Исследование влияния режима резания на температуру

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Физические причины нагрева при резании

1.2 Влияние различных факторов на температуру при резании

1.2.1 Влияние скорости резания

1.2.2 Влияние элементов среза

1.2.3 Влияние физико-механических свойств обрабатываемого материала на температуру

1.2.4 Влияние геометрических параметров инструмента на температуру

1.3 Способы определения температуры

1.3.1 Термопары различного конструктивного исполнения

1.3.2 Термопреобразователи сопротивления

1.3.3 Термоиндикаторы

1.3.4 Волоконно-оптические термопреобразователи

1.3.5 Кварцевые термопреобразователи

1.3.6 Транзисторные термопреобразователи

1.3.7 Метод бесконтактного измерения температур

2. КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Разработка конструкции измерительной оснастки

2.1.1 Конструкция резца

2.1.2 Конструкция специального корпуса

2.2 Выбор термопары и ее характеристики

2.3 Расчет деталей оснастки на прочность

2.3.1 Расчет силы резания

2.3.2 Допускаемая сила для работы на станке УТ16

2.3.3 Проверка на прочность корпуса резца

2.3.4 Расчет болтового соединения

2.3.5 Действующие на прижим усилия

2.3.6 Расчет крепления твердосплавной пластинки

3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

3.1 Разработка технологического процесса изготовления детали

3.1.1 Описание конструкции и назначения детали

3.1.2 Технологический контроль чертежа детали

3.1.3 Анализ технологичности конструкции детали

3.1.4 Выбор способа изготовления и формы детали

3.1.5 Разработка маршрута обработки детали

3.1.6 Расчет припуска на обработку

3.1.7 Выбор оборудования

3.1.8 Выбор режущего инструмента

3.1.9 Выбор приспособлений

3.1.10 Выбор режимов резания

3.1.11 Техническое нормирование операции

3.2 Разработка технологии сборки измерительного устройства

3.2.1 План сборки детали

3.3 Технология настройки и тарировки

3.3.1 Технология настройки

3.3.2 Тарировка прибора

4. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕЖИМА РЕЗАНИЯ НА ТЕМПЕРАТУРУ

4.1 Оборудование, применяемое при исследовании

4.2 Исследование влияния на температуру скорости резания

4.3 Исследование влияния глубины резания на температуру токарной обработки

4.4 Влияние на температуру подачи токарного станка

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ

Насыщенность современной техники комплексом взаимосвязанных автоматизированных агрегатов и систем требует безотказной работы всех деталей и узлов в течение заданного ресурса. В решении этой важной задачи большую роль играет повышение качества продукции машиностроительных предприятий путем непрерывного совершенствования технологии механической обработки деталей машин.

Среди процессов, присущих механической обработке, важное место принадлежит тепловым явлениям. Тепловые процессы протекают во всех без исключения элементах технологической системы (металлорежущем станке, инструменте, трущихся парах, обрабатываемой детали и т. д.). Тепловые процессы оказывают существенное влияние на уровень нагрева элементов технологической системы, на контактные явления трущихся пар, на качество поверхностного слоя (появление шлифовочных дефектов -- прижогов, трещин и др.)» на наростообразование и эффективность протекания адгезионных и диффузионных процессов в зоне шлифования.

Для решения задачи контроля температуры современная измерительная техника может предложить различные методы и множество приборов. Выбор методов и средств измерения в первую очередь обусловлен требуемой точностью, инерционностью, рабочим температурным интервалом и т. д. Помимо этого необходимо учитывать и особенности, свойственные элементам технологической системы: подвижность, труд недоступность, незначительные размеры (например, абразивных зерен) и т. д. Поэтому для правильного назначения средств измерения необходимо располагать сведениями об их конструктивных особенностях, возможностях и пределах применимости.

Знания в области анализа тепловых процессов и умение управлять данными процессами необходимы квалифицированному инженеру-механику вне зависимости от того, в какой области машиностроительного производства он работает.

Умение проводить большой круг теплофизических расчетов и экспериментов служит важной квалификационной характеристикой инженера-технолога машиностроителя. Это, прежде всего определение температур в поверхностных слоях металла при обработке деталей, поскольку температура влияет на структуру и напряженное состояние этих слоев, следовательно, и качество готовой продукции (как часто говорят, на технологическую наследственность в изделиях). Немалую роль играет также умение определять температурные деформации в технологических системах, так как они влияют на точность изготавливаемой продукции и на ее взаимозаменяемость.

Даже сравнительно краткое и неполное перечисление задач, с которыми может встретиться на практике инженер-механик, показывает, что изучение основ анализа тепловых процессов в технологических системах играет важную роль при подготовке квалифицированных специалистов для машиностроительного производства.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Физические причины нагрева при резании

Выделение теплоты при снятии стружки (формула 1.1) объясняется тем, что в теплоту преобразуется механическая работа, затраченная на срезание стружки [1]:

_, Дж, (1.1)

где А_деф, А_тпп, А_тзп - работа, затрачиваемая соответственно на упругую и пластическую деформации срезаемого слоя, на преодоление сил трения по передней и задней поверхностям, Дж.

Работа резания, формула 1.2:

, Дж, (1.2)

где - сила резания, действующая в направлении скорости резания, Н;

L - путь проходимый режущим инструментом, м.

На долю частей общей работы резания приходится примерно: А_деф=55%, А_тпп=35%, А_тзп =10%. Если возьмем путь пройденный инструментом в одну минуту, то получим минутную работу (формула 1.4) [1]:

, Дж, (1.4)

где V - скорость резания, м/мин;

- сила сдвига или сила в плоскости сдвига, Н;

- скорость сдвига, м/мин;

- сила трения по поверхности инструмента, Н;

- скорость движения стружки по передней поверхности зуба, м/мин;

- скорость обратной поверхности относительно задней поверхности зуба инструмента, м/мин.

