Главная | Обратная связь

Методы измерения температур в зоне резания

Измерение температуры резания термоэлектрическим методом

Если в цепи, состоящей из двух проводников А и В (рис. 3.3) соединенных между собой в точках 1 и 2, менять температуру одной из точек, то в цепи появится ЭДС, называемая термоэлектродвижущей силой и являющаяся функцией разности температур мест соединения проводников.

Система двух разнородных металлов, имеющих общую точку контакта, получила название термопары; общая точка контакта называется спаем или головкой термопары. Помещая спай термопары в среду, температуру которой необходимо определить, по показаниям включенного в цепь этой термопары милливольтметра, можно судить о температуры среды.

Рис.3.3. Физическая схема термопары

Таким образом, измерение температуры рассматриваемым методом сводится к измерению термоэлектродвижущей силы, которую термопара развивает при строго постоянной температуре одной из точек соединения. Наиболее простым и доступным способом измерения средней температуры на всей поверхности соприкосновения инструмента со стружкой и изделием, называемой обычно, температурой резания, является естественная термопара.

 

Метод естественной термопары

Элементами естественной термопары (рис. 3.4) являются разнородные металлы резца и детали. Разность между температурой контакта «резец — деталь» в процессе резания и холодными концами резца и детали приводит к возник­новению термоэлектродвижущей силы. Если замкнуть электриче­скую цепь между резцом и деталью посредством медного кольца и подвижного контакта, включенный в цепь регистрирующий прибор покажет величину термоэлектродвижущей силы.

Метод позволяет определить усредненную темпера­туру в зоне резания вдоль режущего лезвия.

Следует отметить, что при таком методе измерения темпера­туры резания будет появляться паразитная термоэлектродвижущая сила, возникающая в месте контакта «деталь — задний центр». Но величина ее будет значительно меньше, чем термоэлектродвижущая сила в зоне «резец — деталь», так как температура резания значительно превосходит температуру трения детали и заднего центра. Поэтому влиянием термоэлектродвижущей силы, возникающей при трении детали и заднего центра, можно пренебречь. Для уменьшения паразитных термоЭДС необходимо изолировать электрические массы системы СПИД.

Метод двух резцов. Этот метод позволяет не тарировать милливольтметр при обработке различных материалов. Он применяется для относительного сравнения температур при обработке различных материалов. Резание заготовки производится одновременно двумя резцами из различных инструментальных материалов, например из быстрорежущей стали и твердого сплава. Геометрия заточки резцов и режимы резания совер­шенно одинаковы. Поэтому можно считать, что приближенно на режущих лезвиях каждого резца возникает одинаковая темпера­тура резания. Но так как резцы изготовлены из разных материалов, их можно уподобить элементам термопары, и включенный между ними гальванометр будет показывать ЭДС, которая тем больше, чем выше Qрез. Здесь обрабатываемый материал служит только электрическим проводником и на показания гальванометра не влияет. Если один раз такой прибор протарировать, можно оценивать температуру резания при обработке различных металлов. Правда, абсолютная точность показаний здесь не очень велика, так как Qрез на резцах будут несколько отличаться из-за разной их теплопроводности и разной величины сил резания. Поэтому область применения метода двух резцов ограничена.

Рис.3.4. Схема измерения температуры Q_рез в зоне резания методом естественной термопары

 

В основном он используется для относительной оценки величины Qрез и сравнения ее при обработке различных металлов. Кроме того, метод естественной термопары дает усредненную температуру в зоне резания контактных поверхностей инструмента с обработанной поверхностью и стружкой, т.е. это как бы среднее арифметическое из множества показаний мелких термопар. Усреднение достигает ошибки до 30...40 %.

Искусственная и полуискусственная термопары

Большой ин­терес представляет непосредственное измерение температур в зоне резания. Еще Я. Г. Усачев впервые произвел измерение температуры методом искусственной термопары. Для этого в резце снизу просверливается отверстие диаметром 1,5 мм, которое на 0,5 мм не доходит до передней поверхности резца. В отверстие вставляется термопара из изолированных медной и константановой проволок возможно меньшего диаметра (0,02... 0,05 мм). Под действием высокой температуры резания в термо­паре возникает термоэлектродвижущая сила, регистрируемая мил­ливольтметром или гальванометром. При помощи тарировочного графика показания милливольтметра переводятся в градусы. Однако такая термопара дает заниженные показания вследствие значительного удаления ее горячего спая от режущего лезвия.

