Исследование температуры в зоне резания при точении (стр. 4 из 5)

Цвета побежалости и соответствующие им температуры (в °С):

Чуть желтый200
Светло-желтый220
Темно-желтый240
Пурпуровый270

Темно-синий .... 290
Светло-синий . . 320
Синевато-серый . 350
Светло-серый,

переходящий в белый .... 400

Считают, что при наличии некоторого опыта по цветам побежалости стружки нелегированной стали можно определить температуру с точностью ±5°, т. е. около 2%. Однако в действительности этот метод дает значительно большую погрешность, доходящую иногда, как показали опыты Б. Т. Прушкова, даже до20—30% в зависимости от толщины среза, времени работы и др.Столь большие отклонения вызваны тем, что цвета побежалостивыражают лишь температуру поверхности стружки, определяющую толщину пленки окисла, а тем самым и ее цвет. Цвет побежалости меняется в зависимости не только от температуры,но и от продолжительности действия тепла. При охлаждениистружки смазочно-охлаждающими жидкостями цвета побежалости
могут совсем исчезнуть, между тем как стружка сохраняет наповерхности контакта с резцом высокую температуру.

Неточным является и метод термокрасок, когдадля выявления температуры пользуются свойством специальныхкрасок менять цвет при определенных температурах. Например,
при 155° С цвет из пурпурного переходит в голубой, при 190° Сиз белого — в зелено-коричневый, при 255° С из зеленого —в темно-коричневый, при 305° С из желтого — в красно-коричневый, при 440° С из фиолетового — в белый.

При пользовании этим методом краска смешивается с алкоголями и наносится ровным слоем на грани исследуемых резцов.Некоторая погрешность в данном случае заключается в том, что
оттенок переходящих красок меняется в зависимости от продолжительности действия тепла.

Один из наиболее точных и в то же время относительно простойспособ — измерение температуры резца с помощью термопары, впервые примененной Я. Г. Усачевым. Как известно,при нагреве места спая проволок из двух разнородных металлов,например железо — константан, медь — константан, платина —иридий и т. д., в нем образуются заряды противоположных знаков. Если свободные концы проволок соединить, то в цепи возникаеттермоток, электродвижущая сила которого пропорциональнаразности температур места спая и холодных концов проволок.

Рис. 8. Термопара Я. Г. Усачева

Величину электродвижущей силы или напряжения можно измерять с помощью гальванометра или милливольтметра. Для перевода величины электродвижущей силы в градусы термопару
необходимо тарировать. На рис. 8, а показана термопараЯ. Г. Усачева. Здесь спай двух различных металлических проволок, изолированных слюдой или стеклянной трубкой, вставленв канал, просверленный в резце снизу. Дно этого канала располагают возможно ближе к передней грани и режущей кромкерезца, чтобы измерить температуру возможно ближе к источникамтеплоты. Недостатки этого способа: удаленность спая термопарыот участка максимальной температуры и необходимость поддерживать постоянным давление между спаем и дном отверстия.

Более удачной оказалась другая термопара (рис. 8, б), в которой проволока, например константановая, также изолированнаяот стенок канала, расклепывается на задней грани резца возможно ближе к режущей кромке. Здесь термопарой являютсяпроволока и материал самого резца. С помощью такой термопарыЯ. Г. Усачев провел ряд температурных исследований с достаточной точностью. Ею воспользовался ряд наших исследователейпри определении температурного поля резца. Для этого в головкерезца просверливалось вдоль главной и вспомогательной режущих кромок определенное количество отверстий, куда вставлялись термопары. К головке резца сверху прикреплялась тонкаяпластина (толщиной примерно 2 мм), служившая передней поверхностью резца. На рис. 9 показано температурное поле передней поверхности, полученное А. М. Даниеляном при обработкестали со скоростью v = 38 м/мин, t = 2 мм; s = 0,54 мм/об.

Этот способ измерения имеет свои недостатки; измеряетсятемпература на одном ограниченном участке и, к тому же несколько удаленном от основных источников теплообразования;необходимо иметь специальные резцы; недолговечность резцов,
так как после одной-двух переточек термопара разрушается.

