книги из ГПНТБ / Ящерицын, П. И. Шлифование с подачей СОЖ через поры круга

иточность шлифованных поверхностей) и на физикомеханические свойства поверхностного слоя.

Изучению тепловых явлений, происходящих при аб­ разивной обработке металлов, уделяют большое внима­ ние отечественные ученые. Работы Е. Н. Маслова [119]

иБ. И. Костецкого [108—ПО] положили начало изуче­ нию влияния поверхностной температуры на деформа­ цию металла при шлифовании. Метод косвенного опре­ деления температуры по характеру и интенсивности фа­ зовых и структурных изменений в подповерхностном слое [107, 120—122] дает качественную оценку дейст­ вия температуры на поверхность.

А. В. Подзей, Н. Н. Новиков и В. Е. Логинов [115] дали решение для определения температурного поля в толстых и тонких пластинах типа пера лопаток газовых турбин по схеме мгновенного полосового источника на поверхности полубесконечного тела при охлаждении и

без него.

A. И. Исаев и С. С. Силин [123] рассчитали одно­

ного тела, но без влияния охлаждения.

М. И. Шатунов и В. Ф. Совким [124—127] предлага­ ют метод расчета температуры на основе условий со­ пряжения температуры на контактной поверхности и рассматривают деталь и шлифовальный круг как систе­ му тел, термически связанных через площадь контакта.

B. И. Пилинский и ІО. А. Новоселов [128] исследо­ вали температурное поле при многопроходном торцовом шлифовании по схеме полубесконечного стержня, торец которого нагревается последовательными мгновенными источниками тепла при каждом проходе шлифовального круга. И. И. Рыкалин, А. В. Подзей, И. И. Новиков и В. Е. Логинов [129] предлагают рассчитывать темпера­ турное поле при шлифовании по схеме нормального по­ лосового источника, перемещающегося по поверхности массивного тела. Такой расчет дает возможность анали­ тически оценить температуру поверхностных слоев шли­ фуемого изделия.

Экспериментальное исследование температуры при шлифовании связано с достаточно большими техниче­ скими трудностями, которые возникают в связи с высо­ кими скоростями нагрева и охлаждения. Поэтому боль­

150

шое внимание необходимо уделять подбору измеритель­ ной аппаратуры и методики измерения. В практике исследований наибольшее распространение получили методы искусственной и полуискусственной термопары. Более точным является последний.

П. Е. Дьяченко [121] и Е. Н. Маслов [119] исследо­ вали температуру шлифования с помощью искусствен­ ной термопары. Даже при напряженных режимах шли­ фования эта температура не превышала 350—480 °С, что соответствует температуре поверхности обрабатывае­ мой детали. Исследованиями К. В. Савицкого [130] и B. И. Сагалова [131], основанными на применении по­ луискусственной термопары, установлена температура при шлифовании 700—800 °С и получена ее зависимость от скорости, удельного давления и площади контакта при обработке твердого сплава.

Прямое измерение температуры шлифования термо­ парами различных конструкций проводилось III. М. Дубинским [132] и А. А. Маталиным [133]. Для повыше­ ния точности измерения усредненной температуры А. В. Якимовым [134] был применен специальный шли­ фовальный круг с перекрещивающимися витками нихромовой проволоки диаметром 0,2 мм, смонтированными в специальных канавках на периферии круга. Это позво­ лило растянуть во времени температурный сигнал на осциллограмме и повысить точность измерения. Здесь отмечается, что при определенных режимах величина измеренной температуры достигала 1200°С.

В работе Д. Е. Анельчика [135] приведен вывод урав­ нения разгона термопары сталь-хромель, которое позво­ ляет учесть инерционность термопар при измерении тем­

туры.

Рассмотренные конструкции термопар и методы из­ мерения температуры или сложны в изготовлении и эксплуатации, или же допускают большие погрешности в измерении температуры. Поэтому нами использовался наиболее надежный метод измерения контактной тем­ пературы — метод полуискусственной термопары. Чтобы

151

исключить или учесть отмечаемое С. Г. Редько [118] влияние инерционности термопары на точность измере­ ния температуры, нами было принято решение опреде­ лить и дать количественную оценку влияния диаметра термоэлектрода на точность измерения контактной тем­ пературы.

1. Исследование влияния диаметра термоэлектрода на точность измерения контактной температуры при шлифовании [138]

Устройство для измерения контактной температуры (рис. 56) содержит образцы 1 из термообработанной стали 45 (HRC = 40—45), между которыми помещались никелевые термоэлектроды 2, изолированные относи­ тельно стальных образцов пленками 3 из слюды толщи­ ной 0,01 мм.

