7.5. 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 его распределение между стружкой, деталью и инструментом; температуру контактных площадок инструмента; температурные поля в зоне деформации и режущем клине инструмента. Рассмотрим некоторые из них.

Калориметрический метод позволяет определить количество тепла, переходящего в стружку, деталь и инструмент. На рис. 7.16 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

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

где с_г- теплоемкость горячей стружки пли резца в кал;

с_н - теплоемкость ненагретой стружки или резца в кал;

_н - начальная температура стружки или резца.

Рис. 7.16. Применение калориметра для определения

количества тепла, переходящего в стружку

и ее средней температуры

Метод 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. 7.17).

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

Рис. 7.17. Изотермы на резце из минералокерамики

при точении стали 45 в течение 1 мин

(V = 500м/мин, толщина металлической пленки 0,05 мкм)

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.

Метод искусственной термопары заключает­ся 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. 7.18). Температура в точке соприкосновения термопары и инструмента регистрируется включенным в цепь термопары гальванометром.

Рис. 7.18. 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 (см. рис. 7.3), 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. 7.19) или бегущие термопары. Принципиальная схема бегущей термопары представлена на рис. 7.20. Деталь 4 имеет гребни в форме винта с ленточной резьбой. В

В них сверлят отверстия диаметром 0,5...0,7 мм, в которые вставляют защитные трубки 3 с двумя изолированными проводниками 1 и 2 тер­мопары. Трубка из обра­батываемого или близкого к нему по свойствам материала защищает проводники от преждевременного замыкания.

Рис. 7.19. Схема скользящей термопары

Рис. 7.20. Схема бегущей термопары (a)

и осциллограмма ее работы (б)

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. 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. 7.21). 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, соединенные с измерительным устройством. Пленочные термопары существенно снижают погрешности измерения и перспективны для теплофизических исследований.

Рис. 7.21. Резец с пленочными искусственными термопарами

В методе 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. 7.22)

Рис. 7.22. Схема полуискусственной термопары:

a – инструмент - проводник; б – деталь - проводник

Разновидность метода полуискусствен­ной термопары приведена на рис. 7.23. В теле разрезного 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.

Рис. 7.23. Схема полуискусственной термопары

проводник-стружка

Метод естественной термопары. Схема измерения температуры при точении методом естественно образующейся термопары изображена на рис. 7.24. Обрабатываемая болванка 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 5. Резец делают цельным для того, чтобы в месте приваривания или припаивания режущей пластинки к корпусу резца не образовались паразитные термопары. Болванка 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 болванки - проводника - гибкого вала -токосъемника - милливольтметра - резца - болванки. Болванку 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 болванки, сохранив изоляцию только резца.

Рис. 7.24. 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 работ. Для перевода показаний мил­ливольтметра в градусы Цельсия естественно образующаяся термопара должна быть предварительно подвергнута специальной тарировке. Тарировку производят в расплавленном металле (рис. 7.25). В электропечь 1 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, гальванометр 7, которой проградуирован в градусах. Нагревая и охлаждая расплавленный металл, сравнивают показания милливольтметра 6 в милливольтах и гальванометра 7 в градусах и строят тарировочный график mv – ^о С.

Рис. 7.25. 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. 7.26), 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 рода обрабатываемого материала болванки, 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. 7.26. Схема измерения температуры резания методом

двух резцов

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. 7.27). 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.

Рис. 7.27. Разрезной резец

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 излучения отдельных участков детали или инструмента в процессе обработки. Эти методы изложены в [14].

Ключевые слова и понятия

Теплообразование	Калориметрический метод
Источники теплообразования	Термоэлектрический метод
Распределение тепла	Метод искусственной термопары
Уравнение теплового баланса	Метод естественной термопары
Площадки контакта Сп и Сз	Зависимость  = f(V)
Температурное поле	Зависимость  = f(s, t)
Температуры на поверхностях контакта	Зависимость  = f(, , )
Температура резания	Оптимальная температура резания
Методы измерения температуры

Контрольные вопросы

1. В чем заключается важность изучения тепловых явлений при резании металлов?

2. Расскажите об основных методах измерения температуры резания.

3. Тепловой баланс при резании металлов.

4. Распределение образовавшегося при резании тепла между стружкой, деталью и режу­щим инструментом.

5. Как влияют свойства обрабатываемого и инструментального материалов на ве­личину и направление тепловых потоков?

6. Как влияют на температуру резания свойства обрабатываемого материала? Гео­метри­ческие параметры резца? Элементы режима резания?

7. Рассмотрите понятие оптимальной температуры резания при точении.