Практически в теплоту (формула 1.5) переходит вся работа резания (больше, чем 99,5%).Следовательно, количество тепла, выделяемое при резании, составляет:

, Дж , (1.5)

Образующая при резании теплота распространяется от точек с высшей температурой к менее нагретым точкам. Она главным образом выделяется вследствие работы, затраченной на пластическую деформацию, и уходит в основном со стружкой, а частично остается в инструменте. Схема тепловых потоков при резании показана на рисунке 1.1. Теплота от трения по передней поверхности III и задней IV поверхности зуба инструмента идет соответственно в переднюю и заднюю его поверхности в стружку II и деталь I.

Рисунок 1.1 - Схема образования и распределения тепла:

1-зона сдвига; 2-изотермы

Незначительная часть уходит в окружающую среду. В основном она распространяется между стружкой и деталью и инструментом. Зная количество тепла, выделяемое в процессе резания и распространяемое между стружкой, деталью и инструментом можно записать тепловой баланс (формула 1.6) при резании:

, Дж, (1.6)

где - соответственно теплота, переходящая в стружку, инструмент, деталь и окружающую среду, Дж.

Эксперименты показывают, что при работе резцами с не большой скорость резания (до 30…40 м/мин) относительная доля тепла составит: Q_c ?60...70%; Q_ин ? 3%; Q_д ?30...40%; Q_ос ? 1...2 %. Установлено, что чем ниже теплопроводность обрабатываемого материала, тем больше теплоты уходит в инструмент. По мере увеличения скорости резания значительно растет относительное количество теплоты, уходящей в стружку, По опытам С. С. Можаева при скорости V= 400...500 м/мин она распределяется так Q_с ? 97…98%, а Q_ин ? 1%.

При обработке пластичных материалов стружка у передней поверхности зуба инструмента нагревается больше чем наружная ее сторона. Это является следствием работы трения стружки о переднюю поверхность инструмента. Неравномерность нагрева стружки по ее сечению относительно велика, концентрация тепла в прирезцовых областях стружки и их высокотемпературный нагрев в условиях высоких давлениях при резании является причиной того, что тонкие слои обрабатываемого материала приходят в состояние оплавления, образуя текущий слой. В прирезцовом слое максимальная температура Q возникает на расстоянии (0,4…0,5)l (l- длина контакта стружки с передней поверхностью инструмента).

При V=10, м/мин максимальная температура Q_мах на передней поверхности зуба инструмента приблизительно составляет 813⁰К, а на расстоянии 0,2 мм в глубь передней поверхности инструмента ?723⁰К; при V=200м/мин соответственно 1538⁰ и 673⁰К. При обработке материалов низкой теплопроводности, например титанового сплава ВТ2, в резец уходит значительно больше тепла, чем при точении обычных материалов.

Необходимо отметить, что температура резания в разных точках зоны резания различна по величине. Отдельные точки отдельных поверхностей инструмента и стружки имеют неодинаковую температуру. Кроме того, в каждой данной точке температура может изменяться с течением времени [1]. Наибольшее количество теплоты всегда концентрируется в тонких слоях стружки, прилегающих к передней поверхности. В этих слоях температура намного превышает температуру в зоне сдвига. По мере удаления от передней поверхности резца температура слоев стружки значительно падает. В прирезцовом слое максимальную температуру можно наблюдать в середине длины площадки контакта. От этой области температура начинает убывать как по направлению к режущей кромке, так и по направлению к точке отрыва стружки от передней поверхности. Температура обрабатываемого материала, находящегося ниже поверхности резания, значительно меньше температур в стружке и на площади сдвига. Режущий клин тоже нагревается неравномерно. Сильнее всего нагрет участок передней поверхности, расположенный в середине длины площадки контакта, тогда как у вершины уровень температур значительно меньше. По мере удаления от передней поверхности температура в режущем клине изменяется намного менее значительно, чем температура стружки. Наиболее хорошо это видно на рисунок 1.2, где показана температура поля в стружке детали и резце при точении стали ШХ 15 резцом из твердого сплава Т14 К8 ( S=0,5 мм; t=4 мм; V=80м/мин) [2].

Распределение температур во всех точках рассматриваемого участка материала в данный момент времени принято называть температурным полем (формула 1.7). Уравнение его в общем виде:

, Дж, (1.7)

где x, y, z- координаты исследуемой точки;

-время действия на точку источника тепла.

Если процесс резания осуществляется с постоянным режимом, температура различных точек зоны резания растет лишь в первый момент времени, а затем температуру каждой точки можно считать примерно неизменной (рисунок 1.2). Такой температурный режим называется стационарным и для него уравнение температурного поля будет выражено в формуле 1.8.

Рисунок 1.2 - Температурные поля в стружке, детали и резце при точении стали ШХ15 резцом из твердого сплава Т14К8 (V = 80 м/мин, S = 0.5 мм/об, t = 4 mm)

, Дж. (1.8)

Решение задачи о температурном поле в зоне резания теоретическим путем на основе теории теплоотдачи является очень сложным. Получаются громоздкие и сложные коэффициенты, зависящие от физических свойств обрабатываемого и инструментального материалов, которые нам обычно неизвестны.

Рассмотрим в качестве примера схему теоретического решения задачи относительно температур контактной поверхности и стружки, формула 1.9:

, С, (1.9)

где - температура, возникающая от теплоты в результате деформации срезаемого металла, находится по формуле 1.10;

- температура, возникающая от теплоты трения.

, С, (1.10)

где - удельная работа деформации на 1 мм³ находится по формуле 1.11;

C - теплота металла, нагретая стружкой;

d - удельный вес металла стружки.

. (1.11)

При этом считается, что все возникающее тепло остается в стружке, а в действительности часть его уходит в деталь. При достаточно больших скоростях резания этим можно пренебречь.

Температура возникающая в результате трения, находится следующим образом. Выделим в стружке элементарную плоскую полоску длинной dL (рисунок 1.3) За время нахождения полоски в контакте с передней поверхностью инструмента к ней подводится теплота трения. Время контакта полоски с передней поверхностью инструмента равно (формула 1.12):

, мин, (1.12)

где - коэффициент усадки стружки.

