Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Физическое обоснование контроля температуры как фактора определяющего износ инструмента
1.1 Основные причины износа режущего инструмента 12
1.2 Источники образования теплоты. Тепловой поток, тепловой баланс - 20
1.3 Тепловое поле резца 25
1.4 Зоны максимального нагрева инструмента 29
1.5 Необходимость контроля температуры при исследовании процессов резания 32
1.6 Методы контроля температуры при резании 35
Глава 2 Термоэлектрический метод измерения температуры режущего инструмента 44
2.1 Использование термоэлектрического метода для измерения температуры в зоне резания 44
2.2 Способы измерения средней температуры рабочих участков режущего инструмента с помощью естественной термопары - 49
2.3 Температура многоточечного контакта режущего инструмента с деталью и ее определение - 52
2.4 Способ раздельного измерения средних температур в зоне трения стружки с передней поверхностью и детали с задней поверхностью резца 58
2.5 Экспериментальные исследования термоЭДС в зонах трения' стружки с передней и детали .с задней поверхностями режущего инструмента
Глава 3 Исследование возможности контроля износа инструмента по значениям термоэлектрической способности (ТЭС) поверхностных слоев режущего инструмента и заготовки
3.1 Неоднородности материалов резца и заготовки. Понятия о термоэлектрической способности, ее определение в различных точках поверхности резца и заготовки
3.1.1 Метод определения; ТЭС поверхностных:. слоев материалов;
3.1.2 Исследования вариации значений; коэффициентов к относительной ТЭС по передней и; задней; поверхностям резца, а также его режущей кромки у новых резцов и резцов после длительной эксплуатации'
3.1.3 Исследования вариации значений коэффициентов; k относительной .ТЭС материала обрабатываемой заготовки дои после ее механической обработки
3.2. Исследование законов распределения значений термоэлектрической способности
3.3 Определение термоэлектрической чувствительности естественной; термопары резец деталь
Глава 4 Исследование корреляционной связи дисперсии ТЭС режущего инструмента с его линейным износом на примере разверток
4.1 Связь дисперсии ТЭС с линейным износом инструмента
4.2 Исследование ТЭС режущих кромок разверток с различной степенью износа
4.3 Исследование термо-ЭДС при обработке отверстий развертками с различной степенью износа 130
Выводы по главе 4 140
Заключение 141
Список использованных источников 142
Приложение А 153
- Источники образования теплоты. Тепловой поток, тепловой баланс
- Способы измерения средней температуры рабочих участков режущего инструмента с помощью естественной термопары
- Исследование законов распределения значений термоэлектрической способности
- Исследование термо-ЭДС при обработке отверстий развертками с различной степенью износа
Введение к работе
Актуальность
Резание является одним из наиболее широко распространенных методов формоизменения материала заготовок. В условиях современного производства на процесс резания возложена задача функционального обеспечения обработки детали с требуемой точностью формы и размеров с заданной безотказностью работы [1,2].
Одной из главных причин отказов режущих инструментов является износ режущей кромки. Контроль износа наиболее актуален для инструмента, используемого в современном автоматизированном производстве, гибких производственных системах, а также при обработке труднообрабатываемых, дорогостоящих деталей, когда отказ инструмента из-за его износа влечет получение брака.
Износ режущего инструмента является сложным процессом, связанным с процессами трения, переменными нагрузками, вибрацией. На него сильно влияют температура режущей кромки. Известно, что износ режущего инструмента резко возрастает при повышении температуры его режущей кромки. Поэтому при изучении процессов резания большое внимание уделяется разработке методов контроля температуры в зоне резания.
Существенный вклад в изучение процессов, сопровождающих износ инструмента, внесли Н.И. Резников, А.Н. Резников, Г.И. Грановский, Я.Г. Усачев, P.O. Барсегянц, И. Дж. Армарего, Р.Х. Браун и др.
В настоящее время износ инструмента в процессе резания может контролироваться по усилию резания и температуры в зоне резания.
