Способ измерения температурных и силовых параметров в процессе резания при сверлении
METHOD FOR MEASURING TEMPERATURE AND FORCE PARAMETERS DURING CUTTING WHEN DRILLING

Изобретение относится к области обработки металлов резанием, при помощи которого можно производить измерение силы и термо-ЭДС резания при сверлении. Изобретение может найти свое применение в инструментальной промышленности.
80
Известен способ измерения температуры резания металлов (А.с. СССР №152327, МПК G01; 42i, 8. Бюл. №24, 1962 г. Аналог) принцип работы которого заключается в том, что режущую пластинку из твердого сплава изолируют от корпуса сверла прокладками, поверхность корпуса сверла покрывают изолирующим составом, а место холодного спая выносят из зоны нагрева и изолируют обрабатываемую деталь от станка. Это позволяет повысить точность измерения температуры резания путем устранения влияния паразитных термоэлектродвижущих сил.
Данный способ имеет следующие недостатки:
1. Для самоцентрирования твердосплавной пластинки необходимо предварительно изготовить отверстие, либо дополнительно применить текстолитовую кондукторную втулку что влечет к дополнительным затратам, которые связаны с подготовительными операциями.
2. В теле корпуса сверла изготавливается дополнительное отверстие для установки контактного столбика и пружины, что может вызвать снижение жесткости корпуса, при возникновении большого крутящего момента, например, при сверлении труднообрабатываемых сплавов.
3. Для проведения экспериментальных исследований с использованием различных твердосплавных пластинок, в зависимости от их химического состава, необходимо дополнительно изготавливать и столбик, для исключения влияния паразитных термо-ЭДС, что влечет к дополнительным материальным затратам.
4. Для снятия электродвижущей силы с вращающейся твердосплавной пластинки, на корпус сверла насаживают медное токосъемное кольцо, изолированное от корпуса текстолитовыми дисками. Кольцо скрепляют с дисками при помощи винтов, а съем электродвижущей силы с кольца производят при помощи щеток. Концы проводов от щеток и обрабатываемой детали присоединяют к клеммам регистрирующего прибора, однако данный способ съема электродвижущей силы применим при условии, что процесс сверления осуществляется, например, на фрезерном станке при отсутствии поступательного осевого перемещения сверла, осуществляющего подачу, так как эту задачу выполняет стол фрезерного станка. Поскольку в большинстве случаев процесс сверления осуществляется на сверлильных станках, при котором подача осуществляется шпинделем, с установленным в нем сверлом, необходимо разработать дополнительное приспособление, позволяющее производить передачу электродвижущей силы при вращательном, возвратно-поступательном перемещении сверла к неподвижному милливольтметру, обеспечив при этом постоянный электрический контакт, также данный способ не позволяет использовать сверла с внутренними каналами для подвода смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС).
Известен способ измерения температуры резания при сверлении (А.с. СССР №1076199, МПК В23 В 25/06. Бюл. №8, 1984. Аналог), принцип работы которого заключается в том, что разработана специальная конструкция, имеющая металлический стержень равный диаметру сверла, помещенный в диэлектрическую втулку, которая препятствует возникновению дополнительных термо-ЭДС на периферии сверла.
Применяют данный способ в области металлообрабатывающей промышленности.
Недостатками такого способа является низкая виброустойчивость диэлектрической втулки при сверлении, а также сложность фиксации металлического стержня, что приведет в процессе резания к дополнительным вибрациям, нестабильному процессу резания, а, следовательно, и к погрешности измерения. Так же предлагаемый способ имеет расхождение от реальных, присутствующих на производстве условий сверления, где в процессе резания участвуют как режущие кромки сверла, так и периферийная его часть, температурные показатели которой так же представляет научный интерес.
Известен способ измерения температуры резания при сверлении (А.с. СССР №1371783, МПК В23 В 25/06. Бюл. №5, 1988. Аналог) позволяющий повысить точность измерения термо-ЭДС при помощи металлического стержня, который зафиксирован в диэлектрической втулке, в котором имеется отверстие, равное ширине перемычки, в результате чего исключается влияние на температурные показатели процесса резания периферийной части сверла и перемычки.
Применяют данный способ в области металлообрабатывающей промышленности.
Недостатком такого способа является низкая жесткость конструкции из-за наличия диэлектрика, что может привести к возникновению вибраций в процессе резания, так же данный способ не дает возможность в полной мере изучить температурное состояние процесса резания т.к. в условиях производства, как правило, не представляется возможным исключить участие перемычки и периферийной части режущего инструмента при сверлении, следовательно данные полученные представленным способом подходят исключительно для специфических задач и исключают широкое применение.