Рис. 9. Температурноеполе на передней поверхности резца Рис. 10. Схема естественной термопары

В настоящее время температурные исследования производятсяс помощью, так называемой естественной термопары, состоящейиз самого изделия и режущего инструмента (рис. 10). В процессерезания в месте контакта разнородных материалов изделия ирезца вследствие нагрева возникает электродвижущая сила. Термоток в этом случае направляется по обрабатываемой детали 1через медное кольцо 2, а затем через ртуть в ванне 3, служащейдля контакта вращающегося кольца 2 с проволокой 4. При этоммилливольтметр покажет напряжение термотока, по которому можно судить о температуре резания. Обрабатываемое изделиеизолировано от патрона и заднего центра, а резец от суппорта —при помощи прокладок.

В практике этот метод измерения был значительно упрощентем, что отказались от изолирования обрабатываемого изделия отстанка. Контактирование через кольцо и ртуть, как показано нарис. 10, а также изолирование заднего центра от изделия былипродиктованы желанием освободиться от второй дополнительнойтермопары, получающейся в месте контакта заднего центра иизделия; казалось бы, при этом дополнительный термоток долженнарушить правильность показаний основной термопары. Нов действительности роль второй термопары оказалась ничтожнойвследствие слабого разогревания заднего центра по сравнениюс резцом, и поэтому практически стало вполне возможным работатьи без изоляции заднего центра (рис. 11). Это значительно упростило все устройство, освободив его от дополнительных приспособлений, так как теперь второй провод присоединялся к любойточке станка.

В этом виде метод естественной термопары был бы вполнепригоден для применения, если бы не сложность тарированияподобного устройства, заключающаяся в том, что для каждого обрабатываемого материала и резца необходимо строить своютарировочную кривую зависимости между температурой и показаниями милливольтметра. Для этого применяют различные методы тарирования.

Рис. 11. Упрощенная схема естественной термопары

Наиболее простой из них состоит в следующем:в ванну с расплавленным оловом (или алюминием для тарировки выше 600° С) погружаются сливная стружка, снятая с обрабатываемой детали, и резец. Стружка и резец соединяются проволоками с гальванометром. При нагреве ванны (например, в электропечи) температура ее регистрируется контрольной термопарой,и одновременно записываются показания гальванометра. В дальнейшем оказалось, что при тарировании вместо стружки можноиспользовать брусок обрабатываемого материала.

В действительности условия нагрева в процессе резания отличаются от условий тарирования, поскольку в обоих случаях необеспечиваются одинаковые площади контакта обрабатываемого металла с резцом. К тому же при тарировании измеряется постоянная температура контакта образца и инструмента, между тем какна площади контакта стружки и передней поверхности инструмента в процессе резания развивается температура различнойнапряженности в разных точках контакта и естественная термопара измеряет некоторую усредненную температуру.

На рис. 12 показана схема полуестественной термопары, примененной в ЛПИ для измерения температуры резания при тонкомточении минералокерамическим резцом.

Оптический и радиационный методы. Оптические пирометры для измерения температуры резания применяются при скоростной обработке металла, когда стружка и резец нагревались весьма сильно вплоть до светлого каления. Однако опыт использования этого метода недостаточен, чтобы можно было сделать определенные выводы.

Радиационный метод измерения температуры, предложенный Ф. Швердом, основан на измерении теплоты лучеиспускания (рис. 13). Он дает возможность измерять температуру
резания на любом участке стружки и резца. Необходимо лишь изолировать другие лучи, отражаемые не из фиксируемых точек. Схема устройства этого прибора проста. Тепловой луч, направленный от наблюдаемого участка, проходит через две линзы, отверстие на экране и падает на фотоэлемент. Высокочувствительный гальванометр, соответственно проградуированный, показывает температуру наблюдаемого участка. Этот метод позволяет детальнее исследовать температуру стружки и инструмента, но он не получил широкого распространения из-за следующих недостатков.

1. Появление тонких окислов на поверхности стружки искажает правильность показаний прибора.

Рис. 12. Термопара для измерения температуры резания минералокерамическим резцом

1 — резец, 2 — обрабатываемая деталь, 3 — минералокерамическая пластина, 4 — элемент термопары (алюмель), 5 — провод, 6 — диск, 7 — ртуть, 8 — ванна, 9 — гальванометр

2. Значительные затруднения представляет собой тарирование прибора, поскольку теплота излучения зависит не только от температуры нагретого участка, но еще от цвета и состояния