Стальные образцы имели сечение 20X40 мм и за­ креплялись попарно в приспособлении 5. Между образ­ цами в специально прошлифованных канавках разме­ щались термоэлектроды. Приспособление 5 закрепля­ лось на столе 6 универсально-шлифовального станка мод. 3A130. Горячий спай образовывался в процессе шлифования в момент среза проволочного термоэлек­ трода. Возникающий при этом термоток медными про­ водниками 4 подавался на гальванометры типа Н-135-0,9 осциллографа Н-102 и регистрировался на пленку при скорости ее движения 250 мм/сек.

В исследованиях фактор скорости вращения детали исключался (ид= 0 ), т. е. образцы 1 имели только про­ дольное перемещение 5пр относительно поданного на заданную глубину t шлифовального круга. Благодаря такой схеме шлифования достигаются определенные преимущества, а именно обеспечивается:

1)постоянная длина контакта шлифовального круга

иобразцов при различной величине поперечной подачи на проход t\

2)постоянная толщина снимаемого слоя металла за один проход на всей дуге контакта и вне зависимости от глубины шлифования;

3)прямая передача термотока от образцов к гальва­ нометрам осциллографа без токосъемников, благодаря

152

чему исключаются погрешности токосъемников в изме­ рительной схеме.

Первые два фактора обеспечивают более четкое вы­ деление влияния продольной 5 пр и поперечной подач t па контактную температуру, так как при обычном круг­ лом наружном шлифовании с изменением поперечной подачи длина контакта и действительная глубина шли­ фования по длине контакта изменяются довольно слож­ но и зависят от диаметра изделия. Это вызывает допол­ нительный фактор изменчивости длины контакта и не­ постоянства действительной глубины шлифования по длине контакта с изменением поперечной подачи и ди­ аметра изделия.

собление для крепления образцов; 6 — стол станка мод. ЗА130

153

Таблица 11

Зависимость величины измгргнной температуры от диаметра термоэлектрода

Шлифование осуществлялось кругом ПП 350Х40Х ХІ27 характеристики Э540СМ1К6, который правился

без подачи на глубину).

Все эксперименты проведены при постоянных режи­ мах шлифования: щ,-Р = 35 ж/сек, 5 = 5 м/мин, t — = 0,02 мм (поперечная подача автоматическая на каж­ дый двойной ход).

С целью изучения инерционности полуискусственной термопары, а также для определения зависимости вели­ чины измеренной температуры от диаметра проволочно­ го электрода между образцами помещались никелевые проволочки различных диаметров по пять сразу (рис. 56) и по одной-две проволочки последовательно разных диаметров, расположенных в середине образца. В каж­ дом опыте проводилось по 30 двойных ходов.

В табл. 11 приведены средние значения измеренных температур (столбец 3) при указанных в столбце 2 ди­

По методу наименьших квадратов была получена зависимость величины измеренной контактной темпера­

154

близкое к 1380 °С. Исходя из этого, в столбце 7 вычис­ лен процент погрешности, которая возникает при изме­ рении контактной температуры термоэлектродом того или другого диаметра.

Необходимо отметить, что величина рассеивания а значений измеренных температур существенно сокраща­ ется с уменьшением диаметра термоэлектрода и повы­ шается точность измерений. Сокращение о можно объ­ яснить уменьшением вероятности частичного среза абра­ зивным зерном термоэлектрода, при котором не происходит полный прогрев горячего спая.

Характерной особенностью осциллограмм контактной температуры, полученных при измерении толстыми тер­ моэлектродами (0,5—0,1 мм), является их многовершинность. Это указывает на то, что толстые термоэлектро­ ды, как правило, срезаются несколькими абразивными зернами и со смещением во времени (рис. 57, а). Вер­

155

шины такой осциллограммы разновысоки. Разновысот­ ность объясняется тем, что срезы термоэлектрода осу­

круга. Более того, по геометрии абразивные зерна так­ же существенно отличаются друг от друга. В результа­ те длина горячего спая на периметре контакта термо­ электрода с образцами также различна. Поэтому вели­

Кроме того, при воздействии нескольких абразивных зерен на термоэлектрод наблюдается весьма существен­ ная разность температур между отдельными участками контактного периметра термоэлектрода. В момент сре­ зания абразивным зерном какого-то участка термоэлек­ трода на нем возникает максимальная температура, а рядом лежащие участки имеют гораздо меньшую тем­ пературу. В термопаре возникают токи, замыкающиеся

внутри спая, а разность потенциалов на холодном спае падает.

При измерении контактной температуры тонкими термоэлектродами (0,05—0,03 мм и меньше) их среза­ ние, как правило, осуществляется одним зерном и осцил­ лограмма является одновершинной (рис. 57,6).

^Остановимся на вопросе тарировки полуискусствен­ ной термопары. Обычно при тарировании горячий спай термопары полностью погружается в нагревающую сре­ ду и выдерживается при установленной температуре определенное (достаточно большое) время, т. е. осуще­ ствляется статический нагрев горячего спая.