Сложность определения температур в зоне резания обусловлена невозможностью установки измерительных преобразователей непосредственно в этой зоне без нарушения физических свойств контактирующих поверхностных слоев резца и изделия, а при установке указанных преобразователей на некотором расстоянии от зоны резания - необходимостью математического
моделирования теплового поля в инструменте, что сопряжено с достаточно большой погрешностью получаемых результатов. В настоящее время для измерения температур непосредственно в зоне резания применяют естественные термопары. Вопросами использования термоэлектрических методов для измерения температуры в зоне резания занимались Я.Г. Усачев, Е. Герберт, К. Готвейн, В. Рейхель, В.Ц. Зориктуев, И.С. Праведников и др. Однако, они получали усредненные значения температур возникающих в зоне резания, в то время как особый интерес представляет раздельное определение температур, генерируемых зонами трения стружки о переднюю поверхность инструмента и обрабатываемой поверхности заготовки о заднюю поверхность. Знание этих температур позволит избежать местных перегревов инструмента и наиболее эффективно использовать систему охлаждения. Применение термоэлектрического метода контроля также позволяет оценивать изменения физических свойств режущей кромки инструмента, в значительной степени определяющего его износ, что, особенно актуально при автоматизации технологических процессов, связанных с резанием материалов.
Объект исследований: методы контроля нагрева режущего инструмента и его износа.
Предмет исследований: методы раздельного контроля нагрева передней и задней поверхности режущего инструмента и степени его износа.
Цель работы: разработка термоэлектрического метода раздельного определения нагрева рабочих поверхностей режущего инструмента при проведении экспериментальных исследований и метода оценки износа инструмента, допускающего его применение в процессе резания.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Обосновать требования к разрабатываемому методу контроля;
Провести анализ существующих методов контроля температуры в зоне резания;
-..' 7
Разработать термоэлектрический метод раздельного определения.нагрева рабочих участков поверхностей инструмента в процессе резания с целью его применения при экспериментальных исследованиях;
Выявить физическую величину, по характеру изменения которой возможна оценка износа инструмента и установить ее связь со степенью износа;
Разработать метод контроля износа инструмента в процессе резания.
Методы исследования: в работе используются методы физического и математического моделирования, методы исследования контактирования? поверхностей с микронеровностями, методы математической статистики.
Экспериментальные исследования проводились с: использованием; современных средств измерения и на оригинальных установках, выполненных с использованием средств вычислительной техники.
Научная новизна
разработан термоэлектрический метод раздельного определения нагрева рабочих участков поверхностей режущего инструмента;
установлена зависимость распределения температуры нагрева передней и задней поверхностей режущего инструмента от твердости обрабатываемого материала; '. "''.-:
установлена связь между дисперсией термоэлектрической способности (ТЭС) режущей кромки инструмента и степенью его наработки;
разработан^метод оценки износа режущего инструмента;. использование которого возможно в процессе:резанияі .
Практическая ценность
установлено, что распределение температур между передней и задней поверхностями режущего инструмента зависит от твердости обрабатываемого материала, что должно учитываться при выборе системы охлаждения;
установлена возможность оценки износа инструмента в процессе его эксплуатации по значениям дисперсии термоЭДС. ,
8 Положения, выносимые на защиту:
Метод раздельного определения нагрева передней и задней поверхности режущего инструмента;
Зависимость распределения температур между передней и задней поверхностями режущего инструмента от свойств обрабатываемого материала на примере его твердости;
Зависимость дисперсии ТЭС рабочих участков инструмента от его износа;
Функциональная связь дисперсии термоЭДС, генерируемой в рабочих зонах инструмента, с его износом, позволяющая оценить износ инструмента в процессе резания.
Рекомендации по применению полученных результатов переданы в ОАО «Промприбор» (г. Ливны), на котором разрабатываются мероприятия по использованию разработанного метода в производстве.
Результаты диссертационного исследования используются при проведении научно-исследовательских работ в области контроля износа режущего инструмента, проводимых сотрудниками и аспирантами кафедры «Приборостроения, метрология и сертификация», а также при выполнении дипломных и курсовых работ.
Апробация работы. Материалы диссертационного исследования доложены и обсуждены на 5 Международных и 1 региональной конференциях:
1) VII Международная научно-техническая конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы в машиностроительном и строительном комплексах» «Технология — 2006», Россия, Орел - Side, Turkey, октябрь, 2006 г.;
VIII Международная научно-техническая конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы в машиностроительном комплексе» «Технология - 2007», Россия, Орел - Helsinki, Finland, май, 2007 г.;
Научно-техническая конференция с участием иностранных специалистов «Трибология — машиностроению», посвященная 70-летию Института машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, Москва, 2008 г.;
Международная юбилейная научно-техническая конференция «Инструментальные системы машиностроительных производств», Тула, 2008 г.
