Измерение температуры в зоне резания при точении с помощью тепловизионного метода

УДК 621.91.01

Измерение температуры в зоне резания

при точении с помощью тепловизионного метода

В. И. Анухин, И. В. Анухин, С. А. Любомудров

Предложен тепловизионный метод измерения температуры в зоне резания при обработке на токарном станке. Применение тепловизора модели Baltech TR-01500 позволило записать термограмму выхода резца из зоны резания в момент освобождения его от стружки и тем самым найти температуру передней поверхности резца. Предварительно определяли коэффициенты излучения резца и стружки, их значения заносили в память тепловизора.

Определена зависимость разности механических характеристик обрабатываемого материала и материала резца от температуры нагрева и оптимальная температура резания. Рассмотрен тепловизионный метод измерения температуры резания. Приведен расчет погрешности измерения температуры передней поверхности резца.

Ключевые слова: тепловизор, температура, термограмма, резец, стружка, коэффициент излучения, токарный станок.

Введение

В условиях повышения нагрузок и температур, действующих в узлах современных машин, все большее распространение получают специальные марки коррозионно-стойких, износостойких и жаропрочных сталей и сплавов. При обработке подобных материалов стойкость режущего инструмента часто не превышает 3-10 мин. Основной задачей при обработке подобных материалов и сплавов становится выбор в производственных условиях режущего инструмента, его геометрических параметров и режимов резания, при которых износ режущего инструмента был бы минимален, а качество обработки приемлемо.

Метод ускоренного определения оптимальных режимов резания, при которых интенсивность размерного износа режущего инструмента минимальна, предложенный А. Д. Марковым, в настоящее время с появлением новых сталей и сплавов становится особенно актуальным.

Метод основан на найденной А. Д. Марковым закономерности постоянства оптималь-

ной температуры резания [5]. Было установлено, что у каждой пары «обрабатываемый материал — материал режущего инструмента» существует одна температура резания, которая является оптимальной (соответствует минимальной интенсивности размерного износа) и не зависит от различных комбинаций скорости резания, подачи, глубины резания и от геометрических параметров режущей части инструмента.

Была высказана гипотеза, что скорость изнашивания режущего инструмента пропорциональна разности твердостей режущего и обрабатываемого материалов при определенной температуре в зоне резания. Чем больше разность твердостей режущего и обрабатываемого материалов, тем меньше скорость изнашивания.

На основании исследований твердости обрабатываемых материалов и материалов режущих инструментов в зависимости от температуры нагрева была установлена зависимость

^Н^ = -«

ШШШМБОТКА

где ИИС — твердость материала при температуре 9, ГПа; ИИСи — твердость материала при комнатной температуре, ГПа; а — коэффициент пропорциональности.

В результате интегрирования полученного дифференциального уравнения с разделяющимися переменными получаем равенство

ЬИУ ИИССИ = -а(0о - 0), ИИС ф ИИСи,

ИИСд — ИДСи

где 9о — температура, при которой твердость данного материала ИИСо практически равна нулю, что означает неспособность материала сопротивляться какому-либо воздействию.

Преобразуя полученное равенство и учитывая ИИСо = 0 получим

ИИС = ИКСИ[1-е-а(9о-9)].

Получив характеристики изменения твер-достей обрабатываемого и режущего материалов в результате воздействия температуры в зоне обработки, можно определять зависимость изменения разности от температуры. Таким образом, имеем возможность найти температуру в зоне обработки, при которой будет минимальный износ резца для рассматриваемой пары материалов.

Присвоим индекс «1» материалу режущего инструмента, а индекс «2» — материалу заготовки и найдем разность:

ИКС1—ИКС2 = = ИИСИ1[1-е-а1(9о1-9)]-ИИСИ2[1-е-а2(9о2-9)];

ИКС1—ИКС2 = ИКСи1— ИИСИ2 +

+ ИИСИ2е-а2(9о2-9) -ИИСИ1е-а1(9о1-9).