При шлифовании, как уже отмечалось, горячий спай

156

Здесь k — постоянная Больцмана; е — заряд электрона; па, «б — число свободных электронов одного и другого термоэлектродов.

Отсюда видно, что термоэлектродвижущая сила про­ порциональна разности температур ее спаев.

Учитывая, что термоэлектродвижущая сила термопа­ ры, приходящаяся на разность температур 100 °С, суще­ ственно зависит от химического состава и технологии получения термоэлектродов, нами производилось опре­ деление этой силы при разности температур горячего и холодного спая 100°С. Для этого измерялась термо­ электродвижущая сила при установившейся разности температур спаев с включенным и выключенным посто­ янным сопротивлением, а затем вычислялась термо­ электродвижущая сила, приходящаяся на разность тем­

где ki — цена деления гальванометра; R — добавочное сопротивление; П\, ti2 — показания гальванометра при выключенном и включенном добавочном сопротивлении; h —U — установившаяся разность температур.

Таким образом, определялась физическая константа данной конкретной термопары. В частности, для термо­ пары термообработанная сталь 45 — никель термоэлек­ тродвижущая сила на 100 °С составляет 3,28 мв.

Расшифровка осциллограмм производилась по фор­

мм/ма; с= 3,28 — термоэлектродвижущая сила термо­ пары на 100 °С, мв.

Также производились контрольные измерения термо­ электродвижущей силы термопары по постоянным точ­ кам плавления и кипения дистиллированной воды, оло­ ва, свинца, цинка, алюминия и манганина.

Итак, на точность измерения контактной температу­ ры существенное влияние оказывает диаметр проволоч­

157

ного термоэлектрода. Чем меньше диаметр термоэлек­ трода, тем точнее измерение контактной температуры. Большая погрешность при использовании термоэлектро­

среза термоэлектрода одним зерном, т. е. электрод сре­ зается не одним, а несколькими зернами и со смещением во времени. При этом тепловые импульсы воздействуют не сразу на весь периметр горячего спая, а на его от­ дельные участки и со смещением во времени. В проме­ жутках между отдельными срезами происходит интен­ сивное остывание и между горячими и охлаждающимися участками контактного периметра возникают замкну­ тые в пределах горячего спая термотоки, которые пони­ жают разность потенциалов на отводящих проводниках.

2.Эффективность математического планирования эксперимента при определении зависимости

контактной температуры от режимов шлифования

Прежде чем заниматься сравнительными исследова­ ниями контактной температуры при шлифовании с охлаждением обычным способом и через поры круга, необходимо было выбрать правильное методическое на­ правление исследований.

При изучении тепловых явлений при шлифовании возможны два различных подхода — экспериментальный и теоретический.

Чисто теоретический подход базируется на использо­ вании метода принципов совместно с модельными ги­ потезами. Метод источников: мгновенного полосового источника на поверхности полубесконечного тела [115], длительного полосового источника на поверхности полу­ бесконечного тела [123]; метод суммирования тепловых

158

ного полосового источника, перемещающегося по поверх­ ности массивного тела [129], и др.

При таком подходе все сведения о тепловых явлени­ ях при шлифовании устанавливаются теоретически. С помощью основных принципов выводятся дифферен­ циальные уравнения, описывающие изучаемое явление. В этих теоретических уравнениях все коэффициенты из­ вестны на основе использования соответствующих мо­ дельных гипотез.

Теоретический метод отличается исключительной сложностью, требует принятия ряда допущений и пока обладает ограниченными возможностями.

Достоинством экспериментального метода является достоверность получаемых результатов. Недостаток со­ стоит в ограниченной ценности его результатов: сведе­ ния, почерпнутые из любого данного опыта, не могут быть применены к другому процессу, который в какойлибо мере отличается от данного опыта, иными слова­ ми, при экспериментальном подходе каждое конкретное (единичное) явление должно служить самостоятельным объектом опытного изучения.

Однако, учитывая отсутствие работ по изучению те­ пловых явлений при шлифовании с охлаждением через поры шлифовального круга и существенное влияние это­ го метода охлаждения на все стороны процесса шлифо­ вания, было решено провести экспериментальное иссле­ дование зависимости контактной температуры от режи­ мов шлифования в сравнении со шлифованием при обычном способе охлаждения.

В последнее время усилиями многих зарубежных и отечественных ученых была создана математическая теория эксперимента, наиболее разработанным разде­ лом которой является планирование эксперимента. Пла­ нирование эксперимента — это постановка опытов по некоторой заранее составленной схеме, обладающей ка­ кими-то оптимальными свойствами. Процесс исследова­ ния обычно разбивается на отдельные этапы. После каждого этапа исследователь получает информацию, по­ зволяющую ему изменять стратегию исследования. Та часть труда исследователя, которая ранее базировалась целиком на его интуиции, оказалась формализованной.

Развитие концепции планирования эксперимента бы­ ло начато Фишером более 30 лет назад. Более 15 лет

159