5 Методы экспериментального определения температур при механической обработке

5.1 Классификация методов измерения. Конструктивные

разновидности датчиков и устройств для измерения

температур

Исследование теплофизических явлений в зоне механической обработки тесно связано с проведением экспериментов по измерению температур на различных участках инструмента, детали или других компонентов, участвующих в процессе. Помимо непосредственного решения тех или иных задач такие эксперименты необходимы также для проверки и корректирования результатов определения температур расчетным путем. Методы определения температур, практически применяемые в теплофизических экспериментах, можно в первом приближении сгруппировать по четырем главным признакам — цели, месту и способу измерения и типу датчика (табл. 10).

Таблица 10

Классификация методов измерения температур при механической обработке материалов

Классификационный признак	Наименование
Что измеряется, определяется Место измерения Способ измерения Датчик	Средняя температура; локальная температура; закон распределения температур; температурное поле Инструмент; деталь; стружка; охлаждающая среда Прямой; косвенный Естественный; полуискусственный; искусственный; бесконтактный

В зависимости от целей исследования встречается необходимость определить среднюю температуру на всей поверхности контакта инструмента с обрабатываемым материалом, на той или иной части этой поверхности в отдельности (например, на площадке контакта между резцом и стружкой) и за пределами контактной поверхности. Чем меньше размеры площадки, на которой определяется средняя температура, тем ближе последняя к локальной. Измерение локальной температуры представляет особый интерес для тех случаев, когда на поверхности контакта инструмента с изделием имеются участки с резко отличающимися значениями температур. Типичным примером служит процесс шлифования, в котором на поверхности контакта круга с деталью имеются участки под зернами, нагретые в 2—3 раза сильнее, чем участки в межзерновом пространстве. Заметим, что экспериментальное определение локальных температур, т. е. средних температур на весьма малых площадках, представляет для ряда процессов наибольший интерес, но вместе с тем и наибольшие трудности.

Для объяснения закономерностей износа инструмента и решения других задач требуется изучить закон распределения температур по какому-либо направлению в зоне механической обработки. Так, значительный интерес представляют законы распределения температур на передней поверхности резца в направлении схода стружки и на поверхности детали в направлении скорости резания.

Ряд трудностей вызывают эксперименты по определению температурного поля в детали или инструменте, особенно если требуется установить законы распределения температур в том или ином объеме этих тел.

В практике теплофизических измерений применяют датчики различной конструкции. Рассмотрим некоторые из них.

Естественные термопары. Метод измерения температуры с помощью естественной термопары, т. е. термопары, элементы которой находятся в зоне, контакта в виде разнородных материалов инструмента и обрабатываемой детали, общеизвестен. Остановимся лишь на отдельных вопросах, относящихся к применению таких термопар.

В исследовательской практике используются одноинструментные (например, однорезцовые) и двухинструментные (например, двухрезцовые) естественные термопары. В первом случае компонентами термоэлемента являются инструмент и обрабатываемый материал, а во втором — два инструмента, изготовленные из различных материалов и работающие одновременно при одном и том же режиме.

На рис. 74 показана схема устройства, применявшегося в Тольяттинском политехническом институте для исследования возможности определения по термо-ЭДС обрабатываемости прутков автоматных сталей. При установке трехпозиционного сблокированного переключателя s1.1—s1.2 на контакты а—а или с—с замыкались цепи естественных одноинструментных термопар соответственно для резцов из стали Р18 или твердого сплава Т15К6, а при установке на контакты b – b – цепь двухинструментальной естественной термопары Р18 – Т15К6.

Рис. 74. Устройство с одно- и двухинструментной естественными термопарами: 1 — деталь; 2 — резец из стали Р18; 3 — резец из сплава Т15К6; 4 — ртутный токосъемник; 5 — изоляция; s1.1 — s1.2 — трехпозиционный переключатель; 6 — измерительный прибор

Оба эти способа, применяемые для определения средней температуры на поверхностях контакта инструмента с деталью, имеют свои преимущества и недостатки. Одноинструментная наладка проще и доступнее в эксплуатации, требует меньшего расхода обрабатываемого материала при различных исследованиях. Существенным ее недостатком является необходимость трудоемкой тарировки термопары инструмент - деталь каждый раз при исследовании нового обрабатываемого материала. Некоторые трудности вызывает также необходимость замыкания термо-ЭДМ в цепи, в которой одно из звеньев (деталь или инструмент) вращаются или перемещаются. Этот последний недостаток устраняется применением подвижных ртутных контактов [54].

В двухинструментной наладке тарировка делается один раз для данной пары инструментов и не требует корректировки при переходе от одного обрабатываемого материала к другому. Цепь термо-ЭДМ замыкается между звеньями, не перемещающимися относительно друг другу, в связи с чем необходимость в каких-либо дополнительных устройствах отпадает. К недостаткам этого метода измерения температур относятся более сложная наладка инструментов, повышенный расход обрабатываемого материала при испытаниях и невозможность обеспечения полной идентичности условий теплообмена для обоих инструментов ввиду различия их теплофизических характеристик. Различие значений температур, измеренных двух- и однорезцовой естественными термопарами. Изучалось в работе [35] при торцевом фрезеровании стали 40. нагретой до температуры примерно 1000^оС. В первом случае фрезы имели чередующиеся зубцы из твердых сплавов ВК8 и Т30К4, а во втором – только из того или только из другого сплава. Различие в результатах измерения двух- и одноинструментной термопарами находилось в пределах 7-9%.

Долгое время практика металлообработки отдавала предпочтение одноинструментным естественным термопарам, однако двухинструментный метод применяется все шире, особенно как способ входного ускоренного контроля качества и обрабатываемости металлов в состоянии поставки на предприятиях массового производства. В этом случае одноинструментная термопара, ЭДС которой чувствительна к колебаниям химического состава прутка, не может конкурировать с двухинструментной, которая реагирует только на изменение прочностных свойств образца, более всего влияющих на обрабатываемость.

