗證基于紅外成像測溫技術進行金屬機械加工技術與傳統加工方法的區別，設計機械加工對比實驗，實驗結果進行統一匯總，呈現結果匯聚到同一數據圖像中。為保證實驗的嚴謹性，選取45#碳鋼作為實驗材料，采用常規實驗觀測模式，即在測試金屬加工的同時觀察實驗選項的數據。實驗論證對比結果分別選用強度系數與硬化指數。其實驗對比論證結果曲線如圖3所示。

圖3 實驗探析圖

圖3 中a圖代表兩種方法的強度系數隨溫度變化的曲線，b圖代表兩種方法的硬化指數隨溫度變化的曲線。其中加工性能采用強度系數代表，強度系數越高，證明加工性能越好。通過上述圖片可得，本文提出的基于紅外成像測溫技術進行金屬機械加工方法與傳統方法所得的加工速率存在較小差異，一直處于傳統方法的上方，溫度越高強度系數越大，金屬加工性能越好。金屬加工精確度采用硬化指數代表，硬化指數越高，證明金屬加工精確度越高。從金屬加工精確度上考量，本文提出方法存在明顯優勢，尤其在溫度達到400℃之后，本文所提方法大大精確了金屬加工的準確度，溫度越高硬化指數越大，金屬加工時精確度更高。綜上所述，基于紅外成像測溫技術進行金屬機械加工技術相較于傳統加工方法加工性能與金屬加工的準確度更好，同時能達到對加工效率的合理掌控，更加適合產品批量化生產。

3 結束語

本文從理論到實踐，對基于紅外熱像儀溫度測量的關鍵技術進行了分析和研究，并設計出了一套完整的金屬加工過程。影響生產效率的兩個主要環節是機械加工與鑄造生產過程，金屬機械加工在我們的生活中存在很大作用，不過其結構較為復雜，很容易在運行的過程中發生故障。紅外成像測溫技術是一種有效、先進的方式，但是在紅外檢測的過程中要注意環境因素的影響，這樣才能更有效完成金屬機械的加工，避免事故的發生，這對于金屬機械加工的特點進行適應性研究很有必要。