基于红外成像测温技术在金属机械加工中的应用

郑晓辉

（福建船政交通职业学院，福建 福州 350000）

红外光具有很高的温度效应，这是红外热像测温技术的基础。温度的测量应用特别广泛，国内外很多研究人员在金属温度测量上着重研究[1]，国内对其的研究相对差些。在国内，温度是通过使用接触式热电偶测得的，该设备具有价格低、精度高等优点，不过在许多情况下，尤其在机械加工过程中难以实现局部的温度测量。通过红外测温技术的应用，利用电力设备的制热效应，就可以完成对金属机械加工的温度进行收集，完成对加工金属机械温度的检测。掌握热像测温技术的应用领域、发展趋势，以及发展进程，有利于启发科学的发展思路，为金属加工制作加工方面的优化提供方向性的支持。

应用热成像原理，可以对红外温度场进行测温，红外成像和测温是红外热像仪最重要的功能[2]。热像仪具有特殊的结构设计、信号处理和严格的测温标定过程。将红外镜头汇聚的待观测目标收集，把光信号转换成电信号，并经过图像处理后输出[3]。

1 基于红外成像测温技术进行金属机械加工

1.1 切削区域的温度识别

在加工金属机械零件时，应用红外成像测温技术可以识别金属内部温度，主要识别金属切削区域的温度。基于红外成像测温技术的金属机械加工研究方法起步较早，这种方法也是目前应用最广泛的加工方法。基于红外成像测温技术的加工方法主要原理是利用特定温度的均匀黑体辐射作为参考源，对红外焦平面整列进行辐射定标。切削区域内有三个变形区，分别是工件、刀具，以及切屑区，其中各点到三个变形区热源存在不一的距离，所得的传导量与热量也是不尽相同，切削区域以梯度分布的布局展示不同方向上的温度[4]。结合传热学分析，采用热电偶测温方法，得到图1所示的切削部位温度分布图。

图1 切削部位温度分布图

首先使用红外成像测温技术，假定在一定温度范围内背景噪声在一定时间内是不变，所有切削区域响应率一致。设J为探测元输出的信号，m为探测元对应的目标信号，n为探测元对应的目标噪声。那么切削区域的响应模型为：

当加工金属材料为39#钢时，此时环境因素为：切削深度a=5mm、金属加工预材料是ST 17、进给量f=0.08mm/r。设θ为切削区平均温度，Cv为针对切削速率v的切削温度系数，Vc为切削速率，x为针对v的进给量修正指数，大多数时候它的值是0.19~0.51，不过指数x会随着进给量的变化而变化，进给量越大x值越小。这时可以得到：

通过以上公式，得出切削区域的平均温度，从而对金属内部温度进行识别，避免加工时温度过高或过低的情况[5]。在金属部件的机械加工过程中，任何偏离理想状态的切削温度及其分布状态的变化都有可能引发金相异常、局部变形、损伤刀具，以及出现焊点等现象，从而影响产品加工的精度和效率。

1.2 标记进给量

在识别切削区域温度时，加工区域的进给量也会对金属内部温度红外成像造成一定影响，可以应用红外成像测温技术标记进给量。

设Y为辐射条件下探测元的输出值，K为探测元的增益参数，B为探测元的偏置参数，每个探测元的K与B在两个定标点内是固定的。进给量标记参数为：

加工金属材料为39#钢，切削区域的深度a=5mm，切削速率v= 98m/ min，金属预材料为ST27。设为切削区平均温度，Cf为针对切削进给量f的切削温度系数，f为切削区域进给量，0.14为针对f的进给量修正指数，由此可得：

应用以上公式，能够得出切削区域进给量对于金属内部温度红外成像造成的温度影响，进而继续加工金属机械。虽然这些关系通过对其热环境、切削力及金相结构的分析，在理论上是比较清楚的。但是，由于加工时刀具与工件接触的切削点的几何尺寸极小，且相互运动速度极快，使用常规接触热电偶方法无法实现准确测温。因此，在以往的工艺研究中极少要求对切削部位进行实时测温，只是通过对切削后的工件进行理化分析来摸索和确定相应的工艺参数。

1.3 测量切削深度

标记好进给量之后，使用红外成像测温技术调整黑体温度到低温程度，也就是温度为T，采集红外焦平面阵列的输出R。设温度常数为m与n，切削宽度为H，计算整幅图像的平均值为V：