Тарирование естественных термопар является важной проблемой, поскольку от его качества зависит достоверность результатов экспериментов. Методика тарирования оказывает влияние на зависимость Е = φ(θ), связывающую ЭДС естественной термопары Е с температурой θ. При тарировании естественных термопар желательно создавать условия контакта инструмента с деталью, близкие к реальным, что особенно важно при работе инструментами с твердосплавными пластинами. Дело в том, что, во-первых, партия стандартных пластин твердого сплава может иметь существенный разброс по величине термо-ЭДС, а во-вторых, при работе инструментом, состоящим из пластины и державки, в цепи термотока возникают паразитные токи, значения которых зависят от длительности процесса механической обработки и свойств материала пластины и державки.

Рис. 75. Устройство для тарирования естественных термопар

С целью усовершенствования и ускорения тарирования одноинструментной термопары в ГДР предложен способ комбинированного тарирования [Патент 105662 (ГДР)]. Установка, показанная на рис. 75, содержит геометрически подобные резцы 1 (основной) и 2 (вспомогательный), изготовленные из различных материалов. В схему входят также токосъемник 3, двухпозиционный переключатель 4, измерительный прибор 5 и счетно-вычислительное устройство 6. Тарирование производят в несколько этапов. Вначале в патрон токарного станка закрепляют образец 7 из легкообрабатываемого материала, например, алюминия, температура плавления которого θ₁ известна и введена в память вычислительного устройства 6. Переключатель 4 установлен в положение а. Скорость резания интенсивно форсируют до тех пор, пока в зоне резания материал обрабатываемого образца 7 начинает плавиться. ЭДС термотока Е_1, возникающая в этот момент времени, фиксируется измерительным прибором и вводится в устройство 6.

Положим, что тарировочный график двухрезцовой термопары описывается линейным законом типа f(θ) = Аθ. Если эта закономерность введена в память вычислительного устройства 6, то на основании значения Е_1, полученного в этапе I тарировки, и значения θ₁ хранящегося в памяти машины, описывается тарировочный график Е = f (θ) для двухрезцовой термопары. Такой график может быть получен и другим способом, важно, чтобы закономерность Е = f (θ) для двухрезцовой термопары хранилась в памяти вычислительного устройства 6.

Этап I I тарировки состоит в том, что в патрон станка вместо образца 7 устанавливают деталь из обрабатываемого материала 8. При каком-либо режиме резания, используя двухрезцовую естественную термопару, измеряют ЭДС Е₂, по которой устройство 6 определяет температуру θ₂ (номера этапов показаны стрелками с римскими цифрами). Далее с помощью сервоустройства 9 вспомогательный резец 2 быстро отводится, а переключатель 4 ставится в положение b. Основной резец 1 продолжает резание с прежним режимом. Теперь в этапе I I I измерительный прибор 5 фиксирует новое значение электродвижущей силы Е₃, поскольку температура резания θ₂ не изменилась, но используется новая естественная термопара резец 1 — обрабатываемый материал, а не термопара резец 1 — резец 2 как в предыдущих этапах тарировки. Значение Е₃ вводится в вычислительное устройство, в памяти которого хранится θ₂, чем (при линейном характере графика) полностью определяется искомая тарировочная зависимость для однорезцовой естественной термопары Е = φ (θ).

Если предположено, что закономерности f (θ) и φ (θ) имеют нелинейный характер, например закономерности типа Е= Aθ² + Bθ или Е = А ехр [54], то тарирование проводится по описанной схеме, но количество экспериментов в каждом этапе увеличивается. Так, в этапе I потребуется применить образцы из двух различных материалов, например из алюминия и меди, температуры плавления которых известны и введены в память устройства 6. Если полученная тарировочная кривая Е = f(θ) для двухрезцовой термопары также введена в память устройства 6, то описание тарировочного графика для однорезцовой термопары Е = φ(θ) проводится с помощью двух экспериментов при разных режимах резания. Более надежные результаты можно получить, если при каждом режиме делать несколько экспериментов, случайный разброс которых может быть учтен вычислительным устройством 6.

При адаптивном регулировании процессов механической обработки, как правило, требуется непрерывная информация о состоянии инструмента, в частности, о его износе и средней температуре на поверхности контакта с обрабатываемым материалом. В этом случае может быть применено устройство, схема которого приведена на рис. 76 [Патент 106974 (ГДР)]. Задняя поверхность резца 1 покрывается изолирующим 2 и токопроводящим слоями 3. Ток от естественной термопары, образующейся в процессе резания между инструментом 1 и деталью 4, через фильтр 5 регистрируется измерительным прибором постоянного тока 6. При этом роль съемника тока с вращающейся детали играет слой 3. Для определения ширины ленточки износа по задней поверхности инструмента служит цепь, содержащая генератор переменного тока 7, измерительное устройство 8 и конденсатор 9. Цепь замыкается через инструмент 1, деталь 4 и токопроводящий слой 3. По мере износа инструмента сопротивление слоя 3 уменьшается, что фиксируется чувствительным прибором 8.

На принципе использования токопроводящего слоя инструмента в цепи ЭДС естественной термопары основано применение неперетачиваемых пластин, на задние поверхности которых последовательно напылены тонкие слои изолирующего и проводящего материалов. В этом случае компоненты естественной термопары пластина — проводящий слой замыкаются прирезцовой поверхностью стружки, и измерительное устройство регистрирует температуру, близкую к средней на поверхностях контакта инструмента с обрабатываемым материалом. Естественную термопару можно применять и для измерения средних температур на весьма малых поверхностях контакта, когда температуру можно полагать локальной. Это особенно важно при теплофизических экспериментах, относящихся к процессу шлифования.

Рис. 76. Схема устройства для одновременного измерения

температуры резания и износа по задней

поверхности инструмента

Г. В. Бокучава [28] с помощью естественной термопары измерял при шлифовании локальную температуру между карборундовыми абразивными зернами и обрабатываемым материалом. Было установлено, что толщина слоя металла, снимаемая зерном, не оказывает существенного влияния на температуру контакта. Значительно большее влияние на локальную температуру оказывает скорость шлифования, однако по достижении некоторой максимальной величины температура контакта практически не меняется вплоть до скоростей 350 м/с.

