Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Омский государственный технический университет»

Теплофизика процессов в технологических системах

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторных работ

по дисциплине «Теплофизические процессы в технологических системах»

для студентов специальности 151002 всех форм обучения

Омск 2006

Составители: В.Г. Гребень, канд.техн. наук, доцент

В.А. Гаврилов, канд. техн. наук, доцент

При выполнении лабораторных работ по дисциплине «Теплофизические процессы в технологических системах» студенты изучают экспериментальные и численные методы определения температур на контактных поверхностях инструментов, что способствует повышению уровня подготовки студентов по указанной дисциплине.

Методические указания выпускаются тиражом 100 экземпляров.

Печатается по решению редакционного издательского совета Омского государственного технического университета.

Введение

Несмотря на значительные успехи, достигнутые в использовании аналитических методов для изучения тепловых явлений в зоне деформации и на контактных поверхностях инструмента, экспериментальные методы благодаря их надёжности и простоте являются главным инструментом исследования. Основными объектами изучения являются: а) количество, выделяемого при резании, тепла и его распределение между стружкой, деталью и инструментом; б) температура, устанавливающаяся на контактных поверхностях инструмента; в) температурные поля в зоне деформации и режущем клине инструмента.

Экспериментальные методы служат для проверки основных положений теоретических методов, а также для корректировки результатов аналитических расчётов. Аналитические методы и экспериментальные дополняют друг друга. Однако аналитические методы играют ведущую роль, т.к. полученные зависимости более понятны в связи с тем, что имеют определённый физический смысл.

Лабораторная работа №1

Измерение температуры резания и тарирование естественной термопары в процессе резания

Экспериментальные методы изучения тепловых процессов при резании широко используются на практике благодаря своей простоте и надёжности.

С помощью термопар, например, определяют температурное поле режущего инструмента, закон распределения температуры на передней и задней поверхностях инструмента и др.

Термопара. Термопарой (или термоэлементом) называется спай двух разнородных металлов (рис.1).

Рис.1

Принцип действия термопары основан на возникновении электродвижущей силы в цепи, спаи которой имеют различные температуры. Электродвижущую силу в такой цепи называют термоэлектродвижущей силой (ТЭДС).

Если , то в цепи возникает ТЭДС – Е,

Е = ,

пропорциональная разности температур, где К – удельная ТЭДС, которая определяется материалом проводников термопары, но также зависит и от температуры. Если , то E зависит только от температуры горячего спая.

Если холодный спай термопары опустить в сосуд со льдом, то . Часто (комнатная температура).

Для измерения ТЭДС цепь термопары разрывают (обычно в точке ) и подключают в месте разрыва электроизмерительный прибор, например, милливольтметр (рис. 2)

Рис.2

Здесь 1 – присоединительные провода идущие от термопары к клеммам милливольтметра. Причём по закону промежуточных проводников, если температура их по всей длине одинакова, то ТЭДС термопары не меняется и зависит только от .

Требования к материалам для проводников термопар:

1. физическая и химическая стойкость в диапазоне измеряемых температур;

2. минимальный температурный коэффициент электросопротивления при высокой электропроводности;

3. возможно большая ТЭДС однозначно (монотонно) меняющаяся в зависимости от температуры;

4. воспроизводимость с неизменными свойствами.

Для образования термопар могут быть использованы практически любые металлы и сплавы. Ниже в таблице 1 приведены значения ТЭДС проводниковых материалов в паре с химически чистой платиной при .

Таблица 1

Материал	Обозначение или состав	ТЭДС, mV
Хромель Железо Вольфрам Медь Никель Алюмель Копель	90 % Ni + Cr Fe W Cu Ni 95%Ni +5%(Al, Si, Mg) 56%Cu + 44% Ni	+2,71 +1,87 +0,79 +0,75 -1,50 -1,02 -4,0

Проводники термопары подбирают так, чтобы получить, возможно, большую ТЭДС. Для этого один проводник термопары должен обладать, возможно большей положительной ТЭДС, а другой – возможно большей отрицательной ТЭДС. Поэтому широкое применение получили стандартные хромель – копелевые, хромель – алюмелевые и др. термопары.

Стандартные термопары поставляются вместе с электроизмерительными приборами, протарированными на температуру.

Точность измерения температуры зависит от качества материалов термопары, точности тарирования и точности электроизмерительного прибора и может достигать 0,02% [2].

Измерение температуры резания методом естественной термопары

На рис.3 представлена схема измерения температуры резания методом естественной термопары.

Рис. 3 Схема измерения температуры резания методом естественной термопары

Метод естественной термопары или, как его ещё называют, метод естественно образующейся термопары применяется для измерения средней температуры контактных поверхностей инструмента и заготовки. Эту температуру часто называют температурой резания.

Проводниками термопары в данном случае являются заготовки 1 и резец (режущая пластина) 2, которые изолированы от станка с помощью прокладок 5 из диэлектрика. Горячим спаем термопары является скользящий контакт резца с заготовкой и стружкой. Холодные спаи – торцы заготовки и резца. Возникшая, при резании между заготовкой и резцом, ТЭДС измеряется при помощи элетроизмерительного прибора милливольтметра 4. Цепь замыкается при помощи присоединительных проводов 6 и токосъёмника 3, который замыкает электрическую цепь с вращающейся заготовкой.

Для повышения точности измерения температуры необходимо уменьшить или исключить влияние паразитных термопар в замкнутой цепи. Так, при нагреве токосъёмника 3 за счёт трения в скользящем контакте в нём возникает паразитная ТЭДС. Для уменьшения трения в токосъёмнике его неподвижный контакт выполнен в виде заострённого стержня, соприкасающегося с серединой торца вращающегося изолированного от станка диска.

Между режущей пластиной и державкой резца 2 за счёт прогрева места их контакта при резании также возможно возникновения паразитной ТЭДС.

Однако, при кратковременном резании в эксперименте (4-5 с.) влияние паразитной термопары несущественно. При более продолжительном резании паразитную ТЭДС в резце можно уменьшить за счёт увеличения размеров режущей пластины или за счёт применения заострённого щупа, изготовленного из того же материала, что и режущая пластина. Причём, во избежание прогрева щупа контакт его с режущей пластиной следует производить только в момент измерения сигнала ТЭДС [A].

Тарирование термопары. Тарирование и проверку стандартных термопар осуществляют или по постоянным точкам затвердевания химически чистых веществ, или путём слияния с образцовым прибором. Тарирование графики некоторых стандартных термопар представлен на рис. 4 [В].

200  400  600 800 1000 1200 1400

Рис.4 Зависимость ТЭДС от температуры:1- платинородий – платина; 2 – хромель – алюмель; 3 – платинородий – платина – золото – палладий; 4 – медь – констан; 6 – медь – копель; 7 – железо – копель; 8 – хромель – копель.

Из рис.4 следует, что зависимости ТЭДС от температуры для стандартных термопар являются практически линейными (отклонение от линейности пренебрежимо мало и составляет менее 2 % в широком диапазоне температур 0-1000 , что находится в пределах допустимой погрешности измерения температуры резания).

Большое влияние на ТЭДС естественной термопары оказывает химический состав и наличие примесей в обрабатываемом и инструментальном материалах. Так, допускаемые изменения химического состава в конструкционных сталях колеблются в очень широком диапазоне – 20 % и более по каждому легирующему элементу. Поэтому при смене заготовки и режущего инструмента естественную термопару необходимо заново тарировать. А это является технически трудновыполнимой задачей. В связи с этим, а также с целью повышения точности, тарирование естественной термопары целесообразно выполнять непосредственно в процессе резания. Для этого воспользуемся связью наростообразования и стружкообразования с температурой резания. Известно, что при точении конструкционных сталей на передней поверхности резца образуется нарост [1,3].

Однако при температуре нарост исчезает, что сказывается на виде стружки. При увеличении скорости резания V стружка постепенно становится сливной, приобретает синий цвет, а прирезцовая поверхность стружки переходит от матовой (с задирами) к гладкой, блестящей.

Таким образом, косвенно по виду стружки можно определить режим, соответствующий температуре при точении сталей с относительно толстыми срезами острым резцом. Так определяют одну точку на тарированном графике. А затем, предполагая, что зависимость ТЭДС от температуры является линейной (см. рис. 4), проводим прямую линию через точку и начало координат, получая линейной тарировочный график.

Цель работы. Доказать возможность тарирования естественной термопары в процессе резания на основании зависимости наростообразования и стружкообразования от температуры.

Планирование эксперимента. Для определения режима, соответствующего температуре 600 проводим серию опытов со ступенчато увеличивающейся скоростью резания . Каждый опыт продолжается 4 –5 с.

После резания производится наблюдение за прирезцовой поверхностью стружки, её цветом и видом. Примерный план предварительного эксперимента приведён в табл. 2.