СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВОЛЬТ-АМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОНТАКТА ИНСТРУМЕНТ-ИЗДЕЛИЕ Российский патент 2003 года по МПК B23B25/06 

Описание патента на изобретение RU2211748C2

Изобретение относится к обработке металлов и токопроводящих материалов резанием и может найти применение при исследовании и проектировании технологических процессов и режущего инструмента.

Известен способ определения вольт-амперной характеристики (ВАХ) контакта инструмент - изделие, при котором инструмент и изделие изолируют от массы станка, подсоединяют их в замкнутую электрическую цепь, состоящую из регистрирующего прибора, магазина сопротивлений нагрузки и токосъемного устройства, и в процессе резания, изменяя в широком диапазоне величину сопротивлений нагрузки, измеряют соответствующие им токи и напряжения (см. Афанасьев Ф.З., Бобровский В.А. Внешние характеристики термоэлемента резец - деталь // Сб.: Электрические явления при трении, резании и смазке твердых тел. - М.: Наука, 1973, с.54-60).

Недостатком известного способа является его низкая точность. Для определения ВАХ авторы известного способа используют порой ничем не обоснованные и принципиально искажающие физику процесса допущения. К их числу относится, например, допущение о том, что сопротивление контакта инструмент - изделие не зависит от протекающего по нему тока (см. 4-й абзац снизу, с.55).

Известен также способ определения ВАХ контакта инструмент - изделие, при котором инструмент или изделие изолируют от массы станка, подсоединяют их в электрическую цепь, состоящую из токосъемного устройства, регистрирующего прибора, магазина сопротивлений нагрузки и ключа, при разомкнутом состоянии которого измеряют ЭДС установившегося процесса резания, а при замкнутом состоянии ключа измеряют токи и напряжения на контакте инструмент - изделие для фиксированных значений сопротивлений нагрузки (см. Васильев С.В. Измерение ЭДС резания. // Станки и инструмент, 1983, 6, с.23).

Недостатком известного способа являются его ограниченные точность и информативность, связанные с невозможностью произвести корректные измерения напряжений и токов во всем диапазоне нагрузок, реально воздействующих со стороны станка на контакт инструмент - изделие. Так, автором известного способа сообщается, что при точении стали 45 резцом из твердого сплава марки Т15К6 со скоростью резания 100 м/мин, подачей 0,05•10-3 м и глубиной резания 0,2•10-3 м контакт инструмент - изделие генерирует ЭДС резания величиной 8,5 мВ (см. кривую 1 на фиг.3). Очевидно, что ЭДС резания - это максимальное напряжение, возникающее на контакте инструмент - изделие. График же на фиг.2 (кривая 1) иллюстрирует, что максимальное напряжение контакта для названных условий резания составляет всего 3 мВ, причем область корректно и достоверно измеренных значений составляет всего 1 мВ и находится в пределах 2-3 мВ. Таким образом, вопрос о токах, проходящих через контакт инструмент - изделие, остается открытым.

Техническая задача, на решение которой направлено предложенное изобретение, - получение полной и достоверной информации о величинах токов, возникающих при резании.

Указанная техническая задача решается тем, что в способе определения вольт-амперной характеристики контакта инструмент - изделие, при котором инструмент или изделие изолируют от массы станка, подсоединяют их в электрическую цепь, состоящую из токосъемного устройства, регистрирующего прибора, магазина сопротивлений нагрузки и ключа, при разомкнутом состоянии которого измеряют ЭДС установившегося процесса резания, а при замкнутом состоянии ключа для фиксированных значений сопротивлений нагрузки измеряют токи и напряжения, действующие на контакте инструмент - изделие, по двум измерениям тока и напряжения, а также ЭДС резания определяют эквивалентные максимальному сопротивлению контакта ток и напряжение, по которым находят токи и напряжения вольт-амперной характеристики, соответствующие сопротивлениям контакта во всем диапазоне действующих нагрузок.

На фиг.1 представлена схема реализации способа определения ВАХ контакта инструмент - изделие; на фиг. 2 - фрагмент осциллограмм ЭДС резания Ei и падений напряжения Ui на сопротивлениях Ri нагрузки, полученных при точении стали 55 резцом, оснащенным сменной многогранной режущей пластиной с плоской формой передней поверхности из твердого сплава марки МА1 производства Sandvik - МКТС, со скоростью резания V=0,932 м/с; подачей S=0,22•10-3 м и глубиной резания t= 1•10-3 м; на фиг.3 - кривые 1 и 2 - ВАХ контакта инструмент - изделие при названных для фиг.2 условиях обработки, полученные соответственно по известному и предлагаемому способу.