Обычный алмаз не электропроводен, поэтому применение метода естественной термопары при исследовании процесса резания алмазами, как правило, невозможно. Исключение составляют эксперименты, в которых используются алмазы, обладающие свойствами полупроводников. В Институте сверхтвердых материалов АН УССР, например, были изготовлены синтетические полупроводниковые алмазы [66]. Алмазные зерна размером 2 мм зачеканивались в оправку и ими производилось резание (царапание) на универсально-заточном станке. Термо-ЭДС, возникавшая в паре алмаз— сталь ШХ15, передавалась на электронный осциллограф C1 -15 со сменным предусилителем, имевшим полосу пропускания 0—25 МГц, что обеспечивало воспроизведение импульсов микросекундной длительности без искажений. Полупроводниковые свойства некоторых натуральных алмазов использовались для измерения локальных температур при шлифовании — царапании [93].

Сравнительно высокая теплопроводность алмазных зерен вызывает ряд сложностей при градуировании термопары, поскольку при длительной работе зерно может прогреться насквозь и тогда холодный спай, необходимый для записи истинных значений термо-ЭДС на вершине зерна, не получается. Поэтому авторы исследования [66] при тарировке термопары производили краткосрочное врезание алмазного зерна в образец из стали ШХ15, предварительно нагретый до заданной температуры. Врезание производилось на малой скорости, при которой температурой резания по сравнению с температурой предварительного нагрева образца можно было пренебречь.

Длительность контакта зерна с нагретым образцом не превышала времени, за которое теплота может проникнуть на глубину, соизмеримую с поперечником кристалла. Эту длительность τ_к можно рассчитать пользуясь формулой для температуры точки, отстоящей на расстоянии R от источника (приложение I). Полагая и имея в виду, что Ф[3] ≈ 1, а для алмаза w = 0,83 см²/с, получаем τ_к [с]. В последнее выражение размер зерна R подставляется в миллиметрах. Время контакта может быть повышено до τ_к 8,8 ^.10^-4 R² [с], если допустить, что в месте припайки к алмазу контактного проводника температура может не превышать 1 % от локальной температуры на режущей вершине зерна.

На рис. 77 приведены результаты экспериментального определения локальных температур при шлифовании закаленной стали ШХ15 единичным зерном из синтетического полупроводникового алмаза в виде конуса с углом при вершине 120° и радиусом округления 0,01 мм [66]. Обращают на себя внимание два факта: во-первых — высокие локальные температуры, порядок которых согласуется с расчетным (см. рис. 61, 63 и 65), во-вторых — слабое влияние глубины резания на температуру в диапазоне t > 0,01, что отмечалось выше.

Рис. 77. Локальные температуры на поверхности контакта алмазного зерна с закаленной сталью ШХ15: 1 – в зависимости от глубины шлифования t, при v = 27.5 м/с; 2 – в зависимости от скорости шлифования v при t ≈ 0,015 мм.

Естественные термопары чаще всего используют для определения средней температуры на поверхности контакта между инструментом и обрабатываемым материалом. Их также применяют и для измерения средних температур на отдельных участках контактной поверхности с целью построения законов распределения температур на всей поверхности соприкосновения инструмента с обрабатываемым материалом. Так, при исследованиях, описанных в работе [48], применялся многозубый дорн из стали Х12, зубья которого были изолированы друг от друга и последовательно замыкались с обрабатываемым материалом в цепи естественной термопары. При дорновании стальных втулок со скоростью v = 10 м/мин контактная температура от первого зуба к последующим возрастала в пределах от 150 до 270° С, что являлось следствием накопления теплоты в поверхностных слоях обрабатываемого материала.

Примером устройства для измерения температуры на отдельных участках инструмента является разрезной резец (рис. 78). Он состоит из двух несоприкасающихся пластин 1 и 2, закрепленных в державке. Цепь естественной термопары замыкается между пластиной 2 и деталью обычным способом. Предположим, что распределение температур на площадке контакта между стружкой и резцом описывается каким-либо законом θ(х). Допуская наличие пропорциональности между ЭДС и температурой, можем предположить, что распределение локальных электродвижущих сил на участке 0 подчинено закону Е (х) = . Среднее значение термо-ЭДС, которое будет зарегистрировано при работе разрезным резцом с фаской f, составит

Рис.78. Разрезной резец

Выполняя два опыта с резцами, имеющими фаски f = f₁ и f = f₂. регистрируем в цепи термотока Е (f ₁) и Е (f ₂). С другой стороны, среднюю термо-ЭДС на участке длиною f₁— f ₂ можно рассчитать по формуле

Тогда для определения средней температуры на участке контакта длиною f₁— f ₂ получаем выражение

Применяя при одном и том же режиме обработки разрезные резцы с различными значениями и регистрируя при этом величину ЭДС естественной термопары, можем, пользуясь последней формулой, построить закон распределения температур θ(х) на площадке контакта между стружкой и резцом. Общий характер кривых θ(х), полученных расчетом и экспериментом с разрезным резцом, идентичен. В первой части контактной площадки температура нарастает, а затем плавно снижается. Однако, несмотря на принципиальное сходство законов распределения, полученных расчетом и экспериментом с разрезными резцами, экспериментальные кривые могут быть недостаточно точными по численным значениям температур, поскольку они несут следы погрешностей, вызванных разновременностью опытов, а также изменением условий трения и теплообмена в зоне резания в связи с несплошностью инструмента.

Полуискусственные и искусственные термопары.

Полуискусственной называется термопара, один из элементов которой естественно присутствует при механической обработке, а второй не участвует в этом процессе, а вводится в зону обработки с целью измерения температуры. В искусственной термопаре оба проводника, образующие спай, не имеют отношения к процессу обработки и вводятся в инструмент, деталь или стружку только с целью измерения температуры. Известно, что искусственные и полуискусственные термопары впервые применил для измерения температур при механической обработке материалов русский исследователь Я. И. Усачев. С помощью таких термопар можно измерять локальные температуры, регистрировать их изменение во времени и даже записывать, как будет показано ниже, законы распределения температур на контактных площадках инструмента. Поэтому интерес к ним непрерывно возрастает, о чем свидетельствует появление различных конструкций датчиков и устройств, в которых используются полуискусственные или искусственные термопары. Наиболее простую разновидность полуискусственной термопары Я. И. Барац использовал для измерения температуры в процессе алмазного выглаживания. Схема устройства, применявшегося в этой работе, приведена на рис. 79. Обрабатываемую деталь 1, закрепленную на оправке, устанавливали в центрах, а индентор 2 — в суппорте станка. В державке 3, изолированной с помощью трубки 4, устанавливали и закрепляли сменную металлическую рамку 5 с припаянным к ней проводником 6 в виде тонкой (диаметром 0,02 мм) константановой проволоки. К детали припаивался провод 7, который через паз во вращающемся центре 8, гибкий тросик 9 и ртутный токосъемник 10 подсоединялся к электронному осциллографу 11, к которому с помощью проводника 12 присоединялась также державка 3.

