14.5. Измерение температуры механизмов и тепловыделения при резании металлов

Если нагрев механизма невысок, используют термометры, помещенные в масло. Если надо использовать торец какого-либо узла или элемента детали, то используют термопары, которые горячим спаем прикрепляют к исследуемой поверхности. По величине термоЭДС и результатам тарировки судят о температуре. ТермоЭДС измеряют чувствительными милливольтметрами после предварительного усиления сигнала или без усиления.

При экспериментальном исследовании тепловых явлений при резании металлов часто пользуются методом естественной термопоры. Следует иметь в виду, что термоЭДС естественной термопоры сильно искажается в связи с наличием паразитных термопор, возникающих в других местах стыка исследуемой пары с другими деталями механизма. Необходима надежная изоляция. При изменении температур методом естественной термопары измеряется некоторая средняя температура, которая не дает представления об истинных температурах в различных точках.

Схемы осуществления различных методов измерения температуры резцов и других инструментов приведены ниже.

На рис.14.4 представлена схема измерения температуры резания методом двух резцов. На схеме обозначены: 1 – обрабатываемая заготовка; 2 – патрон станка; 3, 4 – резцы из разнородных инструментальных материалов; 5 – регистрирующий прибор (гальванометр); 6, 7, 8, 9 – изолирующие прокладки.

Измерение температуры резания методом искусственной термопары проводится в соответствии со схемой, представленной на рис.14.5. На схеме обозначено: 1 – срезаемый слой; 2 – режущий инструмент (резец); 3 – искусственная термопара; 4 – регистрирующий прибор (гальванометр).

Схема измерения температуры методом естественной термопары представлена на рис.14.6, на котором приняты обозначения: 1 – обрабатываемая заготовка; 2 – резец; 3 – измерительный прибор.

Тарировка естественной термопары производится в соответствии со схемами, представленными на рисунках 14.7 и 14.8.

На рисунке 14.7 приняты обозначения: 1 – нагревательная печь; 2 – крышка нагревательной печи; 3 –нагревающая среда (кипящая вода, расплав соли, расплав металла и т.д.); 4 – стержень из обрабатываемого материала; 5 – стержень из инструментального материала; 6 – образцовая термопара; 7 – образцовый измерительный прибор (гальванометр); 8 – измерительный прибор.

На рисунке 14.8 цифрами обозначены: 1 и 2 – элементы искусственной термопары, используемой для измерения температуры нагревания пластины 7; 3 - образцовый измерительный прибор (гальванометр); 4 – стержень из обрабатываемого материала; 5 – стержень из инструментального материала; 6 – измерительный прибор; 8 – источник напряжения (трансформатор); 9 – регулятор нагревающего тока.

Исследованиями установлено, что для различных точек площадки контакта на передней поверхности инструмента изменение температуры_x может быть представлено так, как на рис.14.9. Максимальная температура соответствует точке, лежащей приблизительно наполовине ширины площадки контакта. К лезвию и к концу площадки температура убывает.

На площадке контакта задней поверхности инструмента с поверхностью резания температура распределяется неравномерно. Поэтому под температурой резания  понимают среднюю температуру на поверхности контакта инструмента со стружкой и поверхностью резания. Если через _п.ср и _з.ср, обозначить средние температуры на площадках контакта передней и задней поверхностей, то температура резания

Температуру резания иногда называют средней температурой контакта. Для острого инструмента ширина С₂площадки контакта задней поверхности с поверхностью резания исчезающе мала, а поэтому температуру резания можно считать равной средней температуре на площадке контакта стружки с передней поверхностью, т. е.=_п.ср. Передняя поверхность инструмента нагревается за счет тепла деформации и трения. Поэтому температура резания равна сумме двух температур: температуры деформации_ди средней температуры трения на передней поверхности_п.ср, т.е. =_д +_п.ср.

Температура резания зависит от мощности тепловых источников в зоне деформации и на передней поверхности инструмента и интенсивности стоков тепла в деталь и инструмент. При резании определенного материала температура резания растет с увеличением скорости резания и размеров срезаемого слоя. Однако их влияние на температуру резания неодинаково. На основании результатов измерений получена формула, связывающая температуру резания с толщиной, шириной срезаемого слоя и скоростью резания при работе различными инструментами:

 = С_^maⁿb^q.

КоэффициентС_ в формуле зависит от рода и механических свойств обрабатываемого материала, геометрических параметров инструмента и применяемой смазочно-охлаждающей жидкости. При любых видах обработки величины показателей m, n и q неодинаковы: m>n>q, т. е. на температуру резания наибольшее влияние оказывает скорость резания, затем толщина срезаемого слоя и наименьшее - ширина срезаемого слоя. Измерение температуры резания при увеличивающемся отношении также свидетельствует об ее уменьшении:

В чем причина неодинакового влияния величин b и a на температуру резания?

На рис.14.10 изображены два одинаковых резца, срезающих слои материала с одинаковой площадью поперечного сечения F = 2ab. Резец I срезает слой шириной 2b и толщиной а, а резец II срезает слой шириной b и толщиной 2а. Таким образом, на передней поверхности резцов на площади контакта 2bc действуют тепловые источники, мощность которых можно считать приблизительно одинаковой. Температура распространяется по контактной поверхности стружки со скоростью, равной скорости стружки. Из расчетов Д. К. Иегера следует, что при увеличении отношения длины движущегося полосового источника тепла к его ширине средняя температура трения в пределах площади контакта непрерывно уменьшается. К этому следует добавить, что и условия отвода тепла через тело инструмента для резца I более благоприятны, так как источник тепла относительно более удален от вершины резца, что также способствует снижению температуры резания. Таким образом, резец I должен работать с меньшей температурой резания, нежели резец II.

Неодинаковое влияние ширины и толщины срезаемого слоя на температуру резания позволяет сделать следующий важный вывод: для уменьшения температуры резания при заданной площади сечения срезаемого слоя необходимо работать с возможно большим отношением , т.е. с широкими и тонкими стружками.

Интенсивность влияния скорости резания на температуру при различных скоростях неодинакова. На рис.14.11 показано, что чем выше скорость резания, темее увеличение оказывает меньшее влияние на возрастание температуры резания. Поэтому и величина показателя степени при скорости резания уменьшается с ее увеличением. Например, при <100 м/мин m=0,50,4 а при >100 м/мин m=0,40,25.

Уровень температуры резания зависит от рода и механических свойств обрабатываемого материала. Чем больше работа, затрачиваемая на резание, тем при прочих равных условиях выше и температура резания. Поскольку средняя температура стружки при резании чугуна ниже, чем при резании стали, температура резания при обработке чугуна также ниже на 40-50%. С увеличением твердости и прочности обрабатываемого материала температура резания возрастает.