Определим температуру, при которой найденная разность примет максимальное значение. Возьмем производную разности по 9 и, приравняв ее нулю, получим равенство

а2ИИСИ2е

-а2(9о2-9) =

= а^ИСще

-а1

Решим уравнение (3) относительно 9, найдем выражение для оптимальной температуры резания для конкретной пары материалов:

0 =

а« , ИКСтт1

ал — а^

2°02

+ а0

1°01

Для проверки гипотезы и реализации метода ускоренного определения оптимальных режимов резания в условиях производства прежде всего требуется разработать надежный, точный и удобный способ измерения температуры в зоне резания.

Среди многочисленных способов измерения температуры резания можно выделить следующие: калориметрический метод, метод термокрасок, измерение температуры в зоне резания с помощью термопар, метод естественной термопары, измерение температуры верхней поверхности стружки.

Анализ традиционных способов измерения температуры в зоне резания показал, что ни один из них не решает поставленную задачу ускоренного подбора режимов резания в производственных условиях.

Общими недостатками перечисленных методов являются:

1) значительные погрешности измерения температуры вследствие измерения ее не в зоне резания, а также вследствие влияния большого числа факторов, включая размеры державки и вылет резца [3-5];

2) в целях повышения точности измерения температуры в зоне резания появляется необходимость проведения дополнительных экспериментов для создания математических моделей тепловых потоков в зоне резания [6]; температура в зоне резания измеряется на базе моделей тепловых потоков по полученным значениям температур вблизи этой зоны [7];

3. Измерение температуры в зоне резания с помощью термопар предполагает специальную конструкцию резца или значительные его изменения, например, для высверливания отверстий для термопар в рабочей части резца; использование резцов со сменными пластинами исключает такую доработку резца либо требует установки термопар под сменными пластинами, что существенно снижает точность измерения и затрудняет применение способа в производственных условиях.

На кафедре «Технология машиностроения» СПбГПУ для отработки метода уско-

ренного определения оптимальных режимов резания в производственных условиях было предложено применить тепловизионный метод измерения температур в зоне резания. Измерение температуры тепловизором имеет ряд преимуществ перед перечисленными способами.

1. Тепловизор позволяет получить термограммы, по которым можно выявить распределение температур в заданной области, а также определить в зоне наблюдения самый нагретый участок и измерить его температуру с требуемой точностью. Например, погрешность измерения может не превышать ±2 °С.

2. Применение тепловизора не накладывает ограничений на конструкцию режущего инструмента, приспособлений и станка.

Применение тепловизора для измерения температуры в зоне резания в то же время имеет ряд ограничений.

1. На результат измерения оказывает влияние излучательная способность измеряемого объекта. Коэффициент излучения может колебаться от 0,02 до 0,98, т. е. изменяться в 50 раз [1, 2], его значение зависит от материала объекта, температуры нагретого участка, цвета и состояния поверхности объекта (например, внешняя поверхность стружки более шероховатая и излучает больше теплоты, чем гладкая внутренняя поверхность). По результатам наших измерений коэффициент излучения внешней поверхности титановой стружки (шероховатая поверхность) равен 0,6, а внутренней, прилегающей к резцу (более гладкая поверхность), — 0,2-0,35. Появление тонких окисных пленок на поверхности стружки и передней поверхности резца искажает показания прибора.

2. Зона резания в процессе обработки закрыта стружкой, и судить о температуре передней поверхности резца можно только по внешней поверхности стружки. Результаты измерения температуры в зоне резания будут занижены из-за наличия значительных градиентов температуры (рис. 1).

Для устранения указанных ограничений при измерении температуры тепловизионным методом был выбран тепловизор ВайесЬ ТИ-01500, позволяющий постоянно вести съемку объектов с частотой кадров 50 Гц с одновременной фиксацией температурного поля и изме-

5,100е+02-— 4,610е+02-1 4,120е+02 -Р 3,630е+02 3,140е+02-2,650е+02-2,160е+02-1,670е+02-1,180е+02-6,900е+01 -2,000е+01 -

Рис. 1. Распределение температуры в главной секущей плоскости

рением максимальной температуры объекта. Диапазон измерений тепловизора — от -20 до 1800 °С, погрешность измерений ±2 °С. Тепловизор может корректировать коэффициенты излучения от 0,01 до 1,0 и запоминать их значения, а также выводить на экран зоны, изображающие температурное поле с учетом различных коэффициентов излучения.

