Методы измерения температуры резания.

Методы определения температуры делятся на косвенные и прямые. К косвенным относятся методы оценки значений температуры по некоторым её косвенным проявлениям. Например, по изменению составляющей силы резания Рz, т.к. количество тепла определяется по формуле . Прямые методы основываются на сравнительно более точном определении температуры с использованием температурных датчиков. Прямые методы, в свою очередь, подразделяются на контактные и бесконтактные. К контактным относят методы и устройства, в которых между датчиком температуры и объектом измерения имеется непосредственный контакт. К бесконтактным - методы, при которых датчики измерительных устройств находятся на некотором удалении от объекта, температура которого подлежит определению.

При контактных методах используются термометры, термоиндикаторы, термопары; при бесконтактных - радиационные и другие устройства, оптические, акустические и пневматические датчики.

В силу специфики измерения температуры элементов технологической системы термометры (ртутные, монометрические и механические) применяются в основном для определения температуры жидкостей, расплавов и при тарировании. Также ограниченное применение находят термоиндикаторы, которые подразделяют на химические, термохимические и плавления. Химические термоиндикаторы выпускаются в виде термокарандашей, термотаблеток, термокрасок, термолаков и термобумаги. Термоиндикаторы имеют диапазон измерения температуры от 200 С до 15000С и несколько изменений цвета (от 1 до 6). Каждый из цветов показывает определённую температуру. Например, фторид кобальта CoF2 по цвету оранжевый, а при температуре 850 С становится светло-розовым.

Термоиндикаторы в виде плавких вставок представляют собой вещества, которые в определённом интервале температур переходят в жидкое кристаллическое состояние. В качестве таких веществ чаще всего используют олово (qпл = 231,90), цинк (qпл = 419,50С), кадмий (qпл = 320,90С), медь (qпл = 10830С), серебро (qпл = 9600С).

Из прямых методов наиболее широкое применение получили методы с использованием термопар, калориметров и радиационных пирометров.

Термопарой называется спай двух разнородных металлов, общая точка которых С называется горячим спаем, а все остальные соединения разнородных металлов А и В в цепи термопары называются холодными спаями (рис. 16.1).

Рис. 16.1. Принципиальная схема термопары

В термопарах используют явление, которое состоит в том, что в замкнутой цепи из двух разнородных металлических проводников при нагреве одного из спаев возникает электрический ток или так называемая термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС). Термопара фиксирует разность температур между горячим и холодным спаями. Холодные спаи могут поддерживаться при комнатной температуре или нулевой температуре, которая обеспечивается за счёт размещения холодных спаев в сосуде с таящим льдом.

К термопаре, используемой для измерения температуры резания, предъявляются следующие требования: 1) термо-ЭДС сплава должна быть достаточно большой; 2) температура плавления термоэлектродов должна быть выше, чем температура тела; 3) материалы сплава должны быть коррозионно-стойкие, прочные и пластичные; 4) характеристики термоэлектродов неизменны в процессе эксплуатации. Термопары при измерении температуры резания делятся на искусственные, полуискусственные или полуестественные, естественные (рис. 16.2). Искусственная термопара состоит из двух проводников, не имеющих непосредственного отношения к инструменту и заготовке (рис. 16.2, а). Достоинство искусственной термопары - это возможность использования стандартных термопар с известными термоэлектрическими характеристиками. Недостаток– измеряемая термопарой температура ниже температуры на контактных поверхностях инструмента и зависит от расстояния термопары до указанных поверхностей. Искусственные термопары могут быть прижимные, закладные, бегущие, напылённые, перерезаемые. Например, бегущие термопары применяются для изучения закона распределения температуры на контактных поверхностях инструмента (рис. 16.3). Обрабатываемая поверхность заготовки выполняется в виде винтового гребня с отверстием под электроды из проволоки диаметром 0,1 мм и материала - медь, константант. До начала резания проводники не замкнуты и их контакты К1-К2 и К3-К4 подсоединены к измерительным приборам. При перерезании электроды замыкаются, и приборы фиксируют изменение температуры резания на передней и задней поверхностях режущего инструмента. В полуискусственной термопаре только один из проводников не принадлежит компонентам технологической системы, а второй присутствует в ней естественно, выполняя какую-либо функцию в процессе обработки (рис. 16.2, б). Полуискусственная термопара имеет следующие преимущества: 1) проще искусственной; 2) позволяет уменьшить объём термочувствительной зоны термопары до площади поперечного сечения электрода; 3) сравнительно просто закладывать термоэлектрод в объект; 4) применение одного стандартного термоэлектрода (медь, хромель, константант, алюмель). Недостатки этой термопары: 1) необходимость изготовления специальных гнёзд и отверстий для закрепления электродов; 2) необходимость тарировки стандартного термоэлектрода с материалом резца или заготовки.