进给量也能够对温度识别造成一定影响，切削深度也能影响金属内部温度识别。金属机械材料为39#钢、切削区域速率为v =112m/ min、金属预材料为ST17、切削区域进给量为f=0.9mm/ r。设θ为切削区平均温度，Cp为针对切削深度p的切削温度系数，p为切削深度，0.05为针对p的切削深度的修正指数。此时可得：

应用以上公式，能够得出切削区域切削深度对于金属内部温度红外成像造成的温度影响，对于加工金属机械有着很大好处。

1.4 识别初设几何参数

采用红外成像测温技术加工金属机械时，调整黑体温度到高温温度，采集红外焦平面阵列的输出为W，计算整幅图像的平均值记为M，温度常数为m与n，得出参数系数为：

金属机械的加工质量会与初设几何参数对切削温度的影响有关，任何变化都会造成切削区域内温度的改变，其中包括切削力、摩擦，以及各种变形的改变，继而对切削温度造成影响，引起加工金属机械的变化。不同前角下切削温度的对比值如表1所示。

表1 环境因素对切削温度的影响

根据表格可以发现，金属硬度、切削力度、摩擦力、角度都能对切削温度造成影响，其中硬度与切削温度呈正比例关系，金属硬度越大，切削温度越高。

1.5 明确金属材质

明确金属材质时需要对红外成像测温技术进行说明。选定三个定标点x、y、z，设Y为金属硬度，A与B为金属材质的系数，将金属器械的响应曲线划分为两个区间，对每个区间分别采用红外成像测温方法，明确金属材质的公式为：

在金属加工加工过程中，金属机械材料的硬度、强度、脆性、导热系数等特性会直接影响到切削区域温度，主要是因为传热环境、切削力，以及摩擦力等因素发生了改变，让切削温度在不同程度上受到了影响，一般金属温度随时间变化的趋势图如图2所示。

图2 一般金属温度变化趋势图

通常情况下，一般金属机械都在随着时间的改变增加温度，当温度到达80~90℃时，金属达到温度临界点，上升趋势将会发生较小的改变。在实际生产过程中，操作员则根据切屑的颜色变化大致判断切削部位的温度，作为控制切削深度及速度的主要依据，这样做无法满足精密加工的要求。针对这种情况，我们使用红外热成像仪对车、刨、铣等切削过程进行了演示性测试。从实例中可以看出使用红外热成像测温仪所拍摄得到的热图像清晰地反映出切削区域的温度及分布状况，相信配合其它相应的技术可满足切削工艺研究的基本需求。

2 对比实验探析

为了验证基于红外成像测温技术进行金属机械加工技术与传统加工方法的区别，设计机械加工对比实验，实验结果进行统一汇总，呈现结果汇聚到同一数据图像中。为保证实验的严谨性，选取45#碳钢作为实验材料，采用常规实验观测模式，即在测试金属加工的同时观察实验选项的数据。实验论证对比结果分别选用强度系数与硬化指数。其实验对比论证结果曲线如图3所示。

图3 实验探析图

图3 中a图代表两种方法的强度系数随温度变化的曲线，b图代表两种方法的硬化指数随温度变化的曲线。其中加工性能采用强度系数代表，强度系数越高，证明加工性能越好。通过上述图片可得，本文提出的基于红外成像测温技术进行金属机械加工方法与传统方法所得的加工速率存在较小差异，一直处于传统方法的上方，温度越高强度系数越大，金属加工性能越好。金属加工精确度采用硬化指数代表，硬化指数越高，证明金属加工精确度越高。从金属加工精确度上考量，本文提出方法存在明显优势，尤其在温度达到400℃之后，本文所提方法大大精确了金属加工的准确度，温度越高硬化指数越大，金属加工时精确度更高。综上所述，基于红外成像测温技术进行金属机械加工技术相较于传统加工方法加工性能与金属加工的准确度更好，同时能达到对加工效率的合理掌控，更加适合产品批量化生产。

3 结束语

本文从理论到实践，对基于红外热像仪温度测量的关键技术进行了分析和研究，并设计出了一套完整的金属加工过程。影响生产效率的两个主要环节是机械加工与铸造生产过程，金属机械加工在我们的生活中存在很大作用，不过其结构较为复杂，很容易在运行的过程中发生故障。红外成像测温技术是一种有效、先进的方式，但是在红外检测的过程中要注意环境因素的影响，这样才能更有效完成金属机械的加工，避免事故的发生，这对于金属机械加工的特点进行适应性研究很有必要。