Рис. 79. Установка с полуискусственной термопарой для измерения контактной температуры при алмазном выглаживании и результаты экспериментов (сталь ШХ15, HRC 62—64, = 17 кгс, s = 0,005 мм/об)

Для того чтобы измерить температуру на площадке контакта алмазного индентора с деталью, рамку 5 подводили к поверхности вращающейся детали. Силами трения проволока 6 увлекалась в зону обработки и проскакивала между неэлектропроводным алмазом и выглаживаемой поверхностью, образуя с последней в месте контакта с индентором горячий спай полуискусственной термопары константан — обрабатываемый материал. Импульс термо-ЭДС длительностью около , возникавший при проскакивании проволоки, был четко виден на экране осциллографа и с него фотографировался. Для повторного измерения температуры сменную рамку с электродом 6 заменяли новой.

В нижней части рис. 79 показаны результаты экспериментов по измерению описанным способом максимальной температуры при выглаживании закаленной стали ШХ15 в зависимости от радиуса [мм] сферы алмазного индентора и скорости обработки [м/мин]. Кружком на этом графике отмечен результат теплофизического расчета.

Рис. 80. Схема устройства с полуискусственной термопарой резец—стружка

В рассмотренном устройстве проводник, участвующий в образовании полуискусственной термопары, заранее не устанавливался в инструмент или изделие, а вводился в зону обработки непосредственно во время проведения технологической операции. В большинстве случаев, однако, не представляется возможным вводить один из проводников или искусственную термопару целиком в контактную зону непосредственно в процессе обработки, их приходится заранее устанавливать в инструмент или деталь. На рис. 80 приведен пример устройства, где осуществлена установка одного из проводников полуискусственной термопары в инструмент [А. с. 416166 (СССР)]. В тело разрезного резца 1 закладывается изолированная от него токопроводящая пластина 2, расположенная под углом к режущей кромке. Термо-ЭДС, возникающая между стружкой 3 и пластиной, проходя через усилитель 4, регистрируется самопишущим прибором 5. При свободном точении диска из обрабатываемого материала инструменту 1 сообщают продольное перемещение, что дает возможность записать закон распределения температур на поверхности контакта между стружкой и резцом.

Полуискусственная термопара может быть получена и при установке одного из проводников в шлифовальный инструмент [3].

Фольга 1 толщиной 0,01—0,05 мм (рис. 81) устанавливается между плотно притертыми друг к другу половинками шлифовального круга 2 и 3. Фольга образует с деталью 4 полуискусственную термопару с достаточно длинным, но тонким спаем, регистрирующую среднюю температуру на поверхности контакта круг—деталь. Преимуществом такой конструкции термопары является непрерывность и устойчивость сигнала, подаваемого на измерительное устройство. Порядок температур, полученных при измерении с помощью фольговой термопары, как это видно из графиков в нижней части рис. 81, соответствует порядку средних температур, рассчитанных теоретически (см. гл. 3). Локальные температуры с помощью фольговой термопары, естественно, зарегистрировать невозможно.

Рис.81 Полуискусственная термопара для измерения средней температуры контактной поверхности между деталью и кругом и результаты экспериментов при врезном шлифовании стали 13Х12НВМФА кругом ЭХА40СМ2К4

Для регистрации локальных температур, возникающих на одиночном зерне при шлифовании — царапании в некоторых работах [12, 93] применялись крупные кристаллы натурального или синтетического алмаза, в которые заделывались искусственные термопары. Для этой цели в кристаллах с помощью луча лазера сверлились глухие отверстия, торец которых находился на расстоянии 0,1—0,3 мм от рабочей поверхности алмаза. Несмотря на высокую теплопроводность алмаза, искусственная хромель-алюмелевая термопара, расположенная внутри кристалла, показывала температуры значительно более низкие, чем те, которые имели место на контактной площадке зерна с обрабатываемым материалом, так как градиент температур от поверхности внутрь зерна весьма высок. Так, в работе [12] при скорости шлифования = 35 м/с, скорости изделия = 30 м/мин и радиальной подаче на врезание (глубине резания) t = 0,012 мм на 1 оборот изделия наибольшее значение измеренной температуры составило около 120° С. Корректировка результатов измерения с целью получения значений действительной локальной температуры на поверхности контакта зерно—деталь выполнялась в работе [93] расчетным путем в предположении, что поток теплоты от контактной поверхности внутрь зерна быстро устанавливается, а зерно имеет форму пирамиды, на вершине которой действует источник теплоты.

Рис. 82. Область значений локальных температур, полученных экспериментально-расчетным путем при царапании стали 45 алмазным кристаллом:

а — кристалл (размеры в мм); б — хромель-копелевая термопара

На рис. 82 приведены результаты исследований по определению локальных температур на алмазном кристалле экспериментально-расчетным способом. Кристалл имел форму пирамидки с углом при вершине 90° и площадкой 0,1 мм. Царапание проводилось без охлаждения, обрабатываемый материал — сталь 45, сила прижатия кристалла к детали . Как видно из рисунка, при скоростях царапания , близких к скоростям шлифования, применяемым на практике, локальные температуры под зерном достигают высоких значений (1200—1500°С), что согласуется с приведенными в гл. 3 результатами теоретических расчетов.

Стремление уменьшить размеры спаев термопар и приблизить последние к контактным поверхностям инструмента привело к созданию пленочных термодатчиков, появление которых оказалось возможным благодаря успехам вакуумной техники.

Рис. 83. Резец с пленочными искусственными термопарами

На рис. 83 показан резец с искусственной пленочной термопарой конструкции ВЗМИ. Он состоит из двух пластин 1 и 2, соприкасающихся по доведенным плоскостям разъема. На одну из пластин последовательно с помощью трафарета напылены химически чистое железо 3, слой изоляции 4 и химически чистый никель 5. Толщина металлических пленок и изоляционного покрытия соответственно 0,5 и 1,5 мкм, ширина проводников 1мм. В качестве диэлектрика взята моноокись кремния, имеющая высокую термическую стойкость и большое удельное электросопротивление. К концам напыленных термопар припаивались проводники 6, входящие в цепь измерительного устройства 7. Установленные в державку 8 и прижатые накладкой 9 пластины 1 и 2 с термопарами служили для измерения температуры на поверхности контакта стружки с резцом, которая замыкала цепь проводников 3 и 5.