В естественной термопаре оба проводника, образующие спай, естественно присутствуют в технологической системе, участвуя в ней в качестве необходимых компонентов

Преимущества естественной термопары: 1) простота использования; 2) даёт информацию о температуре нагрева непосредственно контактных площадок инструмента, т.е. о той температуре, которая наиболее опасна для инструмента. Недостатки: 1) необходимость тарирования любой вновь образуемой термопары, например, при замене изношенного резца; 2) термопара даёт среднюю температуру на контактных площадках инструмента; 3) невозможность в процессе тарирования воссоздать реальные условия контакта термоэлектродов.

Примером естественно образуемой термопары может служить контакт резца и заготовки при обработке на токарном станке (рис. 16.4). Схема измерения включает миллиамперметр 1, ртутную ванночку 2, гибкий контакт 3, изолирующую заглушку 4, токопровод 5, заготовку 6, инструмент 7 и изолирующие прокладки 8.

Ещё одним примером схемы измерения температуры резания естественной термопарой является метод двух резцов. В этом случае в качестве термоэлектродов используются резцы из разных материалов. Термо-ЭДС, возникающая вследствие отличия термоэлектронных свойств инструментальных материалов резцов по закону аддитивности не зависит от материала заготовки, которая в этом случае выполняет функцию только электропроводника. По точности этот метод уступает однорезцовому, т. к. предполагает одинаковые температуры контактных поверхностей обоих резцов, что невозможно.

Эффективны термопары в виде напыленных или пластинчатых термоэлектродов, которые могут использоваться в зависимости от из количества и схемы размещения как искусственные, полуискусственные и естественные при различных видах обработки (рис.16.5), в том числе при нетокопроводящих материалах заготовки и инструмента.

 

Калориметрический метод заключается в применении ёмкостей с жидкостью (водой) 1 и для улавливания отлетающей стружки 2, которые устанавливаются под зоной обработки

После попадания стружки в калориметр, состав воды в нём перемешивается для выравнивания температуры. После перемешивания измеряется температура воды, затем стружка взвешивается на аналитических весах и по массе стружки, температуре воды в калориметре рассчитывается теплосодержание стружки в калориях и её средне - объёмная температура:

(16.1)

qсм – температура смеси (воды после попадания стружки);

qв – начальная температура воды;

Gв – масса воды в калориметре;

G – масса стружки или резца;

С – теплоёмкость стружки или резца.

Радиационный метод основан на измерении уровня инфракрасного излучения в зоне резания радиационными пирометрами (рис.16.6, б). Режущая пластина 1 резца 2 должна быть прозрачной, например, алмазной, для инфракрасных лучей, которые через светопровод 3 попадают на модулятор 4 и далее через светофильтр на приемник излучения 6. Для привода модулятора 4 используется микродвигатель 7. Инфракрасное излучение усиливается усилителем 8 и регистрируется прибором 9. Этот метод эффективен, однако его применение при резании ограничивается малыми площадями зоны излучения тепла и ее закрытостью.