Научно-практическая конференция «Научный потенциал Орловщи-ны в модернизации промышленного комплекса малых городов России», Технологический институт, Ливенский филиал «ОрелГТУ», Ливны, 2010 г.;
Международная научно-практическая конференция «Фундаментальные проблемы и современные технологии в машиностроении», ИМАШ РАН им Благонравова, Московский государственный университет приборостроения и информатики (МГУПИ) ФГУП ММПП "Салют", Москва, 2010 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе в журналах, рекомендованных ВАК, а также подана заявка на термоэлектрический способ определения нагрева рабочих поверхностей режущего инструмента.
Список опубликованных научных трудов по теме диссертации
Бакурова, Ю.А. Тепловое поле резца и измерение температуры резца в зоне резания [Текст] / Ю.А. Бакурова // Известия ОрелГТУ. Сер. Машиностроение. Приборостроение. - Орёл: ОрелГТУ, 2005. - № 3. - с. 34-36.
Корндорф, С.Ф. Исследования зоны трения стружки о переднюю поверхность [Текст] / С.Ф. Корндорф, Ю.А. Бакурова // Известия ОрелГТУ. Сер. Машиностроение. Приборостроение. - Орёл: ОрелГТУ, 2006. — № 3. — с. 19-21.
Бакурова, Ю.А. Исследование нагрева инструмента по передней и задней поверхностям [Текст] / Ю.А. Бакурова // Известия ОрелГТУ. - Сер.
10 «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии». — Орел: ОрелГТУ, 2007. - №2. с. 4-8.
Бакурова, Ю.А. Термоэлектрический метод определения температуры в зоне резания с учетом вариаций термоэлектрической чувствительности [Текст] / Ю.А. Бакурова // Известия ОрелГТУ. - Сер. «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии». - Орел: ОрелГТУ, 2008. -№2-2/270. с. 34-38.
Бакурова, Ю.А. Термоэлектрический метод определения температуры в зоне трения [Текст] / Ю.А. Бакурова // Научно-техническая конференция «Трибология - машиностроению 2008». Сборник материалов конференции, электронные версии докладов, Москва, 2008 г.
Бакурова, Ю.А. Термоэлектрический-метод, контроля температуры в зоне резания [Текст] / Ю. А. Бакурова^// Інженер. Студентський науково-технічний журнал. - Донецьк: ДонНТУ, 2008. - №9. с. 117-119.
Бакурова, Ю.А. Распределение температур по поверхностям резца и его режущей кромке [Текст]' / Ю.А. Бакурова // Вестник ТулГУ. Сер. Инструментальные и* метрологические системы. Материалы Международной1 юбилейной научно-технической конференции «Инструментальные системы машиностроительных производств», посвященной 105-летию со дня рождения С.С. Петрухина, 29-31 октября* 2008 г. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2008. -с.144-147.
Бакурова, Ю.А. Исследование термоЭДС при обработке отверстий развертками с различной степенью износа [Текст] / Ю.А. Бакурова // Сборник трудов Региональной научно-практической конференции молодых ученых и аспирантов «Научный потенциал Орловщины в модернизации промышленного комплекса малых городов России», 26 февраля 2010 г. - Ливны: Изд-во ОрелГТУ, 2010.-с. 9-13.
Бакурова, Ю.А. Термоэлектрический метод раздельного определения средних температур в зонах трения передней и задней поверхностей резца в
11 процессе резания [Текст] / Ю.А. Бакурова // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии - Орёл: ОрёлГТУ, 2010. — № 1. - с. 125.
Бакурова, Ю.А. Связь дисперсии термоЭДС с линейным износом разверток [Текст] / Ю.А. Бакурова, И.Н. Викторова // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии - Орёл: ОрёлГТУ, 2010. - № 2. -С. 85-88.
Термоэлектрический способ определения нагрева рабочих поверхностей режущего инструмента [Текст]: заявка 2010113414 от 06.04.2010 Российская Федерация / С.Ф. Корндорф, Т.И. Ногачева, Ю.А. Бакурова; заявитель и патентообладатель Орл. гос. техн. ун-т.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников включающего 96 наименований, 3 приложений. Основная часть работы изложена на 153 страницах машинописного текста. Работа содержит 86 рисунков (в том числе 33 в приложении) и 131 таблицу (в том числе 72 в приложении).