Пример реализации способа. Для определения ВАХ контакта инструмент - изделие изолированный от массы станка резец 1 и изделие 2 подсоединяют к электрической цепи 3, состоящей из измерительного прибора 4 - двухкоординатного самопишущего милливольтметра модели "endim 620.02" с входным сопротивлением 1 МОм, магазина сопротивлений нагрузки 5 модели МСР-60М, ключа 6, токосъемного устройства 7 штыревого типа с контактом медь по меди и соединительных проводов 8, выполненных из медных шин. При разомкнутом ключе 6 внешнюю нагрузку R для источника электрической энергии - контакта инструмент - изделие, сопротивлением rкi, составляют измерительный прибор 4 с входным сопротивлением Rпр, проводники 8 сопротивлением Rn и токосъемник 7 сопротивлением Rm. При замкнутом ключе 6 внешнюю нагрузку R для источника электрической энергии составляют проводники 8 сопротивлением Rn, токосъемник 7 сопротивлением Rm и Ri - переменное нагрузочное сопротивление 5. При разомкнутом ключе 6 сумма R сопротивлений 4, 7 и 8 мало отличается от Rпр и не влияет на точность измерений ЭДС резания. Для повышения точности измерения тока и величин падения напряжения на сопротивлениях rкi контакта инструмент - изделие сопротивления Rn и Rm минимизировались и их сумма Rц=Rn+Rm не превышала 0,002 Ом.

Эффективность предлагаемого способа определения ВАХ проиллюстрируем его сравнением с известным способом. По известному способу при установившемся процессе резания производим измерения ЭДС и падения напряжения на переменных нагрузочных сопротивлениях Ri в широком диапазоне значений, а именно от 0,008 до 1 Ом. Падения напряжения U1, U2, Ui-1, Ui, Ui+1, Un-2, Un-1 и Un, показанные на фрагменте осциллограммы (см. фиг.2), измерены на Ri соответственно величиной 0,008, 0,01, 0,015, 0,3, 0,15, 0,25, 0,8 и 1,0 Ом. Из осциллограмм видно, что по мере эксперимента регистрируемая величина ЭДС резания Ei меняется незначительно и составляет порядка 10,6 мВ.

На фиг. 3 показана кривая 1, полученная по известному способу, т.е. по результатам прямых измерений ЭДС резания Еi и падений напряжения Ui на Ri и последующих расчетов тока Ii=Ui/Ri и падения напряжения Uki=Ei-Ui на контакте инструмент - изделие. Кривая 1 имеет немонотонный вид и ее анализ показывает, что для источника электрической энергии, коим является контакт инструмент - изделие, генерирующего напряжение величиной Ei=10,6 мВ, область корректных измерений ограничена участком АВ, которому соответствуют сопротивления нагрузки Ri=0,01...0,2 Ом, напряжения контакта Uki=0,773...6,186 мВ и токи силой 36,9...363 мА. Некорректность измерений правее т.В обусловлена тем, что сопротивление нагрузки Ri становится сопоставимым с сопротивлением измерительной цепи R, а левее т.А тем, что Ri становится много больше ki, что соответствует размыканию внешней цепи, т.е. отсутствию тока в измерительной цепи. Таким образом, кривая 1 не дает ответа на вопрос о величине токов короткого замыкания Iкз=Е/rk и сопротивлении rk контакта инструмент - изделие, которые возникают в нем, когда сопротивление станка R, которое в эксперименте имитируется сопротивлением измерительной цепи, стремится к нулю.

С другой стороны, анализ участка АВ корректных измерений на кривой 1 позволил установить, что элементы контактирующей пары - изделие и инструмент, - являясь по отдельности проводниками электрического тока, при резании образуют скользящий контакт, в котором возникает полупроводниковый эффект и, что участок АВ кривой 1 с минимальной погрешностью (менее 5%) может быть аппроксимирован выражением вида:

где I0 и U0 - ток и напряжение, постоянные для исследуемых условий обработки, эквивалентные максимальному сопротивлению rk0= U0/I0 контакта инструмент - изделие, которое имеет источник электрической энергии в разомкнутом состоянии внешней цепи электрического тока.