Использование пленочных термопар существенно снижает погрешности измерения ввиду особенностей таких датчиков; чрезвычайно малого сечения термоэлектродов и весьма малых размеров спая; применение чистых металлов, теплопроводность которых при высоких температурах мало зависит от последних; миниатюрность датчика, снижающая искажение теплофизической обстановки в инструменте. Кроме того, пленочные термопары по сравнению с защемленными или закладными повышают надежность процесса измерения. Закладные термопары под действием высоких нормальных напряжений в местах соприкосновения инструмента с обрабатываемым материалом иногда отжимаются от поверхности контакта в щели или отверстия, через которые они подведены к месту измерения, и вследствие этого в результаты эксперимента вносятся грубые искажения.

Некоторые трудности представляет градуировка пленочных термопар, которая вследствие их миниатюрности не может проводиться обычными способами. Однако применение термоэлементов из чистых металлов позволяет с достаточной надежностью осуществлять градуирование расчетным путем, на основе закона аддитивности термо-ЭДС обоих термоэлектродов с платиной.

Изложенные соображения позволяют считать пленочные термопары перспективным средством измерения температур при механической обработке материалов и рекомендовать их к использованию в тепло-физических экспериментах.

Рис. 84. Распределение температур вдоль активной части кромки резца, полученное с помощью инструмента с пленочными термопарами (резец из стали Р18, , , деталь из стали 45; режим резания , ):

1 — резание всухую; 2 — резание с обдувом воздухом, охлажденным до температуры —

На рис. 84 приведены кривые распределения температур вдоль активной части кромки резца при свободном точении торца трубы. Инструмент был оборудован несколькими пленочными термопарами. Как видно из рисунка, на краях площадки контакта между стружкой и передней поверхностью резца температуры ниже, чем в центре. Это объясняется особенностями стружкообразования по ширине среза, условиями теплоотвода в тело инструмента и теплообменом с окружающей средой, особенно в случае обдува зоны резания охлажденным воздухом.

Рис. 85. Термические циклы и зависимости , полученные с помощью полуискусственных термопар. Обрабатываемый материал ─ конструкционная сталь, круг — электрокорундовый; врезное шлифование с охлаждением эмульсией:

1 — 4 — соответственно и 1,0 мм при . , скорости врезания 0,01 мм/с; 5—7 соответственно 35; 70 и 100 м/мин; , скорость врезания 0,02 мм/с

Полуискусственные и искусственные термопары, устанавливаемые в инструмент, не позволяют выполнить всю номенклатуру теплофизических экспериментов, интересующих исследователей. В частности, при помощи этих термопар невозможно описать термические циклы точек, расположенных в поверхностных слоях детали, т. е. изменение температуры этих точек во времени. Весьма сложно с помощью термопар, расположенных в инструменте, экспериментально изучить законы распределения температур на его контактных поверхностях.

В связи с этим в практике теплофизических экспериментов нашли широкое применение полуискусственные и искусственные термопары, устанавливаемые в обрабатываемой детали. Простейшим примером может служить устройство (рис. 85) в виде проводников С, приваренных к торцам детали и образующих с материалом последней полуискусственную термопару для измерения температуры при врезном шлифовании [95]. Если торцы детали А изолированы с помощью низкотеплопроводных пластин В, то создаются условия, при которых деталь может рассматриваться как пластина с адиабатическими поверхностями, а процесс распространения теплоты в этой пластине может полагаться плоским. Следовательно, температура точек, расположенных на торце детали, теоретически не должна отличаться от температуры точек, расположенных на том же диаметре d в теле детали.

Измерения, выполненные с помощью такой термопары, показали, что термический цикл зависит от расстояния от данной точки до наружной поверхности детали. Температура достигает максимума в течение примерно . Существенное различие в температурах имело место только в тонком слое обрабатываемого материала, не выходившем в условиях эксперимента за пределы 0,15мм, а далее, с увеличением до 0,Змм, это различие мало зависит, а при , практически не зависит от изменения условий шлифования.

Широкое применение в исследовательской практике, особенно при изучении процессов шлифования и поверхностного упрочнения без снятия стружки, нашли полуискусственные термопары, состоящие из проводника, защемленного между двумя частями обрабатываемой детали, и материала последней.

Рис. 86. Схема устройства с полуискусственной термопарой для измерения температуры при шлифовании

На рис. 86 показана схема устройства с полуискусственной термопарой, применявшаяся при исследовании процесса эльборового шлифования сталей и чугуна в Тольяттинском политехническом институте. Термоблок, состоящий из двух половин 1 и 2 образца шлифуемого материала, тонкой копелевой проволоки 3 и изолирующих пластин слюды 4, устанавливали на столе плоскошлифовального станка 5 и включали в цепь электронного осциллографа 6. Применение последнего, как правило, вызывает необходимость синхронизации момента появления импульса термо-ЭДС на экране с открытием затвора аппарата, фотографирующего этот импульс. Открытие затвора осуществлялось от электромагнита 7, который включался кулачком 8, установленным на столе станка. Кулачок замыкал контакт 9, приводивший в действие электромагнит 7.

После открытия затвора фотоаппарата от кулачка 10 срабатывал контакт 11 для запуска луча осциллографа. Момент срабатывания контакта незначительно опережал момент прохода шлифовального круга над термоэлементом, что давало возможным получить картину импульса термо-ЭДС по всей длине экрана осциллографа. Все вспомогательные устройства питались от сети через стабилизатор напряжения 12, а катушка электромагнита 7 — через выпрямитель 13.

