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1、摘要本文主要是设计一套感应加热测温装置，解决感应钎焊时的温度快速准确测量问题，从而建立温度自动控制系统，对确保钎焊金刚石工具时的质量有重大意义。该装置测量温度范围为0到1050，采用了人工热电偶测温。设计的装置既可以满足钎焊条件，又可以准确测量温度。关键词： 高频感应 钎焊 热电偶 测温装置Abstract This article mainly is designs a set of induction heating temperature measurement installment, time the solution induction brazing temperature fa
2、st accurate survey question, when the establishment temperature automatic control system, to guarantees the braze welding diamond tool the quality has the great significance.This equipment survey temperature range for 0; arrives 1050;, has used the artificial thermo-element temperature measurement.T
3、he design installment both may satisfy the braze welding condition, and may survey the temperature accurately.Key word: High frequency induction Braze welding Thermo-element temperature measurement installment目录1感应加热11.1感应加热的原理及特点11.1.1 感应加热的发展11.1.2感应加热原理11.1.3高频感应电流的分布特性21.2 感应钎焊金刚石工具31.2.1钎焊方法介绍3
4、1.2.2感应钎焊的优点32 感应钎焊的测温方法52.1温度的测量52.1.1温度测量方法52.1.2温度测量系统的选择52.2 热电偶测温方法52.2.1 热电偶材料及分类52.2.2热电偶测温原理62.2.3 热电偶回路基本定律72.2.4热电偶冷端温度补偿72.2.5热电偶测温的特点82.3 感应加热测温的方法82.3.1机械加工中热电偶测温的应用382.3.2 本课题的测温方法10.3测温装置设计123.1总体设计123.2零部件的设计133.2.1 防氧化装置设计133.2.2 偶丝移动设计装置143.3零件的校核（弹簧）144 结束语16致谢.16参考文献161 感应加热1.1感应
5、加热原理及特点1.1.1 感应加热的发展早在19世纪初人们就发现了电磁感应现象，知道处于交变磁场中的导体内会产生感应电流而引起导体发热。但是，长期以来人们视这种发热为损耗，并为保护电气设备和提高效率而千方百计的减少这种发热。为此，工程师们为了最大限度的减少有害的涡流发热，对变压器和电动机的磁心采用了叠片式结构。直到19世纪末才开始开发和利用这种热源进行有目的的加热、熔炼、淬火、焊接、热处理等，随之出现了各种形式的感应加热设备。1890年瑞典人发明了第1台感应熔炼炉开槽式有芯炉，1916年美国人制造出闭槽式有芯炉，用于有色金属的冶炼，1921年无芯炉在美国出现，采用火花式中频电源，后来出现了中频
6、机组电源和现在的晶闸管变频电源。工频炉产生于20世纪30年代，高频电源、倍频电源等也由于不同的工艺要求而相继出现。感应加热装置最早使用于表面热处理，以后普及焊接领域和各种透热。现在感应加热技术已广泛应用于国民经济的各个领域，如表1-1。 表1-1 感应加热源的应用领域应用部门主要用途冶金黑色、有色金属的冶炼和保（升）温；金属材料的热处理；冷坩埚熔炼、区域熔炼、悬浮熔炼等制取超纯材料；锻造、挤压、压制等型材生产的透热；焊管生产的焊缝。机械制造黑色和有色金属零件的铸造和精密铸造金属的熔炼；机器零件的淬火，特别是表面淬火以及淬火后的回火、退火和正火等热处理的加热；化学热处理的加热；压力加工（锻、挤、
