Способ тарирования естественной термопары резец-деталь Российский патент 2020 года по МПК B23Q17/09 B23B25/06 

Изобретение относится к области механической обработки материалов, а именно к способам исследования температурного состояния процесса резания и может быть использовано для определения зависимости между термоэлектродвижущей силой (ТЭДС) и температурой, возникающей при точении.

Известен способ тарирования естественной термопары для измерения температуры в зоне резания (А.с. СССР №1404185, В23В 25/06, опубл. 1988, бюл. №23, Аналог), который осуществляется в процессе обработки образца, состоящего из дисков. На торцовые поверхности дисков наносят термоиндикаторные краски, собирают диски в блок, производят процесс точения, определяют значение термо-ЭДС и температуры в процессе резания заготовки инструментом, а по полученным данным строят тарировочный график.

В представленном способе измерение температуры производится не в режущей части инструмента, а в обрабатываемом материале по одной конкретной известной температуре перехода (изменению цвета) для термоиндикаторной краски, для чего требуется тщательный подбор ее марки, при этом фиксируется только максимальная температура процесса. Фиксация же изменения температурного состояния режущей части инструмента в процессе резания данным способом невозможна.

Известен способ тарирования естественной термопары деталь-резец (А.с. СССР №350590, В23В 25/06, опубл. 1972, бюл. №27, Аналог), заключающийся в том, что на станок устанавливают два одинаковых образца, которые обрабатывают двумя идентичными резцами, один из которых представляет собой естественную термопару деталь-резец, а другой выполняют разъемным в плоскости, перпендикулярной оси вращения детали. На плоскость разъема наносят пленку из легкоплавкого металла, по зонам оплавления которого в процессе резания судят о температуре резания, тарируя по ней термопару деталь-резец.

Известный способ также имеет значительную трудоемкость, так как для установления функции распределения температур в режущей части инструмента необходимо многократно повторять опыт для получения каждой точки тарировочного графика, а именно периодически снимать инструмент со станка, разбирать его и фиксировать под микроскопом зону оплавления, в связи с чем получение данных изменения температурного состояния режущей части инструмента в процессе резания существенно затруднено. При этом погрешность измерения температуры в зоне резания значительная, так как для построения поля изотерм требуется в каждом опыте наносить слои легкоплавкого металла с иной температурой плавления.

Известен способ тарирования естественной термопары резец-деталь (А.с. СССР №1171218, В23В 25/06, опубл. 1985, бюл. №29, Прототип), при котором осуществляют нагрев и последующее охлаждение зоны контакта образцов материалов детали и резца, при охлаждении, с помощью контрольной термопары измеряют температуру образцов и фиксируют при этом значения термо-ЭДС, по которым строят тарировочный график. Для реализации данного способа в качестве образцов используют резец и корень стружки, полученный при предварительной обработке детали, причем в корне стружки в зоне его контакта с резцом выполняют отверстие, в котором при тарировании размещают контрольную термопару, дополнительно измеряют температуру и термо-ЭДС при нагреве образцов, а тарировочный график строят по средним значениям термо-ЭДС, полученным при нагреве и охлаждении.

Представленный способ имеет следующие недостатки:

1. При получении образца из обрабатываемого материала (корень стружки), необходимо использовать дополнительное приспособление, также в процессе резания адгезия между обрабатываемым материалом (сталь 45) и инструментальным материалом (твердый сплав) слабо проявляется ввиду значительной разнородности материалов, в связи с чем проблематично получить прочное сцепление инструмента со стружкой.

2. Для размещения спая контрольной термопары необходимо изготовить отверстие, однако из-за малой площади контакта инструмента со стружкой, процесс сверления может привести к отрыву корня стружки от инструментальной основы, также необходимо обеспечить достаточную плотность прилегания спая контрольной термопары к стенкам инструментального и обрабатываемого материала, однако в описании изобретения отсутствуют рекомендации по способу крепления спая в отверстии, недостаточная плотность прилегания которого может привести к погрешности измерения.

