3.1.3. Основные экспериментальные методы изучения тепловых явлений

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 надежности и простоте являются главным инструментом исследования.

Экспериментальные методы можно разбить на две группы: кос­венные и непосредственные.

Перечислим косвенные методы:

1. Метод цветов побежалости. Несмотря на свою простоту этот метод дает значительные погрешности, связанные с тем, что определяется только температура окисленной поверхности стружки. К при­меру, при резании с обильным охлаждением цвета побежалости исче­зают, в то время как температура в месте контакта стружки с инстру­ментом очень высока.

2. Метод термокрасок. Для выявления температуры пользуются свойством специальных красок менять цвет при определенных температурах. Например, при 155 °С цвет из пурпурного переходит в голубой, при 190 °С из белого – в зелено-коричневый, при 255 °С из зеленого – в темно-коричневый, при 305 °С из желтого – в красно-коричневый, при 440 °С из фиолетового – в белый. При использовании этого метода краска смешивается с алкоголями и наносится ровным слоем на грани исследуемых резцов. Некоторая погрешность в данном случае заключается в том, что оттенок переходящих красок меняется в зависимости от продолжительности действия тепла. Этот метод применяется для определения температуры на поверхностях инструмента. Специальную термочув­ствительную краску наносят тонким слоем на поверхность инструмента. Тепло на поверхностях инструмента изменяет цвет краски. Определенная шкала «цвет–температура» позволяет определить тем­пературу поверхности инструмента. Недостаток метода: при продол­жительной работе оттенки краски изменяются и не соответствуют шкале.

3. Метод микроструктурного анализа. Основан на изменениях, которые происходят в поверхностных слоях инструмента вследствие воздействия на них тепла, возникающего в процессе резания. Оригинальный способ измерения температуры в процессе резания  путем анализа микроструктуры тончайшего слоя обработанной поверхности, претерпевающей заметные изменения при достаточно большом нагреве, применил Б.И. Костецкий. Но и этот метод пока не получил распространения, так как его можно использовать только при высоких режимах резания, когда поверхность ре­зания или обработанная поверхность нагревается выше критических точек.

4. Калориметрический метод (предложен А.М. Даниеляном). Данным методом определяется распределение тепла между стружкой, инструментом и обрабатываемой деталью, а также средняя темпера­тура стружки и инструмента с использованием специального калориметра.

Непосредственные методы измерения температуры являются бо­лее точными, так как позволяют получить результаты, более близкие к действительным.

К непосредственным методам относятся следующие.

1. Метод искусственной термопары Я.Г. Усачева (1914). Недостаток метода в том, что нельзя близко подойти к передней или задней по­верхности. А самый большой интерес представляет температура на контактных поверхностях.

2. Метод полуискусственной термопары Я.Г. Усачева (1914–1916). Проволока термопары изолирована от резца и контактирует лишь в месте расклепки.

3.  Метод естественной термопары. При этом необходимо:

• иметь в виду, что снятие термоэлектродвижущей силы (ТЭДС) с вращающейся заготовки происходит с исполь­зованием токосъемника;

• применять цельные резцы;

• проводить тщательную тарировку.

4. Метод двух резцов. Разнородные материалы резцов образуют термопару (но этот метод неудобен).

5. Оптический метод. Используется при скоростной обработке с применением пирометров.

6. Радиационный метод. Основан на измерении теплоты лучеиспускания, но имеет ряд недостатков и поэтому малоприменим.

7. Метод бегущей термопары (точен, но трудоемок). Этот метод позволяет одновременно измерять температуры на контактных площадках «резец–стружка» и «резец–деталь». Резец пере­резает защитную трубку, и проводники термопары образуют горячие спаи двух искусственных термопар. Контакты К₁ – К₂ выводят на со­ответствующие приборы.

Наиболее распространен в настоящее время метод естественной термопары; при этом для определения температуры строится тарировочный график на основе тарировки резец–деталь.

Определить температуру резания можно и аналитически при помощи теоретических формул, предложенных проф. А.Н. Резни­ко­вым, С.С. Силиным, П.И. Бобриком и другими исследовате­лями. Однако эти формулы являются, как правило, приблизительными из-за ряда допущений.

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.

