Способ измерения термо-ЭДС при точении
THERMO EMF MEASUREMENT METHOD DURING TURNING

Изобретение относится к области лезвийной обработки металлов, а именно к способам измерения температуры резания при точении методом естественно образующейся термопары, и может найти свое применение в инструментальной промышлености.
Известно устройство для измерения температурного состояния процесса резания с помощью естественной термопары (см. Клушин М.И. Резание металлов. Элементы теории пластического деформирования срезаемого слоя / Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Машгиз, 1958. - 456 с. Аналог). Принцип работы устройства основан на том, что обрабатываемая деталь со стружкой во время резания находятся в непрерывном контакте и поэтому представляют собой термоэлемент. Местом «спая» этого термоэлемента является поверхность касания инструмента с деталью и сходящей стружкой. С изменением условий резания температура контактных поверхностей меняется, что вызывает изменение ЭДС, генерируемой в термоэлементе. ЭДС этого термоэлемента улавливается гальванометром. Для возможности съема электродвижущей силы с вращающейся детали и изолирования дополнительных «паразитных» термопар, главным образом термопары центр-деталь, применяются специальные приспособления, принцип работы которого заключается в следующем: на обычный вращающийся задний центр посажена дополнительная шайба. На корпусе, поддерживающем опоры центра, с внешней стороны крепится ванночка с ртутью. Для предотвращения нагрева контакта изделие-центр на детали выточена глубокая канавка, уменьшая тем самым сечение, по которому тепло может следовать к центру, и служащая для охлаждения обрабатываемой заготовки. При применении описанного приспособления цепь гальванометра состоит из следующих элементов: деталь-изделие-центр-шайба-ртуть-гальванометр-резец-деталь. Одним из недостатков описанного приспособления является применение в качестве токосъемника, ванночки со ртутью. Пары ртути могут нанести ущерб организму человека. Ртуть оказывает токсичное воздействие на нервную, пищеварительную, и иммунную системы. Так же представленное устройство не обеспечивает изоляцию детали от центра станка, а служит лишь для обеспечения жесткости системы «станок-приспособление-инструмент-деталь» (СПИД) и передачи термо-ЭДС от подвижного элемента к неподвижному через закрепленную на центре дополнительную шайбу. Отсутствие изоляции обрабатываемой заготовки от центра токарного станка, неизбежно приведет к возникновению дополнительной паразитной термопары.
Известно устройство для измерения температуры резца при помощи так называемой естественной термопары, состоящей из обрабатываемой заготовки и режущего инструмента, (см. Вульф A.M. Резание металлов. М. Л., Машгиз, 1963, 428 с.), (Вульф A.M. Резание металлов. Изд. 2-е. Л., «Машиностроение» (Ленингр. отд-ние), 1973, 496 с. Аналог). В процессе резания в месте контакта разнородных материалов изделия и резца вследствие нагрева возникает электродвижущая сила. Термоток в этом случае направляется по обрабатываемой детали через медное кольцо, а затем в ртуть, которая находится в ванне, служащей для контакта вращающегося кольца с проволокой. При этом милливольтметр показывает напряжение термотока, по которому можно производить оценку температурного состояния процесса резания. Обрабатываемая заготовка изолирована от патрона и заднего центра, а резец от суппорта при помощи диэлектрических прокладок.
Недостатком представленного способа является применение в качестве токосъемника ванны со ртутью, поскольку пары ртути ядовиты и могут нанести вред здоровью человека, так же применение медного кольца для передачи термо-ЭДС может привести к погрешности измерения, в случае разнородности материалов (медного кольца и обрабатываемой заготовки), из-за появления паразитных термо-ЭДС. Недостаточно надежная изоляция обрабатываемой заготовки, а в некоторых случаях и вовсе ее отсутствие обосновано при использовании способа на высоких скоростях резания и температур, поскольку паразитные термопары практически не влияют на показатели термо-ЭДС, однако при исследовании температуры резания в условиях низких скоростей и температур, возникновение паразитных термо-ЭДС может привести к значительной погрешности измерения.
Известен способ измерения термо-ЭДС при точении, описанный в учебнике (см. Грановский Г.И., Грановский В.Г. Резание металлов. М.: Высш. шк., 1985. - 304 с., ил. Учебник для вузов. Аналог). Рабочим концом естественной термопары являются площадки взаимного касания лезвия резца, стружки, поверхности резания на заготовке. Контактные поверхности лезвия наиболее нагружены и подвержены наибольшему нагреву. Представленный способ позволяет измерить температуру непосредственно на поверхности наиболее нагретого участка режущего инструмента. Принцип работы способа заключается в следующем: обрабатываемая заготовка при закреплении в патроне токарного станка изолируется прокладками (диэлектриками). Резец также изолирован от суппорта станка. Один из удлинительных термоэлектродов присоединен к инструментальному материалу, оснащающему режущую часть, и выполнен из того же материала. Другой удлинительный термоэлектрод связывает измерительный прибор с обрабатываемой заготовкой через токосъемник, который в простейшем случае представляет собой металлическую или угольную щетку, скользящую по поверхности вращающейся заготовки. Недостатком представленного способа является сложность конструкции токосъемника, предусматривающая применение металлической или угольной щетки, которая дополнительно должна устанавливаться в зажимном приспособлении, с возможностью регулирования в зависимости от диаметра обрабатываемой детали, в связи с чем, при измерении температуры на высоких скоростях резания неизбежно приведет к нагреву прижимной пластины и возникновению паразитной термопары, в свою очередь применение диэлектрических прокладок для изоляции детали от патрона может привести к возникновению вибраций, снижению жесткости системы СПИД, а также к возможному проскальзыванию обрабатываемой заготовки в процессе резания. Также в описании отсутствуют рекомендации по изоляции обрабатываемой заготовки от заднего центра токарного станка.
