8.3. Экспериментальные методы исследования тепловых явлений

Используемые в настоящее время экспериментальные методы исследования тепловых процессов в зоне резания чрезвычайно разнообразны. С их помощью можно 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. Рассмотрим некоторые из них.

1

2

3

Рис. 8.6. Применение калориметра для определения количества тепла, переходящего в стружку, и ее средней температуры

Калориметрический метод по-зволяет определить количество тепла, переходящего в стружку, деталь и инструмент. Например, на рис. 8.6 изображена схема постановки опыта при определении количества тепла Q, переходящего при точении в стружку, и ее средней температуры . 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 _вс – температуру воды и стружки 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 в г; с – теплоемкость стружки в кал, то среднюю температуру стружки или резца можно определить по формуле

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

,

где с_г – теплоемкость горячей стружки или резца в кал; с_н – теплоемкость ненагретой стружки или резца в кал; _н – начальная температура стружки.

М

Рис. 8.7. Изотермы на резце из минералокерамики при точении стали 45 в течение 1 мин (V = 500 м/мин, толщина металлической пленки 0,05 мкм)

0,4 мм

етод пленок заключается 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 (рис. 8.7).

Метод термокрасок принципиально аналогичен методу пленок, но вместо чистых металлов используются специальные составы, изменяющие свой цвет под действием температур.

Термоэлектрический метод заключается в том, что если нагреть место спая двух проводников из различных металлов, оставляя при этом свободными концы при более низкой температуре, на последних возникает термоЭДС, которая зависит от разности температур спая и более холодных концов. Замыкая цепь через милливольтметр, можно измерить термоЭДС. Такая цепь называется термоэлектрической. Этот метод является наиболее распространенным и подразделяется на несколько разновидностей.

Рис. 8.8. Схема измерения

температуры резания методом

искусственной термопары

Метод искусственной термопары заключается в том, что в инструменте просверливается от-верстие 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. 8.8). Температура в точке соприкосновения термопары и инструмента регистрируется включенным в цепь термопары гальванометром.

Этот метод дает возможность определить температуру различных точек на передней и задней поверхностях инструмента и на поверхности стружки (см. рис. 8.3), т.е. найти температурное поле.

Недостатками классической схемы искусственной термопары являются сложность устройства и невозможность определения наивысшей температуры, так как ее измерение фактически производится не на поверхности контакта резца и стружки, а на некотором удалении от них.

Более точные значения температур можно получить, используя скользящие (рис. 8.9) или бегущие термопары. Принципиальная схема бегущей термопары представлена на рис. 8.10. Деталь 4 имеет гребни в форме винта с ленточной резьбой.

Рис. 8.9. Схема скользящей термопары

Вних сверлят отверстия диаметром 0,5...0,7 мм, в которые вставляют защитные трубки3 с двумя изолированными проводниками 1 и 2 термопары. Трубка из обрабатываемого или близкого к нему по свойствам материала защищает проводники от преждевременного замыкания. При перерезании резцом трубки проводники замыкаются и на поверхности резания образуется точечная термопара, которая движется вместе с прирезцовым слоем стружки по передней поверхности. Это позволяет записать распределение температуры по длине контакта. Участки проводников, оставшиеся в заготовке, позволяют определить распространение температуры вначале по задней поверхности инструмента, а затем температуру обработанной поверхности.

а) б)

Рис. 8.10. Схема бегущей термопары (a) и осциллограмма ее работы (б)

Рис. 8.11. Резец с пленочными искусственными термопарами

Стремление уменьшить размеры слоев термопар и приблизить последние к контактным поверхностям инструмента привело к созданию пленочных термопар. Например, резец с искусственной пленочной термопарой состоит из пластин 2 и 6, прижатых друг к другу с помощью накладки 7 в державке 1 (pиc. 8.11). На одну из пластин с помощью трафарета напылены последовательно химически чистое железо 3, слой изоляции 4 и химически чистый никель 5. К концам напыленной термопары припаиваются проводники, соеди-ненные с измерительным устройством. Пленочные термопары существенно снижают погрешности измерения и перспективны для теплофизических исследований.

Вметоде полуискусственной термопары один из ее элементов (инструмент или деталь) естественно присутствует при механической обработке, а второй не участвует в этом процессе, а вводится в зону обработки с целью измерения температуры (рис. 8.12).

а) б)

Рис. 8.12. Схема полуискусственной термопары: a) инструмент – проводник; б) деталь – проводник

Рис. 8.13. Схема полуискусственной термопары

(проводник–стружка)

Разновидность метода полуискусственной термопары приведена на рис. 8.13. В теле разрезанного резца 1 закладывается изолированная от него токопроводящая пластина 2, расположенная под углом μ к режущей кромке. ТермоЭДС, возникающая между стружкой 3 и пластиной, регистрируется измерительным устройством. Если при свободном точении диска из обрабатываемого материала инструменту сообщить продольное перемещение, можно записать закон распределения температур на площадке контакта резец – стружка.