3. Использование в качестве среды нагрева расплавленного алюминиевого сплава, который является токопроводящим (как и тигель), может привести к возникновению дополнительных паразитных термо-ЭДС, при использовании же сред, не проводящих электричество, проблематично достичь высоких температур нагрева, что ограничивает применение данного способа.

4. Поскольку процесс тарирования осуществляется при высоких температурах, необходимо применить термостойкое изоляционное покрытие, в результате чего необходимо дополнительно производить изоляцию корня стружки и спая контрольной термопары от среды, что также вызывает трудности, связанные с изготовлением изолирующей обмазки.

Техническим результатом изобретения является повышение точности тарирования естественной термопары резец-деталь для процесса точения, при помощи конструкции, которая обеспечивает изоляцию металлической заготовки и державки с металлорежущей пластиной, без возникновения дополнительных паразитных термо-ЭДС и снижения жесткости системы СПИД.

Это достигается тем, что способ тарирования естественной термопары резец-деталь, включающий нагрев зоны контакта металлической заготовки и металлорежущей пластины, в отверстии которой размещают спай контрольной термопары, электрически изолированный от резцедержателя и связанный с прибором для регистрации температуры, при этом регистрируют с помощью соответствующего прибора возникающую термо-ЭДС между заготовкой и металлорежущей пластиной, а на основании зарегистрированных температуры и термо-ЭДС строят тарировочный график естественной термопары резец-деталь, при этом используют заготовку с выполненными на ее обоих концах цапфами и с противоположно расположенными друг относительно друга на ее боковой поверхности пазами, в которых выполнены перегородки, в одну из которых упирают металлорежущую пластину, а в другую через фторопластовую прокладку упирают распорный винт для создания заданного давления между заготовкой и металлорежущей пластиной, при этом упомянутую заготовку посредством цапф устанавливают электрически изолированно в патрон и вращающийся центр токарного станка, в качестве прибора для регистрации термо-ЭДС используют милливольтметр, который подключают с помощью провода, выполненного из материала, аналогично материалу заготовки, к токосъемнику, электрически соединенному с заготовкой, и с помощью провода, выполненного из материала, аналогично материалу, из которого выполнена металлорежущая пластина, к ее державке, выполненной из того же материала и установленной электрически изолированно от резцедержателя, а упомянутые провода размещают в емкости со льдом, причем в качестве прибора для регистрации температуры используют мультиметр, который подключают к спаю контрольной термопары, образованному с помощью проводов, выполненных соответственно из хромеля и копеля, а упомянутый нагрев зоны контакта осуществляют с помощью газовой горелки с ограждением нагреваемой зоны огнеупорными теплоизолирующими прокладками.

Отличием данного технического решения от прототипа является тот факт, что в патентуемом способе отсутствует необходимость изготовления корня стружки с применением дополнительных приспособлений, также отсутствует необходимость применять в качестве источника тепла расплавленную среду, которая в свою очередь может быть токопроводящей, что приведет к погрешности измерения из-за появления паразитных термо-ЭДС, отсутствует также необходимость корректировки тарировочного графика при охлаждении контакта резец-деталь, поскольку спай контрольной термопары находится не в металлической заготовке а в пазу металлорежущей пластины, глубина которого равна 2/3 от диаметра спая, остальная же выступающая часть контактирует с металлической заготовкой, а при достижении контакта металлической заготовки с металлорежущей пластиной, спай контрольной термопары будет находиться в плотном соприкосновении с поверхностями инструментального и обрабатываемого материалов. Поскольку в качестве источника тепла используется газовая горелка, практически отсутствуют ограничения по степени нагрева металлической заготовки (перегородка-II), а т.к. спай контрольной термопары находится под перегородкой, на противоположной стороне от прямого контакта пламени газовой горели, градиент температуры достигает одновременно контакта металлической заготовки с металлорежущей пластиной и спая контрольной термопары, в связи с чем также отсутствует необходимость дальнейшего тарирования естественной термопары при охлаждении.