Известен способ измерения ЭДС резания (Патент РФ 2149745, B23Q 17/09, опубл. 27.05.2000 г. Аналог) который позволяет повысить точность измерения температуры резания при сверлении методом естественной термопары, путем нанесения на режущий инструмент слоя диэлектрического (алмазного) покрытия, что позволяет изолировать периферийную часть сверла а так же поочередно изолировать переднюю и заднюю поверхности, тем самым ограничивая электрический контакт обрабатываемой заготовки и режущего инструмента что в свою очередь позволяет исключить влияние паразитных термо-ЭДС и повысить точность измерения.
Областью применения способа является металлообрабатывающая промышленность.
Недостатком данного способа является сложность и дороговизна нанесения диэлектрического (алмазного) покрытия, связанная с изготовлением алмазного порошка, использованием дополнительного оборудования и дороговизной самого алмазного покрытия, так же возникают дополнительные сложности в контроле толщины покрытия, что особенно важно на периферийной части режущего инструмента. Известно, что угол образующей обратного конуса сверла равен 1°38'8'' (в зависимости от типа сверл, значения могут отличаться) в связи с чем возникают трудности в нанесении равномерного, тонкого слоя диэлектрического покрытия из-за малой величины зазора между периферийной частью сверла и обработанным отверстием, таким образом толщина, неравномерность нанесения и прочность алмазного покрытия может привести к заклиниванию инструмента, а также возникновению дополнительного трения и вибраций, что приведет к дестабилизации процесса резания, дополнительному теплообразованию, следовательно и к погрешности измерения, а также к снижению качества обработанной поверхности.
Известен метод естественной термопары (см. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов - М.: Машиностроение, 1975, с. 144, 145, рис. 106. Аналог), принцип которого заключается в изоляции режущего инструмента и заготовки от станка во избежание паразитных теро-ЭДС. Процесс резания протекающий в условиях плотного контакта режущего инструмента и заготовки служит горячим спаем, холодный спай в свою очередь выносят из зоны нагрева, однако фиксируемые значения таким методом являются средними показателями температуры резания из-за участия в процессе сверления большого количества контактирующих поверхностей, однако данное обстоятельство играет положительную роль, т.к. только в данном случае можно обеспечить необходимые условия резания, приближенные к производственным. Применение в процессе резания смазочно-охлаждающих технологических сред (СОТС) сводит к минимуму влияние периферийной части сверла в образовании температуры, т.к. в отличие от непосредственной зоны резания где большие контактные давления и непрерывно поступающая стружка препятствуют проникновению СОТС, периферийная же часть сверла остается в относительной доступности для смазывающих технологических сред.
Однако автор не дает конкретных рекомендаций по изготовлению установки позволяющей применить метод естественной термопары на процессе сверления и решить задачи, связанные с сложностью передачи электрического сигнала от подвижной части (сверла) к неподвижной части (милливольтметру). Отсутствуют также рекомендации и по изоляции режущего инструмента, т.к. в большинстве случаев диэлектрики имеют низкую твердость по отношению к твердости инструментальной стали, в связи с чем возникает сложность изоляции хвостовой части сверла, т.к. при недостаточной жесткости закрепления режущего инструмента возникают дополнительные вибрации, что неизбежно приведет к погрешности получаемых экспериментальных данных, так же велика вероятность деформации изоляционного материала губками сверлильного патрона, что неизбежно приведет к возникновению электрического контакта инструмента и станка, а следовательно и к возникновению паразитных термо-ЭДС. Неизбежно и проскальзывание сверла в процессе резания, т.к. диэлектрики на основе каучука, полиэтилена, полипропилена, полиамида, и т.д. имеют низкий коэффициент трения, что скажется на качестве проведения экспериментальных исследований, применение же алмазных покрытий приведет к дополнительным затратам на оборудование и материал.