Физический смысл параметров I0 и U0 виден из предельного значения производной dI/dU при U (или I) --> 0. Дифференцирование уравнения (1) по напряжению U относительно тока I позволяет получить зависимость

Принимая во внимание, что приращение тока к напряжению является величиной обратной дифференциальному сопротивлению drk0, т.е. , можно записать предел

Учитывая, что параметр rk0 инвариантен к изменению сопротивления нагрузки, тока и напряжения контакта и что при U --> 0 значение экспоненты равно единице, находим которое соответствует разомкнутому состоянию внешней цепи и, как это явствует из ВАХ (см. фиг.3), является максимальным значением сопротивления контакта инструмент - изделие с эквивалентными ему током I0 и напряжением U0.

Выражение (1) содержит два неизвестных I0 и U0. Следовательно, для их нахождения требуется решить систему, состоящую из двух уравнений. Например, для токов I1, I2 и напряжений Uk1, Uk2 контакта выражение (1) представляется системой уравнений

Решение в явном виде системы (2) несложно получить при условии т.е. без учета единицы:

Поделив одно уравнение системы (3) на другое и прологарифмировав полученное выражение, находим значение U0

Подставляя выражение (4) в одно из уравнений системы (3), например во второе, получаем зависимость для эквивалентного тока

Таким образом, для нахождения неизвестных I0 и U0 достаточно произвести измерения падения напряжения всего на двух сопротивлениях нагрузки.

Экспериментально выявлено, что независимо от материалов контактирующей пары инструмент - изделие и других условий резания минимальная погрешность аппроксимации выражением (1) участка АВ корректных измерений на кривой 1 достигается при отношении контактных напряжений Uk1/Uk2=4÷5, что обеспечивается использованием нагрузочных сопротивлений, величиной 0,01 Ом и 0,2 Ом. На осциллограмме (см. фиг. 2) I1 и Uk1 измерены на сопротивлении нагрузки 0,015 Ом, а I2 и Uk2 - на сопротивлении нагрузки 0,15 Ом. Отношение Uk1/Uk2= 4,42.

Из осциллограмм на фиг.2 видно, что в диапазоне сопротивлений нагрузки 0,01. . .0,2 Ом, соответствующих участку АВ корректных измерений на кривой 1 (см. фиг.3), по мере увеличения Ri падение напряжения Ui на нем возрастает, а падение напряжения на сопротивлении rki контакта инструмент - изделие снижается. Очевидно, что максимальное падение напряжения Ukmax на сопротивлении контакта, равное ЭДС резания Е, имеет место при сопротивлении внешней цепи (сопротивлении станка) R, равном нулю. Подставляя в выражение (1) значения падения напряжения Uki от нуля до Ukmax=E, производим вычисления соответствующих им токов Ii и получаем ВАХ для всего диапазона падения напряжения на контакте инструмент - изделие - кривая 2 на фиг.3. Кривая 2 дает полное представление о контакте инструмент - изделие. Например, она позволяет установить, что в замкнутом состоянии внешней цепи станка {R=0) через контакт инструмент - изделие, имеющий проводимость 67,7097 Oм-1, протекает ток силой 716 мА, в то время как по известному способу корректно измеренное значение тока не превышает 330 мА, а проводимость (сопротивление) источника остается неизвестным. В разомкнутом состоянии внешней цепи станка (R=∞), которое достигается, например, изоляцией инструмента от его массы, источник имеет проводимость Y0=1/rk0=47,2321 Oм-1, а во внутреннем контуре: передняя поверхность инструмента - зона резания - задняя поверхность инструмента - передняя поверхность инструмента течет ток силой 733,214 мА.

Таким образом, в отличие от известных решений, определение эквивалентных максимальному сопротивлению контакта, тока и напряжения позволяет построить ВАХ во всем диапазоне действующих нагрузок, что способствует получению полной и достоверной информации о величине токов, возникающих при резании, и расширяет существующие представления о физических процессах, происходящих на контакте инструмент - изделие.