Источники образования теплоты. Тепловой поток, тепловой баланс
Опытами П.А. Ребиндера и Г.И. Епифанова доказано, что при резании от 95 до 99,5% механической энергии, затрачиваемой на деформирование, разрушение и трение, переходит в тепловую [10]. Оставшаяся часть механической энергии (от 0,5 до 5%) расходуется на внутрикристаллические преобразования, накапливаясь в виде потенциальной энергии искаженной решетки материала в зоне деформации. [11]
Область зоны резания, в которой происходит превращение механической энергии в тепловую, порождает тепловые потоки, распространяющиеся в стружку, деталь, инструмент и окружающую среду.
Многочисленные исследования [1,6,10] показали, что первым источником выделения тепловой энергии Qi (рис. 1.3) является механическая работа, затрачиваемая на пластическую деформацию и разрушение металла в процессе стружкообразования [6]. Область генерирования этой энергии охватывает зону наибольших пластических деформаций, т.е. плоскость скалывания, и расположена в основном в обрабатываемом материале и, в том числе, в стружке.
Контактирующие друг с другом прирезцовая поверхность стружки и передняя поверхность инструмента являются вторым источником выделения тепловой энергии Q2, генерируемой в результате работы сил трения в пределах площадки контактирования шириной С і. В зависимости от механических свойств обрабатываемого материала и колебаний глубины резания (за счет неравномерности припуска заготовки) усилия, возникающие в зоне трения стружки о переднюю поверхность резца могут претерпевать различные по значениям колебания. При ломкой стружке усилия трения в отдельные моменты времени могут полностью исчезать.
Работа сил трения задней поверхности инструмента с поверхностью резания в пределах площадки контактирования шириной Сг является третьим источником образования тепловой энергии Q3, выделяющейся при резании.
Четвертым источником тепловой энергии Q4 является работа, затраченная на пластическую деформацию металла перед плоскостью скалывания. [6]
Образовавшаяся тепловая энергия в основном распространяется из очагов теплообразования за счет теплопроводности металла к более холодным областям, распределяясь между стружкой, деталью и инструментом. Между стружкой 1, инструментом 2 и деталью 3 устанавливаются следующие тепловые потоки (рисунок 1.4). Большая часть тепловой энергии Qi и часть выделяющейся энергии Q2, идет на нагрев стружки и уносится ею из зоны резания. Эта часть отводимой энергии обозначается qi.
Часть выделяющейся тепловой энергии СЬ и СЬ нагревают металл режущей части резца и постепенно распространяются по всей массе его корпуса. Металл резца является проводником второго потока отводимой тепловой энергии q2 0 - средняя температура резца по площади контакта между инструментом, стружкой и поверхностью резания. На нагрев заготовки идет часть тепловой энергии q3, состоящей из части выделяющейся теплоты Qi? некоторой части теплоты Q4 и части выделяющейся теплоты СЬ. Часть общего количества выделяющейся тепловой энергии q4 отводится из зоны резания;в окружающую среду. При резании всухую эта теплота отводится в окружающую воздушную .среду излучением. Если резание осуществляется с поливом зоны резания струей СОТС, то кроме излучения/часть теплоты q4 отводится за счет нагрева и парообразования окружающей жидкости ]
Кроме того, в [6] приводится еще одна составляющая q5 - часть тепловой энергии, накапливающаяся в тонком граничном слое материала режущего инструмента, вызывающая повышение его температуры.
