Методика изготовления перерезаемых термопар

МАШИНОСТРОЕНИЕ

УДК 621.923.4 А. Ш. ХУСАИНОВ

МЕТОДИКА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЕРЕРЕЗАЕМЫХ ТЕРМОПАР

Разработанная методика изготовления перерезаемых полуискусственных термопар позволяет подобрать размеры термоэлектрода и изолятора для измерения мгновенной, контактной и средней температуры при обработке резанием металлических заготовок. Предлагается технология изготовления полуискусственных термопар.

Ключевые слова: термопара, измерение температур, механическая обработка.

Введение

Механическая обработка заготовок - ответственный и теплонапряжённый этап технологического процесса изготовления деталей. Оценить уровень температур в поверхностном слое заготовки, от которого зависит качество детали, позволяют три типа термопар: естественная (инструмент - заготовка), искусственная (термопара внедрена в контролируемую область объекта через канал) и полуискусственная.

Естественные термопары не получили широкого распространения из-за частого отсутствия эффекта Зеебека (генерации электрического тока в нагретом спае разнородных проводников): твёрдый сплав и большинство абразивных кругов не являются проводниками электричества.

Искусственная термопара имеет постоянный (не перерезаемый) спай, а подводящие провода должны быть надёжно изолированы друг от друга и от объекта, в который она внедрена (в случае, если объект электропроводный). Трудности размещения спая термопары в исследуемой зоне объекта и погрешности (большая постоянная времени), вносимые каналом термопары в температурное поле в объекте, существенно ограничивают область применения таких термопар. Следует также учитывать, что искусственная термопара при исследовании температурного поля в заготовке является одноразовой.

Полуискусственная термопара может быть как постоянной, так и перерезаемой. Так как размеры спая постоянных полуискусственных термопар обычно оказываются значительными, их используют, например, при измерении температуры вдали от теплового источника (температуры в центре спая и по его краям различаются

Хусаинов А. III., 2012

несущественно). Постоянные термопары приваривают электросваркой, подобрав сварочный ток, или лазером.

Полуискусственная перерезаемая термопара -наиболее приемлемый датчик для измерения температуры в зоне резания при механической обработке металлических заготовок. Изменяя толщину электрода, можно регулировать «локальность» измеряемых температур, например, при толщине электрода около 20 мкм можно зарегистрировать температуры на отдельном абразивном зерне (1000°С и более), а при толщине электрода 60 мкм - среднюю температуру в зоне контакта нескольких абразивных зёрен. С помощью нескольких термопар с разной толщиной электрода можно измерить градиент температур и тепловой поток у поверхности. [1-4, 8].

Несмотря на то, что эти термопары получили широкое распространение в исследованиях тепловых процессов при механической обработке заготовок, сравнить результаты измерения температур в исследованиях разных авторов часто не представляется возможным, что объясняется различной техникой эксперимента. Анализом научной и патентной информации выявлены лишь отрывочные сведения о методике изготовления термопар [5-7 и др.]. В связи с этим возникла необходимость разработки методики изготовления полуискусственной термопары с заранее детерминированными свойствами.

Материалы термопар

Для изготовления полуискусственных термопар нашли применение несколько специальных медных и никелевых сплавов (табл. 1).

Как следует из табл. 1, самой эффективной термопарой по отношению к стали является копель: при разности температур на холодном и горячем спаях 100 °С отклик термопары составляет 5,5 мВ. Применение электрода из хромеля в тех же условиях даст отклик термопары всего 1,45 мВ.