Кроме этого, Я.Г. Усачев предложил и другой метод измере­ния температур в зоне резания. С этой целью в резце сверлится канал диаметром 1 мм, который около задней поверхности перехо­дит в отверстие диаметром 0,4 мм (рис.3.5). В это отверстие затягивается константановая проволочка, изолированная от широкой части ка­нала стеклянной трубочкой. Конец проволочки на задней поверх­ности расклепывается. Элементами термопары являются прово­лочка и резец. Такая термопара называется полуискусственной. Недостатком ее является сложность изготовления специальных резцов, которые допускают малое количество переточек. К тому же показания термопары дают заниженные значения температуры резания, так как горячий спай термопары расположен не на самом режущем лезвии, а на некотором удалении от него.

Метод искусственной термопары. Данный метод применяют для получения температуры в любой точке зоны резания, что достигается установкой большого количества термопар (до 80 штук) в одной головке резца, причем край­ние из них находятся от режущего лезвия на расстоянии 0,7 мм. (рис. 3.6)

Рис. 3.5. Схема измерения температуры в известной точке режущего клина методом искусственной термопары

Рис 3.6. Схема относительного перемещения спая искусственной термопары в объеме режущего клина по мере переточек

Тарировка термопары

Чтобы перейти от показаний в милливольтах к градусам (°С), каждая термопара должна быть протарирована с тем милливольтметром, который будет включен в ее цепь при измерениях температуры.

Тарирование заключается в том, что для термопары строят график, показывающий значения температуры, соответствующие различным отклонениям стрелки милливольтметра, включенного в цепь термопары.

Для построения тарировочного графика спай тарируемой термопары помещают в песочную ванну или муфельную печь; в непосредственной близости к спаю этой термопары помещают спай ранее протарированной так называемой контрольной термопары, после чего изменяют температуру ванны или печи и через определенные интервалы одновременно фиксируют показания тарируемой и контрольной термопар (рис. 3.7).

Ряд таких одновременно записанных температур и показаний милливольтметра тарируемой термопары позволяет построить график, располагая которым можно определить температуру исследуемой среды.

Тарирование естественной термопары представляет собой сложный процесс, при котором должны быть созданы условия, близкие к реальной обстановке процесса резания. Это обстоятельство является существенным недостатком естественной термопары, тем более, что при проведении точных

Рис.3.7. Принципиальная схема тарировки термопары

Рис. 3.8. Тарировочный график

испытаний всякий раз при смене резца или заготовки, тарирование необходимо производить заново.

В дальнейшем при работе показания милливольтметра расшифровывают по тарировочному графику (рис. 3.8). Здесь же необходимо указать, что процесс такой тарировки громоздкий. Кроме того, свойства обрабатываемого материала и условия контакта при тарировании и в процессе резания будут различными. Таким образом, такая тарировка дает приближенные данные о температуре резания.

 

Метод микроструктурного анализа

Данный метод разработан А. П. Гуляевым и Б. И. Костецким и основан на определении остаточных изменений микроструктуры и твердости материала режущей части инструмента, возникающих вследствие тепловых явлений, происходящих при резании. Для того чтобы судить о температуре резания, предварительно следует знать, какие микроструктуры, фазовые состояния и твердость соответствуют различным температурам. Недостатком метода является его большая трудоемкость и невозможность определения низких температур.

 

Наблюдение за цветами побежалости

Этот метод является наиболее простым для определения температуры в зоне резания. Цвета побежалости появляются при высокой температуре на поверхности стружки в результате ее окисления. При этом светло-желтому цвету соответствует температура около 493К, пурпурному — 543К и светло-синему — 593К. Этот метод чрезвычайно примитивен, субъективен и точных результатов дать не может.

Метод термокрасок

Данный метод основан на изменении цвета специальных красок, нанесенных на рабочие грани инструмента, в зависимости от температуры.

 

Оптический метод

Этот метод основан на принципе собирания лучеиспускаемой теплоты. Сконцентрированнные при помощи линз тепловые инфракрасные лучи направляются через диафрагму на место спая термоэлектродов, в цепь которых включен гальванометр. При этом можно получить данные о нагреве стружки и заго­товки в различных точках их боковой поверхности. Недостатком метода является трудность тарировки, сложность применяемых приборов, неудобство их крепления, а также неточность показаний из-за существующих тонких пленок окислов.

 

Калориметрический метод

Для определения средней темпера­туры стружки пользуются специальными калориметрами, в которые попадает горячая стружка. Исходя из ее веса, веса воды, налитой в калориметр, и перепада температур воды до и после попадания стружки в калориметр находят температуру стружки.