Метод полуискусственной термопары дает более точные результаты, чем метод искусственной, но, обеспечивая измерение температур в данных точках поверхности, не дает возможности изучить закономерности влияния элементов режима резания на наивысшую температуру процесса резания.

Метод естественной термопары. Схема измерения температуры при точении методом естественно образующейся термопары изображена на рис. 8.14. Обрабатываемая деталь 1 изолирована от патрона 3 и центра задней бабки эбонитовыми прокладками 4 и пробкой 5.

Р

8

9

10

3

4

1

5

2

езец2 из быстрорежущей стали или твердого сплава изолирован от резцедержателя эбонитовыми прокладками 6. Резец делают цельным для того, чтобы в месте приваривания или припаивания режущей пластинки к корпусу резца не образовались паразитные термопары. Деталь медным проводником 10 соединена с гибким валом 8, закрепленным в эбонитовой втулке, установленной на конце шпинделя станка 9. Контактный наконечник 7 гибкого вала опущен в ванночку со ртутью 11. Милливольтметр 12 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 изолируют от станка для устранения влияния паразитных термопар, которые могут 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 детали, сохранив изоляцию только резца.

10

7

6

12

8

3

4

1

5

2

Р

7

ис. 8.14. Схема измерения температуры резания естественно образующейся термопарой

Достоинством метода естественно образующейся термопары является то, что его легко осуществить не только при точении, но и при сверлении, нарезании резьбы метчиком, строгании, фрезеровании, протягивании и других видах обработки. Для перевода показаний милливольтметра в градусы Цельсия естественно образующаяся термопара должна быть предварительно подвергнута специальной тарировке. Тарировку производят в расплавленном металле (рис. 8.15). В электропечь1 помещают тигель 2 с расплавленным металлом, имеющим низкую температуру плавления (свинцом, оловом, сурьмой, сплавом Вуда и т.п.). Стержни 3 и 4 из обрабатываемого и инструментального материалов опускают на одинаковую глубину в расплавленный металл, а к их концам присоединяют милливольтметр 6, применяемый в опытах по измерению температуры при резании. Между стержнями помещают контрольную термопару 5 с гальванометром 7, который проградуирован в градусах. Нагревая и охлаждая расплавленный металл, сравнивают показания милливольтметра 6 в милливольтах и гальванометра 7 в градусах и строят тарировочный график mV – °С.

Рис. 8.15. Схема тарировки термопары в расплавленном металле

Большим неудобством при применении метода естественно образующейся термопары является необходимость новой тарировки термопары при изменении материалов детали или инструмента. Влияние материала обрабатываемой детали на вид тарировочного графика можно исключить, применяя двухрезцовый метод, предложенный В. Рейхелем. При этом методе точение производят двумя одинаковыми по размерам и геометрическим параметрам резцами 1 и 2 (рис. 8.16), изготовленными из твердого сплава и быстрорежущей стали и подключенными к клеммам милливольтметра 3. Термоэлектродвижущая сила, возникающая вследствие отличия термоэлектрических свойств инструментальных материалов резцов, по закону аддитивности не зависит от обрабатываемого материала детали, который в этом случае выполняет функцию только электрического проводника. Электродами естественно образующейся термопары являются материалы резцов; величина электродвижущей силы зависит от их свойств и температуры нагрева контактных поверхностей резцов. Тарировку термопары производят только один раз. По точности метод уступает однорезцовому, так как предполагает строго одинаковые температуры контактных поверхностей обоих резцов. Однако вследствие различных коэффициентов трения на передней и задней поверхностях резцов и теплопроводности инструментальных материалов температуры на контактных поверхностях резцов не могут быть одинаковыми.

Рис. 8.16. Схема измерения температуры

резания методом двух резцов

Рис. 8.17. Разрезной резец

Естественные термопары могут также применяться для измерения средних температур на каждой из контактных площадок в отдельности и для изучения закона распределения температур на поверхности соприкосновения стружки с инструментом. Примером такого устройства является разрезной резец (рис. 8.17). Он состоит из пластин 1 и 2, закрепленных на державке. Одна из пластин – из диэлектрика (минералокерамика), вторая – из токопроводящего материала. Меняя пластины местами при ƒ ≈ 0, в процессе резания можно измерить средние температуры на каждой из контактных поверхностей в отдельности. Применяя резцы с разными размерами фаски на пластине из диэлектрика, можно измерить средние температуры на отдельных участках контакта передней поверхности инструмента со стружкой и составить представление о законе распределения температур на этой контактной площадке. Но при этом допускается ряд погрешностей по сравнению с реальным процессом резания, в частности, изменяются условия трения на передней поверхности, интенсивность и направление тепловых потоков из-за различий в свойствах используемых инструментальных материалов.

Естественная термопара измеряет некоторую среднюю температуру, тогда как на площадках контакта в процессе резания развивается различная температура в разных точках контакта. Отношение этой средней температуры к наивысшей непостоянно.

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