Таблица 1

Материалы термопар

Наименование Основа, % Легирующие добавки,% ТермоЭДС", мк В/град

Копель Си (54) Ш (43...44), Ре (2...3) -36,5

Константан Си (59) М (39...41), Мп( 1...2) -31,5

Алюмель М (93... 96) А/. (1,8...2,5) Мп (1,8...2,2) 5/ (0,8... 1,2) -12

Хромель Ш (89. ..91) Сг (8,7...10) £/, Си, Мп, Со +33

Сталь Ее С, Сг, Ш и др. + 18,7... + 18,9

Таблица 2

Рекомендации по выбору размеров термоэлектрода

Вид измеряемой температуры Толщина термоэлектрода, мм Ширина термоэлектрода, мм Толщина слюды, мм Количество параллельных опытов

Мгновенная 0,02...0,08 0,05...0,1 0,006...0,008 10...15

Контактная 0,15...0,25 0,2...0,5 0,02...0,03 5... 8

Средняя 0,3...0,5 0,5...1,0 0,04...0,05 3...5

* ГЛ

относительно платины при 100 °С.

Несмотря на высокую температуру плавления сплава копель (1290 °С) рабочий диапазон температур термопар обычно ограничивают 900 °С. А в диапазоне температур 0...600 °С зависимость термоЭДС от температуры практически линейная.

Размеры термоэлектрода

В зависимости от вида измеряемой температуры (мгновенная, контактная или средняя) по результатам проведённых нами исследований разработаны рекомендации по выбору геометрических параметров элементов термопары (табл. 2).

При измерении мгновенной температуры нужно выбирать наименьшие размеры термоэлектрода - ширину Ъ и толщину а\ слюды следует использовать толщиной в пределах 0,006...0,008 мм (рис. 1). Такая термопара будет работать с наименьшей стабильностью, но будет фиксировать наибольшую величину термоЭДС. Поэтому из-за отрывочных сведений, получаемых при измерении, количество параллельных опытов в эксперименте должно быть не менее

10...15 [9].

При измерении контактных и средних температур следует использовать термоэлектроды со сравнительно большими толщиной и шириной (для контактных температур а = 0,2, Ъ = 0,35 мм; для средних - а = 0,4, Ъ = 0,75 мм), толщина слюды-изолятора сИ должна быть не менее 0,02 мм. При толщине слюды меньше 0,02 мм и указанных значениях толщины и ширины термоэлектрода сборка термопары резко усложняется в связи с возрастающей вероятностью пробоя диэлектрика. Это происходит из-за того, что отношение толщины термоэлектрода к толщине слюды аМ становится слишком малым (менее 8... 10). При соблюдении вышеприведённых параметров измерений контактных и средних температур поле рассеивания результатов уменьшится. Благодаря этому число параллельных опытов при проведении эксперимента можно снизить до 3...8.

А

Рис. 1. Схема закладки термоэлектродов в заготовку при плоском шлифовании: 1,3- разрезная заготовка; 2 - тиски специальные; 4 - болт МбхЗО; 5 - слюда; б - термоэлектрод; А - паз для базирования заготовки 1 «в угол»; Б - паз для вывода удлинительных и экранирующих проводов термоэлектродов; а -толщина электрода (по направлению движения теплового источника);

Ь - ширина электрода; с1-толщина изолятора

Технология изготовления термопары

При измерении температур поверхностного слоя обрабатываемой заготовки методом полуискусственной закладной термопары в качестве одного из термоэлектродов используется

Сечение термоэлектрода

а

1

проволока из сплава копель (хромель, констан-тан). Проволока изолируется тонкими прокладками слюды и зажимается между двумя половинками заготовки из исследуемого электропроводного сплава. При этом заготовка является вторым термоэлектродом термопары. *

Перед изготовлением термопары сопрягаемые поверхности разрезной заготовки необходимо шлифовать до Яа < 0,16 мкм, в противном случае увеличивается вероятность пробоя изолятора во время зажима заготовки.

Сборку термопары производят при наличии канавки (если толщина термоэлектрода велика по сравнению с толщиной изолятора-слюды) на одной из половинок заготовки, или без неё (при толщине термоэлектрода а < 0,05...0,08 мм). При отношении толщины термоэлектрода к толщине слюды аМ > 5 изготовление канавки обязательно.