Рис. 87. Принципиальная схема бегущей термопары и полученные с ее помощью законы распределения температур на поверхности контакта стружки с резцом (свободное точение, обрабатываемый материал — сталь 45, резец из сплава ВК8, , сечение среза ): 1 — расчетная кривая для условий верхней осциллограммы

Закладные термопары, устанавливаемые в деталь, могут применяться для непосредственной записи законов распределения температур на поверхностях контакта между инструментом и обрабатываемым материалом. Автором были предложены закладные термопары, названные бегущими, которые позволяют осуществить непосредственную и практически единовременную запись закона распределения температур на поверхностях контакта резец—стружка и резец—деталь при точении [52, 53, 54]. Принципиальная схема бегущей термопары и несколько осциллограмм, полученных с ее помощью, приведены на рис. 87. В поверхностных слоях детали сверлят небольшое отверстие, в которое устанавливают защитную трубку с двумя изолированными проводниками и , которые в дальнейшем образуют искусственную термопару. До начала резания проводники не замкнуты, их концы через передающую систему подведены к контактам и осциллографа.

Трубка , изготовленная из обрабатываемого или близкого к нему по свойствам материала, защищает проводники термопары от преждевременного замыкания. При перерезании этой трубки резцом проводники и замыкаются в тонком слое надрезцовой стороны стружки и на поверхности резания. Часть трубки с проводниками продолжает двигаться вместе со стружкой, и искусственная термопара, образовавшаяся при замыкании проводников, через контакты фиксирует на пленке или экране осциллографа температуры площадки контакта резец—стружка. Другая термопара, образовавшаяся от замыкания проводников в поверхностном слое детали, двигаясь вместе с последней, через контакты фиксирует температуру контактной площадки резец—деталь.

Надежность удержания термопары после перерезания трубки увеличивается, если на поверхности детали имеется вспомогательный штифт . Трубка и штифт соединяют тонкой проволокой или припаивают друг к другу. Расстояние между трубкой и штифтом следует выбирать таким, чтобы штифт не срезался до тех пор, пока термоэлемент не пройдет всю длину контакта стружки с резцом.

Сигналы термопары резец—стружка подаются на осциллограф короткое время, затем проводники, как правило, обрываются. Однако и этого времени достаточно, чтобы на пленке или экране четко зафиксировать закон распределения температур, что видно из расшифрованных осциллограмм на рис. 87. По оси абсцисс отложены расстояния от режущей кромки, измеренные вдоль передней поверхности инструмента. Светлыми кружками обозначены максимумы температур, темными кружками — температуры в конце контактной площадки (в момент отрыва стружки от передней поверхности инструмента). За пределами контактной площадки термопара фиксирует температуру остывающей стружки. С целью сопоставления на рис. 87 приведена кривая 1, рассчитанная для условий, соответствующих верхней осциллограмме.

Измерение температур с помощью расплавляемых пленок и порошков. Рассмотрим еще один способ измерения температур при механической обработке материалов — с помощью тонких конденсированных пленок чистых металлов или тонких порошков с известной температурой плавления. В исследованиях, описанных в работе [82], пленки чистых металлов — индия, висмута, сурьмы, алюминия, серебра, золота, меди (металлы перечислены в порядке возрастания температуры плавления — от 156 до 1083° С) — в вакууме наносились на боковую поверхность стальных образцов, подвергавшихся шлифованию эльборовыми кругами. Теплота, возникавшая в процессе шлифования, оплавляла пленку в области, где была достигнута температура ее плавления, и тем самым обозначала на боковой поверхности образца соответствующую изотерму.

Мелкозернистые порошки (олово, хлористое олово, азотнокислый калий, хлористый свинец, хлористый кадмий и др.) наносились в исследовании [20] на смоченную водным раствором кремнекислого натрия плоскость разъема резца, перпендикулярную его режущей кромке. Применялись резцы с пластинами твердого сплава, кермета или минералокерамики.

Рис. 88. Температурное поле в режущем клине, полученное с помощью мелкозернистых плавящихся порошков

Обрабатывалась конструкционная сталь, причем последовательно регистрировались изотермы, полученные при расплавлении того или иного порошка. На рис. 88 приведены законы распределения температур на передней и задней поверхностях инструмента, а также температурное поле в режущем клине, полученное при скорости резания , сечении среза и времени обработки . Как видно, в пределах длины обнаружен вялый экстремум кривой , расположенный примерно в средней части контактной площадки. Вблизи режущей кромки температурное поле описано с недостаточной детализацией, что является недостатком рассматриваемого метода.

Бесконтактные способы измерения температур. Бесконтактное измерение температур представляет собой регистрацию теплового излучения отдельных участков детали или инструмента в процессе механической обработки. На рис. 89 представлено устройство для измерения температуры шлифуемой поверхности в зоне ее контакта с кругом [А. с. 461316 (СССР)]. В чашечном шлифовальном круге 1 проделаны одно или несколько отверстий, имеющих форму конуса. Диаметр конического отверстия со стороны рабочей поверхности детали 2 равен 2 мм, а угол выбран таким, что он больше апертурного угла оптической системы . При вращении круга тепловое излучение от шлифуемой поверхности периодически попадает в корпус измерительной головки 3 с собирательными линзами 4, диафрагмой 5 и сернистосвинцовистым фотосопротивлением 6. Съем теплового излучения со шлифуемой поверхности происходит с пятна диаметром около 0,3 мм. Поскольку последний много меньше диаметра отверстия в круге, некоторое заполнение последнего продуктами шлифования не препятствует равномерному потоку излучения. Это позволяет достаточно точно определить среднюю температуру шлифуемой поверхности. С целью повышения точности измерения отношение диаметров отверстия диафрагмы 5 и отверстия на рабочей поверхности круга было сделано равным 0,1—0,2.

В работе [29] описана другая разновидность бесконтактного метода измерения температуры шлифования, основанная на измерении плотности потока излучения в инфракрасной области спектра факела, который образован разогретыми частицами металла, вылетающими из зоны обработки. Тепловое излучение частиц факела посредством отражательного зеркала направлялось в щель призменного монохроматора спектрометра ИКС-12. Там оно разлагалось в спектр, и монохроматическое излучение попадало на приемную площадку термоэлемента, на котором возникала ЭДС, передаваемая после усиления на регистрирующее устройство.

Рис. 89. Бесконтактное устройство для измерения температуры шлифуемой поверхности

В результате были получены графики распределения энергии излучения в зависимости от длины волны; интегральная температура факела оценивалась по положению максимума на графике. В основу способа была положена гипотеза о том, что температуры частиц, составляющих факел, соответствуют температурам в зоне обработки. При круглом шлифовании стали 20 абразивом ЭБ25СМЩ, прижатым к детали силой , и скорости шлифования температура в зоне обработки была 990° С.