Наиболее близким по технической сущности является способ для измерения температуры при точении методом естественно образующейся термопары, (см. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов. - М.: Машиностроение, 1975, 344 с. Прототип), при котором обрабатываемая заготовка изолирована от патрона и центра задней бабки эбонитовыми прокладками и пробкой. Цельный резец из быстрорежущей стали или твердого сплава изолирован от резцедержателя также эбонитовыми прокладками. Резец делают цельным для исключения возникновения паразитных термопар. Обрабатываемая заготовка при помощи медного провода соединена с гибким валом, который закреплен в эбонитовой втулке расположенной в шпинделе станка. Контактный наконечник гибкого вала опущен в ванночку с ртутью. Милливольтметр одной клеммой соединен с торцом резца, а второй с ртутным токосъемником. Замкнутая электрическая цепь состоит из обрабатываемой заготовки, проводника, гибкого вала, токосъемника, милливольтметра, резца, обрабатываемой заготовки. Обрабатываемую заготовку изолируют от станка для исключения влияния паразитных термопар, которые могут возникнуть между отдельными деталями станка. Недостатком такого метода является низкое качество изоляции обрабатываемой заготовки как от патрона, так и от заднего центра. В процессе установки обрабатываемой заготовки, под кулачки патрона подкладывают эбонитовые прокладки, однако при затяжке, с последующим возникновением высокого контактного давления между кулачками патрона и обрабатываемой заготовкой, эбонитовая прокладка может деформироваться, в результате чего нарушится изоляция. Применение эбонитовой прокладки для изоляции обрабатываемой заготовки от патрона станка и эбонитовой пробки для изоляции от заднего центра приведет к снижению жесткости технологической системы СПИД и к возможному проскальзыванию обрабатываемой заготовки в процессе резания. Изоляция обрабатываемой заготовки от станка обусловлена необходимостью исключения возникновения паразитных термопар в процессе резания, что может привести к погрешности измерения. При использовании данного способа изоляцией заготовки можно пренебречь, поскольку при высоких температурах роль паразитных термопар незначительна, однако при исследовании процесса резания, при котором возникают низкие температуры, изоляция обрабатываемой заготовки необходима, поскольку влияние паразитных термопар при таких условиях будет иметь весомый характер.
Техническим результатом изобретения является высокая точность измерения термо-ЭДС при точении, методом естественно образующейся термопары, при помощи конструкции, которая позволяет обеспечить электрическую изоляцию обрабатываемой заготовки и резца без снижения жесткости системы СПИД и возникновения дополнительных паразитных термопар.
Это достигается тем, что способ измерения термо-ЭДС при точении, включающий закрепление обрабатываемой заготовки на токарном станке при помощи патрона и вращающегося центра, при этом обрабатываемую заготовку электрически изолируют от патрона и вращающегося центра с помощью разрезной диэлектрической втулки, в свою очередь обработку упомянутой заготовки осуществляют посредством электрически изолированного от станка резца, во время которой осуществляют измерение термо-ЭДС с помощью милливольтметра, подключенного соответствующими электрическими проводами к резцу и к токосъемнику, электрически связанному с упомянутой обрабатываемой заготовкой, при этом, упомянутый резец с диэлектрическими прокладками и защитной металлической прокладкой закрепляют неподвижно в резцедержателе, который установлен на суппорте токарного станка, а между кулачками упомянутого патрона и разрезной диэлектрической втулкой устанавливают металлический стакан с диэлектрической прокладкой и разрезной металлической втулкой, при этом токосъемник выполняют с металлическим упором, который располагают с возможностью контакта с металлическим стержнем, соединенным электрическим проводом с упомянутой обрабатываемой заготовкой, причем электрический провод, соединяющий милливольтметр с токосъемником, металлический упор, металлический стержень и электрический провод, соединяющий его с заготовкой, выполняют из того же материала, что и обрабатываемая заготовка, а электрический провод, соединяющий милливольтметр с резцом, выполняют из инструментального материала.