7、轧等）前的透热，特别是模锻、精锻等；钎焊、对焊、硬质合金的熔炼；金属涂层及其他场合的加热烘干；热装配等。轻工罐头封口加热、合成纤维生产中间加热等。石油、化工化学反应釜等容器加热、输油管道焊接缝现场退火、输油管路的保温等。电子电子管生产中的真空除气时的加热等。 1.1.2感应加热原理电磁感应定律说明，在一个电路围绕的区域内存在交变磁场时，电路两端就会产生感应电动势，当电路闭合时则产生电流。这个定律同时也就是今天感应加热的理论基础。感应加热的原理图如图1-1所示：图1-1 感应加热原理图如图，当感应线圈上通以交变的电流i时，线圈内部会产生相同频率的交变磁通，交变磁通又会在金属工件中产生感应电势e。
8、根据MAXWELL电磁方程式，感应电动势的大小为： （1-1）式中N是线圈匝数，假如磁通是按正弦规律变化的，则有：=msin （1-2）那么可得到感应电动势： （1-3）因此感应电动势的有效值为：E=2fNm/=4.44Nfm （1-4）式中：m为磁通的幅值，f为频率。由此可见，感应加热是靠感应线圈把电能传递给要加热的金属，然后电能在金属内部转变为热能。感应线圈与被加热金属并不直接接触，能量是通过电磁感应传递的。另外需要指出的是，感应加热的原理与一般电气设备中产生涡流以及涡流引起发热的原理是相同的，不同的是在一般电气设备中涡流是有害的，而感应加热却是利用涡流进行加热的。这样，感应电势在工件中产
9、生感应电流(涡流)i，使工件加热。其焦耳热为：Q=0.24I2Rt (1-5) 式中，Q：电流通过电阻产生的热量(J)I：电流有效值(A)； R：工件的等效电阻(W)； t：工件通电的时间(S)。 可以看出，感应电势和发热功率与频率高低和磁场强弱有关。感应线圈中流过的电流越大，其产生的磁通也就越大，因此提高感应线圈中的电流可以使工件中产生的涡流加大；同样提高工作频率也会使工件中的感应电流加大，从而增加发热效果，使工件升温更快。另外，涡流的大小与金属的截面大小、截面形状、导电率、导磁率以及透入深度有关。1.1.3感应电流的分布特性 感应电流通过导体时，表现出与直流或工频电流不同的特性，主要包括表
10、面效应、尖角效应、邻近效应等。表面效应（集肤效应）：当直流电通过导体时，电流在导体截面上的分布是均匀的，但当交流电通过圆住导体时，电流分布是中心密度小，越接近表面密度越大，当电流频率相当高时，导体的中心可以没有电流，而全部集中在导体的表面，这种现象称为高频电流的表面效应。交变电流的频率越高，表面效应就越显著。表面效应使高频电流集中于表面，并进一步使大部分热量集中于导体的表层。涡流是由进入工件的交变磁场引起的，而磁场从工件的表面到心部也是按指数曲线衰减的，因此，涡流的最大值集中在工件的表面，这也是表面效应。而透入深度的规定是由电磁场的集肤效应而来的。电流密度在工件中的分布是从表面向里面衰减，其衰
11、减大致呈指数规律变化。工程上通常是这样规定的，当导体电流密度由表面向里面衰减到数值等于表面电流密度的0.368倍时，该处到表面的距离称为电流透入深度。因此可以认为交流电流在导体中产生的热量大部分集中在电流透入深度内。透入深度可用下式来表示：式中：为材料电阻率（m）；表示磁导率（H/m）；f表示电流频率（Hz）。分析一下上式，当材料的电阻率，相对磁导率 确定以后，透入深度仅与频率的平方根成反比，因此它可以通过改变频率来控制。频率越高，工作的透热厚度就越薄，这种特性在金属热处理中得到了广泛的应用，如淬火、热处理等。 尖角效应：当形状不规则的零件置于感应加热器中加热时，带尖角或凸起部分的加热速度比其
