在金属切削加工中,切削温度直接影响零件表面完整性、加工精度和刀具寿命,然而受限于刀具-切屑接触区的强时变局部高温、狭小区域面积和大温度梯度等因素,以及切削液、油污和切屑等强干扰,切削温度的原位在线测量面临着巨大挑战。光纤传感器具有尺寸微小、耐高温、抗电磁干扰、化学稳定性高等一系列优良特性,将其内置于刀具中,可实现恶劣复杂工况下的切削刀具温度非接触式原位在线测量。为了获取刀具切削过程的高时空分辨温度分布,本文针对现有切削温度测量方法所面临的共性问题,提出了基于近红外光纤传感的切削区域温度原位在线测量方法,并围绕切削温度展开了温度场重建与刀具磨损状态监测研究,具体研究内容如下:1.针对已有切削测温方法中存在的恶劣工况下稳定性差、切削液/切屑强干扰、温度原位测量困难等问题,提出了一种基于近红外光纤传感的改进比色切削温度测量方法。改进模型考虑了滤波片带宽等因素的影响,引入了光谱发射率坡度补偿机制,对主要误差来源进行了修正。在所选硬件参数下,改进模型的理论计算误差仅为传统模型的48.12%。开发了近红外光纤比色切削温度测量系统,标定结果显示在常用的300-700°C测温范围内,测量相对误差始终小于1.5%。采用测温系统开展了不锈钢切削测温实验,实现了无切削液/有切削液工况下的刀具温度原位在线测量,以及干切削工况下的切屑温度原位在线测量。连续切削实验验证了切削用量与刀具温度之间的正相关关系,断续切削测试表明系统温度测量时滞约10 ms。该工作提升了光纤比色切削温度测量精度,为恶劣工况、强干扰环境下的切削刀具温度原位在线测量提供了借鉴。2.针对光纤比色法对300°C以下温度测量准确性差的问题,提出了一种基于近红外光纤传感的多光谱切削温度测量方法,利用热辐射光谱进行温度测量,在实现更精确测量的同时将温度测量下限优化至150°C。标定结果表明,在150-200°C范围内,测量平均相对误差小于2%;在200-250°C范围内,测量平均相对误差小于1%;在250°C以上范围内的相对测量误差稳定在0.5%以下。采用光纤多光谱测温系统开展了钛合金切削测温实验,实现了无切削液/有切削液工况下的刀具温度原位在线测量,以及干切削工况下的切屑温度原位在线测量,研究了切削用量对切削温度的影响,验证了测温系统对切削状态的实时响应。该工作拓宽了基于近红外光纤传感的切削温度测量范围,获得了更优测量精度,为切削温度准确测量奠定了坚实基础。3.针对已有的切削过程热传导反问题求解算法中存在的时间滞后、稳定性差、计算效率低等困难,提出了一种基于长短期记忆编解码器的切削热流密度在线估计方法。该方法在不使用未来信息的前提下,建立了温度序列与热流密度序列间的映射关系,实现了端到端学习。该模型实测单步计算耗时仅约30 ms,符合在线计算要求。与其他经典模型相比,所提出的模型在所有测试的噪声水平下均具有最小的相对均方根误差,展现出了良好的鲁棒性和抑噪能力。基于光纤多光谱温度测量信息,进行了不同切削速度下钛合金切削过程的热流密度在线估计与温度场重建,并将重建温度场与热电偶温度测量结果进行对比验证,证明了热模型、热传导反问题求解算法和温度场重建结果的准确性。该工作为无时滞、非线性、复杂三维切削刀具温度场在线重建提供了新思路。4.基于所开发的近红外光纤切削温度测量方法,开展了面向刀具磨损状态监测的应用研究。采用基于近红外光纤传感的多光谱测温系统,开展了钛合金切削的刀具磨损过程测温实验,测温系统显示出了优异的刀具状态在线监测能力。将多光谱测温原始信号作为输入,采用稀疏自动编码器与k-均值聚类结合的机器学习模型,进行刀具磨损状态辨识,模型显示出了良好的在线预测性能和97.3%的分类预测精度。采用基于近红外光纤传感的改进比色测温系统,开展了不锈钢切削的刀具磨损过程测温实验,证明了测温系统的在线监测能力,将所测刀具温度作为模型输入,基于短时傅里叶变换和卷积神经网络,实现了刀具后刀面磨损量预测。该工作证明了所提出的刀具温度测量方法在状态监测领域的应用潜力,为刀具磨损状态监测开辟了新途径。