В каждое мгновение при резании должен соблюдаться тепловой баланс, под которым понимается равенство потоков тепловой энергии; выделяющегося в зоне;резания; и уходящего-из неё за равный промежуток,времени:
Образовавшаяся тепловая энергия пропорциональна совершаемой работе, она зависит от рода и механических свойств материала обрабатываемой детали, геометрических параметров инструмента и режима: резаншк [10] На ее: распределение между стружкой, инструментом и деталью влияние оказьь вают механические и теплофизические свойства материала детали как было сказано выше, скорость резания. При изменении условий резания изменяется соотношение составляющих уравнение (1.2) [6]. При механической обработке металлов возникают следующие ситуации: количество;генерируемой в зоне резания тепловой энергии равно отводимому суммарному тепловому потоку. Biэтом: случае, согласно [7] qs=0. Если количество отводимой тепловой энергии меньше количества генерируемой, то в тонком приграничном слое, прилегающим к контактным площадкам, на передней и задней поверхностях резца увеличивается остаточное количество тепловой энергии qs, что приводит к повышению температуры режущего клина инструмента. В ситуации,, когда количество отводимой тепловой энергии больше суммарного количества генерируемой наблюдается постепенный прогрев режущего клина инструмента, что влечет за собой существенное повышение коэффициента теплопроводности. В результате улучшаются условия отвода тепла от наиболее нагретых к менее нагретым участкам резца, вследствие чего температура на его режущей кромке снижается [7].Я.Г. Усачевым экспериментально доказано, что наибольшее количество тепловой энергии переходит в стружку, составляя при обработке стали от 60% до 85% от ее общего количества. Это говорит о том, что пластическая деформация стружкообразования является основным источником тепловой энергии. Исследования, представленные в [10] показали, что процентное распределение теплоты сильно зависит от скорости резания и рода обрабатываемого материала. С увеличением скорости резания количество тепловой энергии возрастает в результате трения стружки о переднюю поверхность инструмента и составляет от 19% до 22,5%, всей доходной части баланса. [6] Следовательно, механическая работа сил трения на передней поверхности инструмента - второй по значимости источник тепловой энергии.
Количество тепловой энергии, Q3, выделяющейся вследствие работы сил трения на задней поверхности инструмента,.зависит от скорости резания. При обычных скоростях она составляет « 3,5% общего количества энергии. С увеличением скорости резания- удельное значение тепловой энергии уменьшается до 2%.
Удельное количество тепловой энергии Q4 при увеличении скорости резания- остается практически постоянным и составляет всего лишь 0,5%, не значительно влияя на доходную часть уравнения теплового баланса.
Анализ изменения составляющих расходной части уравнения теплового баланса показывает, что самой большой по значимости является составляющая qi. Это означает, что значительное количество тепловой энергии отводится из зоны резания срезаемой стружкой. Количество тепловой энергии q2, отводимой в тело резца, составляет незначительную часть расходной части баланса, уменьшающуюся с увеличением скорости резания и составляет в среднем от 5% до 2% всей отводимой из зоны стружкообразования-энергии.
Способы измерения средней температуры рабочих участков режущего инструмента с помощью естественной термопары
Одна из возможных схем измерения температуры методом естественной термопары при точении изображена на рисунке 2.2 [10]. Обрабатываемая заготовка 1 изолирована от патрона 11 и центра задней бабки 2 эбонитовыми прокладками 12 и пробкой 3. Цельный резец 4 также изолирован от суппорта станка. Резец делают цельным для того, чтобы избежать образование паразитных термопар в месте припаивания или приваривания режущей пластинык корпусу резца. Заготовка медным проводником 10 соединена с гибким валом 7, закрепленным в эбонитовой втулке 8, установленной на конце шпинделя станка 9. Контактный наконечник 6 гибкого вала опущен в ванночку со ртутью 5. Милливольтметр PV соединен с торцом резца и с ртутным токосъемником. Замкнутая электрическая цепь образована заготовкой- проводником — гибким валом — токосъемником — милливольтметром — резцом - заготовкой. Заготовку изолируют от станка для устранения влияния паразитных термопар, могущих возникнуть между отдельными деталями станка. Однако роль паразитных термопар, не включенных непосредственно в указанную выше электрическую цепь, незначительна, и за счет некоторого снижения точности измерения установку упрощают, отказавшись от изоляции заготовки, сохранив изоляцию только резца.
Описанный способ определения температуры с помощью естественных термопар легко осуществить не только при точении, но и при сверлении, нарезании резьбы метчиком, строгании, фрезеровании, протягивании и других видах работ. Для определения по измеренному напряжению температуры естественная термопара должна быть предварительно подвергнута специальной тарировке.
При изменении материала инструмента или заготовки возникает необходимость новой тарировки естественной термопары, что создает некоторые неудобства при применении данного метода.