12、他部效应分快，这种现象称为尖角效应。这是由于尖角部分磁力线易于密集的缘故。邻近效应：两个载有高频电流的导体相互靠近时，在两导体磁场的作用下，两导体中的高频电流重新分布，使电流趋于导体相互靠近的一侧，这种现象称为邻近效应。平行放置的两根导体，当电流方向相反时，则两导体内侧磁场最强。导体间距离越近，邻近效应越显著。加热感应线圈与工件之间也存在这种关系，又由于它们的电流方向相反，所以两者相互靠近一侧磁场最强。1.2钎焊金刚石工具1.2.1钎焊方法介绍钎焊属于固相连接，它与熔焊方法不同，钎焊时母材不熔化，采用比母材熔化温度低的钎料，加热温度采取低于母材固相线而高于钎料液相线的一种连接方法。连接零件时，
13、钎料加热到熔化，利用液态钎料在母材表面润湿、铺展与母材相互溶解和扩散和在母材间隙中润湿、毛细流动、填缝与母材相互溶解和扩散从而实现零件间的连接。液态钎料填充钎缝的过程必需具备两个条件：毛细作用和润湿作用。(1) 钎料的毛细作用钎焊时液态钎料不是单纯地沿固态母材表面铺展，而是流入并填充接头间隙。钎料是依靠毛细作用而在间隙内流动的。毛细作用的大小与钎缝的类型和钎缝间隙的大小有关，通常钎缝间隙小的钎缝比间隙大的钎缝钎料流动性能要好。钎缝间隙的最佳值的确定与钎料和母材的选择有关。由于BNi-2钎料含有B，Si脆性相元素，其间隙与其它钎料相比要小。间隙的最佳范围0.02mm0.10mm。(2)钎料的润湿
14、作用润湿是液相取代固相表面的气相过程。衡量液体对母材润湿能力的大小，可用液相与固相接触时的接触夹角大小来表示。液滴在母材稳定时的接触角：接触角0时，表示液体完全润湿固体，接触角180时表示完全不润湿；钎焊时钎料的接触角应小于20影响钎料润湿作用的主要因素有：钎料和母材的成分，钎料与母材的相互作用(母材向液态钎料溶解，液态钎料向母材扩散)，钎焊温度，母材表面氧化物，间隙等。 上个世纪八十年代末，人们开始探索钎焊技术用于金刚石工具制作。采用在金刚石表面镀覆某些过渡族元素（如Ti、Cr、W等），并与其发生化学反应在表面形成碳化物。通过这层碳化物的作用，金刚石、结合剂、基体三者就能通过钎焊实现牢固的化
15、学冶金结合，从而实现真正的金刚石表面金属化，这就是钎焊金刚石工具的原理。所以，采用钎焊技术可实现胎体金属(钎料)与母体材料金刚石和钢基体之间的牢固结合。 1.2.2 感应钎焊的优点感应钎焊具有一些独特的优点：非接触加热而且加热温度高；加热效率高；加热速度快；温度易控制；可以局部加热对不需要焊接的地方不产生影响；可以做成自动化操作，实现自动控制；能达到较高的频率，对特细或较薄的材料也可以进行焊接或溶接；没有安全事故隐患；作业环境好，几乎无污染。 此种加热方式符合目前社会的快速敏捷和低成本市场要求的特点，应用也较为普遍。它是一种高效率的对被焊母材无损伤的焊接方式，特别适合精度高，批量大的工作和难移
16、动的母材局部焊接、各类金属管材的焊接，比如：硬质合金和金刚石刀具、钻头、刃具、钻具焊接等。本课题将把金刚石均匀排布在基体块上，在保护气体下实现钎焊，对钎焊金刚石工具进行研究。2 加热装置的测温方法2.1温度的测量2.1.1温度测量方法 温度的测量方法，通常按感温元件是否与被测物接触分为接触式测量和非接触式测量两大类。接触式测量应用的温度传感器具有结构简单，工作稳定可靠及测量精度高等优点。如膨胀式温度计、热电阻传感器等。非接触式测量应用的温度传感器，具有测量温度高，不干扰被测物温度等优点，但测量精度不高。如红外高温传感器、光线高温传感器等。如果从测量时有无电信号可以划分为非电测量和电测量两大类。
17、2.1.2温度测量系统的选择 本课题所研究的高频感应钎焊金刚石时的温度测量范围是-10到960，温度测量系统的使用场合是在高频感应加热时产生的强电磁场中，要求温度响应灵敏度高。传输时要求传输的信号易于检测和自动控制。热电偶的结构简单，性能稳定，测温范围宽，测温精度高，使用方便，广泛应用于机械工业生产，科研等方面的热处理中的测温与温控程序。热电温度计以热电偶作为测温元件测得与温度相应的热电动势由仪表显示出温度值。它广泛用来测量-200-1300范围内的温度，特殊情况下，可测至2800的高温或4K的低温。它具有结构简单、价格便宜、准确度高、测温范围广等特点。由于热电偶将温度转化成电量进行检测，使温