Наиболее близким по технической сущности является способ измерения термо-ЭДС при сверлении (патент на изобретение РФ №2737658 МПК B23Q 17/09, В23В 49/00, опубл. 01.12.2020. Бюл. №34. Прототип). Изобретение относится к области обработки металлов резанием и может быть использовано при исследовании температурного состояния процесса резания при сверлении. Способ включает закрепление металлической заготовки в патроне токарного станка, при этом металлическую заготовку электрически изолируют от патрона с помощью разрезной диэлектрической втулки, и обработку упомянутой заготовки посредством электрически изолированного от станка сверла, во время которой осуществляют измерение термо-ЭДС с помощью милливольтметра, подключенного соответствующими электрическими проводами к сверлу и к токосъемнику, электрически связанному с упомянутой заготовкой. При этом связанные с милливольтметром электрические провода размещают в емкости со льдом. Использование изобретения позволяет повысить точность измеряемого-ЭДС при сверлении методом естественно образующей термопары.
Недостатком представленного способа является отсутствие возможности дополнительно производить измерение силы резания при сверлении.
Техническим результатом изобретения является дополнительная возможность измерения крутящего момента при сверлении.
Для реализации представленного способа, процесс сверления осуществляется на токарном станке, который позволяет значительно упростить конструкцию, т.к. нет необходимости применять токосъемник, обеспечивающий непрерывный электрический контакт при вращательном и обратно поступательном движении сверла. В данном способе главное движение резания осуществляется металлической заготовкой, сверло также имеет возможность вращения, благодаря наличию подшипников роликовых-радиальных упорных, установленных в корпусе, однако вращение сверла ограничено динамометром.
Способ измерения температурных и силовых параметров процесса резания при сверлении, включающий закрепление металлической заготовки в патроне токарного станка, при этом металлическую заготовку электрически изолируют от патрона с помощью разрезной эбонитовой втулки, и обработку упомянутой заготовки посредством электрически изолированного от станка сверла, во время которой осуществляют измерение термо-ЭДС с помощью милливольтметра, подключенного соответствующими электропроводами к сверлу и к токосъемнику, электрически связанному с упомянутой заготовкой.
Отличием данного технического решения от прототипа является тот факт, что металлическая втулка, расположенная в корпусе и зафиксированная при помощи подшипников роликовых-радиальных упорных а также упорного подшипника, содержит рычаг, соединенный с металлической втулкой при помощи фиксирующих винтов, контактирующий с державкой, расположенной в электронном динамометре.
Изобретение представлено на чертежах:
Фиг. 1 - конструктивная схема способа измерения температурных и силовых параметров процесса резания при сверлении в осевом сечении и местном разрезе.
Фиг. 2 - изометрическая проекция металлического стакана, эбонитовой прокладки, разрезной эбонитовой втулки и разрезной металлической втулки.
Фиг. 3 - схема крепления сверла с внутренним подводом СОТС.
Фиг.4 - схема измерения силы резания при сверлении.
Способ измерения температурных и силовых параметров процесса резания при сверлении содержит стойки 1, 13, фиксирующие винты 2, 12, 15, 16, 27, 34, 42, 50, 58, 59, 62, сверло с каналами для внутреннего подвода СОТС 3, разрезные металлические втулки 4, 46, металлический стакан 5, винты с потайной головкой и внутренним шестигранником 6, 28, 44, разрезные эбонитовые втулки 7, 45, кулачки токарного патрона 8, эбонитовые прокладки 9, 30, шпиндель токарного станка 10, эбонитовую коническую втулку 11, направляющую втулку 14, эбонитовый упор 17, пружину 18, эбонитовый направляющий стержень 19, металлический упор 20, металлический стержень 21, электропровода 22, 26, емкость со льдом 23, металлическую заготовку 24, милливольтметр 25, оправку 29, чашку 31, упорный подшипник 32, крышки подшипников 33, 48, корпус 35, кольцевые прокладки 36, 54, металлическую втулку 55, кольца подачи СОТС 37, 53, штуцеры 38, 49, каналы 39, 52, подшипники роликовые-радиальные упорные 40, 47, упорную шайбу 41, рычаг 43, стопорное кольцо 51, фторопластовую втулку 56, кронштейн 57, кабель электронного динамометра 60, электронный динамометр 61, державку 63.
Принцип работы способа заключается в следующем. Во избежание влияния паразитных термо-ЭДС на измерение температуры процесса резания, сверло с каналами для внутреннего подвода СОТС 3 и оправка 29 изолированы от токарного станка (на чертеже не указан) при помощи разрезной эбонитовой втулки 45 и эбонитовой прокладки 30 которые установлены в отверстии корпуса 35, закрепленного на стойке 1 при помощи фиксирующих винтов 2, в свою очередь стойка 1, установлена на суппорте токарного станка и зафиксирована при помощи фиксирующих винтов 27. Для предотвращения от повреждения разрезной эбонитовой втулки 45 при закреплении сверла с каналами для внутреннего подвода СОТС 3 с оправкой 29, предусмотрена разрезная металлическая втулка 46, служащая барьером между винтами с потайной головкой и внутренним шестигранником 44 и разрезной эбонитовой втулкой 45.