Рисунок 1.3 - К расчету температуры, возникающей от теплоты трения:

1 -- эпюра температур элементарной полоски

Рассмотрим эту элементарную полоску как стержень, на одной стороне которого поддерживается температура Q_тр. Величина этой температуры в теории теплообмена определяется по формуле 1.13:

, С, (1.13)

где F - сила трения;

V - скорость резания;

в - ширина среза;

л - теплопроводность стружки;

c - теплоемкость стружки;

d - удельный вес;

- коэффициент усадки стружки.

Таким образом, зная величины и , для расчета температуры контактной поверхности стружки можно воспользоваться формулой 1.7.

1.2 Влияние различных факторов на температуру при резании

Оценивая влияние какого-либо фактора на температуру резания, необходимо учитывать изменение условий подвода и отвода тепла в этой зоне. Иным словами можно сказать, что на температуру резания оказывают влияние те же факторы, что и на изменение баланса тепла. Рассмотрим, как будет меняться температура резания в зависимости от скорости резания, ширины и толщины среза, физико-механических свойств обрабатываемого материала и других факторов.[2]

1.2.1 Влияние скорости резания

При увеличении скорости резания возрастает количество тепла в зоне резания, а также температура нагрева детали (формула 1.14), стружки и инструмента. Но рост температуры в зоне резания отстает от роста скорости резания. Это отставание особенно усиливается в зоне высоких скоростей, что заметно из рисунка 1.4.

Кривые можно заменить отдельными прямыми и получить простые зависимости:

, С, (1.14)

где - коэффициент, учитывающий влияние на температуру резания всех остальных факторов, кроме скорости резания;

б - показатель степени, учитывающий интенсивность влияния скорости резания на повышение Q_рез.

Обычно б<1, при обработке стали со скоростями V=10… 20 м/мин б=0,5; при V=25…45 м/мин б=0,4; при V=45…185 м/мин б=0,2.

Температура в зоне резания при тяжелых условиях работы может достигать 1273..1373⁰ К. С увеличением V растет работа резания и, следовательно, количество выделяемой теплоты, но непосредственно в резец переходит очень небольшая часть этого тепла, а основное количество уносится стружкой. Кроме того сила Р_z с увеличением скорости тоже уменьшается. Унос тепла стружкой тоже растет с повышением скорости резания и поэтому, нет прямой зависимости изменения температуры от скорости резания.

Рисунок 1.4 - Зависимость температуры от скорости резания

1.2.2 Влияние элементов среза

С увеличением ширины среза b прямо пропорционально растет сила, работа резания и количество выделяемой теплоты. Во столько же раз увеличивается и длина активной части режущего лезвия (рисунок 1.5), а соответственно и отвод тепла. Поэтому с увеличением b температура изменяется незначительно. Экспериментальным путем установлена зависимость [1] (формула 1.15):

,С, (1.15)

где - коэффициент, учитывающий влияние на температуру резания всех остальных факторов, кроме ширины среза;

- показатель степени, учитывающий влияние ширины среза на повышение Q_рез. Обычно в=0,1.

Рисунок 1.5 - Длина активной части режущей кромки резца при различной ширине среза

В зависимости от толщины срезаемого слоя увеличивается сила Р_z примерно в степени 0,75, а, следовательно, работа резания и количество выделяемого тепла. Одновременно растет площадь контакта стружки с передней поверхностью резца. Это улучшает условия отвода тепла, поэтому увеличение температуры (формула 1.16) отстает от роста толщина среза.

,С. (1.16)

где г?0,2…0,3

1.2.3 Влияние физико-механических свойств обрабатываемого материала на температуру

На силы резания, а значит, и на работу резания и количество тепла, а также на условия теплоотвода оказывают влияние физико-механические свойства обрабатываемого материала. На температуру резания они влияют в такой же степени, как и на силу резания Р_z , то есть имеется тенденция к увеличению при повышении прочности, твердости и пластичности обрабатываемого материала. Большое воздействие на температуру резания оказывает теплопроводность материала, который находится в обработке, и характер его микроструктуры. Чем выше теплопроводность обрабатываемого материала, тем ниже Q, так как отвод теплоты в стружку и в деталь более интенсивен.

В настоящее время довольно часто применяются жаропрочные, нержавеющие и другие труднообрабатываемые стали с высоким содержанием таких легирующих элементов, как Сг, Ni, W, Mn и т. д. Эти стали имеют аустенитную структуру и выделяются крайне низкой теплопроводностью. При обработке таких сталей температура резания значительно выше, чем при обработке обычных сталей перлитного класса. Еще меньше теплопроводность титановых сплавов, а, следовательно, 0 при обработке их очень высокая.

1.2.4 Влияние геометрических параметров инструмента на температуру

С изменением переднего угла изменяются условия подвода и отвода тепла, а значит и температура резания. С увеличением г уменьшается сила, а, значит, и работа резания, и количество выделившегося тепла. Однако при этом ухудшаются условия отвода тепла, потому что уменьшается величина угла заострения в, то есть массивность головки резца.

Поэтому существует некоторое оптимальное значение, г при котором уменьшаются силы резания и количество выделившегося тепла. С увеличением г выше оптимального значения уменьшается массивность головки резца, ухудшаются условия отвода тепла (рисунок 1.6) [2].1

Рисунок 1.6 - Зависимость температуры резания от переднего угла инструмента

С уменьшением главного угла в плане ц увеличивается угол при вершине е, что приводит к возрастанию массы головки резца и ухудшению теплоотвода, а следовательно, к уменьшению Q_рез и наоборот (рисунок 1.7).