18、度的测量、控制以及对温度信号的放大、变换都很方便，适用于远距离测量和自动控制。在接触式测温法中，热电温度计的应用最普遍。综上所述，在高频感应钎焊金刚石测温时采用热电偶测温较为合适。2.2 热电偶测温方法2.2.1 热电偶材料及分类根据组成热电偶的材料及结构的不同，可将热电偶分成许多类。热电偶按结构形式不同可分为：普通工业型，恺装型，高性能实体型和特种型热电偶。常用的普通工业热电偶有以下几种：1）铂锗10-铂热电偶属于贵金属热电偶，其正极的名义成分为锗10%的铂锗合金（SP），负极为纯铂（SN）。长期使用温度1300，短期使用温度1600，物理、化学性能稳定，抗氧化性能强，宜在氧化、惰性环境中连
19、续使用。一般用于准确度要求高的高温测量，但价格昂贵，机械强度差，热电动势小，需配用灵敏度高的显示仪表，分度号为S。2）镍铬-镍硅热电偶属于廉金属热电偶，其正极为含10%的镍铬合金（KP），负极为含硅3%的镍硅合金(KN)，负极亲磁性。长期使用温度1000，短期使用温度1200，热电势比S型热电偶大4-5倍，线性度极好，使用温度范围宽，是廉金属热电偶中性能最稳定的一种，一再氧化性，惰性环境中连续使用，价格便宜，误差约在7左右，但其热电极不易做得太均匀，易氧化，尤其在低温状态，其稳定性差，分度号为K。3）镍铬-康铜热电偶属于廉金属热电偶，其正极为镍铬合金，负极为铜镍合金。长期使用温度600，短期使
20、用温度800，最大的特点是热电势率最大，即灵敏度最高，但极易被氧化，分度号E.4）铜-康铜热电偶属于廉金属热电偶，其正极为纯铜（TP），负极为康铜（铜镍）合金(TN)。是在低温状态普遍使用的热电偶，测温范围-200300，热电极丝的均匀性好，稳定性高，灵敏度好，价格低廉，分度号为T。恺装型热电偶是将热电极丝装在有绝缘材料的金属套管中，经组合加工成可弯曲的坚实的组合体，再依所需长度截断，对其测量端和参考端进行加工即制成恺装型热电偶，改种热电偶可以做得很细很长，在使用中可随测量需要而弯曲。其测温范围宽，响应速度快，热接点处的热容量小，使用寿命长。同时其机械强度高，耐压性能高，适应性广，挠性大，安装
21、使用方便，应用及其广泛。正确选择和安装热电偶，是合理使用热电偶的前提，不但可以准确的得到温度数值，保证产品质量，而且还可以节省热电偶材料的消耗。热电偶的选择，首先应根据被测温度的上限和使用环境来选择热电偶的热电极和保护套管，其次根据被测对象的结构和安装特点来选择热电偶的规格尺寸。2.2.2热电偶测温原理将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接点1 和2的温度不同时，如果T1T0 ，在回路中就会产生热电动势，并在回路中有一定大小的电流，此种现象称为热电效应。如图2-1所示。该电动势就是著名的“塞贝克温差电动势”，简称“热电动势”，记为EAB，导体A，B称为热电极。接点1通常是焊接在
22、一起的，测量时将它置于测温场所感受被测温度，故称为测量端(或工作端热端）。接点2要求温度恒定，称为参考端（或冷端）。由两种导体的组合并将温度转化为热电动势的传感器叫做热电偶。图2-1 热电效应 热电动势是由两种导体的接触电势（珀尔贴电势）和单一导体的温差电势（汤姆逊电势）组成的。热电动势的大小与两种导体材料的性质及接点温度有关。 导体内部的电子密度是不同的，当两种电子密度不同的导体A与B接触时，接触面上就会发生电子扩散，电子从电子密度高的导体流向密度低的导体。电子扩散的速率与两导体的电子密度有关并和接触区的温度成正比。设导体A和B的自由电子密度为NA和NB，且NANB，电子扩散的结果使导体A失