Применение бесконтактного способа для измерения температуры детали при механической обработке со снятием стружки связано с рядом трудностей, поэтому его осуществляют с помощью устройства, схема которого показана на рис. 90 [А. с. 462661 (СССР)]. Режущий инструмент состоит из пластинки 1, выполненной из прозрачного для инфракрасных лучей материала (например, отожженного корунда или алмаза) и державки 2 с отверстием. Ось отверстия проходит через площадку контакта инструмента со стружкой. Фотоэлектрический датчик содержит светопровод 3, модулятор 4, светофильтр 5 и приемник излучения 6. Светопровод представляет собой полированную внутри трубку из нержавеющей стали с внутренним диаметром 0,5—1 мм. Модулятор 4 выполнен в виде диска с отверстиями, который приводится во вращение от микродвигателя 7. Усилительно-регистрирующий блок устройства включает усилитель 8 и регистрирующий прибор 9. По сигналам последнего судят о температуре участка зоны резания, с которого улавливалось инфракрасное излучение.

Перспективы, открывающиеся при использовании фотоэлектрического метода изучения температур, в частности, возможность непрерывно подавать от них сигнал на командоаппараты и этим влиять на ход технологического процесса, поддерживая заданную температуру последнего, вызывают необходимость дальнейшего усовершенствования бесконтактных измерений, выполняемых с помощью регистрации инфракрасного излучения от рабочих участков, деталей или инструмента при механической обработке материалов.

Рис. 90. Бесконтактное устройство для измерения температуры при точении

5.2 Погрешности при измерении температур термопарами и пути их снижения

При измерении температур естественной, полуискусственной или искусственной термопарами кроме обычных погрешностей измерительной аппаратуры и цепи, по которой передается термо-ЭДС, возникают специфические погрешности, свойственные только этим методам измерения. К таким погрешностям относятся изменения в термо-ЭДС, вызванные наличием паразитных токов при работе искусственными и полуискусственными термопарами. Рассмотрим методы определения специфических погрешностей термопар.

Естественная термопара. Инструменты, применяемые при механической обработке деталей, как правило, состоят из нескольких частей, изготовленных из различных материалов. Так, при обработке резанием инструменты состоят из рабочих пластин (быстрорежущая сталь, твердый сплав) и державки (конструкционная сталь), скрепленных друг с другом. Если составной инструмент входит в цепь естественной термопары инструмент—деталь, то в этой цепи возникают паразитные токи в результате влияния дополнительных термопар в местах перехода одной части инструмента в другую. Паразитные термотоки могут существенно искажать измерения. Это видно из рис. 91, на котором приведены в зависимости от времени величины ЭДС естественной термопары, полученные при точении стали 45 резцом с пластиной твердого сплава Т15К6, державка которого изготовлена из стали 40. Когда термо-ЭДС снималась непосредственно с пластины, были получены значения Е большие, чем в случае, когда ЭДС снималась через державку резца. Расхождение между кривыми 1 и 2 нарастало во времени, наибольшая погрешность через 2 мин непрерывного течения составляла по ЭДС около 10%.

Чтобы избежать паразитных термопар, инструменты делают сплошь из одного материала, например, из быстрорежущей стали или из твердого сплава. Однако, если для лабораторной практики это еще и допустимо, то в производственных условиях такое решение в большинстве случаев неприемлемо. Естественные термопары можно успешно применять в устройствах, автоматически поддерживающих или регулирующих режим обработки. Наличие паразитных токов, переменных во времени, зависящих от размеров инструмента и ряда других факторов, если закономерности влияния этих токов на результирующую ЭДС в цепи естественной термопары неизвестны, сильно затрудняет применение последней в системах автоматического регулирования. Теплофизический анализ позволяет выяснить эти закономерности и, вводя в цепь корректирующее устройство, получать неискаженный сигнал.

Рис. 91. Зависимость термо-ЭДС Е от времени работы резца ( ; ; ):

1 — без охлаждения, съем тока с пластины; 2 — без охлаждения, съем с державки; 3,4 — соответственно то же, но при охлаждении пластины эмульсией

Рис. 92. Схема к расчету температуры на поверхности контакта режущей пластины с державкой

Пусть режущая пластина 1 (рис. 92) в виде четверти цилиндра радиусом и высотою припаяна или плотно прижата к державке 2. На передней поверхности пластины площадка контакта со стружкой имеет размеры . Пренебрегая влиянием теплоты, поступающей через заднюю поверхность пластины, по формуле (88) можем написать

,

приняв, что средняя температура на площадке равна температуре резания .

Зная интенсивность можем далее определить количество теплоты, поступающей в резец в единицу времени:

Сосредоточим эту теплоту в вершине резца О и рассчитаем среднюю температуру на подошве пластины KCL. Не будем учитывать влияние на температуру подошвы различия в теплофизических характеристиках материалов пластины и державки, поскольку в реальных конструкциях инструментов они различаются сравнительно мало. Это дает возможность рассматривать тело, в котором распространяются теплота , как часть пространства. Пользуясь формулой для источника , и введя в нее в соответствии с правилами отражения коэффициент 8, можем для любой точки М, расположенной в плоскости KCL, написать

.

Значения текущего радиуса в последнюю формулу подставляются в см.

Нетрудно видеть, что средняя температура на подошве KCL равна средней температуре на линии CN. Тогда

.

Подставляя под интеграл значения и переходя к размерам длин в мм, можем получить

, (178)

где . (179)

В свою очередь,

и

— безразмерные характеристики процесса нагревания режущей пластинки.

Первый член в скобках формулы (179) соответствует установившемуся режиму теплообмена ( ); в этом случае

,

а температура подошвы пластины зависит только от температуры резания и размеров пластины. Если , то в формировании значений температуры поверхности KCL участвуют время и коэффициент температуропроводности пластины сор.

На рис. 93 в полулогарифмической системе координат приведен график функции , полученный расчетом по формуле (179), в которой интеграл вычислен приближенно.

Предположим, что тарировочный график термопары пластина — обрабатываемый материал описывается формулой , а термопары пластина—державка— аналогичным выражением . В процессе обработки, когда действуют совместно основная и паразитная термопары, измерительная аппаратура зарегистрирует в цепи термотока ЭДС . В большинстве случаев при обработке чугунов и сталей и имеют разные знаки и поэтому .