Рисунок 1.7 - Зависимость температуры резания от главного угла инструмента в плане

1.3 Способы определения температуры

Используемые в данное время экспериментальные методы исследования тепловых процессов в зоне резания чрезвычайно разнообразны и благодаря их надежности и простоте являются основным методом исследования. С их помощью можно определить количество выделяемой теплоты и его распределение между стружкой, деталью и инструментом; температуру контактных площадок инструмента; температурные поля в зоне деформации и режущем клине инструмента. Рассмотрим некоторые из них.

В научно-исследовательских работах и в инженерной практике используются как контактные, так и бесконтактные методы измерения температуры. В механической обработке наиболее широкое распространение получил контактный способ, при котором чувствительный элемент непосредственно касается исследуемого объекта. Что же касается средств измерения температуры, то их можно разделить в зависимости от природы измерительного сигнала, в который преобразуется температура. По этому признаку средства измерения, относящиеся к контактному способу, можно подразделить на следующие основные группы (рисунок 1.8) [3].

Рисунок 1.8 - Классификация методов и средств измерения температур

1.3.1 Термопары различного конструктивного исполнения

В этих датчиках термоэлектродвижущая сила (термоЭДС) однозначно связана с разностью температур рабочего и свободных спаев. Основные методы и средства измерения температуры представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Основные методы и средства измерения температуры

Методы определения температур	Схема измерения	Область применения
Контактный. Измерение температуры искусственной термопарой		Измерение температуры неподвижных обьектов(инструментов, деталей и узлов деталей машин).
Контактный. Определение температуры полуискусственной термопарой		Определение температуры как неподвижных, так и движущихся обьектов (резца, стружки).
Контактный. Измерение температуры естественной термопарой		Определение средней температуры по контактным поверхностям инструмента (резца, сверла, фрезы и т.д.)
Контактный. Измерение температуры перерезаемой термопарой		Определение распределения температуры по контактным поверхностям и кромкам инструмента.
Контактный. Измерение температуры терморизисторами.		Определение температуры как неподвижных открытых поверхностей, так и движущихся
Контактный. Измерение температуры термоиндикаторами.		Определение температуры сопряженных поверхностей, а также движущихся деталей металлорежущего станка.
Контактный. Измерение температуры волоконно-оптическими преобразователями.		Определение температуры труднодоступных обьектов.
Бесконтактный. Измерение температуры радиационным методом.		Определение температуры открытых как неподвижных, так и движущихся обьектов
Бесконтактный. Измерение температуры акустическим методом.		Определение температуры открытых поверхностей.

Искусственные и полуискусственные термопары [3].

При помощи этих термопар можно измерить местную температуру в резце, изделии, деталях металлорежущего станка, а также построить температурное поле как внутри этих элементов, в том числе и на их поверхности. В качестве искусственных применяются стандартные термопары.

По результатам измерений искусственными термопарами можно оценивать температуру контакта резец - стружка в процессе резания. Это - отличительная особенность искусственных термопар. Причем тепловое состояние поверхности контакта можно определять как при прерывистом резании, так и при работе изношенными инструментами.

При потребности в определении температурного поля режущих элементов используется сборная конструкция резца. Режущая пластинка выполняется небольшой толщины (1,5...2,0 мм). В головке резца просверливается отверстие, через которое рабочий спай термопары подводится к пластинке (таблица 1.1). Измеряется температура опорной поверхности пластинки. Термоэлектроды термопары тщательно изолируются друг от друга и от стенок отверстия. Учитывая небольшие размеры контактных площадок резца, рабочий спай термопары стремятся расположить как можно ближе к режущим кромкам. Это позволяет измерять температуру вблизи источников тепловыделения.

Следует подчеркнуть, что точность измерения температуры зависит от способа закрепления рабочего спая термопары к исследуемой поверхности. поэтому спай термопары плотно прижимают или приваривают, например, конденсаторной сваркой, к режущей пластинке. Используя пластинки неодинаковой толщины и располагая отверстия в различных точках передней и задней поверхностей, можно по результатам измерений построить температурное поле в резце.

Искусственными термопарами можно исследовать термический режим не только лезвийной, но и абразивной обработки.

Полуискусственные термопары отличаются от стандартных одним из термоэлектродов, в качестве, которого могут быть или обрабатываемый (таблица 1.1), или инструментальный (рисунок 1.9) материалы. Второй термоэлектрод -- проволока, обычно из копеля или константа. Полуискусственные термопары, в отличие от искусственных, подлежат градуированию. С помощью этих термопар можно установить распределение температуры не только внутри резца, но и на его передней поверхности. Один из вариантов конструктивного исполнения таких термопар представлен на рисунке 1.9. Через отверстие в корпусе резца проволочный термоэлектрод приводится в соприкосновение с режущей пластинкой, которая в данном случае выполняет роль второго термоэлектрода. Проволочный термоэлектрод изолируется от стенок отверстия. Рабочий спай такой термопары -- место соприкосновения (или сварки) проволоки с пластинкой. С целью термостатирования свободных концов термопары к пластинке иногда подсоединяют проводник, изготовленный из того же материала, что и пластинка.

Рисунок 1.9 - Измерение температуры резца полуискусственной термопарой

Естественная термопара [4].

В методе естественной термопары элементами термопары служат деталь и инструмент, которые, будучи разнородными металлами, в процессе резания имеют сильно нагретый контакт, являющийся спаем этой термопары. Концы инструмента и детали имеют значительно более низкую температуру. С помощью естественной термопары измеряется средняя температура (температура резания) по контактным поверхностям инструмента. При незначительных конструктивных изменениях резца, используя способ естественной термопары, можно установить закономерность распределения температуры по его передней поверхности.

Одна из распространенных схем естественной термопары приведена на рисунке 1.10. Заготовка 5 изолируется от станка при помощи диэлектрических прокладок и текстолитовой вставки 4 в деталь, на которую опирается задний центр станка. Резец 6 изолируется от резцедержателя станка при помощи текстолитовых прокладок 7. Для замыкания контакта с деталью в заготовку ввертывается стержень 1, диаметр которого меньше, чем отверстие в шпинделе. Этот стержень при выходе из шпинделя проходит через текстолитовую втулку 3, чтобы избежать соприкосновения со станком. На конце стержня установлен токосъемник 2, которым обеспечивается надежное замыкание вращающегося и неподвижного участков цепи. Возникающая в процессе резания термоЭДС регистрируется гальванометром 8.