23、去电子而带正电，导体B则获得电子而带负电，在接触面形成电场。这个电场阻碍了电子的扩散，达到动平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，即接触电势EAB(t)，其大小为： 式中： k玻耳兹曼常数； e电子电荷量； T接触处的温度； NAt，NBt分别为导体A和B的自由电子密度。 因导体两端温度不同而产生的电动势称为温差电势EA(t,t0)。由于温度梯度的存在，改变了电子的能量分布，高温端（T）电子将向低温端（T0）扩散，致使高温端因失去电子带正电，低温端因获得电子而带负电。因而在同一导体两端也产生电位差，并阻止电子从高温端向低温端扩散，于是电子扩散形成动平衡，此时所建立的电位差称为温差电势即汤姆逊电
24、势，它与温度的关系为 ： 式中NAt为导体A在温度为t时的电子密度；dt为微元导体中的微温差元。对于同一根匀质导体，各处的温度相同，则温差电动势为零。导体A和B组成的热电偶闭合电路在两个接点处有两个接触电势EAB(t)与EAB(t0)，又因为TT0，在导体A和B中还各有一个温差电势。所以闭合回路总热电动势EAB(t,t0)应为接触电动势和温差电势的代数和，即：在总电动势中，温差电动势比接触电动势小很多，可忽略不计。对于已选定的热电偶，当参考温度恒定时，总热电动势就变成测量端温度T的单值函数，即，这就是热电偶测量温度的基本原理。热电偶回路的几点结论：1）热电偶回路的热电动势仅与热电偶的热电性质及
25、两端温度有关，与热电偶的几何尺寸（粗细、长短）无关。由于这一结论，使用中，烧断的热电偶可重新焊接，并经校验合格后，再用于测温。2）热电偶必须采用两种不同的材料作为电极。由同一种匀质（电子浓度处处相同）的导体或半导体组成的闭合回路，不论其长度和截面如何，也不论其各处的温度分布如何，热电偶回路的总电动势为零。根据这一结论，还可以用来校验电极材料是否匀质材料。3）如果热电偶两结点的温度相同，即t=t0，则尽管导体A、B的材料不同，热电偶回路的总电动势为零。2.2.3 热电偶回路基本定律1、中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要第三种导体两端的温度相同，第三种导体的引入不会影响热电偶的热
26、电动势。根据这一定律，可以将第三导线换成测试仪表或连接导线，只要保持两接点温度相同，就可以对热电动势进行测量而不影响原电动势的数值。2、中间温度定律在热电偶测量电路中，测量端温度为T，自由端温度为T0，中间温度为,则T、T0热电动势等于T、与、T0热电动势的代数和。3、参考电极定律，当结点温度为t、t0时，用导体A、B组成的热电动势等于AC热电偶和CB热电偶的热电动势的代数和。2.2.4热电偶冷端温度补偿从热电偶测温基本公式可以看到, 对某一种热电偶来说热电偶产生的热电势只与工作端温度t和自由端温度t0有关。热电偶的分度表是以t0=0作为基准进行分度的, 而在实际使用过程中, 参考端温度往往不
27、为0, 那么工作端温度为t时, 分度表所对应的热电势EAB (t, 0)与热电偶实际产生的热电势EAB(t, t0)之间的关系可根据中间温度定律得到下式: 由此可见, EAB(t, 0) 是参考端温度t0的函数, 因此需要对热电偶参考端温度进行处理。常用的热电偶冷端温度补偿方法有：(1)热电偶补偿导线：在实际测温时, 需要把热电偶输出的电势信号传输到远离现场数十米的控制室里的显示仪表或控制仪表, 这样参考端温度t0也比较稳定。热电偶一般做得较短 需要用导线将热电偶的冷端延伸出来。工程中采用一种补偿导线, 它通常由两种不同性质的廉价金属导线制成, 而且在0100温度范围内, 要求补偿导线和所配热
28、电偶具有相同的热电特性 (2)参考端温度修正法：采用补偿导线可使热电偶的参考端延伸到温度比较稳定的地方, 但只要参考端温度不等于0, 需要对热电偶回路的电势值加以修正, 修正值为EAB(t0 , 0)。经修正后的实际热电势, 可由分度表中查出被测实际温度值。 (3)参考端0恒温法：在实验室及精密测量中, 通常把参考端放入装满冰水混合物的容器中, 以便参考端温度保持0, 这种方法又称冰浴法。 (4)参考端温度自动补偿法（补偿电桥法）：补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压作为补偿信号, 来自动补偿热电偶测量过程中因参考端温度不为0或变化而引起热电势的变化值。补偿电桥如下图2-2所示。图2-2