Таким образом, появляется возможность измерять температуру стружки в момент ее формирования с предварительно определенным коэффициентом излучения внешней поверхности стружки, а в момент выхода резца из зоны резания и освобождения его передней поверхности от стружки определять максимальную температуру передней поверхности резца со своим коэффициентом излучения, соответствующим этой поверхности.

Была создана экспериментальная установка на базе универсального токарного станка 16Б16КА.

На станке устанавливали кольцо диаметром 135 мм из титанового сплава ВТ1-0 с проточенными канавками для выхода резца из зоны резания. Длину участков обработки определяли по времени выхода процесса резания на стационарный тепловой режим, который определялся по наружной поверхности стружки в зоне ее формирования. На рис. 2 приведен момент выхода процесса резания на стационарный режим.

На рис. 2 хорошо видны две зоны: в зоне 1 измеряется максимальная температура стружки на достаточном расстоянии от ее формирования (температура стружки составляет

Е ТАЛ Л О ОБ РАБО Т Kj

ЙВД1ТЕСН ¿1=149.9

г А 3=175.8

у^Ч

5

"С 201

167Ш

Обрабатываемое кольцо

Динамометр

Рис. 2. Измерение температуры внешней поверхности стружки тепловизором

149,9 °С), а в зоне 3, которая охватывает весь экран, измеряется максимальная температура в области формирования стружки (175,8 °С). В дальнейшем температура в области формирования стружки изменялась незначительно.

Коэффициенты излучения определяли при одновременном нагреве стружки титанового сплава и резца. В целях исключения влияния на коэффициент излучения возникающих при обработке окислов и неровностей на передней поверхности резца, время обработки резцом титанового сплава было непродолжительным.

Резец и стружку выдерживали до полного прогрева в муфельной печи, нагретой до определенной температуры. Температуру прогрева измеряли двумя образцовыми термопарами (максимальная погрешность измерения температуры 1 °С). Проводили съемку. Определяли коэффициенты излучения передней поверхности резца вблизи его вершины и верхней поверхности стружки.

Коэффициенты измеряли при температуре 250 °С для внешней поверхности стружки (зона 3) и при температуре 550 °С для передней поверхности резца (зона 1). Значения коэффициентов вводили в память тепловизора. В тепловизоре были установлены две зоны с разными коэффициентами излучения. При съемке процесса резания зоны 1 и 3 перекрывались, температуру измеряли одновременно с разными коэффициентами излуче-

Рис. 3. Измерение температуры внешней поверхности стружки и передней поверхности резца на экспериментальной установке

ния. В момент выхода резца из зоны резания фиксировали температуру передней поверхности резца и верхней поверхности стружки без искажений.

Кольцо из титанового сплава ВТ1-0 с проточками обрабатывали резцами с остроза-точенными пластинами из твердого сплава ВК8 без покрытия. Передний угол заточки резца g = 0°, задний угол a = 8°, главный угол в плане ф = 45°, вспомогательный угол в плане ф = 15°. Режимы резания: скорость резания v = 100 м/мин, подача s = 0,15 мм/об, глубина резания t = 0,5 мм.

Постоянная съемка зоны резания тепловизором Baltech TR-01 500 (рис. 3) позволила зафиксировать момент выхода резца из металла и определить температурное поле передней поверхности резца с одновременной фиксацией температуры верхней поверхности стружки (рис. 4). Оценка велась с учетом различных, заранее определенных, коэффициентов излучения стружки (0,6) и передней поверхности резца (0,12).

На рис. 5 хорошо видна температура передней поверхности резца в момент его выхода из зоны резания 512,6 °С.

После обработки всей термограммы был получен график, представленный на рис. 6.

После проведения серии опытов было установлено, что температура как поверхности стружки, так и передней поверхности резца с ростом износа инструмента увеличивается на 5-8 °С/км.