Изобретение представлено на чертежах:

Фиг. 1 - конструктивная схема способа тарирования естественной термопары резец-деталь.

Фиг. 2 - изометрическая проекция металлического стакана, эбонитовой прокладки, разрезной эбонитовой втулки и разрезной металлической втулки.

Фиг. 3 - вид сбоку металлической заготовки, металлорежущей пластины и державки.

Способ тарирования естественной термопары резец-деталь содержит вращающийся центр 1, металлические стаканы 2,8, эбонитовые прокладки 3,11, разрезные эбонитовые втулки 4,10, разрезные металлические втулки 5,9, металлическую заготовку 6, прижимные винты 7, кулачки токарного патрона 12, шпиндель токарного станка 13, эбонитовую коническую втулку 14, стойку 15, направляющую втулку 16, установочные винты 17, упорную втулку 18, пружину 19, эбонитовую направляющую 20, металлический упор 21, фиксирующие винты 22, металлический стержень 23, электропровод 24, электрический провод 25, емкость со льдом 26, милливольтметр 27, огнеупорные теплоизолирующие прокладки 28, металлорежущую пластину 29, державку 30, газовую горелку 31, резцедержатель 32, электропровод (хромель) 33, электропровод (копель) 34, мультиметр 35, эбонитовые пластины 36, металлическую пластину 37, распорный винт 38, тензодатчик 39, фторопластовую прокладку 40.

Принцип работы способа заключается в следующем. Металлическая заготовка 6 во избежание возникновения паразитных термо-ЭДС, изолируется от токарного станка (на чертежах не указан) при помощи эбонитовых прокладок 3,11, и разрезных эбонитовых втулок 4,10, которые фиксируются на металлической заготовке 6 при помощи разрезных металлических втулок 5,9, и металлических стаканов 2,8, закрепленных при помощи прижимных винтов 7. Металлическая заготовка 6 устанавливается в токарном патроне и зажимается кулачками токарного патрона 12 которые контактируют с металлическим стаканом 8, затем металлическую заготовку 6 дополнительно фиксируют вращающимся центром 1, который в свою очередь контактирует с металлическим стаканом 2 содержащим центровочное отверстие. В отверстии шпинделя токарного станка 13 расположена эбонитовая коническая втулка 14 с металлическим стержнем 23, который соединен с металлической заготовкой 6 при помощи электропровода 24 изготовленного из обрабатываемого материала. Для передачи электрического сигнала от металлической заготовки 6 к милливольтметру 27, на корпусе токарного станка, при помощи фиксирующих винтов 22 установлен токосъемник, содержащий стойку 15, направляющую втулку 16 с упорной втулкой 18, которые зафиксированы при помощи установочных винтов 17. Для постоянного электрического контакта между токосъемником и металлическим стержнем 23, в направляющей втулке 16 установлена пружина 19, соединенная с эбонитовой направляющей 20 и металлическим упором 21 расположенным на торце, к которому припаян электропровод 24. Металлический упор 21 также как и металлический стержень 23 изготовлен из обрабатываемого материала. В свою очередь металлорежущую пластину 29 вместе с державкой 30 изолируют от резцедержателя 32 при помощи эбонитовых пластин 36, а во избежание повреждения эбонитовых пластин 36 при закреплении державки 30 предусмотрена дополнительная металлическая пластина 37. Для исключения влияния паразитных термо-ЭДС, державка 30 изготовлена из того же материала что и металлорежущая пластина 29, вместе с тем к державке 30 припаян электрический провод 25, также изготовленный из инструментального материала. Электрический провод 25, и электропровод 24, соединены с милливольтметром 27. В металлической заготовке 6 имеются пазы с перегородками, которые расположены противоположно друг другу.