Канавку молено получить любым доступным способом. Для нормальной сборки термопары достаточно наличие канавки только на одной из половинок исследуемой заготовки. Ширина канавки должна быть больше ширины электрода на 20...30%, глубина канавки - равна или меньше толщины электрода на 5...10%. Острые кромки канавки следует притупить.

После подготовки исследуемого образца необходимо получить термоэлектрод нужного размера. При использовании проволоки, диаметр которой соответствует требуемой толщине термоэлектрода (см. табл. 2), никакой подготовки не требуется. Если диаметр проволоки больше необходимого, нужная толщина термоэлектрода достигается развальцовкой. Развальцовку можно производить на любой вальцовочной машине для тонкой прокатки. Кроме того, развальцовку можно осуществить между двумя шлифованными (Ка < 0,16 мкм) и закалёнными (НКС>55) пластинами из инструментальной стали ударом молотка (проволока о 0,2 мм после первого удара средней силы 500-граммовым молотком развальцовывается до толщины 60...65 мкм, и последующие удары к уменьшению толщины не приводят). Получить требуемую толщину термоэлектрода можно сошлифовыванием его тонкой наждачной бумагой (например, М 63) до нужного размера. Этот способ также удобно применять в том случае, когда диаметр проволоки соответствует необходимой ширине термоэлектрода.

После этого подбирают слюду необходимой толщины. При наличии слюды большей толщины её необходимо расслоить до нужного размера.

После сборки термопары проверяют целостность изоляции: сопротивление между электро-

дом и заготовкой должно быть не менее 100 кОм. В противном случае термопара работать не будет. Спай образуется только в процессе механической обработки.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент 2187422, РФ. М1Ж7 В 24 В 49/14. Способ определения температуры в зоне шлифования / А. Ш. Хусаинов. 2001105557; заявл. 27.02.2001; опубл. 20.08.2002. Бюл. № 23.

2. Патент 2192958, РФ. МПК7 В 24 В 49/14. Способ определения температуры в зоне шлифования / А. Ш. Хусаинов. 2001105555; заявл. 27.02.2001; опубл. 20.11.2002. Бюл. №> 32.

3. Патент 2198085, РФ. МПК7 В 24 В 49/14. Способ измерения температуры в поверхностном слое заготовки при механической обработке / Л. В. Худобин, А. Ш. Хусаинов, С. 3. Ширгин. 2001105561; заявл. 27.02.2001; опубл. 10.02.2003. Бюл. № 4.

4. Патент 2198779, РФ. МГЖ7 В 24 В 49/14. Способ определения локальных значений плотности теплового потока в зоне шлифования / А. Ш. Хусаинов. 2001105556; заявл. 27.02.2001; опубл. 20.02.2003. Бюл. № 5.

5. Редько, С. Г. Процессы теплообразования при шлифовании металлов / С. Г. Редько. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1962. -231 с.

6. Татаренко, В. В. Микротермопары для исследования температурных полей в зоне шлифования / В. В. Татаренко, Г. Д. Сало, Б. Я. Борисов // Вестник машиностроения. - 1969.- №1.-С. 50-51.

7. Ящерицын, П. И. Тепловые явления при шлифовании и свойства обработанных поверхностей / II. И. Ящерицын, А. К. Цокур, М. J1. Ерёменко. - Минск : Наука и техника, 1973. -184 с.

8. Худобин, Л. В. Новая техника проведения теплофизического эксперимента при шлифовании заготовок / Л. В. Худобин, А. Ш. Хусаинов // Вестник УлГТУ. - 2000. - №4. - С. 54-58.

9. Хусаинов, А. Ш. Влияние размера термоэлектрода на стабильность работы и величину термоЭДС перерезаемой полуискусственной термопары при шлифовании заготовок / А. III. Хусаинов, С. 3. Ширгин // Вестник УлГТУ. -2002.-№ 1.-С. 100-104.

Хусаинов Альберт Шсшилевич, доктор технических наук, профессор кафедры «Автомобили» УлГТУ.