0,62 с до освобождения резца от стружки. Время 14 ч 53 мин 59,78 с

0,42 с до освобождения резца от стружки. Время 14 ч 53 мин 59,98 с

0,21 с до освобождения резца от стружки. Время 14 ч 54 мин 0,19 с

Момент освобождения резца от стружки. Время 14 ч 54 мин 0,4 с

0,21 с остывания резца. Время 14 ч 54 мин 0,41 с остывания резца. Время 14 ч 54 мин

0,61

0,81

А 1=3777 и ВД1ТЕСК * Н4237 КВА1ТЕСН *»=438Б :-.вд1Т£он

А3<2000 ик *3<2000 1 этзооо ИК

Г 1 р ч г ч

Г „ 1 200 Г 1 200 Г а. ч дм

^ 1 \ № 11301 Ш0-26 к, и 5101  с =060 | п " 12 200 Н| 1 N 1.ЩВ1 1 НМ01 Н с <160 1 £  ! % к 1 м ий01 ао-ж щ и 5401  с =060  , ш V 200

0,62 с остывания резца. Время 14 ч 54 мин 0,81 с остывания резца. Время 14 ч 54 мин 1,01 с остывания резца. Время 14 ч 54 мин 1,02 с 1,21 с 1,42 с

Рис. 4. Покадровая термограмма момента выхода резца из металла

Скорость остывания передней поверхности резца в начальный период зависит от размеров державки и вылета резца и в среднем составляла 300 °С/с.

А 1=512.6 а 3=224.4 К ВА1ТЕСН ИК

г т

Г я- Щ 200

1. 1 к ч 1Ы иЭВ1 13-09-26 . 14:5400 | с =0.60 1 ™ 200

Основными составляющими погрешности измерения тепловизором передней поверхности резца являлись следующие.

1. Рассеивание результатов измерения температуры тепловизором (паспортные данные), а = 4 °С. Предполагается, что рассеяние показаний тепловизора подчиняется закону равной вероятности. Среднеквадратическая оценка погрешности измерения тепловизором [8] в этом случае

0,5

I

-0,5

| (ах)2 йх = 1,155 °С.

Рис. 5. Момент выхода резца из зоны резания

2. Погрешность определения коэффициентов излучения состоит из среднеквадрати-ческой оценки погрешности измерения те-

с

с

ШШШМБОТКА

600

500

400

300

200

100

0,2 0,6 1 1,4 1,8 2,2 2,6 3 3,4 3,8 4,2 4,6 5 5,4

Время, с

Рис. 6. Изменение температуры на внешней поверхности стружки и передней поверхности резца

в момент выхода его из металла

О

а

р

512,6 °С — момент выхода резца из зоны

р езан ия 1 \ 1—1 1—1

ч

/ м »—< >

II ч

пловизором и среднеквадратической оценки погрешности измерения температуры резца в муфельной печи образцовыми термопарами, стп = 0,289 °С. Среднеквадратическая оценка коэффициента излучения

аи = + °2 =л/0,2892 + 1,1552 = 1,191 °С,

3. Погрешность из-за дискретности при съемке процесса с частотой f = 50 кадров в секунду. Среднеквадратическая погрешность, возникающая при фиксации момента выхода резца из зоны резания [8],

1

0,5

| (Ьх)2 йх = 1,732 °С,

—0,5

где Ь — дискретность отсчета температуры в момент выхода резца из зоны резания,

Ь = / = 30с0 = 6 ° С/кадр.

Суммарная среднеквадратическая погрешность измерения:

т2 + а2 + а2 =

т ии -г »х

ах = л/О" = 41,1552 + 1,1912 + 1,7322 = 2,40 °С.

Выводы

1. Ни один из традиционных способов измерения температуры в зоне резания не дает возможности с требуемой точностью определить температуру в зоне резания в производственных условиях.

2. Доказана возможность применения тепло-визионного метода измерения температуры в зоне резания.

3. Предлагаемый метод измерения температуры с применением современного тепловизора позволяет определить температуру в зоне резания в момент схода стружки, не прибегая к существенным изменениям конструкции резцов, приспособлений и станка, что важно в условиях производства.

