5.3. Экспериментальное исследование тепловых процессов при резании

В настоящее время используются различные методы экспериментального исследования тепловых процессов в зоне резания, которые позволяют определить количество выделяемой теплоты и ее распределение между стружкой, деталью и инструментом; температуру контактных площадок инструмента; температурные поля в зоне деформации и режущем клине инструмента.

Калориметрический методпозволяет определить количество тепла, переходящего в стружку, деталь и инструмент. На рис. 8.6 изображена схема определения количества теплаQ, переходящего при точении в стружку, и ее средней температуры. Перед передней поверхностью резца, установлен калориметр1с сеткой2для сбора стружки и ртутным термометром3.Для обеспечения лучшего попадания стружки в калориметр резание производят при левом вращении шпинделя.

Рис. 5.6. Применение калориметра для определения количества тепла, переходящего в стружку, и ее средней температуры

Например, среднюю температуру стружки можно определить по формуле

, (5.8)

где: _вс– температура воды и стружки в калориметре после резания в град;G_в– масса воды в калориметре в г;_в– начальная температура воды в калориметре в град;G– масса стружки в г;

Количество тепла, перешедшего в стружку, определяют по формулам

( при с_г= с_н= с), (5.9)

где с_г – удельная теплоемкость материала стружки при нагреве в кал/г град;с_н – удельная теплоемкость материала стружки при нормальной температуре в кал/г град;_н– начальная температура стружки.

Метод пленокзаключается в том, что на контактные площадки инструмента наносится в вакууме тонкий слой чистого металла с известной температурой плавления. Теплота, выделяющаяся при резании, оплавляет пленку в области, где достигается температура ее плавления, и тем самым обозначает соответствующую изотерму.

Метод термокрасокпринципиально аналогичен методу плёнок, но вместо чистых металлов используются специальные составы, изменяющие свой цвет под действием температур.

Термоэлектрический методоснован на том, что, если нагреть место спая двух проводников из различных металлов, то на их свободных концах возникает термоЭДС (электродвижущая сила), которая зависит от разности температур спая и более холодных концов. Замыкая цепь через милливольтметр, можно измерить термоЭДС и определить температуру. Этот метод является наиболее распространенным и подразделяется на несколько разновидностей.

Метод искусственной термопарызаключается в том, что в инструменте просверливается отверстие малого диаметра, не доходящее до какой-либо точки передней или задней поверхности примерно на 0,2...0,5 мм, в которое вставляется изолированная термопара (pис. 5.7). Температура в точке соприкосновения термопары и инструмента регистрируется включенным в цепь термопары гальванометром.

Рис. 5.7. Схема измерения температуры резания методом искусственной термопары

Этот метод дает возможность определить температуру различных точек на передней и задней поверхностях инструмента и на поверхности стружки, т.е. найти температурное поле.

Недостатками данного метода являются сложность устройства и невозможность определения наивысшей температуры, так как ее измерение фактически производится на некотором удалении от поверхности контакта резца и стружки.

Более точные значения температур можно получить, используя скользящие или бегущие термопары. Существует также метод полуискусственной термопары.

Метод естественной термопары.Схема измерения температуры при точении данным методом изображена на рис. 5.8. Обрабатываемая деталь1изолирована от патрона3и центра задней бабки эбонитовыми прокладками4и пробкой5.

Рис. 5.8. Схема измерения температуры методом естественной термопары

Р

8

9

езец2изолирован от резцедержателя эбонитовыми прокладками6. Деталь медным проводником10соединена с гибким валом8, закрепленным в эбонитовой втулке, установленной на конце шпинделя станка9.Контактный наконечник7гибкого вала опущен в ванночку со ртутью11.Милливольтметр12 одной клеммой соединен с торцом резца, а второй – с ртутным токосъемником. Замкнутая электрическая цепь состоит из детали – проводника – гибкого вала – токосъемника – милливольтметра – резца – детали. Деталь можно также изолировать от станка.

Достоинством метода естественно образующейся термопары является то, что его легко осуществить не только при точении, но и при сверлении, нарезании резьбы, строгании, фрезеровании и других видах обработки. Для перевода показаний милливольтметра в градусы Цельсия термопара должна быть предварительно подвергнута специальной тарировке.

Существуют также методы бесконтактного измерения температур,представляющие собой регистрацию теплового излучения отдельных участков детали или инструмента в процессе обработки.