Рисунок 1.10 - Схема измерения температуры резания методом естественной термопары

Для устранения дополнительных паразитных термопар, возникающих в местах стыка деталей станка с заготовкой, резец и заготовку изолируют от станка. При исследованиях, не требующих высокой точности, установка может быть значительно упрощена. Деталь не изолируют от станка, считая, что роль возникающей дополнительно термопары ничтожна из-за слабого разогревания заднего центра по сравнению с резцом. В связи с этим провод, ранее присоединяемый к детали, можно присоединить к любой точке станка.

Перерезаемые термопары [3].

С помощью этих термопар изучают закономерность изменения температуры вдоль режущих кромок (таблица 1.1) и по контактным поверхностям инструмента. Перерезаемые термопары не требуют конструктивных изменений режущих инструментов. Термоэлектроды этих термопар закладываются в заготовку. Используемые при этом образцы из обрабатываемого материала зачастую выполняются составными, образованными двумя половинками (таблица 1.1). Половинки тщательно притираются по плоскости разъема. В канавку одной из половинок помещают термопару. При этом особое внимание уделяют изолированию термоэлектродов друг от друга и от заготовки. В качестве термоэлектродов используют, как правило, проводники (медные, константановые и т. д.), из которых изготовляют стандартные термопары. Рабочий спай перерезаемой термопары образуется в процессе резания, в момент перерезания ее термоэлектродов режущей кромкой, в связи с этим термопары и получили название перерезаемых.



Рисунок 1.11 - Схема измерения температуры перерезаемыми термопарами

Принципиальная схема измерения температуры перерезаемыми термопарами, впервые использованная А. Н. Резниковым, показана на рисунке 1.11. Заготовка 4 выполняется в виде винтового гребня прямоугольного профиля. В поверхностном слое заготовки сверлят отверстие диаметром 0,5...0,7 мм, в которое устанавливают защитную трубку 3. В трубку помещают два изолированных проводника 1 и 2, которые в дальнейшем образуют термопары. Трубка служит для предотвращения преждевременного замыкания проводников. Проводники изолированы эмалью и до начала резания разомкнуты. Концы проводников К₁, К_{2 ,}К_3, К₄ через токосъемник подключены к осциллографу. При этом происходит замыкание проводников на контактной поверхности стружки и поверхности резания. В результате образуются две термопары. Рабочий спай одной из них движется вместе со стружкой по передней поверхности инструмента. ТермоЭДС этой термопары через контакты К₁ - К₂ фиксируется осциллографом и характеризуется закономерность изменения температуры по ширине контакта стружки с резцом. Другая термопара, образовавшаяся от замыкания проводников в поверхностном слое заготовки, двигаясь вместе с ней, через контакты К₃--К₄ фиксирует температуру контактной площадки резец -- заготовка.

1.3.2 Термопреобразователи сопротивления

Изменение теплового состояния для многих материалов сопровождается изменением их электрического сопротивления. Свойство материалов изменять сопротивление при изменении температуры используется для измерения ее с помощью, так называемых термометров сопротивления. В этих термометрах изменения температуры преобразуются в изменения сопротивления, поэтому их называют термопреобразователями сопротивления. Термометрами сопротивления измеряют абсолютную температуру объекта.

Материалы, из которых изготавливают термометры, должны обладать хорошей воспроизводимостью показаний, значительным удельным сопротивлением и достаточно большим температурным коэффициентом сопротивления.

Важной характеристикой материала термометра сопротивления является температурный коэффициент сопротивления. По величине этого коэффициента судят о температурной чувствительности термометра. Температурный коэффициент сопротивления показывает, на какую часть первоначального сопротивления при 0°С изменяется сопротивление материала при изменении его температуры на 1С. Коэффициент определяют по формуле 1.17.

, 1/°C, (1.17)

где Re, R_t -- сопротивление при температуре 0°С.

Подавляющее большинство чистых металлов имеет положительный коэффициент сопротивления, величина которого находится в пределах (3,5...6,5) • 10~³ (1/°С).

Подавляющее большинство чистых металлов имеет положительный коэффициент сопротивления, величина которого находится в пределах (3,5...6,5) • 10~³ (1/°С).

Схема измерения температуры термометрами сопротивления, реализуемая на практике, несколько сложнее, чем схема измерения термопарами. Она предполагает использование не только соединительных проводов, показывающего или регистрирующего приборов, но и подгоночного сопротивления и вспомогательного источника напряжения (рисунок 1.12). Термопарный способ измерения в таком источнике, как правило, не нуждается. Однако термометры, по сравнению с термопарами, обладают рядом преимуществ, которые способствовали расширению сферы их использования. термометры сопротивления обладают более высокой точностью, меньшей инерционностью, более широким диапазоном измерения.

Рисунок 1.12 - Схема измерения температуры термометрами сопротивления

Полупроводниковые термометры с отрицательным коэффициентом сопротивления получили название терморезисторов (термочувствительных резисторов). Этими термометрами измеряют температуру в диапазоне --100...300 °С. Терморезисторы обеспечивают точность 0.1...1 % от интервала измерения Терморезисторы изготавливают в форме пластинок, шайбочек, стерженьков, шариков (бусинок) очень малых размеров. С помощью терморезисторов можно измерять чрезвычайно малые градиенты температур (до 0,001 °С).

1.3.3 Термоиндикаторы [3]

Термоиндикаторы - это вещества, реагирующие на температуру поверхностей, на которые они нанесены. По принципу действия термоиндикаторы можно разделить на четыре группы (рисунок 1.13).