29、具有补偿电桥的热电偶测温线路补偿电桥由电阻R1、R2、R3（锰铜电阻）、RCu（铜电阻）组成，并由稳压电源供电。不平衡电桥串接在热电偶的测量回路中。热电偶的冷端与电桥电阻RCu感受相同的温度。通常取室温20时使电桥平衡，即使R1=R2=R3 =R20Cu，此时对角线a、b两点电位相等，电桥对仪表的读数无影响。当环境温度变化时，RCu变化，平衡被破坏，电桥将产生一不平衡电压Uab以补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值，从而使仪表指示出正确值。由于电桥是在20时平衡，所以采用这种补偿电桥需把仪表的机械零件调整到20。经过比较和综合考虑,本设计选用参考端温度修正法。2.2.5热电偶测温的特点
30、热电偶测温在生产生活中得到了广泛应用，其特点如下：1、测量精度较高。由于热电偶和被测对象之间容易实现良好的热接触，因而能较真实的反映被测对象的温度。2、结构简单。将两个不同的导体连接一端后，加以绝缘和机械保护，就是一支可用的热电偶。可见热电偶结构简单，因而装配维修比较方便。3、测量范围较宽。常用的热电偶的温度测量范围100-1600。一般金属材料的热处理温度都在这个范围。用特殊材料制成热电偶还可测量低至2K或高至2800的温度。4、信号可远传，便于集中检测和自动控制。热电偶所产生的热电势，可通过连接导线远距离输送到显示仪表，这样便于巡回检测和自动控制。2.3 高频感应加热测温方法2.3.1机械
31、加工中热电偶测温的应用在机械制造业中，虽然已发展出各种不同的零件成型工艺，但目前仍有90%以上的机械零件是通过切削加工制成。在切削过程中，机床做功转换为等量的切削热，引起工件热变形，严重时甚至引起机床热变形。因此，在进行切削理论研究、刀具切削性能试验及被加工材料加工性能试验等研究时，对切削温度的测量非常重要。下面以测量切削温度为例说明三种热电偶测温法。1）自然热电偶法 自然热电偶法主要用于测定切削区域的平均温度。采用自然热电偶法的测温装置如图2-3所示。它是利用刀具和工件分别作为自然热电偶的两极，组成闭合电路测量切削温度。刀具引出端用导线接入毫伏计的一极，工件引出端的导线通过起电刷作用的铜顶尖
32、接入毫伏计的另一极。测温时，刀具与工件引出端应处于室温下，且刀具和工件应分别与机床绝缘。切削加工时，刀具与工件接触区产生的高温(热端)与刀具、工件各自引出端的室温(冷端)形成温差电势，该电势值可用接入的毫伏计测出，切削温度越高，该电势值越大。切削温度与热电势毫伏值之间的对应关系可通过切削温度标定得到。根据切削实验中测出的热电势毫伏值，可在标定曲线上查出对应的温度值。 采用自然热电偶法测量切削温度简便可靠，可方便地研究切削条件(如切削速度、进给量等)对切削温度的影响。值得注意的是，用自然热电偶法只能测出切削区的平均温度，无法测得切削区指定点的温度；同时，当刀具材料或(和)工件材料变换后，切削温度
33、毫伏值曲线也必须重新标定。图2-3 自然热电偶法测量切削温度示意图2）人工热电偶法 人工热电偶法(也称热电偶插入法)可用于测量刀具、切屑和工件上指定点的温度，并可测得温度分布场和最高温度的位置。人工热电偶法测温装置如图2-4所示。在刀具或工件被测点处钻一个小孔(孔径越小越好，通常0.5mm)，孔中插入一对标准热电偶并使其与孔壁之间保持绝缘。切削时，热电偶接点感受出被测点温度，并通过串接在回路中的毫伏计测出电势值，然后参照热电偶标定曲线得出被测点的温度。 人工热电偶法的优点是：对于特定的人工热电偶材料只需标定一次；热电偶材料可灵活选择，以改善热电偶的热电敏感性和动态响应速度，提高热电偶传感质量。