Влияние материала обрабатываемой детали на вид тарировочного графика можно исключить, применяя двухрезцовый метод, предложенный В. Рейхелем [10]. При использовании этого метода точение производят двумя идентичными по размерам и геометрическим параметрам резцами 1 и 2 (рисунок 2.3), изготовленными из твердого сплава и быстрорежущей стали соответственно и подключенными к клеммам милливольтметра PV. ТермоЭДС, возникающая вследствие отличия термоэлектрических свойств материалов резцов, по закону аддитивности при одинаковых температурах в зонах резания не зависит от рода обрабатываемого материала заготовки, который в этом случае выполняет функцию только электрического проводника. Электродами естественно образующейся-термопары являются материалы резцов; величина электродвижущей силы зависит от их свойств и температуры нагрева контактных поверхностей резцов. Тарировку производят только один раз для термопары, образованной резцами. По точности метод уступает однорезцовому методу, так как предполагает строго одинаковые температуры контактных поверхностей обоих резцов. Это условие вследствие различных коэффициентов трения на передней и задней поверхностях и теплопроводности инструментальных материалов практически не выполняется. Кроме того, при определении температуры резания в практических условиях применение двухрезцового метода неудобно.
Обычно тарировка проводится при искусственном нагреве контакта режущей кромки инструмента с обрабатываемой деталью при обеспечении заданной температуры хвостовика резца и холодного конца детали, к которым присоединяетсяизмерительный прибор.
В действительности условия нагрева в процессе резания отличаются от условий тарирования, поскольку в обоих случаях не обеспечивается контактирование одних и тех же площадок обрабатываемого металла и резца, а в различных областях поверхности детали ее термоэлектрическая способность может быть неодинаковой. Кроме того, при тарировании измеряется посто янная температура контакта образца и инструмента, между тем как, например, на площади контакта стружки и передней поверхности инструмента в процессе резания возникает различная температура в разных точках контакта и естественная термопара измеряет некоторую усредненную температуру.
Контактирование трущихся поверхностей происходит одновременно во множестве точек, образуя многоточечный контакт. Например, при площади пятен контакта стружки с передней поверхностью резца и размерах пятен 1x3 мм и шаге микронеровностей 0,05 мм общее количество микронеровностей приходящихся на «пятно» контакта приближенно составляет 3/0,05 =1200 и если из этих микронеровностей контактирует только 5%, то число одновременно существующих контактов достигает 60. Этого числа контактов вполне достаточно, чтобы перейти к статистическим методам анализа. В результате превращения механической энергии в тепловую, единичные микроконтакты нагреваются до различных температур. Тепловые потоки от нагретых микровыступов распространяются вглубь материалов и в области поверхностей, расположенные между контактирующими вершинами. По мере распространения потоков вглубь материала тепловое поле становится более равномерным. Градиент температуры вблизи вершин контактирующих микронеровностей достигает максимальных значений, а по мере углубления в материал уменьшается. Каждый единичный микроконтакт можно рассматривать как отдельный источник термоЭДС, имеющий внутреннее сопротивление. Поэтому эквивалентную схему включения источников термоЭДС в многоточечном контакте можно представить схемой, приведенной на рисунке 2.4 [34].
Исследование законов распределения значений термоэлектрической способности
Наследующем этапе осуществлялась обработка полученных результатов измерений, представленных в таблицах 3.1 - 3.6і, а также 3.9-3.14 методом математической статистики с последующим построением графиков, демонстрирующих изменение коэффициента k относительной ТЭС для резцов в зависимости от степени износа, а для детали - в зависимости от удаленного припуска на механическую обработку. Обработка данных осуществлялась следующим образом: совокупность значений результатов измерений коэффициента к относительной ТЭС, (по 40 значений для передней и задней поверхностей инструмента, а также по 40 значений для каждого из диаметров исследуемых валов и по 10 значений для режущей кромки инструмента) были расположены в порядке возрастания, начиная с наименьшего, и разбита на пять интервалов с равным шагом. В каждом из полученных интервалов было определено среднее значение и подсчитана частота повторения т,, равная числу наблюдений в данном интервале, а также ДДЯ каждого из интервалов рассчитана частость, равная отношению числа наблюдений (или частоты повторений) в данном интервале т, к общему числу наблюдений п. Затем былапостроена таблица, называемая статистическим рядом, в которой приведены интервалы значений к и соответствующие им частоты т,, и частости т/п (вероятности). Для удобства анализа вариаций коэффициента к относитель ной ТЭС исследуемых объектов статистические ряды для одной марки исследуемого объекта были расположены попарно (рядом) и представлены в таблицах 3.16 — 3.21.