Похожие патенты RU2211748C2

название год авторы номер документа
СПОСОБ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ДРЕВЕСИНЫ 2002
  • Ныркова Л.А.
  • Ныркова О.А.
  • Калинин В.Ф.
  • Глинкин Е.И.
RU2240545C2
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМ ТЕРМОРЕЗИСТОРОМ 2003
  • Пустовит А.П.
  • Ныркова О.А.
  • Бояринов А.Е.
  • Глинкин Е.И.
RU2249798C2
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ПО ВОЛЬТ-АМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКЕ МАТЕРИАЛОВ 2008
  • Голощапов Андрей Александрович
  • Матвеева Татьяна Викторовна
  • Глинкин Михаил Евгеньевич
  • Глинкин Евгений Иванович
RU2374633C1
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭДС РЕЗАНИЯ 1998
  • Александров В.И.
  • Бородаев А.Г.
  • Глинкин Е.И.
RU2149745C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ 2003
  • Ныркова Л.А.
  • Ныркова О.А.
  • Глинкин Е.И.
  • Голощапов А.А.
RU2240546C1
РЕЗЕЦ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ИЗНОСА РЕЖУЩЕЙ КРОМКИ В ПРОЦЕССЕ РЕЗАНИЯ 1998
  • Александров В.И.
  • Бородаев А.Г.
  • Чернышев Ю.А.
  • Александрова Т.И.
RU2147489C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ИЗНОСА РЕЖУЩИХ КРОМОК ИНСТРУМЕНТА В ПРОЦЕССЕ РЕЗАНИЯ 2001
  • Александров В.И.
  • Глинкин Е.И.
  • Егоров А.В.
  • Руденко Д.А.
RU2205093C2
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭДС РЕЗАНИЯ 1999
  • Александров В.И.
  • Бородаев А.Г.
  • Гализдров А.И.
RU2165337C2
ДЖОЗЕФСОНОВСКИЙ КРИОТРОН И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ 2007
  • Игумнов Владимир Николаевич
  • Большаков Александр Павлович
  • Филимонов Виталий Евгеньевич
RU2364009C1
СПОСОБ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ КАПИЛЛЯРНО-ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ 2000
  • Летягин И.Г.
  • Глинкин Е.И.
  • Калинин В.Ф.
  • Ныркова Л.А.
  • Ныркова О.А.
RU2187098C2

Иллюстрации к изобретению RU 2 211 748 C2

Реферат патента 2003 года СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВОЛЬТ-АМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОНТАКТА ИНСТРУМЕНТ-ИЗДЕЛИЕ

Изобретение относится к обработке металлов и токопроводящих материалов резанием и может найти применение при исследовании и проектировании технологических процессов и режущего инструмента. Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, - получение полной и достоверной информации о величинах токов, возникающих при резании. В способе определения вольт-амперной характеристики контакта инструмент - изделие инструмент или изделие изолируют от массы станка, подсоединяют их в электрическую цепь, состоящую из токосъемного устройства, регистрирующего прибора, магазина сопротивлений нагрузки и ключа, при разомкнутом состоянии которого измеряют ЭДС установившегося процесса резания, а при замкнутом состоянии ключа для фиксированных значений сопротивлений нагрузки измеряют токи и напряжения, действующие на контакте инструмент - изделие, по двум измерениям тока и напряжения, а также ЭДС резания определяют эквивалентные максимальному сопротивлению контакта ток и напряжение, по которым находят токи и напряжения вольт-амперной характеристики, соответствующие сопротивлениям контакта во всем диапазоне действующих нагрузок. 3 ил.

Формула изобретения RU 2 211 748 C2

Способ определения вольт-амперной характеристики контакта инструмент - изделие, при котором инструмент или изделие изолируют от массы станка, подсоединяют их в электрическую цепь, состоящую из токосъемного устройства, регистрирующего прибора, магазина сопротивлений нагрузки и ключа, при разомкнутом состоянии которого измеряют ЭДС установившегося процесса резания, а при замкнутом состоянии ключа для фиксированных значений сопротивлений нагрузки измеряют токи и напряжения, действующие на контакте инструмент - изделие, отличающийся тем, что по двум измерениям тока и напряжения, а также ЭДС резания, определяют эквивалентные максимальному сопротивлению контакта ток и напряжение, по которым находят токи и напряжения вольт-амперной характеристики, соответствующие сопротивлениям контакта во всем диапазоне действующих нагрузок.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2003 года RU2211748C2

ВАСИЛЬЕВ С.В
Измерение ЭДС резания./Станки и инструмент, 1983, № 6, с.23
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭДС РЕЗАНИЯ 1999
  • Александров В.И.
  • Бородаев А.Г.
  • Гализдров А.И.
RU2165337C2
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ ТЕРМОЭДС ЕСТЕСТВЕННОЙ ТЕРМОПАРЫ ИНСТРУМЕНТ - ДЕТАЛЬ 1997
  • Плотников А.Л.
RU2117557C1
Устройство для сбора информации от дискретных датчиков 1984
  • Быков Валерий Матвеевич
SU1259272A1
US 5176053 A, 05.01.1993.

RU 2 211 748 C2

Авторы

Александров В.И.

Глинкин Е.И.

Егоров А.В.

Руденко Д.А.

Даты

2003-09-10Публикация

2001-10-01Подача