34、但由于将人工热电偶埋入超硬刀具材料(如陶瓷、PCBN、PCD等)内比较困难，因此限制了该方法的推广应用。3）半人工热电偶法 将自然热电偶法和人工热电偶法结合起来即组成了半人工热电偶法。半人工热电偶是将一根热电敏感材料金属丝(如康铜)焊在待测温点上作为一极、以工件材料或刀具材料作为另一极而构成的热电偶。采用该方法测量切削温度的工作原理与自然热电偶法和人工热电偶法相同(见图2-5)。由于半人工热电偶法测温时采用单根导线连接，不必考虑绝缘问题，因此得到了较广泛的应用。 图2-4 人工热电偶法测温示意图 图2-5 半人工热电偶法测温示意图自然热电偶法测量切削温度简便可靠，但无法测得切削区指定点的温度；
35、人工热电偶法由于将人工热电偶埋入超硬刀具材料(如陶瓷、PCBN、PCD等)内比较困难；半人工热电偶法将自然热电偶法和人工热电偶法结合起来即组成了半人工热电偶法，不必考虑绝缘问题。2.3.2 本课题的测温方法结合上面对于加工中热电偶测温方法的应用，我们知道自然热电偶法测量切削温度简便可靠，但无法测得切削区指定点的温度，而半人工热电偶法将自然热电偶法和人工热电偶法结合起来即组成了半人工热电偶法，不必考虑绝缘问题，但是由于半人工热电偶是一个非标准的热电偶，其测温结果不能直接根据分度表查到。而我们所设计的装置主要是为实验研究所用的，不必要有那么高的测温精度，所以我们可以直接选用标准热电偶，即人工热电偶
36、。因它是标准的热电偶，热电偶的热电动势与温度的关系表即热电偶分度表都已经标准化，这样就可以很方便的由测量温度查出与之相对应的热电动势，反之亦然。装置进行温度的测量时的工作图，如图2-6所示：图2-6 热电偶测温工作图理论上讲，任何两种不同材料导体都可以组成热电偶，但是为了准确可靠的进行温度测量，必须对热电偶组成材料进行严格的选择。目前工业上常用的4种标准化热电偶材料为：铂铑30-铂铑6、铂铑10-铂、镍铬-镍硅和镍铬-铜镍（我国通常称为镍铬-康铜）。 因本文所需的加热温度为0-1050摄氏度，我们选用镍铬-镍硅材料的热电偶，这种材料可以长期工作在1000摄氏度左右的温度环境下。下表2-1列出了
37、镍铬-镍硅标准化热电偶的分度表.表2-1 K型(镍铬-镍硅)热电偶分度表热电动势/MV测量端温度/0C0102030405060708090-0-0.000-0.392-0.777-1.156-1.527-1.889-2.243-2.586-2.920-3.242+00.0000.3970.7891.2031.6112.0222.4362.8503.2663.6811004.0954.5084.9195.3275.7336.1376.5396.9397.3387.7372008.1378.5378.9389.3419.74510.15110.56010.96911,38111.79330012
38、.20712.62313.03913.45613.87414.29214.71215.13215.55215.97440016.39516.81817.24117.66418.08818.51318.93819.36319.78820.21450020.64021.06621.49321.91922.34622.77223.19823,62424.05024.47660024.90225.32725.75126.17626.59927.02227.44527.86728.28828.70970029.12829.54729.96530.38330.79931.21431.62932.04232
39、.45532.86680033.27733.68634.09534.50234.90935.31435.71836.12136.52436.92590037.32537.72438.12238.51938.91539.31039.70340.09640.48840.897100041.29641.65742.04542.43242.81743.20243.58543.96844.34944.729110045.10845.48645.86346.23846.61246.98547.35647.72648.09548.462120048.82849.19249.55549.91650.27650