Рисунок 1.13 - Классификационная схема индикаторов

По способности термоиндикаторов подразделяют на обратимые, необратимые и квазиобратимые. Обратимые термоиндикаторы по достижении температуры перехода или при превышении ее изменяют свою окраску, а затем при охлаждении объекта до температуры ниже критической восстанавливают свой первоначальный цвет. Эти термоиндикаторы могут использоваться многократно.

Необратимые термоиндикаторы -- однократного применения. В этих термоиндикаторах при критической температуре или выше ее происходят необратимые процессы, изменяющие цвет индикатора. При последующем охлаждении термоиндикаторы не в состоянии приобрести первоначальную окраску. Что же касается квазиобратимых указателей температуры, то они могут использоваться многократно. Эти термоиндикаторы после выполнения своей роли с понижением температуры объекта ниже критической, под действием влаги, содержащейся в воздухе, постепенно возвращаются в исходное состояние.

Термохимические индикаторы -- сложные вещества. Изменяют свой цвет вследствие химического взаимодействия компонентов. Окрашивание может протекать как медленно, так и достаточно быстро, почти мгновенно. Цвет и температура перехода определяются химическим составом индикатора и могут изменяться в достаточно широких пределах. Например, критическая температура может принимать значения в интервале 50...1000°С (рисунок 3.16). Термохимические индикаторы уступают остальным видам индикаторов в точности фиксирования температуры объекта. Абсолютная погрешность регистрирования температуры может достигать ±5...10°С, а иногда и больше. Эти термоиндикаторы рекомендуются для индикации температуры объектов, работающих в стационарном режиме.

При необходимости исследовать температурное поле объекта с большой точностью применяют термоиндикаторы плавления. Последние представляют собой тонкие пленки чистых металлов, температура плавления которых известна. Пленки напыляют на поверхность тела, температуру которого надо изучить. Пленки толщиной 3--5 мкм наносят в порядке, обратном возрастанию их температуры плавления. Если применяют олово (9_П1 == 231,9 °С), цинк (9_ПП -*= 419, 5 °С), кадмий (9_ПЛ == 320,9°С)," медь (9_ПЛ == 1083°С), серебро (О_пл == 960,5 °С), то первой на поверхность твердого тела должна быть напылена пленка из меди, а последней -- из олова. По окончании теплового процесса по контурам областей оплавления пленок можно судить об изотермах температурного поля в твердом теле. Абсолютная погрешность составляет 1...2°С. Эти индикаторы весьма перспективны, позволяют контролировать температуру как при нагревании, так и при охлаждении объекта.

Следующую группу термоиндикаторов представляют вещества, которые в определенном интервале температур переходят в жидкокристаллическое состояние. В этом состоянии они обладают замечательными свойствами -- способностью разлагать и отражать световые лучи с изменением их цвета. Жидким кристаллам или их смесям при определенной температуре всегда присущ один и тот же цвет. Индикаторы отличаются высокой чувствительностью. Окрашивание в другой цвет может происходить даже при незначительном изменении температуры (иногда на 0,1...0,01 ^СС). С помощью этих индикаторов можно регистрировать температуру, как при нагревании, так и при охлаждении. Жидкокристаллические индикаторы позволяют с высокой точностью регистрировать температуру. Относительная погрешность при этом не превышает 2 %.

Люминесцентные термоиндикаторы -- это разновидность люминофоров -- веществ, способных светиться (люминесцировать) под действием внешних факторов. Свечение индикаторов, как и любого люминофора, должно быть возбуждено каким-либо источником энергии, например, облучением его ультрафиолетовыми лучами. Люминесцентные индикаторы, так же, как и жидкокристаллические, обеспечивают высокую точность фиксирования температуры объекта

1.3.4 Волоконно-оптические термопреобразователи

Точные измерения температуры в труднодоступных местах могут быть осуществлены с помощью волоконно-оптических систем.

В зависимости от оптических эффектов, используемых в принципиальной схеме волоконных термопреобразователей, разработаны термометры:

1) Функционирующие на основе зависимости оптических характеристик (показателя преломления, коэффициента поглощения) световолокна от температуры. Чувствительным элементом в этих термометpax служит волоконный световод, пропускная способность которого однозначно зависит от температуры. Интервал измеряемых температур 20...200°С.

2) Локационного типа на основе температурной зависимости таких
параметров люминесценции как время ее затухания и интенсивность
излучения. Миниатюрные чувствительные элементы этих термометров
изготавливают из люминофоров. Распространение получили стекло, легированное неодимом, а также полупроводниковые кристаллы арсенида галлия (GaAs). У этих веществах время затухания люминесценции линейно уменьшается с ростом температуры.

3) Переходного типа, принцип действия, которых базируется на изменении интенсивности световых импульсов после прохождения через полупроводниковый датчик. Спектральная полоса поглощения датчика зависит от его температуры. В качестве датчиков наиболее часто применяются пленки из кремния, арсенида галлия, а также оптически прозрачные пластинки из этих веществ. Термометры позволяют измерять температуру до 300°С;

4) Интерференционного типа, в которых изменение температуры влияет на картину интерференции от двух световых пучков, транспортируемых по волоконным кабелям.

Основными составными элементами волоконных термометров являются: источник света; миниатюрный датчик температуры; волоконные световоды и электронная измерительная система. В качестве источников света часто используют светодиоды. Для облегчения измерения выходного сигнала на световоды подают пульсирующие электрические сигналы от генератора импульсов (таблица 4). Оптический сигнал от источника излучения проходит по волоконному световоду и падает на чувствительный элемент, установленный в зоне измерения температуры. Оптические характеристики элемента однозначно зависят от температуры. Если чувствительным элементом служит, например, люминофор, то падающее на него излучение возбуждает флюоресценцию. Флюоресцентное излучение элемента проходит по второму световоду и падает на приемник излучения, выходной, сигнал которого подается в систему обработки измерительных данных. Измерительная система обеспечивает преобразование оптического сигнала в электрический, его обработку и вывод информации о температуре в аналоговой или цифровой форме.