Всего перегородки две, одна из которой служит в качестве упора (перегородка-I) для создания крутящего момента и соответственно давления в контактной зоне металлической заготовки 6 (перегородка-II) и металлорежущей пластины 29. Крутящий момент создается при помощи распорного винта 38. С целью предотвращения электрического контакта между распорным винтом 38 и металлической заготовкой 6, предусмотрена фторопластовая прокладка 40. Для контроля давления между металлической заготовкой 6 и металлорежущей пластиной 29 предусмотрен тензодатчик 39, который расположен между основанием резцедержателя 32 и державкой 30.

В процессе резания металлорежущая пластина 29 контактирует с металлической заготовкой 6 по определенной площади, поэтому для максимального приближения к условиям резания, в металлорежущей пластине 29 изготовлен выступ (островок) с отверстием по центру для размещения спая контрольной термопары (электропровод (хромель) 33 и электропровод (копель) 34). При обеспечении электрического контакта между металлической заготовкой 6 и металлорежущей пластиной 29 с расположенным в ней спаем контрольной термопары, производится нагрев металлической заготовки 6 (перегородка-II) при помощи газовой горелки 31. Во избежание рассеивания пламя и дополнительного нагрева других элементов установки, что может привести к погрешности измерения, в месте нагрева расположены огнеупорные теплоизолирующие прокладки 28. Контакт металлической заготовки 6 и металлорежущей пластины 29 является горячим спаем, температура которого регулируется при помощи газовой горелки 31, температура же холодного спая поддерживается постоянной при помощи емкости со льдом 26, в которую погружены электропровод 24, изготовленный из обрабатываемого материала и электрический провод 25, изготовленный из инструментального материала. При нагреве контакта металлической заготовки 6 и металлорежущей пластины 29, на свободных концах естественной термопары возникает термо-ЭДС, регистрация которой осуществляется при помощи милливольтметра 27, а регистрация температуры производится при помощи мультиметра 35. Далее строится тарировочный график.

Способ работает следующим образом: на обоих концах металлической заготовки имеются цапфы, диаметр которых равен диаметру внутреннего отверстия разрезных эбонитовых втулок. На цапфы устанавливаются разрезные эбонитовые втулки, разрезные металлические втулки, металлические стаканы с прижимными винтами и эбонитовыми прокладками. Металлическая заготовка с металлическими стаканами, на одном конце фиксируется при помощи кулачков токарного патрона, на другом поджимается вращающимся центром. Металлическая заготовка соединяется с металлическим стержнем, расположенным в эбонитовой конической втулке при помощи электропровода, изготовленного из обрабатываемого материала. Передача термо-ЭДС от металлического стержня к милливольтметру, производится при помощи токосъемника, состоящего из стойки, в которой расположена направляющая втулка и упорная втулка, закрепленные установочными винтами, также в направляющей втулке установлена пружина и эбонитовая направляющая с металлическим упором, на торце. Стойка в свою очередь закреплена на корпусе токарного станка при помощи фиксирующих винтов.

Также, при помощи диэлектрических прокладок изолируется державка от резцедержателя, электрический контакт с милливольтметром которой обеспечивается при помощи электрического провода, изготовленного из того же материала что и режущий инструмент.

В металлической заготовке имеются пазы с перегородками, которые расположены противоположно друг другу.

Всего перегородки две, при помощи первой (перегородка-I) создается крутящий момент на металлической заготовке, а вторая контактирует с металлорежущей пластиной и подвергается нагреву (перегородка-II), газовой горелкой.

В данном случае перегородка-I служит в качестве упора для распорного винта, при помощи которого регулируется давление между металлической заготовкой (перегородка-II) и металлорежущей пластиной. С целью предотвращения электрического контакта между распорным винтом и металлической заготовкой, предусмотрена фторопластовая прокладка. Контроль давления между металлической заготовкой (перегородкой-II) и металлорежущей пластиной производится при помощи тензодатчика, расположенного между основанием резцедержателя и державкой.