Рис. 93. График функции F, используемой при расчете истинных значений температур при работе составным инструментом

Используя выражение для по формуле (178), получаем

, (180)

Отсюда

. (181)

где , (182)

представляет собой поправку, учитывающую влияние паразитной термопары.

Пусть, например, при обработке стали 45 резцом с пластиной из сплава Т15К6 ( ) размерами и и державкой из стали 45 естественная термопара зарегистрировала ЭДС через 30 с после начала резания. Ширина среза , длина контакта стружки с резцом . Определим температуру резания с учетом влияния паразитной термопары. Рассчитывая значение критерия Фурье , при по рис. 93 получаем и далее по формуле (182) . При этом значение рассчитывалось по формуле (90) при и . Если иметь в виду, что для термопары сплав Т15К6 — сталь 45 , то по формуле (181) получаем . Если бы паразитная термо-ЭДС не была учтена, то по тарировочному графику при было бы определено значение , т. е. на 15% меньше действительной.

Снизить или полностью ликвидировать погрешность естественной термопары, возникающую в связи с наличием паразитной термопары, можно, если активно охлаждать место стыка пластинки с державкой или всю пластину целиком за пределами зоны резания. Как видно из рис. 91, в этом случае кривые в цепях термотока деталь—пластина и деталь—пластина—державка практически совпадают.

Полуискусственная и искусственная термопары. Специфическим недостатком полуискусственных и искусственных термопар является погрешность при измерении температуры объекта, вызываемая оттоком части теплоты в проводники термопары. Предположим, что массивное тело нагревается какими-либо источниками без обмена теплотой с окружающей средой. Если бы к телу, температуру которого мы желаем измерить (инструмент, деталь, стружка), не была в данной точке прикреплена (прижата, приварена, защемлена) термопара, то в этой точке возникла бы какая-то температура .

При измерении, однако, когда к телу прикреплен проводник полуискусственной термопары диаметром или шарик диаметром искусственной термопары, часть теплоты, поступающей в объект измерения, передается в проводники. В связи с этим температура малой области около данной точки тела снижается и приобретает какое-то значение . Допустим, что в цепи измерительных устройств, воспринимающих термоток, другие погрешности отсутствуют. Тогда измерительный прибор (осциллограф, милливольтметр) зарегистрирует величину термо-ЭДС, пропорциональную температуре . Чтобы определить истинное значение температуры, необходимо ввести поправку —умножить на некоторый коэффициент , учитывающий погрешность измерения.

Для прижимной полуискусственной термопары [54]

,

где , и , —соответственно теплофизические характеристики материала проводника и материала объекта, температура которого измеряется. Функция зависит от безразмерного времени и для практических целей может быть аппроксимирована выражением

.

Следовательно,

. (183)

Диаметр проводника d в последнее выражение подставляется в мм.

Пусть, например, через после начала нагрева пластины из твердого сплава ВК8 ( , ) осциллограф, включенный в цепь полуискусственной термопары, зарегистрировал значение ЭДС, соответствующее температуре . Проводник диаметром изготовлен из меди ( ). Установим истинное значение температуры. Расчет по формуле (183) дает . Следовательно, . Погрешность можно снизить, если вместо медного проводника применить железный, дающий со сплавом ВК8 не меньшую ЭДС, чем медь, но имеющий меньшую теплопроводность. Для железного проводника и .

Для защемленной полуискусственной термопары [54]

,

причем

. (l84)

В формуле (184) по-прежнему , a — отношение диаметра головки защемленной термопары к диаметру ее стержня. В условиях предыдущего примера, положив , получаем по формуле (186) для медного проводника , а для железного и соответственно и .

Формулы для поправок , приведенные выше, позволяют определить различие между фактическими и измеренными .значениями температур во времени. Пусть, например, для какого-либо процесса получена осциллограмма (рис. 94). Зная все величины, входящие в формулы (183) и (184), можем построить график изменения поправки во времени. Далее для любого значения умножим измеренное значение температуры на и получим ординату кривой фактической температуры . Кривая будет располагаться выше кривой . В связи с этим на восходящих участках осциллограммы будет иметь место запаздывание показаний прибора по сравнению с действительным временем появления того или иного значения температуры ( ). На нисходящих участках кривых будет иметь место опережение измеренных температур по сравнению с действительными ( ).

Рис.94 Схема корректировки осциллограмм, учитывающая погрешности измерения термопарами

Задача о погрешностях , возникающих при использовании искусственных термопар, в принципе решается как и для полуискусственных. Кроме погрешности, связанной с теплоотводом, здесь имеет место неточность, вызванная тем, что искусственная термопара регистрирует температуру не в месте соприкосновения ее шарика с нагретой поверхностью, а в месте перехода проводников в спай.

В работе [14] приведены передаточные функции для срезаемых полуискусственных и искусственных термопар. При измерении таким методом, например, при шлифовании (см. рис. 86), обычно допускают, что температура торца срезаемой термопары равна температуре шлифуемой поверхности, что не совсем точно. Теплофизический анализ позволил получить формулу для расчета температуры по результатам измерения ЭДС полуискусственной термопары:

, (185)

а для искусственной термопары

. (186)

В последних формулах E — величина выходного напряжения термопары, мВ; d — диаметр срезаемой термопары, м; — скорость движения пятна контакта круга с деталью по шлифуемой поверхности, м/с; — коэффициенты температуропроводности проводников термопары, м²/с; — для обрабатываемого материала и аналогично — для проводников термопары и круга, ; — соответственно абсолютные коэффициенты термо-ЭДС проводников термопары и материала детали по отношению к пластине, мВ/°С; — температура окружающей среды, °С.

Как видно из формул (185) и (186), диаметр электродов термопары оказывает существенное влияние на точность измерения. В работе [19] экспериментальным путем при некоторых постоянных условиях шлифования установлено, что между измеренной температурой и диаметром термоэлектрода имеет место соотношение типа . С уменьшением рассеяние значений измеренных температур существенно сокращается. Характерной особенностью осциллограмм при измерении температуры шлифования термоэлектродами диаметром являлась их многовершинность, что указывало на последовательное во времени срезание электрода несколькими зернами абразивного круга Э540СМ1К6.