1.3.5 Кварцевые термопреобразователи

Измерения температуры с погрешностью, не превышающей 0,1С, можно произвести с помощью кварцевых термометров [3]. Помимо высокой точности измерения термометры являются весьма чувствительными приборами (1000 Гц/К), способными фиксировать даже незначительные изменения температуры, достигающие 0,01°С. Чувствительным элементом этих термометров служит миниатюрный кварцевый резонатор, помещаемый в герметичный корпус, например, из нержавеющей стали. Принцип действия термометра основан на использовании однозначной зависимости частоты собственных колебаний монокристалла кварца от температуры. Рабочий диапазон температур, измеряемых с помощью кварцевых термометров, находится в пределах --40...300°С. Измерительное устройство термометра включает: генератор, делитель частоты, формирователь импульсов, кодирующий блок, микропроцессор, цифровой индикатор.

Высокая точность измерения и стабильность параметров, возможность весьма просто представлять данные о температуре в цифровой форме -- основные преимущества кварцевых термометров. Вместе с тем им присущи и недостатки: большие размеры чувствительного элемента (диаметр трубчатой защитной оболочки, например, достигает 6 мм), сравнительно узкий диапазон измерений, наличие гистерезиса.

Цифровые системы измерения температуры типа QuaT с использованием кварцевых резонаторов выпускаются фирмой Heraeus (ФРГ). Система, состоящая из 16 термометров, с помощью двухпроводного кабеля подключается к измерительному блоку. Цикл опроса термометров составляет 1 с. Отечественная промышленность выпускает вакуумные и герметизированные термочувствительные резонаторы, в которых используются пластины у,х (10°54') 9°45'51" среза.

1.3.6 Транзисторные термопреобразователи

Для измерения температуры в последние годы широко применяются транзисторные термопреобразователи и интегральные схемы на их основе. Принцип действия этих термометров основан на использовании зависимости напряжения эмиттер -- база кремниевых транзисторов от температуры. Чувствительный элемент -- термотранзистор -- помещается в металлический или пластмассовый корпус. В рабочем диапазоне температур -- 40...150°С обеспечивается чувствительность 2,26 мВ/К.

К преимуществам транзисторных термопреобразователей можно отнести: 1) взаимозаменяемость и дешевизну, обеспечивающие возможность их одноразового использования; 2) высокую чувствительность, что является резервом для повышения точности измерений; 3) высокий выходной сигнал, что в некоторых случаях позволяет обойтись без усилителей.

Следует отметить, что транзисторные термопреобразователи могут выполнять роль приемника излучения в приборах для бесконтактного измерения температуры.

1.3.7 Метод бесконтактного измерения температур

Рассмотренные ранее средства измерения температуры предусматривают обязательный контакт чувствительного элемента с поверхностью объекта. Однако практическая реализация такого контакта не всегда возможна или затруднена, например, при определении температуры труднодоступных, удаленных или движущихся объектов. Кроме того, при температуре тела, превышающей 2200°С, чувствительные элементы контактных средств измерения не обладают требуемой термостойкостью. Возникают затруднения и при определении температуры тел, находящихся под высоким электрическим напряжением; предметов малой теплоемкости или с малой теплопроводностью поверхностного слоя; быстропротекающих тепловых процессов.

Следует упомянуть еще о том, что контактные средства измерения из-за соприкосновения с поверхностью объекта вносят искажения в изучаемое температурное поле. Поэтому в промышленности, в лабораторных исследованиях наряду с контактными методами находят применение и бесконтактные способы измерения. Из этих способов наибольшее распространение получил радиационный, а при исследовании температурных полей режущих инструментов и деталей машин -- микроструктурный.

а) Радиационный метод.

Бесконтактный контроль температуры с помощью пирометрических преобразователей является наиболее развивающейся областью термометрии. Метод незаменим особенно при измерении высоких температур (более 2000С), обеспечивая в этом случае достаточно высокую точность и стабильность результатов.

Известно, что поверхность тела, температура которого превышает абсолютный нуль, способна испускать электромагнитное излучение. Причем интенсивность излучения возрастает с повышением температуры нагрева тела. На регистрации теплового излучения и основывается радиационный метод измерения температуры. Приборы, которые устанавливают температуру тела по интенсивности его теплового излучения, называют инфракрасными (ИК.) пирометрами.

Основные составные элементы пирометра -- оптическая система, чувствительный элемент, так называемый приемник (детектор) излучения и электронный блок. Для изготовления оптики используют различные материалы, прозрачные в ИК-области спектра: германий, кремний, селенистый и сернистый цинк и др. Важнейшим элементом всех ИК-приборов является детектор излучения. По типу используемого детектора пирометры разделяются на тепловые и оптические. В тепловых детекторах (термопарах, болотометрах, пироэлектриках) изменения температуры поверхности объекта преобразуются в изменения электрических параметров тока. Что же касается квантовых оптических детекторов (кремниевых и германиевых фотодиодов, вакуумных фотоэлементов), то они реагируют непосредственно на количество поглощенных фотонов.

Для регистрации теплового изображения объектов исследования разработана аппаратура:

1. Точечные измерительные приборы с высокой направленностью и селективностью, обеспечивающие возможность измерения температуры отдельных точек объекта с расстояния нескольких метров.

2. Сканирующие приборы, предназначенные для последовательного формирования теплового изображения со скоростью до 2500 точек/с.

3. Термографические системы, обеспечивающие возможность формирования полного теплового изображения объекта с достаточно высокой разрешающей способностью (до 70 000 точек).

Приборы такого назначения выпускает ряд зарубежных фирм.

Так, фирма Land Infrared Ltd (Великобритания) специализируется на выпуске портативных ИК-термометров модели Cyclops. Масса прибора 0,8 кг, размеры 90 х 82 х 126 мм. Приборы используются для измерения температуры в интервале -- 50...3000°С с погрешностью, зависящей от диапазона измерений и не превышающей ±1 %. Инерционность термометров не превосходит 0,5 с. Результаты измерений считываются с цифрового дисплея. Управление процессом измерений осуществляет встроенный микропроцессор.

