Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Методы измерения температуры инструмента при резании металла

03.11.2018

Сложность вычисления температуры и градиентов температур вблизи режущей кромки даже при очень простых условиях резания придает особое значение методам измерения температуры. Измерение температуры является важной задачей исследования процесса резания. Некоторые из разработанных экспериментальных методов измерения рассматриваются в этой книге.

Термопара инструмент - деталь

В наиболее часто применяющемся методе измерения температуры резания материал инструмента и материал обрабатываемой детали рассматриваются как два элемента термопары. Возникающая между инструментом и деталью термоэлектрическая ЭДС измеряется при помощи чувствительного милливольтметра. Горячим спаем является вся площадь контакта у режущей кромки, тогда как электрическое соединение с холодной частью инструмента образует холодный спай. Инструмент электрически изолирован от станка (как правило, токарного). Электрическое соединение с вращающейся заготовкой более трудно осуществить, и среди различных принятых способов часто применяется контактное кольцо. Необходимо принимать меры, чтобы избежать появления источников вторичных ЭДС на инструменте с припаянной пластинкой или коротких электрических цепей при повторном контакте мелкой стружки с инструментом, например, на стружколомателе. Возникающая ЭДС может быть измерена и зарегистрирована во время резания. Для перевода этих показаний в температуру инструмент и материал заготовки, используемые в качестве термопары, должны быть протарированы по стандартной термопаре (например, хромель-алюмелевой). Тарированию должен подвергаться каждый инструмент и каждая деталь.

При применении этого метода имеется несколько источников ошибок. Инструмент и деталь не являются идеальной термопарой. ЭДС оказывается ниже, и график ЭДС — температура не является прямой линией. Маловероятно, чтобы термо-ЭДС стандартной термопары, используемой при тарировании, точно соответствовала той же паре при резании, когда материал заготовки сильно деформирован. Сообщались результаты большого числа испытаний с различными инструментами и заготовками из разных материалов. Все они свидетельствуют о значительном увеличении температуры с повышением скорости резания, так была зарегистрирована температура свыше 1000°C. Точное значение измеренной температуры вызывает сомнения, так как известно о наличии на поверхности раздела очень резкого градиента температуры. В этих условиях измеренная ЭДС может представлять среднее значение температуры или ее минимальное значение на поверхности раздела.

Ошибки, возникающие вследствие неопределенности тарирования термопары, частично могут быть уменьшены применением двух инструментов из различных материалов для обработки одной заготовки одновременно при одних режимах. ЭДС измеряется между двумя инструментами. При справедливости допущения о равенстве температур на контактных поверхностях двух инструментов температура может быть определена по измеренной ЭДС путем тарирования термопары, электродами которой являются два инструментальных материала. Сообщалось о небольшом числе результатов, полученных с применением этого метода, при помощи которого в лучшем случае может быть определено среднее значение температуры на площадке контакта.

Встроенные термопары

Измерение распределения температуры в инструменте являлось целью большого числа экспериментальных работ. Простым, но весьма трудоемким способом является изготовление в инструменте отверстия и размещение термопары в точно определенном положении вблизи режущей кромки. Это должно быть повторено многократно с отверстиями, расположенными в различных положениях, с тем чтобы определить поле температур. Основная ошибка при таком методе возникает вследствие очень резкого градиента температуры возле режущей кромки и достаточно большого диаметра отверстия, из-за чего термопара усредняет значительный интервал температур. Если отверстие расположено очень точно, то этот метод может оказаться удовлетворительным для сравнительной оценки температуры инструмента, используемого для обработки разных сплавов, однако этот метод вряд ли годится для определения распределения температуры.

Радиационный метод

Было тщательно разработано несколько методов измерения теплового изучения от нагретой зоны резания. При некоторых операциях механической обработки вспомогательная задняя поверхность доступна для наблюдения, например, при строгании узких плит. Вспомогательная задняя поверхность может быть сфотографирована с использованием пленки, чувствительной к инфракрасному излучению. Температурное изображение инструмента и стружки, полученное на пленке, сканируется, и с помощью микрофотометра по интенсивности изображения находится градиент температуры на вспомогательной задней поверхности инструмента. Полученные результаты показывают, что максимальной является температура на передней поверхности на некотором расстоянии от режущей кромки, тогда как на самой режущей кромке температура ниже. Этот метод дает информацию о температуре только на доступных наблюдению поверхностях инструмента.