Калориметрический метод. Метод позволяет определить коли­чество тепла, переходящего в стружку, деталь и инструмент. На рис. 85 изображена схема постановки опыта при определении коли­чества тепла Q, переходящего при точении в стружку и резец, и их средних температур . Внизу, перед передней поверхностью резца, установлен калориметр 1 с сеткой 2 для сбора стружки и ртутным термометром 3. Для обеспечения лучшего попадания стружки в кало­риметр резание производят при левом вращении шпинделя. Если обозначить через _см – температуру смеси (воды в калориметре после резания), в град.; G_в – массу воды в калориметре, в г; _в – началь­ную температуру воды в калориметре, в град.; G – массу стружки или резца, в г; с – теплоемкость стружки или резца, в кал, то среднюю температуру стружки или резца можно определить по формуле



.

Рис. 85. Применение калориметра для определения количества тепла, переходящего в стружку,

и ее средней температуры

= _см + G_в(_см – _в)/сG,

Количество тепла, перешедшего в стружку и резец, определяют по формуле

Q = (c_г – с_н_н)G,

где с_г – теплоемкость горячей стружки или резца, в кал;

с_н – теплоемкость ненагретой стружки или резца, в кал;

_н – начальная температура стружки или резца.

М

Рис. 86. Измерение температуры передней поверхности искусственной термопарой

етод термопар. Для измерения средней температуры на контак­тных поверхностях инструмента и в различных точках контактных площадок применяют разнообразные термопары. На рис. 86 изобра­жен метод искусственной термопары, предложенный Я.Г. Усачевым. Резец, применяемый в опытах, представляет собой корпус, к кото­рому прижата режущая пластинка 2 из быстрорежущей стали или твердого сплава. В корпусе сделано отверстие, в которое вставлена изоляционная трубка 3. Стандартная термопара 4 (медь-конс­тан­тан, хромель-алюмель и др.) с гальванометром 5, подключенным к ее кон­цам, вставлена в изоляционную трубку так, что ее спай касается ниж­ней плоскости пластинки 2. Спай термопары регистрирует темпера­туру опор­ной плоскости пластинки.

Боль­шим достоинством метода является возможность использования стан­­дартных термопар с извест­ными термоэлектрическими характеристиками, а по­тому не нуж­дающихся в специальной тарировке. Располагая отверстия в различ­ных точках передней и задней поверхностей, можно составить представление о температурном поле в режущем клине инструмента.

Однако методу присущи и серьезные недостатки, ограничивающие область его применения. Измеряемая термопарой температура ниже темпера­туры на контактных поверхностях инструмента, и разность тем­ператур зависит от расстояния спая термопары от указанных по­верхностей, увеличиваясь при увеличении толщины режущей пластинки.

Практически не удается достигнуть толщины пластинки менее 1,5…2,0 мм, а поэтому из-за большого градиента температур измеря­емая температура на 50…80° ниже действительной. При долговре­менном резании вследствие износа передней и задней поверхностей инструмента расстояние между спаем термопары и контактными поверхностями сокращается, что приводит к непрерывному возрастанию температуры. Наконец, метод искусственной термопары трудно исполь­зовать при вращающемся инструменте.

Более простым и совершенным является метод естественной термопары, предложенный Е. Гербертом и К. Готвейном. Метод основан на том, что в процессе резания (рис. 87, а) в месте сопри­косновения передней поверхности инструмента со стружкой и задней поверхности с поверхностью резания естественным путем создаются термопары, электродами которых являются материал обрабатыва­емой детали и материал режущей части инструмента. Величина электродвижущей силы и направление термотока зави­сят от рода инструментального и обрабатываемого материалов, обра­зующих термопару.

а б

Рис. 87. Естественная термопара (а) и схема измерения температуры резания естественной термопарой (б)

Если обрабатываемую деталь и инструмент включить в замкнутую электрическую цепь, то величина термоэлектродвижущей силы, возникающей в тер­моэлементе, будет пропорциональна температуре скользящего «спая» образовавшейся термопары. Методом естественной термопары измеряют не максимальную, а некоторую среднюю контак­тную температуру на передней и задней поверхностях инструмента. Например, при обработке углеродистой стали инструмент является положительным электродом, если он изготов­лен из быстрорежущей стали, и отрицательным, если он из твердого сплава.