б) Фотоэлектрический метод.

Этот метод представляет собой регистрацию теплового излучения отдельных участков детали или инструмента в процессе обработки. Он основан на принципе собирания теплового излучения с участка нагретой поверхности 1 с помощью линз 2 и направления его на фотосопротивление 3. Под действием теплового излучения в фотоэлементе возникает ток, который повышается усилителем 4 и регистрируется измерительным устройством 5 (рисунок 1.14). Фотоэлектрический метод позволяет измерять температуру различных участков зоны резания и определять температурные поля передней и задней поверхности резца.

Рисунок 1.14 - Схема фотоэлектрического пирометра для измерения температуры инструмента, детали и стружки

в) Метод микроструктурного анализа.

Контактным способом измерения температуры затруднительно определить тепловое состояние тончайших (до 20...30 мкм) поверхностных слоев инструмента. В этом случае может быть рекомендован метод микроструктурного анализа, который позволяет установить температурное поле в режущем клине из инструментальных сталей.

Разработан А.П. Гуляевым и Б.И. Костецким и основан на определение остаточных изменениях микроструктуры и твердости материала режущей части инструмента, возникающих вследствие тепловых явлений, происходящих при резании.

Исследование температурного поля режущего клина по структурным изменениям его материала требует больших затрат труда. Метод применим только для стальных инструментов, работающих при таких режимах, которые обеспечивают температуру, превышающую температуру отпуска. Такие режимы резания из-за быстрой потери режущих свойств инструментов на практике не применяются. К тому же методу присуща низкая точность. Погрешность может достигать 25°С.

г) Тепловизоры.

Рассмотренные ранее приборы позволяют измерять температуру в ограниченной зоне, практически в точке. Однако оптимизировать технологический процесс или оценивать термический режим объекта по температуре в отдельной точке весьма затруднительно. В этих случаях желательно иметь значительно больший объем информации, которую можно было бы получать, располагая тепловым изображением объекта. В последние годы для этой цели все чаще используют ПК-аппаратуру, в частности, тепловизоры, позволяющие с достаточно высокой точностью фиксировать температурное поле тела.

Современный тепловизор -- сложный измерительно-вычислительный комплекс, предназначенный для бесконтактного одновременного измерения температуры всех точек поверхности объекта. Тепловое изображение в этих приборах объекта проецируется на экран, покрытый тонким слоем вещества, меняющегося свои оптические характеристики под воздействием теплового излучения. В качестве температурно-чувствительных веществ используют жидкие кристаллы, люминофоры, полупроводниковые пленки и т.д. Прибор позволяет путем калибровки по телам с заранее известной температурой оценить температуры, которым соответствует тот или иной цвет наблюдаемого поля на телевизионном экране.

2. КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Разработка конструкции измерительной оснастки

2.1.1 Конструкция резца

Для крепления пластинок с термопарой на резцодержатель возьмем конструкцию проходного резца. Добавляем на резцодержатель клемник для крепления проводов, сверлим отверстие для выхода проводов из под пластинки, провода на резцодержетель укладываем в паз, который закрывается планкой из текстолита, чтобы обеспечить быструю переналадку, отверстия в планке выполняют продолговатыми, при ослаблении винтов планка опускается вниз и открывает паз. Конкретно для нашего резца выбираем твердосплавную пластину марки 19. 6000. 0011 01352П по ГОСТ 25395-90 .

Особенности конструкции резца.

Спай термопары заводиться в отверстие твердосплавной пластины 2 (см. ВКР 15.03.01.09.003.01.00 СБ) и через отверстие в керамической вставке 2 и корпусе резца 1 провода выходят под резец, после паза провода выходят на клемник. Для того, чтобы убрать все побочные возбуждения державка резца изолируется от станка пластинками из стеклотекстолита ГОСТ 2910-95-. Крепление твердосплавной пластины осуществляется за счет прижима 4, а также за счет стенок паза керамической вставки 2. Болт 10 в виду его ответственности изготавливают из стали марки 40Х. Твердосплавная пластинка, закрепленная прижимом, будет предохранять его от стирания его стружкой, а также будет являться стружколомателем. Для переналадки резца конструкцией предусмотрено, что переналадка производиться без съема с резцодержателя.

2.1.2 Конструкция специального корпуса резца

Для определения температуры методом естественной термопары необходимо изолировать деталь от элементов станка и обеспечить снятие термоЭДС, возникшие в зоне резания. Наиболее рациональным вариантом является модернизация токарного резца (см. ВКР 15.03.01.09.003.01.00 СБ), для чего в конструкцию вводится электрический контакт, располагающийся в плоскости режущей пластины, не вращающейся в процессе работы, изолированный от других деталей станка. С этой целью в корпусе центра (рисунок 2.1) сверлят наклонное отверстие, таким образом, чтобы подвести термопару как можно ближе к источнику тепла.

Рисунок 2.1 - Корпус специального резца

В режущей части резца (рисунок 2.2) предусматривается паз для керамической вставки, которая является теплоизолятором.

Рисунок 2.2 - Паз для керамической вставки

Общий вид резца представлен на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 - Общий вид резца

2.2 Выбор термопары и ее характеристики, прибора для измерения термоЭДС и станка

Согласно ГОСТ выбираем термоэлектрический преобразователь ТХА, состоящий из сплавов хромель, алюмель. Хромель: 9,5 % Ni и 9,5% Cr, алюмель: 94,5% Ni и 5,5% Al, Si, Mn, Co. Диапазон измеряемых температур (формула 2.1) при длительном применении - 200 и 1000⁰ С. Предельная температура при кратковременном применении 1300⁰ С. При температуре 0⁰ С термоЭДС составляет 0 МВ, при температуре 1300⁰ С - 52,398 МВ, в диапазоне 300 - 1300⁰ С

...