Более усовершенствованная, но и более трудоемкая методика измерения теплового излучения основана на том, что либо в заготовке, либо в инструменте сверлят отверстия, через которые можно вести наблюдение за небольшой площадкой (например, диаметром 0,2 мм) на передней поверхности инструмента. Изображение нагретой точки фокусируется на выполненном из сульфида свинца фоторезисторе, градуированном для измерения температуры. Применяя резцы с отверстиями, расположенными в разных местах, можно построить температурное поле на передней поверхности. Было опубликовано несколько результатов измерения температуры с использованием этого метода при обработке стали с высокими скоростями резания твердосплавным инструментом. Результаты измерений показывают наличие очень высокой температуры (до 1200° С) и значительных градиентов температуры с наивысшей температурой, возникающей на передней поверхности далеко от режущей кромки. Этот метод требует применения очень точной аппаратуры для измерения градиента температуры.

Измерения температуры по структурным превращениям в инструментах из быстрорежущей стали

Значительно большая информация может быть получена с применением метода, описанного в 1973 г. Трехмерные градиенты температуры части инструмента у режущей кромки устанавливаются по структурным превращениям в инструментах из быстрорежущей стали при таких режимах резания, когда температура поднимается выше 600° С. Такая температура достигается при обработке металлов и сплавов с более высокой температурой плавления при сравнительно высоких скоростях резания. При температуре, превышающей 600° С, быстрорежущая сталь «переотпускается» — твердость после нагрева уменьшается и структура претерпевает ряд превращений, которые можно проследить при микроскопических исследованиях после полирования и травления. Сечение, перпендикулярное режущей кромке инструмента из быстрорежущей стали после обработки стали с очень низким содержанием углерода со скоростью около 183 м/мин и подачей 0,25 мм/об в течение 30 с, показано на рис. 5.3, а. Полированный микрошлиф был протравлен в реактиве Nital (2%-ном спиртовом растворе HNO3) для выявления структурных изменений.

Полукруглая темная зона ниже передней поверхности на некотором расстоянии от режущей кромки очерчивает объем металла, нагретого при резании свыше 650° С. Структурные изменения в этой зоне отчетливо видны при большем увеличении на рис. 5.4. Они позволяют определить температуру в любом положении с точностью ±25° С. Светлая зона в середине полукруга на передней поверхности представляет собой зону, в которой температура была выше 900° С. В этой зоне температура фазового превращения была превышена, структура стала аустенитной, и этот небольшой объем стали повторно закалился после прекращения обработки вследствие его быстрого остывания до комнатной температуры. Эти изменения в инструментальной стали можно проследить с помощью измерения микротвердости. Отмечается быстрое падение твердости на участках, нагретых от 650 до 850° С, и повышение твердости в зонах, нагретых до еще более высоких температур сверх температуры превращения. Метод определения температуры по измерению микротвердости более трудоемкий, чем металлографическая оценка распределения температуры, но он является полезной проверкой и в некоторых случаях может оказаться более точным. Для определения температур специальная быстрорежущая сталь должна быть протарирована в серии испытаний, в которых закаленная сталь повторно нагревается при известной температуре за определенное время, после чего проводится исследование структурных превращений и измерение твердости повторно разогретых участков.

На рис. 5.3, б представлено температурное поле, построенное по структурным изменениям (см. рис. 5.3, а). Температурное поле может быть построено также за счет приготовления микрошлифов, параллельных передней поверхности инструмента. На рис. 5.5, а и б приведены протравленный микрошлиф сечения, параллельного передней поверхности на расстоянии 12 мкм ниже исходной поверхности и, соответствующее температурное поле. Полная трехмерная модель распределения температуры может быть построена на основании ряда сечений, либо параллельных, либо нормальных режущей кромке. Основным ограничением этого метода является то, что он может быть применен только для стальных инструментов и только при таких режимах резания, при которых возникают сравнительно высокие температуры.
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: