2.4.6. Методы определения сил резания

Существуют прямые и косвенные методы определения силы резания.

Непосредственное измерение сил резания производится приборами, называемыми динамометрами.

Существует большое количество различных конструкций динамометров. По принципу действия они делятся на гидравлические, механические и электрические. Наиболее современными являются электрические динамометры, так как они малоинерционны, чувствительны и компактны. Благодаря этому электрические динамометры обеспечивают высокую точность измерения и ими можно определять как большие, так и малые значения сил резания. При измерении сил резания используются следующие электрические динамометры: пьезоэлектрические, емкостные, омического сопротивления, индуктивные и магнитные. Например, на рис. 73 изображен электроиндукционный динамометр В.Ф. Парамонова, использующий при измерении трех составляющих силы резания метод магнитной индукции.

Рис. 73. Электроиндукционный динамометр В.Ф. Парамонова: 1 – брус; 2, 3, 4, 5 – корпус прибора с симметричными стойками; D_z – датчик силы

P_z; D_y – датчик силы P_y; D_x – дат­чик силы P_x

Однако наибольшее применение нашли тензометрические динамометры с встроенными тензорезисторами.

Тензорезисторы. Их действие основано на принципе изменения сопротивления металлов и полупроводников под дей­ствием деформаций. Чувствительные элементы тензорезисторов могут быть выполнены в виде петлеобразной решетки из тонкой проволоки (рис. 74, а) или фольги (рис. 74, б), в виде пластинки монокристалла из полупроводникового материала. Чувствительные элементы могут быть также образованы напылением в вакууме полупроводниковой пленки и другими способами. Чувствительный элемент 4 обычно прикрепляют к основе 2 из изоляционного материала (бумага, ла­ковая пленка, ткань и др.) с помощью связующего 3 (клея, цемента),

а б

Рис. 74. Тензорезисторы: а – с чувствительным проволочным элементом;

б – с чувствительным фольговым элементом: b – база

которое передает дефор­мацию чувствительному элементу. На объекте исследования основу закрепляют также посредством связующего.

Особенность тензорезистора состоит в том, что его чувствитель­ный элемент (решетка), как правило, имеет механическую связь с объектом исследования по всей длине измерительной базы (а не только по концам базы). Чувствительность тензорезистора к деформациям характеризуется отношением изменения его сопротивления под действием деформа­ции к величине относительной деформации. Широкое распростране­ние тензорезисторов как универсального средства измерения де­формаций объясняется возможностью: измерения деформаций при разных размерах базы, начиная с де­сятых долей миллиметра; дистанционных измерений в большом числе точек; измерений в широком диапазоне температур при самотермокомпенсации или автоматической схемной компенсации; измерений при самых различных внешних условиях (влажность, давление, ионизирующие излучения и др.), неблагоприятных для других измерительных средств; измерения многокомпонентных деформаций на локальных уча­стках объекта исследования. Они также имеют незначительную массу, широкий частотный диа­пазон, включающий статические деформации и низкий порог реагиро­вания, высокую надежность и сравнительно низкую стоимость.

Тензорезисторам свойственны и некоторые недостатки:

– невозможность индивидуальной градуировки;

– возможность только однократного использования (исключение составляют тензорезисторные преобразователи механических величин);

– относительно невысокая чувствительность и относительно низ­кий абсолютный уровень выходных сигналов.

Однако эти недостатки не помешали широкому использованию тензорезисторов как самого массового и универсального средства экспериментальных исследований в машиностроении.

По количеству измерения составляющих рассматриваются одно-, двух- и трехкомпонентные тензорезисторы.

Принцип действия трехкомпонентного тензорезисторного динамометра (рис. 75) для измерения сил резания состоит в следующем. Составляющие силы резания Р_х, Р_у, P_z из­меряются при помощи динамометра, устанавливаемого на суппорте токарного станка. Механическая часть динамометра представляет собой упругую систему, состоящую из державки 5, связанной с корпусом трубчатой формы 4, в котором расположены тензодатчики (схема расположения тензодатчиков представлена на рис. 76). Под действием вер­тикальной составляющей усилия резания Р_z корпус 4 изгибается в вертикальной

Рис. 75. Динамометр для измерения трех составляющих силы резания: 1 – сменный модуль закрепления пластин; 2 – твердосплавная режущая пластина Т15К6; 3 – прижимная пластина; 4 – модуль расположения тензодат-

чиков; 5 – державка; 6 – разъем PLD-40

плоскости. Этот пропорциональный величине силы P_z прогиб корпуса регистрируется активным тензодатчиком Т_аPz и компенсационными Т_кPz, Т_кPx (см. рис. 76). Под действием радиальной составляющей P_у корпус 4 сжимается, как балка, заделанная с двух концов (см. рис. 75), корпус переме­щается параллельно своей оси на расстояние, пропорциональное вели­чине Р_у; это перемещение регистрируется активным Т_аPy и компенсационным Т_кPy тензодатчиками.

Рис. 76. Схема расположения тензодатчиков в корпусе динамометра (Т_а – активный тензодатчик; Т_к – компенсационный тензодатчик)

Осевая составляющая Р_х вызывает изгиб корпуса в горизонтальной плоскости. Прогиб корпуса в горизонтальной плоскости, пропорциональный силе Р_х, регистрируется активным тензодатчиком Т_аPx и компенсирующим тензодатчиком.

Электрическая схема динамометра (рис. 77) включает три независимых моста для замера сил Р_х, Р_у и Р_z.

Рис. 77. Электрическая схема динамометра

Каждый из мостов имеет два плеча с индуктивными сопротив­лениями, представляющими собой дроссели, намотанные на Ш-образные кольцевые сердечники, находящиеся в усилителе ТА-5. Один датчик активный (Т_аPz, Т_аPу, Т_аPх); другой компенсационный (Т_кPz, Т_кPy, Т_кPx). Компенсационные – вторые, симметричные активным датчикам (плечи моста), – используются для установки равновесного состояния моста, т.е. для установки прибора на нуль при настройке его перед замером.

Разомкнутые стороны магнитопроводов и дросселей-датчиков обращены к трубчатому корпусу в местах упругих перемещений. Изменение деформаций изменяет индуктивное сопротивление дросселя и ведет к разбалансированию моста.

Сопротивления R₄-R₅, R₆-R₇, R₈-R₉ являются вторыми парами плеч мостов.

Сопротивления R₁₀-R₁₁-R₁₂, R₁₃-R₁₄-R₁₅, R₁₆-R₁₇-R₁₈, включаемые последовательно в цепи гальванометров, служат для изме­нения чувствительности динамометра при переключении диапазонов из­мерения.

Сопротивления R₁-R₂ и R₃ служат для установления оптимальных режимов работы мостов.

Для устранения влияния колебаний напряжения сети на показан­ия динамометра в цепь прибора включается феррорезонансный стабилизатор напряжения, дающий на выходе 16 в.