4. Температура внешней поверхности стружки при принятых режимах резания отличается от температуры в зоне резания в среднем на 250300 °С. И судить о температуре в зоне резания только по значениям температуры внешней поверхности стружки можно весьма приближенно.

5. Градиент температуры по толщине стружки для принятых режимов обработки составляет 2,5-3 °С/мкм.

6. Скорость остывания передней поверхности резца в начальный период составляет в среднем 300 °С/с.

7. Анализ полученных результатов позволил сформулировать дополнительные требования к тепловизору, в частности — в целях

0

повышения точности измерений необходимо увеличить частоту измерения температуры до 200-500 кадров в секунду.

Литература

1. An experimental technique for the measurement of temperature fields for the orthogonal cutting in high speed machining / G. Sutter, L. Faure, A. Molinari [et al.] //Int. Jurn. of Machine tools & Manufacture. 2003. Vol. 43. P. 671-678.

2. Temperature determination at the chip-tool interface using an inverse thermal model considering the tool and tool holder/R. Carvalho, S. M. M. Lima e Silva, A. R. Machado, G. Guimaraes // Journ. of Mat. Proc. Techn. 2006. Vol. 179. P. 97-104.

3. Грановский Г. И. Резание металлов. М.: Высш. шк., 1985.

4. Жуков Э. Л., Козарь И. И. Технология машиностроения. В 2 кн. М.: Высш. шк., 2008.

5. Макаров А. Д. Оптимизация процессов резания. М.: Машиностроение. 1976. 278 с.

6. Криворучко Д. В., Залога В. А., Мазур Н. П. Анализ современных методов численного моделирования тепловых явлений при резании материалов // Сучасш технологИ у машинобудуваннк зб1рник наукових праць. Харьков: Изд-во ХПИ, 2007. Т. 3. С. 158-167.

7. Зантур Сабхи, Богуславский В. А., Ивченко Т. Г. Оптимизация режимов резания при точении труднообрабатываемых материалов с учетом температурных ограничений // Прогресивн1 технологИ 1 системи ма-шинобудування: м1жнарод. зб. наук. праць. Донецьк: ДонНТУ, 2010. Вип. 39. 228 с.

8. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. М.: Мир, 1971. 408 с.

АО «Издательство "Политехника"» предлагает:

Детали машин: учебник / Н. А. Бильдюк, С. И. Каратушин, Г. Д. Малышев [и др.] ; под общ. ред. В. Н. Ражикова. — СПб. : Политехника, 2015. — 695 с. : ил.

ISBN 978-5-7325-1001-0 Цена: 550 руб.

Издание подготовлено сотрудниками кафедры ДМ БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, учениками В. Н. Кудрявцева — создателя научной школы по разработке и совершенствованию методов расчета на прочность зубчатых и планетарных передач, имеет гриф УМО.

Учебник содержит описания физических основ работы и современных принципов расчета общих по назначению деталей и узлов машин и механизмов различных отраслей техники. В основу предлагаемых методов расчетов положены действующие стандарты и нормативные материалы. Приведены примеры расчетов и необходимые краткие справочные материалы для их выполнения. Содержание разделов учебника выполнено с учетом требований новых федеральных государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования ФГОС3 ВПО по направлениям подготовки «Технологические машины и оборудование» и «Прикладная механика» для квалификаций «бакалавр» и «магистр».

Предназначен для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки «Технологические машины и оборудование», «Прикладная механика» и другим для квалификаций «бакалавр» и «магистр» по дисциплинам «Детали машин», «Конструирование деталей и узлов машин», «Детали машин и основы конструирования» и т. п. Учебник может быть полезен аспирантам, инженерам-конструкторам и специалистам различных отраслей промышленности.

Принимаются заявки на приобретение книги по издательской цене. Обращаться в отдел реализации по тел.: (812) 312-44-95, 710-62-73, тел./факсу: (812) 312-57-68, e-mail: sales@polytechnics.ru, на сайт: www.polytechnics.ru.