Схема измерения температуры при точении методом естественной термопары изображена на рис. 87, б. Обрабатываемая заготовка 1 изолирована от патрона 3 и центра задней бабки эбони­товыми прокладками и пробкой 5. Цельный резец 2 из быстрорежущей стали или твердого сплава изолирован от резцедержателя эбонито­выми прокладками. Резец делают цельным для того, чтобы в месте приваривания или припаивания режущей пластинки к корпусу резца не образовались паразитные термопары. Заготовка медным проводником 10 соединена с гибким валом 6, закрепленным в эбони­товой втулке, установленной на конце шпинделя станка 4. Контакт­ный наконечник 7 гибкого вала опущен в ванночку со ртутью 8. Мил­ливольтметр 9 одной клеммой соединен с торцом резца, а вторым – с ртутным токосъемником. Замкнутая электрическая цепь состоит из заготовки–проводника–гибкого вала–токосъемника–милливольт­мет­ра–­резца–заготовки. Заготовку изолируют от станка для устранения влияния паразитных термопар, могущих возник­нуть между отдельными деталями станка. Однако роль паразитных термопар при высокой температуре контактных поверхностей инстру­мента незначительна, и за счет некоторого снижения точности изме­рения установку можно упростить, отказавшись от изоляции заготовки, сохранив изоляцию только резца.

Достоинством метода естественной термопары явля­ется то, что его легко осуществить не только при точении, но и при сверлении, нарезании резьбы метчиком, строгании, фрезеровании, протягивании и других видах работ. Для перевода показаний миливольтметра в градусы Цельсия естественная термо­пара должна быть предварительно подвергнута специальной тари­ровке. В электропечь помещают тигель с рас­плавленным металлом, имеющим низкую температуру плавления: свинцом, оловом, сурьмой, сплавом вуда и т.п.; стержни из обрабатываемого и инструментального материалов опускают на оди­наковую глубину в расплавленный металл, а к их концам присоеди­няют милливольтметр, применяемый в опытах по измерению тем­пературы при резании. Между стержнями помещают контрольную термопару, гальванометр которой проградуирован в градусах. Нагревая и охлаждая расплавленный металл, сравнивают показа­ния милливольтметра в милливольтах и гальванометра в граду­сах и строят тарировочный график мВ –  °С.

Большим неудобством при применении метода естественной термопары является необходимость новой тарировки тер­мопары при изменении материалов детали или инструмента.

Оптический и радиационный методы. Оптические пирометры для измерения температуры резания применяются при скоростной обработке металла, когда стружка и резец нагреваются весьма сильно вплоть до светлого каления. Однако опыт использования этого метода недостаточен, чтобы можно было делать определенные выводы.

Стационарный инфракрасный пирометр применяется для бесконтактного измерения температуры неметаллических или окрашенных (анодированных) металлических объектов или металлических объектов с покрытием в диапазоне от 0 до 500 °С (рис. 88).

Рис. 88. Инфракрасный бесконтактный пирометр IN3000

Данный пирометр имеет фиксированную установку коэффициента излучения 95 % и оптическое соотношение (соотношение расстояния до объекта контроля и диаметра области измерения) 5:1. Эти характеристики в сочетании с временем отклика 300 мс позволяют решать различные задачи измерения (рис. 89).

Рис. 89. Схема инфракрасного пирометра (слева) и параметры измеряемого объекта (справа)

Упрочненная конструкция пирометра гарантирует высокую безопасность даже в неблагоприятных промышленных условиях. Также имеется версия пирометра IN 3000 со встроенным блоком воздушной продувки.

Область применения пирометров IN 3000: окрашенные металлы, металлы с покрытием, анодированные металлы. Некоторые характеристики: 3 диапазона измерения температуры, 3 выхода: 10 мВ/°С, термопара типа J или K, невысокая стоимость, корпус из нержавеющей стали с резьбой PG11, простая установка и подключение, малые размеры, рабочая температура окружающего воздуха до 70 °С без охлаждения. Этот пирометр в большей степени удовлетворяет требованиям исследования температуры резания: невысокая стоимость, простота установки и подключения, малые размеры, возможность подключения к прибору «Камертон» и т.д. Но недостатком является узкий диапазон измеряемой температуры: от 0 до 500 °С. Ведь температура в зоне резания может достигать при скоростной обработке 800 °С, а на поверхности трения по передней грани – даже 1200 °С и выше.