Металлическая заготовка 24, установлена в металлическом стакане 5, и изолирована при помощи эбонитовой прокладки 9, а также при помощи разрезной эбонитовой втулки 7. Для защиты от повреждения разрезной эбонитовой втулки 7 кулачками токарного патрона 8 при фиксации металлической заготовки 24, применяется разрезная металлическая втулка 4. Для дополнительной фиксации металлической заготовки 24, а также во избежание проскальзывания во время процесса сверления, в металлическом стакане 5 расположены винты с потайной головкой и внутренним шестигранником 6. К металлической заготовке 24 припаян электропровод 22, соединенный в свою очередь с металлическим стержнем 21. Для базирования и изоляции металлического стержня 21 предусмотрена эбонитовая коническая втулка 11, установленная в шпинделе токарного станка 10.
Для передачи термо-ЭДС от подвижной металлической заготовки 24 к неподвижному милливольтметру 25 предусмотрен токосъемник, который содержит металлический упор 20, установленный в отверстии эбонитового направляющего стержня 19, который в свою очередь поджимается пружиной 18 для постоянного электрического контакта металлического упора 20 и металлического стержня 21. Эбонитовый направляющий стержень 19 с закрепленным металлическим упором 20, пружиной 18, эбонитовым упором 17 установлены в направляющей втулке 14, которая в свою очередь установлена в отверстии стойки 13 и закреплена фиксирующим винтом 15. Эбонитовый упор 17 фиксируется в направляющей втулке 14 при помощи фиксирующего винта 16. Стойка 13 в свою очередь закрепляется на станке при помощи фиксирующих винтов 12.
Во избежание возникновения паразитных термо-ЭДС, электропровод 22, металлический стержень 21 и металлический упор 20 изготовлены из того же сплава что и металлическая заготовка 24. Процесс резания служит в качестве горячего спая, свободные же концы термопары должны быть стабильно холодными, для этого предусмотрена емкость со льдом 23, в которую погружены электропровод 22 (изготовленный из обрабатываемого материала) и электропровод 26 (изготовленный из инструментального материала), свободные концы которых соединены с милливольтметром 25, для регистрации значений термо-ЭДС. Электропровод 26 в свою очередь припаян к сверлу с каналами для внутреннего подвода СОТС 3.
Для подачи СОТС в торец хвостовика (на чертеже позиция отсутствует), предусмотрено кольцо подачи СОТС 37 с установленным штуцером 38 и каналом 39, также кольцо подачи СОТС 37 содержит кольцевые прокладки 36, для герметичности системы. Для подачи СОТС в отверстие, расположенное на шейке сверла с каналами для внутреннего подвода СОТС 3, предусмотрено кольцо подачи СОТС 53 с установленным штуцером 49 и каналом 52, также кольцо подачи СОТС 53 содержит кольцевые прокладки 54. Для дополнительной фиксации штуцера 49, конструкцией предусмотрено стопорное кольцо 51, закрепленное на корпусе 35 при помощи фиксирующего винта 50.
Для измерения силы резания при сверлении, сверло с каналами для внутреннего подвода СОТС 3, с установленной оправкой 29, разрезной эбонитовой втулкой 45 и разрезной металлической втулкой 46, расположены в металлической втулке 55, которая имеет возможность вращения, благодаря наличию подшипников роликовых-радиальных упорных 40, 47, контактирующих с металлической втулкой 55 и корпусом 35, также устройство дополнительно содержит упорный подшипник 32, для предотвращения от осевого перемещения сверла с каналами для внутреннего подвода СОТС 3.
Подшипник роликовый-радиальный упорный 40, зафиксирован при помощи упорной шайбы 41 и чашки 31, контактирующей с крышкой подшипников 33, которая в свою очередь зафиксирована при помощи винта 34. Подшипник роликовый-радиальный упорный 47, зафиксирован при помощи крышки подшипников 48. На металлической втулке 55 расположен рычаг 43, установленный при помощи фиксирующих винтов 42. В процессе резания на сверле с каналами для внутреннего подвода СОТС 3 создается крутящий момент, который через рычаг 43, передается на державку 63, установленную в электронном динамометре 61, при помощи кронштейна 57 и фиксирующих винтов 58, 59, в свою очередь электронный динамометр 61, установлен на станке при помощи фиксирующих винтов 62. Для снижения коэффициента трения, в месте контакта рычага 43 и державки 63, использована фторопластовая втулка 56. Электронный динамометр 61 при помощи кабеля 60 подключен к ПК (на чертеже не указан), при помощи которого производится регистрация значений крутящего момента. Для извлечения сверла с каналами для внутреннего подвода СОТС 3 конструкция содержит винт с потайной головкой и внутренним шестигранником 28, который расположен на торце оправки 29.