40、.63350.99051.34451.69752.049130052.398-注:1、参考端温度为00C。 2、K为镍铬-镍硅热电偶的新分度号，旧分度号为EU-2。3 测温装置的设计3.1装置的总体设计设计一套高频感应钎焊金刚石刀具的测温装置，该装置既能满足焊接所需要的条件，又能实现实时测温的要求。本次设计的目的就是设计此装置从而利用高频感应加热机sp-25进行钎焊金刚石工具的基础研究，对焊接部位加热，用热电偶实时测量加热基体块的温度。所谓高频感应加热机（sp-25），它主要是对金属进行感应式的加热（非接触性的）；能对金属快速加热，有省电、体积小、安装方便、操作方便、安全可靠、加热速度快等的优
41、点可用于机械零件淬火、退火、焊接、回火；工具行业：硬质合金刀具、钎头、刃具、钻具焊接，金刚石刀具、刃具、钻具焊接、钻花轧制；五金行业：钳子、剪刀、菜刀、斧头等淬火；冶金行业：粉末冶金烧结、金属熔炼。 测温装置的总体结构参照图3-1：图3-1 测温装置结构图首先，由于焊接过程中经受高温，为防止高频感应钎焊时金刚石的氧化和石墨化以及钎料的氧化，所以实验要在一定的保护气氛下进行焊接，本试验选用惰性气体氩气作为保护气体，其中圆形底座侧面开有两个孔以连接氩气的输气管。在底座和基体块之间还有一个起支撑作用的螺柱。其次，因本次实验是为研究设计的，在钎焊过程中必须能观察钢基体和焊料、金刚石的加热过程，所以本设
42、计采用壁厚2mm的石英玻璃管为观察窗口。同时为保证该装置的密封性和可拆装，我们选择使用O形密封圈来实现石英玻璃管下端与装置底座之间密封。再次，在石英玻璃管的上端设置了上端盖，与上端盖相配合的是移动体结构，其上设有两个相互对称的拉环，用以拖动移动体及其上部的零部件带动偶丝的左右移动，而与移动体相连接的螺纹套筒和其内部的紧固块、弹簧组合在一起，当旋转螺纹套筒时，弹簧凭借其自身的恢复力和外界的压力，带动紧固块一起上下移动，这就实现了偶丝的上下移动，因为偶丝被螺钉紧固在了紧固块上面，它随着紧固块一起上下运动。这就避免了热电偶丝被焊接到基体块上这种状况的发生，同时实现了对加热表面的多点测温的要求。3.2
43、零部件的设计3.2.1、移动部件和紧固块的设计 因为在焊接过程中有温度测量的需要，所以测量完毕后必须将热电偶丝移开，否则偶丝会被焊到基体块表面，为避免这种现象的发生，这就要求热电偶丝能上下移动，而且为了能够实现对加热表面的多点测温，提高测量精度，我们就需要设计一套针对热电偶丝的移动及定位部件。首先，要使热电偶丝能上下移动必须有一个着力点、紧固点，所以我们可以在紧固块结构中采用螺钉来固定热电偶丝。其次，紧固块在螺纹套筒中也必须能上下移动从而通过紧固块带动热电偶丝上下移动。所以在紧固块和螺纹套筒之间通过弹簧连接来实现这一动作。此外，在紧固块移动的过程中，热电偶丝及其后的接线会随着紧固块的旋转而旋转
44、，致使热电偶丝发生缠绕等不利于测量的因素产生。因此，在紧固块通过螺纹旋拧上下运动时，热电偶丝也应上下运动而不是旋转运动。再者，螺纹套筒和紧固块都安装在移动体上，移动体将带这两者一起移动，因此，只要使移动体左右动作就可实现偶丝的左右移动。故，我们将移动体与上端盖的配合部分做成燕尾槽式，上端盖内部一定尺寸做成中空，避免挤压到热电偶丝，当拉动端盖上的拉环时，既可实现偶丝的左右移动。所以我们的这一零部件的设计正好。3.2.2防氧化装置 整个设计要求在可见的装置中，以便在加热测温过程中能够可观直接的了解。玻璃石英管具有较好的耐热行，在设计过程中要求工件加的温度达到1000度，在综合客观因素玻璃石英管是最佳选择。如图3-2 图3-2 3.2.3移动热电偶丝装置该装置最组要的部分就是移动装置，为了使偶丝能够上下移动我设计了如下的装置。该装置我采用了螺纹配合，图中共采用两处螺纹配合。第一，上端盖与移动装置之间，第二，为了使固定偶丝的滑块上下移动我采用了推顶两种方式，推就是用螺纹配合向下旋转使得偶丝滑块向下移动，然而在向下的过程到达一定程度要向上移动，这是采用螺纹向上移动，但是由于重力的作用偶丝滑块不可能向上移动，所以在滑块下面安装了弹簧，这样既限制滑块的行程，又使滑块能够向上移动.如图3-3 图3-33.3弹簧校核