При обеспечении необходимого электрического контакта между металлической заготовкой и металлорежущей пластиной с расположенным в ней спаем контрольной термопары, производится нагрев металлической заготовки (перегородка-II) при помощи газовой горелки. Во избежание рассеивания пламя и дополнительного нагрева других элементов установки, что может привести к погрешности измерения, применяются огнеупорные теплоизолирующие прокладки, которые расположены вокруг места нагрева. Контакт металлической заготовки и металлорежущей пластины является горячим спаем, температура которого регулируется при помощи газовой горелки, температура же холодного спая поддерживается постоянной при помощи емкости со льдом, в который погружены электропровод из обрабатываемого материала и электрический провод из инструментального материала, соединенные с милливольтметром. При нагреве контакта металлической заготовки и металлорежущей пластины на свободных концах естественной термопары возникает термо-ЭДС, регистрация которой осуществляется при помощи милливольтметра, а регистрация температуры производится при помощи мультиметра, спай термопары (электропровод (хромель) и электропровод (копель)) которого расположен в отверстии металлорежущей пластины. Далее по мере нагрева металлической заготовки (перегородка-II) и металлорежущей пластины, сопоставляя показания милливольтметра и мультиметра, строится тарировочный график.

Изобретение относится к области механической обработки материалов и может быть использовано для определения зависимости между термоэлектродвижущей силой и температурой, возникающей при точении, то есть для тарирования естественной термопары резец-деталь. Способ включает нагрев зоны контакта металлической заготовки и металлорежущей пластины, в отверстии которой размещают спай контрольной термопары, электрически изолированный от резцедержателя и связанный с мультиметром, которым регистрируют температуру, при этом с помощью милливольтметра регистрируют возникающую термо-ЭДС между заготовкой и металлорежущей пластиной, а на основании зарегистрированных температуры и термо-ЭДС строят тарировочный график естественной термопары резец-деталь. Провода, с помощью которых милливольтметр подключают к токосъемнику, электрически соединенному с заготовкой, и к державке металлорежущей пластины, размещают в емкости со льдом, а нагрев зоны контакта осуществляют с помощью газовой горелки с ограждением нагреваемой зоны огнеупорными теплоизолирующими прокладками. Использование изобретения позволяет повысить точность тарирования естественной термопары резец-деталь для процесса точения. 3 ил.

Способ тарирования естественной термопары резец-деталь, включающий нагрев зоны контакта металлической заготовки и металлорежущей пластины, в отверстии которой размещают спай контрольной термопары, электрически изолированный от резцедержателя и связанный с прибором для регистрации температуры, при этом регистрируют с помощью соответствующего прибора возникающую термо-ЭДС между заготовкой и металлорежущей пластиной, а на основании зарегистрированных температуры и термо-ЭДС строят тарировочный график естественной термопары резец-деталь, отличающийся тем, что используют заготовку с выполненными на ее обоих концах цапфами и с противоположно расположенными друг относительно друга на ее боковой поверхности пазами, в которых выполнены перегородки, в одну из которых упирают металлорежущую пластину, а в другую через фторопластовую прокладку упирают распорный винт для создания заданного давления между заготовкой и металлорежущей пластиной, при этом упомянутую заготовку посредством цапф устанавливают электрически изолированно в патрон и вращающийся центр токарного станка, в качестве прибора для регистрации термо-ЭДС используют милливольтметр, который подключают с помощью провода, выполненного из материала, аналогично материалу заготовки, к токосъемнику, электрически соединенному с заготовкой, и с помощью провода, выполненного из материала, аналогично материалу, из которого выполнена металлорежущая пластина, к ее державке, выполненной из того же материала и установленной электрически изолированно от резцедержателя, а упомянутые провода размещают в емкости со льдом, причем в качестве прибора для регистрации температуры используют мультиметр, который подключают к спаю контрольной термопары, образованному с помощью проводов, выполненных соответственно из хромеля и копеля, а упомянутый нагрев зоны контакта осуществляют с помощью газовой горелки с ограждением нагреваемой зоны огнеупорными теплоизолирующими прокладками.