Способ работает следующим образом: Стойка при помощи фиксирующих винтов устанавливается на суппорте токарного станка (на чертеже не показан), затем на стойку устанавливается корпус, содержащий внутри подшипники роликовые-радиальные упорные, контактирующие также с металлической втулкой, и зафиксированные при помощи чашки и крышек подшипников, также в корпусе располагается упорный подшипник, для предотвращения от осевого перемещения сверла. В зависимости от расположения отверстия для подачи СОТС в сверле с каналами для внутреннего подвода СОТС, применяется необходимое кольцо подачи СОТС, содержащие в свою очередь кольцевые прокладки, штуцеры и каналы для подачи СОТС. После установки корпуса на стойке, сверло с каналами для внутреннего подвода СОТС на хвостовике которого расположены: оправка, разрезная эбонитовая втулка, разрезная металлическая втулка а также эбонитовая прокладка, устанавливается в отверстии металлической втулки и фиксируются винтами с потайной головкой и внутренним шестигранником.
Отверстие оправки соответствует конусу Морзе 5, для возможности установки сверл с коническим хвостовиком различных размеров, при помощи подбора переходных конических втулок. Также имеется возможность использования сверла как с внутренним подводом СОТС, так и без.
Далее производится установка металлической заготовки. Для этого в металлический стакан устанавливается эбонитовая прокладка, разрезная металлическая втулка, разрезная эбонитовая втулка и металлическая заготовка, затем металлический стакан устанавливается в патроне токарного станка (на чертеже не указан) и зажимается кулачками токарного патрона. Кулачки токарного патрона контактируют с разрезной металлической втулкой благодаря наличию пазов в металлическом стакане, зажимая тем самым металлическую заготовку.
Также дополнительно производится фиксация металлической заготовки при помощи винтов с потайной головкой и внутренним шестигранником, которые расположены в металлическом стакане, во избежание проворачивания металлической заготовки во время процесса сверления. К металлической заготовке припаян электрический провод, на противоположном конце которого расположен металлический стержень. Металлический стержень устанавливается в отверстии эбонитовой конической втулки, в свою очередь эбонитовая коническая втулка установлена в отверстии шпинделя токарного станка. Передача термо-ЭДС от подвижного элемента (металлический стержень) к неподвижному (милливольтметр), производится при помощи электропереходника, содержащего стойку, на которую устанавливается направляющая втулка с эбонитовым направляющим стержнем и металлическим упором, а также с пружиной и эбонитовым упором, которые закреплены фиксирующими винтами. Стойка электропереходника закрепляется на станке при помощи фиксирующих винтов.
Также к сверлу с каналами для внутреннего подвода СОТС припаян электропровод, изготовленный из инструментального материала. Процесс резания служит в качестве горячего спая, свободные же концы термопары должны быть стабильно холодными, для этого предусмотрена емкость со льдом, в которую погружается электропровод из обрабатываемого материала и электропровод из инструментального материала, соединенные с милливольтметром, при помощи которого производится регистрация термо-ЭДС. Для исследования силовых параметров процесса сверления используется электронный динамометр, содержащий кронштейн с установленной державкой, закрепленной при помощи фиксирующих винтов, в свою очередь электронный динамометр устанавливается на токарном станке, и также фиксируется при помощи винтов. Далее при помощи фиксирующих винтов, рычаг одним концом закрепляется на металлической втулке, а другим устанавливается в пазу державки. В свою очередь, между державкой и рычагом располагается фторопластовая втулка, для снижения коэффициента трения.
В процессе резания, на сверле с каналами для внутреннего подвода СОТС создается крутящий момент, который через рычаг передается на державку, расположенную в электронном динамометре, который в свою очередь, при помощи кабеля подключается к ПК (на чертеже не указан), для регистрации значений крутящего момента. Для извлечения сверла, на торце оправки расположен винт с потайной головкой и внутренним шестигранником, контактирующий с хвостовиком.