Статистический ряд представлен в виде гистограммы, построенной следующим образом: по оси абсцисс отложены интервалы, и на каждом из интервалов, как их основании, построен прямоугольник, площадь которых равна частоте данного интервала. По оси ординат отложены соответствующие каждому интервалу вероятности Р( или частости т/п. В результате построения, на основе данных, представленных в таблицах 3.1 - 3.6, а также 3.9 -3.14 были получены гистограммы распределения значений к (рисунки 3.2 - 3.8), которые для наглядности и удобства анализа, расположены попарно и представлены под соответствующими таблицами. Таблица 3.16 - Распределение значений коэффициента к относительной ТЭСпо передней поверхности резца термоэлектрической способности смещаются в область больших значений. При этом закон распределения достаточно далек от нормального и поэтому при анализе результатов измерений более целесообразно использовать значения дисперсии, чем среднего квадратического отклонения.
Значения, полученные для задней поверхности резца и представленные в таблице 3.17, так же подтверждают увеличение значений ТЭС после эксплуатации резца. Однако, законы распределения ТЭС приближаются к нормальному.
Для режущей кромки резца (таблица 3.18) значения ТЭС в результате его эксплуатации изменились незначительно, а распределение достаточно далеко от нормального, причем значения ТЭС, соответствующие максимальной вероятности их возникновения значительно смещены в область более высоких значений коэффициента к относительной ТЭС.
Для материала обрабатываемой детали при исследовании стали СтЗ (таблица 3.19) значения коэффициента к относительной ТЭС до и после механической обработки незначительно увеличивается после механической обработки; для стали 20 (таблица 3.20) происходит уменьшение значений ко эффициента к относительной ТЭС; для стали 45 (таблица 3.21) коэффициент к также не значительно уменьшается.
Полученные значения коэффициента к относительной ТЭС позволяют определить пропорциональные им значения ТЭС материалов заготовки и резца. Однако, при проведении исследований температур в зоне резания, используются естественные термопары, состоящие из соединения резца с обрабатываемым изделием, и поэтому нас интересуют не термоэлектрические способности, а чувствительность таких естественных термопар. Эта чувствительность образуется в результате композиции значений термоэлектрической способности электродов, термопар. В теории вероятностей задача определения закона распределения суммы (разности) независимых случайных величин получила название композиции законов распределения [41]. Произвести композицию двух законов распределения - это значит найти закон суммы двух независимых случайных величиной Y, подчиненных этим законам распределения. При этом, если X и Y - дискретные независимые случайные, то, для того, чтобы найти распределение Z = X + Y, необходимо найти все возможные значения Z, для чего достаточно сложить каждое возможное значение X со всеми возможными значениями Y. Вероятности найденных таким образом значений Z равны произведениям вероятностей складываемых значений X и Y.
Так как к, и kj, усредненные значения коэффициентов преобразованияестественной термопары для режущего инструмента и обрабатываемого материала, являются дискретными и независимыми случайными величинами, то для того, чтобы найти распределение к,=к{+к}, необходимо найти все возможные значения кц, для чего достаточно сложить каждое возможноезначение к/ со всеми возможными значениями к}. Вероятности; найденных таким образом значений ку, равны произведениям вероятностей складываемых значений к, и к}.
Таким образом, метод определения чувствительности естественной термопары на основе предварительного исследования термоэлектрической неоднородности материалов элементов пары трения заключается в осуществлении следующих этапов:- определение распределения ТЭС материалов трибопары по их поверхностям;- построение гистограмм распределения ТЭС материалов трибопары с параметрами к,; Рь и к/, PkJ, где inj- номера интервалов гистограмм; к, иkj- средние значения ТЭС каждого из материалов в /-том и /-том интервале соответственно; Рк1 и Pkj - соответствующие вероятности попадания в указанный интервал;- определение распределения КП естественной термопары кц вероятностным методом. Для этого методом омпозиции законов распределения ТЭСк, и кj вычисляются значение КП ку при различных сочетаниях к, и к}, атакже значения соответствующих им вероятностей: PklJ = Pkl -PkJ;- нахождение в полученной совокупности значений КП кц максимального значения КП - kljmax и минимального - kijmm соответственно;определение шага гистограммы распределения КП k( =(kIJm3X -купаа)/п, где п - количество интервалов, на которые разбиваетсягистограмма; вероятности попадания в указанные интервалы: tfimn+" !/)t+ 2-і hi = (!/)
Исследование термо-ЭДС при обработке отверстий развертками с различной степенью износа
Как было показано выше, в процессе изнашивания инструмента изменяется термоЭДС, генерируемая в зоне резания. Поэтому в ходе эксперимента были исследованы развертки с различной степенью износа.