Отличием данного технического решения от прототипа является тот факт, что металлические стаканы, установленные по оба конца от обрабатываемой заготовки, содержащие защитные разрезные металлические втулки, разрезные эбонитовые втулки (диэлектрики), обеспечивающие электрическую изоляцию обрабатываемой заготовки от токарного станка с целью исключения паразитных термо-ЭДС, а так же обеспечивающие жесткость системы СПИД и снижение вибраций в период резания, повышая тем самым точность измерения температуры резания при точении. Применение проводников, изготовленных из того же материала что и обрабатываемая заготовка и соединенных с токосъемником, элементы которого также изготовлены из материала обрабатываемой заготовки обеспечивают снижение влияния паразитных термопар.
Изобретение представлено на чертежах:
Фиг. 1 - конструктивная схема способа измерения термо-ЭДС при точении.
Фиг. 2 - изометрическая проекция металлического стакана, эбонитовой прокладки, разрезной эбонитовой втулки, разрезной металлической втулки.
Фиг. 3 - схема изоляции резца.
Способ измерения термо-ЭДС при точении содержит: вращающийся центр 1, металлические стаканы 2, 7, эбонитовые прокладки 3, 10, разрезные эбонитовые втулки 4, 9, разрезные металлические втулки 5, 8, прижимные винты 6, шпиндель токарного станка 11, электрические провода 12, 23, металлический стержень 13, эбонитовую коническую втулку 14, стойку 15, направляющую втулку 16, установочные винты 17, фиксатор 18, пружину 19, эбонитовую направляющую 20, металлический упор 21, фиксирующие винты 22, кулачки токарного патрона 24, обрабатываемую заготовку 25, милливольтметр 26, электропровод 27, резец 28, резцедержатель 29, защитную металлическую прокладку 30, диэлектрические прокладки 31.
Принцип работы способа заключается в следующем. При помощи металлических стаканов 2, 7, которые содержат эбонитовые прокладки 3, 10, разрезные эбонитовые втулки 4, 9, разрезные металлические втулки 5, 8, прижимные винты 6, производится изоляция обрабатываемой заготовки 25. Металлические стаканы 2, 7 в свою очередь обеспечивают защиту от повреждения разрезных эбонитовых втулок 4, 9 при контакте с кулачками токарного патрона 24. Далее при помощи электрического провода 12 и металлического стержня 13, термо-ЭДС передается от подвижной обрабатываемой заготовки 25 к токосъемнику, который содержит металлический упор 21, установленный на эбонитовой направляющей 20, и поджатый пружиной 19, а также фиксатором 18, установленным на направляющей втулке 16. Закрепляется токосъемник при помощи стойки 15 и фиксирующих винтов 22.
К обрабатываемой заготовке 25, установленной в патроне токарного станка, припаивают электрический провод 12, который соединяют с металлическим стержнем 13, контактирующим с токосъемником, который выполнен в виде стойки 15 с направляющей втулкой 16, закрепленной установочными винтами 17 с фиксатором 18 и содержащей эбонитовую направляющую 20, пружину 19 и металлический упор 21, к которому припаивают электрический провод 23.
Во избежание возникновения паразитных термо-ЭДС, электрические провода 12,23, металлический стержень 13 и металлический упор 21 изготовлены из того же материала что и обрабатываемая заготовка 25. Металлический стержень 13 установленный в шпинделе токарного станка 11 изолирован при помощи эбонитовой конической втулки 14. В свою очередь, изолированная обрабатываемая заготовка 25 поджимается вращающимся центром 1, контактирующим с центровочным отверстием, расположенным в металлическом стакане 2. Далее при помощи защитной металлической прокладки 30 и диэлектрических прокладок 31, обеспечивается электроизоляция резца 28. Электропровод 27, изготовленный из инструментального материала, обеспечивает электрический контакт резца 28, закрепленного в резцедержателе 29 и милливольтметра 26. Свободные концы электрических проводов 12, 23 и электропровода 27 соединяются с милливольтметром 26, далее производится регистрация термо-ЭДС.
Способ работает следующим образом: на обоих концах обрабатываемой заготовки имеются цапфы, диаметр которых равен диаметру разрезных эбонитовых втулок. На цапфы устанавливают разрезные эбонитовые втулки, разрезные металлические втулки, металлический стакан с прижимными винтами и эбонитовыми прокладками. Обрабатываемая заготовка с металлическими стаканами на одном конце фиксируется в патроне токарного станка при помощи кулачков, на другом поджимается вращающимся центром. После установки обрабатываемой заготовки проверяется биение и производится соответствующая регулировка при помощи прижимных винтов. Обрабатываемая заготовка соединяется с металлическим стержнем, расположенным в эбонитовой конической втулке при помощи электрического провода. Передача термо-ЭДС от подвижного элемента (металлический стержень) к неподвижному (милливольтметр) производится при помощи токосъемника, содержащего стойку, на которой установлена направляющая втулка с эбонитовой направляющей и металлическим упором, пружиной, фиксатором, которые закреплены в свою очередь установочными винтами и фиксирующими винтами.
Резец, при помощи диэлектрических прокладок и защитной металлической прокладки, изолируется от резцедержателя, контактирующий при этом с милливольтметром посредством электропровода, изготовленного из инструментального материала.