Как и в случае с резцами, при использовании термоэлектрических методов контроля, с целью исключения паразитных термопар, в данном эксперименте были использованы цельные развертки, изготовленные из быстрорежущей стали марки Р6М5. Были взяты новые, поработавшие и изношенные развертки. В качестве материала заготовок, как и в предыдущих исследованиях с использованием резцов, были приняты заготовки, выполненные из стали СтЗ, стали 20 и стали 45. Предварительно в сплошном материале заготовок было просверлено по 25 глухих отверстий, под последующее развертывание. Диаметры сверл для получения отверстий подбирались таким образом, чтобы глубина резания при развертывании составляла 0,1 мм.
Развертывание осуществлялось на вертикально-сверлильном станке марки 2Н55 при следующих режимах: подача S=0,2 мм/об; частота вращения шпинделя п=19 с 1; скорость резания V=0,2M/C.
Была собрана установка для измерения термоЭДС, аналогичная установке, используемой при точении, с той лишь разницей, что токосъемник в данном случае был установлен на хвостовике развертки. Схема установки представлена на рисунке 4.3.
Заготовка была изолирована от контакта с зажимным приспособлением. Для изоляции использовался электроизоляционный картон марки ЭВ ГОСТ 2824-86 толщиной 1,0мм. Таким образом, была получена замкнутая электрическая цепь, состоящая из развертки 1, заготовки 2, регистрирующего прибора 4 (внешнее прецизионное устройство аналого-цифрового преобразования ЛА - 24 USB) и токосъемника 6. Частота дискретизации - 50 Гц.
Развертывание предварительно полученных отверстий осуществлялось на глубину 20 мм. Каждой из указанных разверток было обработано по 5 отверстий.
Эксперимент проводился в 3 этапа. На первом этапе исследовались значения генерируемых термоЭДС при обработке заготовок из стали СтЗ развертками с указанными выше степенями износа. На втором и третьем эта -пах проводили обработку отверстий в заготовках из стали 20 и стали 45сооответственно.
В ходе эксперимента была выявлена следующая характерная особенность: на графиках, иллюстрирующих изменение значений термоЭДС, генерируемых в процессе развертывания, четко видны несколько областей.
Первая область (на рисунке эта область отделена вертикальной линией и обозначена I) это работа режущей рабочей части развертки, вторая (зона II) - начальная стадия калибровки. Третья область (зона III) - окончание калибровки. Получить данную область удалось в тот момент, когда обработка отверстия уже была завершена, автоматическая подача была отключена, но развертка продолжала вращаться и находилась в отверстии, при этом устройство JIA-H24USB продолжало сбор данных.
Первая область (рис. 4.4) характеризуется достаточно большим ростом значений термоЭДС, генерируемых при развертывании отверстия, когда работает только режущая часть развертки. Вторая область характеризуется некоторым увеличением значений термоЭДС и достаточно большим размахом колебаний в тот период, когда калибрующая часть развертки постепенно входит вглубь обрабатываемого отверстия и постепенной его стабилизацией с включением в работу всей длины калибрующей части развертки. Такая картина с небольшими отклонениями характерна для работы всех исследованных разверток. В связи с обнаруженным фактом было принято решение для полученных осциллограмм провести анализ отдельно для врезания- режущей части развертки и работы ее калибрующей части. Для более точного разграничения указанных областей было рассчитано время работы только режущей части, исходя из частоты вращения шпинделя, подачи, частоты дискретизации и длины режущей части развертки. Время работы режущей части разверток составило 3,5 секунды, калибрующей — 3 секунды.
Затем для каждой осциллограммы были рассчитаны значения среднего арифметического, СКО, дисперсия отдельно для каждой области. 133 При обработке 25 отверстий в заготовке из стали Ст 3 развертками с различной степенью износа были получены следующие данные, которые после статистической обработки для удобства сравнения представлены в форме помещаемой ниже таблицы 4.5:
