Исследование системы контроля и управления процессом резания на основе измерения ТЭДС на фрезерных станках с ЧПУ

Размещено на http://www.allbest.ru/

77

2

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

ТАШКЕНТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

АВИАЦИОННЫЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА «АВИАСТРОЕНИЕ»

На правах рукописи

Диссертация на соискание академической степени магистра наук

«Исследование системы контроля и управления процессом резания на основе измерения ТЭДС на фрезерных станках с ЧПУ»

5А520803 «Технология производства летательных аппаратов»

Научный руководитель:

Проф., к.т.н. Усманов Камал Бекмуратович

Зикиров Абдумутал Эркинович

Ташкент-2012г.

Оглавления

ВВЕДЕНИЕ

1. ГЛАВА 1. АНАЛИЗ РАЗЛИЧНЫХ МЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ

1.1 Диагностика методом акустической эмиссии (АЭ)

1.2 Метод вибродиагностики

1.3 Термоэлектрические явления и метод термоэлектрической диагностика

1.3.1 Термоэлектрический метод диагностики

1.3.2 Термо - э.д.с. при точении

1.3.3 Термо-э.д.с. при сверлении

1.3.4 Термо - э.д.с. при фрезеровании

2. ГЛАВА 2. ОБШИЕ ВОПРОСЫ МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

3. ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕРМО - Э.Д.С. ПРИ РЕЗАНИ МЕТАЛЛОВ

3.1 Характер изменения термо - э.д.с. при фрезеровании

3.2 Термо - э.д.с. при резание - как информационный канал для управления процессов резании

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ

Современное металлообрабатывающее производство характеризуется, использованием прогрессивного оборудования: станков с ЧПУ, многоцелевых станков, роботизированных технологических комплексов и других. Создание на базе этого оборудования автоматизированных производств, заводов-автоматов ставит задачу активного технологического диагностирования процесса обработки с целью его оптимизации, контроля и управления. Поэтому проблема создания надежного аппарата технологического диагностирования процесса резания на прогрессивном и перспективном оборудовании является актуальной.

Современные подходы к металлообрабатывающему производству требуют как можно более полной автоматизации всех процессов, работающей в комплексе. Большую часть в этом играет использование самого современного и прогрессивного оборудования т. е. многоцелевых станков, станков с числовым программным управлением, роботизированных технических комплексов, станков напрямую соединенных с производственными компьютерами и др. Дальнейшие перспективы развития такого производства подразумевают собой целые системы, управляемые искусственным интеллектом и способные к самооптимизации, самоналаживанию, самоконтролю и т. д. Но даже на сегодняшний день существует проблема надежного и точного аппарата технологического диагностирования процесса резания. Активная технологическая диагностика процесса резания является основой адаптивного управления. Разновидность систем, в которых контроль возмущающего воздействия выполняется непосредственно в процессе формообразования, а его результаты, преобразованные в сигнал управления, которые тут же обрабатываются, называют самоприспосабливающимися (адаптивными) [2].

На уровне технологической операции [1] сущность адаптивного управления заключается в слежении и поддержании постоянства значения какого-либо параметра, влияющего на ход технологического процесса (ТП) и обеспечивающего заданный уровень выходного параметра, определяющего качество, производительность при минимальных затратах на выполнение рассматриваемой части ТП. Адаптивное управление осуществляется либо путём ограничения управляемого параметра (адаптивная система предельного регулирования) - сигнал управления вырабатывается только тогда, когда управляемый параметр достиг предельно допустимого уровня, либо путём поиска оптимального для конкретных текущих условий значения управляемого параметра (адаптивная система оптимизации) - сигнал управления вырабатывается непрерывно и его составляющие соответствуют оптимальным значениям управляемого параметра [1, 3].

Для уровня технологической операции принцип адаптации применим в основном для операций изготовления деталей. В этом случае обрабатывающее оборудование оснащают автоматической системой оптимизации (АСО), обеспечивающей постоянный контроль управляемого параметра и сравнение фактических результатов с заданными. При возникновении отклонения определяется его численное значение и знак и корректируется фактор, регулирующий управляемый параметр. Такая система должна работать в режиме реального времени, обеспечивая мгновенную реакцию на отклонение контролируемого параметра, что предъявляет высокие требования к их чувствительности и быстродействию. Необходимость развития и внедрения адаптивных систем управления обосновывается различными факторами. Во-первых, в условиях рыночной экономики основным видом производства является мелкосерийное, которое характеризуется большой номенклатурой обрабатываемых деталей и как следствие этого, широкий диапазон изменения обрабатываемых материалов, режимов резания, а также обработка деталей из новых или экспериментальных материалов, по которым нет подтвержденных данных по режимам резания. Во-вторых, существует необходимость повышения точности обработки деталей с учетом влияния на неё случайных факторов таких как неравномерность припуска, различная твердость по длине заготовки и по глубине резания и др. Таким образом, производительность и себестоимость обработки становятся зависимыми от эффективности процесса резания, так как затраты ручного труда и вспомогательного времени резко уменьшаются, а доля машинного времени возрастает из-за увеличивающегося использования труднообрабатываемых материалов, усложнения конструкции деталей и повышения требований к точности их обработки [2].

При обработке деталей на станках с обычными системами автоматического управления, а также с системами ЧПУ, уровень оптимальности принятых режимов резания зависит от того, насколько точно начальная информация характеризует действительные условия протекания процесса резания и насколько остаются неизменными исходные параметры, принятые при расчете и составлении программы управления (величина припуска, твердость обрабатываемого материала, жесткость технологической системы и др.). В действительности параметры процесса резания не остаются постоянными. Поэтому традиционные методы назначения режимов резания основаны на приближенном представлении о процессе резания и ожидаемых значениях его параметров. Используемые при этом методика и нормативные материалы не учитывают полностью всего многообразия технологических способов получения заготовок, а также состояния технологической системы.

Наличие разброса исходных параметров процесса обработки вынуждает назначать режимы резания, как правило, несколько заниженными для снижения вероятности появления брака обработки, снижения износа режущего инструмента и его повышенного расхода, а также предохранения от аварийных ситуаций. С другой стороны, выполнение процесса обработки с постоянными режимами резания при указанном выше разбросе исходных параметров процесса обработки приводит к значительным колебаниям силы резания. Это наряду с изменением жесткости технологической системы приводит к значительным колебаниям силы резания. Это наряду с изменением жесткости технологической системы приводит к значительным колебаниям упругих перемещений последней и как следствие, к погрешностям обработки деталей.

Случайный характер изменения припуска и твердости материала заготовки изменяет скорость износа режущего инструмента и приводит к отклонению его фактической стойкости от заданной.

Указанные выше факторы [2] приводят к снижению производительности, разбросу показателей качества обработки, недоиспользованию резервов снижения себестоимости обработки деталей. Очевидно, что эффективность диагностики целиком и полностью определяется информативностью используемых параметров. их зависимостью от условий обработки. Традиционное использование для этой цели силы и температуры резания, сигналов акустической эмиссии в ряде случаев оказываются неприемлемыми или недостаточно информативными и адекватными. Поэтому во все времена большое внимание специалистов постоянно привлекает перспектива термоэлектродвижущей силы как информационно-чувствительного канала диагностики процесса резания. Действительно, термоэлектродвижущая сила всегда сопутствует процессу обработки резанием, а его чувствительность предопределяет успех в выявлении тесных корреляционных связей с технологическими условиями обработки.

Несмотря на перспективность использования термоэлектродвижущей силы (термоЭДС) в качестве надежной информации, об изменениях происходящих в зоне резания, в отечественной и зарубежной литературе практически отсутствуют обобщенные рекомендации по его технологическим возможностям. Особенно это относится к такому виду обработки как фрезерование. Поэтому целью настоящей работы является анализ имеющихся исследований и практического опыта в области использования термо - э.д.с. как информационного канала при фрезеровании и использовании его для активного управления процессом резания .

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ РАЗЛИЧНЫХ МЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ

1.1 Диагностика методом акустической эмиссии (АЭ)

Все материалы находятся в состоянии "твердое тело" благодаря межатомным и межмолекулярным силам. Эти силы весьма велики, пока расстояние между атомами не превышает некоторого критического размера. Если участок металла растягивать (деформировать), то, естественно, межатомные расстояния изменяются, увеличиваются. Наконец, наступает момент, когда межатомные силы оказываются не в состоянии удерживать атомы, а, наоборот, стремятся оттолкнуть эти атомы друг от друга. Происходит разрыв связи. Аналогичные связи и силы имеются и у групп атомов. Прочности связей внутри тела очень сильно различаются. Прочность тела, по сути, определяется некоей среднестатистической величиной связей. При разрыве связи атомы не могут свободно разлететься в разные стороны - мешают соседи, которые будут пытаться вернуть "беглецов" на исходное место. В результате атомы в месте разрыва связи начинают колебаться относительно своего исходного положения.

Эти колебания передаются соседним атомам. Рождается упругое колебание, в теле распространяется упругая волна. Процесс разрыва быстро затухает.

Поэтому упругое колебание имеет форму короткого импульса. Вот эти-то импульсы упругих колебаний и называют "акустической эмиссией" (АЭ).[5]

В технологической системе станок - приспособление - инструмент - заготовка при резании генерируются высокочастотные волны упругой деформации ( волны напряжений ), параметры и характер появления которых обусловлены динамической локальной перестройкой полей механических напряжений. Основным их источником является зона резания, в которой происходят пластическая деформация и разрушение обрабатываемого материала, разрыв фрикционных связей на контактных поверхностях инструмента. Эти процессы неизбежны с динамической нагрузкой-разгрузкой твердого тела, например резца, имеют различную степень пространственно-временной локализации и порождают волны напряжений, которые распространяются в упругой среде (по элементам технологической системы и несут определенную информацию о тех процессах, в ходе которых они появляются).

Если низкочастотные колебания вызываются нестационарностью процесса обработки и зависят от многих внешних факторов, в первую очередь от жесткостных и инерционных характеристик элементов технологической системы, то волны АЭ порождаются, доминирующими физическими процессами при обработке резанием (разрушение, трение, пластическое деформирование). Это создает определенные преимущества для построения с помощью анализа зависимости их параметров от условий обработки аппарата технологической диагностики. [6]

Приём, преобразование, обработка и регистрация волн напряжений носят название метода акустической эмиссии. Источники АЭ можно условно разделить на внешние и внутренние. К первым относят источники расположенные на поверхности объекта, например волны напряжений, генерируемые при трении, соударении, обтекании турбулентным потоком жидкости или газа. Процессы локального динамического перераспределения полей механических напряжений в объёме материала относятся к внутренним источникам АЭ (например, акты пластической деформации, микро - и макроразрушения, фазовые превращения). Рассматривая с этих позиций зону резания, можно сделать вывод о наличии в ней целого ряда источников АЭ, которые будут генерировать волны напряжений разной мощности и спектральной плотности.

Схема измерения параметров АЭ показана на рис. 1.1. Волны напряжений 1, генерируемые в зоне резания 2, распространяются в упругой среде, например по резцу 3 или заготовке 4, и достигают свободной поверхности, упругие смещения которой фиксируются датчиком 5. Сигнал с датчика поступает в блок обработки 6 и с него - на регистрирующее устройство 7. [12]

Рис.1.1. Схема измерения параметров АЭ при руании ?

Импульсы АЭ можно зарегистрировать такими же преобразователями, которые применяются в ультразвуковой дефектоскопии. Это - первое достоинство метода - простота процесса для понимания. Чтобы родился импульс акустической эмиссии, нужна некая внешняя сила, деформирующая твердое тело. Эту силу можно привнести механическим способом - нагружая материал. Каждому уровню деформирования твердого тела соответствует определенное число связей, которые способны выдержать такую степень "растаскивания" атомов. Если деформировать материал ступенями нагрузки и регистрировать импульсы акустической эмиссии, то можно обнаружить закономерность, по которой изменяется число импульсов АЭ при деформировании тела.

В зоне дефекта среда уже нагружена из-за концентрации механических напряжений. Поэтому импульсы АЭ появляются в зоне дефекта почти сразу после начала нагружения. Это - второе достоинство метода. Импульс АЭ распространяется в виде сферической волны, как волна от камня, упавшего в воду. Если в разных местах изделия поставить по преобразователю -приемнику импульсов АЭ, то используя известные из радиопеленгации приемы, можно установить координаты точки, из которой вышел импульс АЭ. Тем самым, можно установить положение дефекта. Это - третье достоинство метода.

При наступлении критического напряженно-деформированного состояния контролируемого объекта интенсивность шума АЭ лавинообразно нарастает, что очень наглядно сообщает оператору о грядущей гибели конструкции. Это - тоже достоинство.

Однако, этот метод обладает не только достоинствами, но и недостатками.

Достоверность засечки цели - дефекта - заметно зависит от конструктивных особенностей объекта. Ведь упругая волна не просто распространяется от дефекта к приемнику - по пути она претерпевает множество искажений (отражения от неоднородностей, от стенок конструкции, трансформации волн.). Методы обнаружения акустической эмиссии эффективны тогда, когда в объекте контроля отсутствует высокочастотная вибрация, возбуждаемая другими источниками, например, потоками газа или жидкости и др.

Если конструкция находится в постоянном напряженно-деформированном состоянии, то и щелчков никаких аппаратура не зарегистрирует. Значит, объект надо нагружать в процессе контроля. Это не всегда удобно или даже возможно. В некоторых методиках требуют такого уровня нагружения, что после испытания АЭ вообще не нужна - ведь испытание "прессовкой" уже дало прямой ответ на поставленный вопрос: либо объект выдержал и будет далее под рабочим давлением работать, либо разрушился.

Сторонники метода АЭ считают, что "основное преимущество метода акустической эмиссии в том, что этот метод обеспечивает обнаружение и регистрацию только развивающихся, наиболее опасных дефектов. Таким образом, метод позволяет классифицировать дефекты не по размерам, а по степени опасности.

То есть интенсивность АЭ - это еще не критерий опасности. Это всего лишь один из признаков вероятной опасности. А вот концентрация механических напряжений может являться признаком и критерием.

Акустической эмиссии присущ эффект, известный как эффект Краузе: если металл ранее был нагружен до некоторого напряженно-деформированного состояния, то при повторном нагружении до того же уровня щелчки не будут зарегистрированы, пока это механическое напряжение не будет превзойдено. Поэтому, если трубопровод или сосуд прошел стадию "опрессовки" давлением, более высоким, чем рабочее давление, например, при сдаче объекта в эксплуатацию, то зарегистрированный шум не будет отражать характеристику фактического напряженного состояния.

На показания приборов, основанных на эффекте АЭ, влияет упругий гистерезис, то есть предыстория напряженно-деформированного состояния конструкции и многие другие факторы. На показания приборов АЭ влияет состояние поверхностного слоя металла "зоны наклепа", где напряжения превышают напряжения основного металла в тысячи раз. Эта зона порождает шум, который надо уметь фильтровать, что делают не все типы приборов АЭ. Карты концентраторов напряжений, а тем более, консультаций, эти приборы не дают - приборы АЭ фактически не измеряют механических напряжений. Стоимость полного комплекта аппаратуры АЭ от $17.000 до $120.000. Эти и другие недостатки существенно ограничивают область применения метода АЭ. [5]

Для приёма сигналов АЭ и их регистрации технически более удобно оперировать электрическими сигналами, полученными в результате преобразования части энергии колебаний в электрическую энергию, так как дальнейшая обработка информации может быть выполнена с помощью электронной аппаратуры [13]. Однако это не исключает использование 1 четких и других бесконтактных методов измерения АЭ, к основным достоинствам которых следует отнести: 1) отсутствие необходимости в этическом контакте датчика с исследуемым объектом; 2) возможность исследования АЭ при высоких (выше точки Кюри для пьезопреобразователей) температурах; 3) безинерционность, отсутствие разброса характеристик, малую площадь исследуемого объекта.

Однако на практике наибольшее распространение получили комплекты и приборы для измерения сигналов АЭ, в качестве чувствительного элемента которых используется пьезокерамика, при выборе которой необходимо учитывать температуру Кюри, механическую прочность и другие эксплуатационные характеристики, изложенные в ГОСТ 1392-68 [12].

1.2 Метод вибродиагностики

Диагностирование состояния машин и оценка степени опасности повреждения на основе данных контроля вибрации - один из наиболее эффективных методов повышения надежности оборудования.

Вибрационное диагностирование объектов проводится в три этапа: первичное описание вибрационного состояния объекта, выделение признаков и принятие решения. На этапе поиска информативных признаков ограничивают число измеряемых параметров вибрации, шума и ударов. При этом из множества параметров, характеризующих вибрационный процесс, выделяют только те, которые прямо или косвенно характеризуют состояние объекта. По этим параметрам формируют информативную систему признаков, используемых при диагностировании.

Выбор диагностических параметров вибрации зависит от типов исследуемых механизмов, амплитудного и частотного диапазонов измеряемых на них колебаний. В низкочастотном диапазоне чаще измеряют параметры виброперемещения. В нашем случае речь и пойдет о виброперемещении. Виброперемещение представляет интерес в тех случаях, когда необходимо знать относительное смещение объекта или деформацию и математически описывается как моногармоническая вибрация x(t)=X₀ sin (cot + ц), где Х_о -амплитуда виброперемещения.

Как отмечалось выше, в описании метода акустической эмиссии, для правильной диагностики необходимо своевременно и точно выявлять источники, в данном случае, вибрации. Здесь мы сталкиваемся с немаловажной проблемой отделения и фильтрации паразитной вибрации различных узлов станка, плохо закреплённой заготовки и т. д. Также очень важно точно определять место опасной вибрации. Для всего этого нужна высокоточная аппаратура, которая в силу своей сложности, слишком дорога для использования в серийном производстве каких-либо деталей.

1.3 Термоэлектрические явления и метод термоэлектрической диагностика

Термоэлектрические явления- -совокупность физических явлений, обусловленных взаимосвязью между тепловыми и электрическими процессами в твердых проводниках. К термоэлектрическим явлениям относятся Зеебека эффект, Пельтье эффект и Томсона эффект. Причина термоэлектрических явлений--нарушение теплового равновесия в потоке

Зеебека эффект - возникновение электрической цепи, состоящей из разнородных проводников, контакты которых имеют различную температуру. Открыт в 1821 году немецким физиком Т.И. Зеебеком (Th. I. Seebeck).

Если электрическая цепь состоит из двух различных проводников, она называется термоэлементом или термопарой. Величина термо - э,д.с. зависит только от температур горячего Т₁ и холодного Т₂ контактов и от материалов проводников, В небольшом интервале температур электродвижущая сила е равна е=б (Т₁-Т₂). Коэффициент б называется коэффициентом Зеебека (термоэлектрической способностью пары, термоенлой, коэффициентом термо-э.д.с. или удельной термо-э.д.с.), зависящей от материала проводников и интервала температур (см. табл. 1).

Таблица 1.

Значение б для некоторых металлов и сплавов по отношению к свинцу,

Материал	б, мкВ/К	Материал	б, мкВ/К
Сурьма	+4,3	Ртуть	-4,4
Железо	+15,0	Платина	-4,4
Молибден	+7,6	Натрий	-6,5
Кадмий	+4,6	Палладий	-8,9
Вольфрам	+3,6	Калий	+13,8
Медь	+3,2	Никель	-20,8
Цинк	+3,1	Висмут	-68,0
Золото	+2,9	Хромель	+24,0
Серебро	+2,7	Нихром	+18,0
Свинец	0,0	Платино-родий	+2,0
Олова	-0,2	Алюмель	-17,0
Магний	-0,0	Константан	-38,0
Алюминий	-0,4	Копель	-38,0

Знак плюс указывает, что ток течет от свинца к данному металлу через более нагретый спай, а знак минус - через холодный спай.

Цифры, приведенные в таблице, условны, так как термо-э.д.с. чувствительно к микроскопическим количествам примесей, к ориентации кристаллических зерен. Термо-э.д.с. может возникнуть в цепи, состоящей и из одного материала, если его разные участки подвергались различным технологическим операциям. Она не меняется при последовательном включении в цепи любого количества других материалов, если появляющиеся при этом дополнительные места контактов поддерживают при одной и той же температуре.

Если вдоль проводника существует градиент температур, то электроны на горячем конце приобретают более высокие энергии и скорости. В полупроводниках, кроме того, концентрация электронов растет с температурой. В результате возникает поток электронов растет от горячен, конца к холодному, на холодном конце накапливается отрицательный заряд, и горячем остается некомпенсированный положительный заряд. Накопление заряда продолжается до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не вызовет равный обратный поток электронов. Алгебраическая сумма таких разностей потенциалов в цепи создает одну из составляющих термо-э.д.с., которую называют объемной. Другие составляющие термо-э.д.с. с температурной зависимостью контактной разности потенциалов и с эффектом увеличения электронов фононами. Так как число фононов, движущихся от горячего конца к холодному, больше, чем движущихся навстречу, то результате увеличения ими электронов на холодном конце накапливается отрицательный заряд. Эта составляющая термо-э.дх. при низких температурах может быть в десятки и сотни раз больше других. В магнетиках играет роль также увеличение электронов магнонами (квазичастица, соответствующая волне поворотов спинов в магнитоупорядоченных средах. Магноны проявляют себя в тепловых, высокочастотных и других свойствах вещества).

Термо-э.д.с. металлов очень мала. Сравнительно больше термо-э.д.с. в полуметаллах и их сплавах, а также в некоторых переходных металлах и их сплавах.

Эффект Пельтье--выделение или поглощение теплоты при прохождении электрического тока I через контакт двух различных проводников. Выделение теплоты, сменится поглощением при изменении направления тока. Эффект открыт французским физиком Ж. Пельтье в 1834 году. Количество теплоты Q_n= П I, где П - коэффициент Пельтье, равный: П - ТДб. Здесь Т - абсолютная температура. Дб - разность термоэлектрических коэффициентов проводников.

Эффект Пельтье объясняется тем, что средняя энергия носителей тока зависит от их энергетического спектра, концентрации и механизмов их рассеяния и поэтому в разных проводниках различна. При переходе из одного проводника в другой электроны либо передают избыточную энергию атомов, либо пополняют недостаток энергии за их счёт. В первом случае вблизи контакта выделяется, а во втором поглощается теплота Пельтье. При переходе электронов из полупроводников в металл энергия электронов проводимости полупроводника значительно выше уровня Ферми металла, и электрон отдают свою избыточную энергию. При противоположном направлении тока из металла в полупроводник могут перейти только те электроны, энергии которых выше диапазоны проводимости полупроводника. Тепловое равновесие в металле при этом нарушается и восстанавливается за счет тепловых колебаний кристаллической решетки. При этом поглощается теплота Пельтье. На контакте двух полупроводников или двух металлов также выделяется (или поглощается) теплота Пельтье вследствие того, что средняя энергия носителей заряда по обе стороны контакта различна.

Эффект Томсона--выделение или поглощение теплоты в проводнике с током, вдоль которого имеется градиент температуры, происходящее помимо выделения джоулевой теплоты. Теплота Томсона Q, пропорциональна силе тока I, времени t и перепаду температуры (Т₁-Т₂).

Q_s=S(T₁-T₂) I t

Коэффициент Томсона S - характеристика проводника. "Эффект Томсона предсказан в 1856 году английским физиком У. Томсоном (лорд Кельвин) и установлен экспериментально французским физиком Леру и др.

Согласно теории Томсона, удельная термо-э.д,с. пары проводников связана с их коэффициентами S₁ и S₂ соотношением:

dd / dр = (S₁ -S₂) / T_э

где б - коэффициент Зеебека.

Если вдоль проводника, по которому протекает гак, существует градиент температуры, причем направление тока соответствует движению электронов от горячего конца к холодному. То при переходе из более нагретого участка в более холодный электроны тормозятся и передают избыточную энергию окружающим атомам (выделяется теплота), при обратном направлении тока электроны, переходя из более холодного участка в более горячий, ускоряются полем термо-.э.д.с. и пополняют свою энергию за счет энергии окружающих атомов (теплота поглощается). Этим и объясняется, в первом приближении, эффект Томсона.

Термоэлектрический метод диагностики.

Одним из параметров, характеризующих протекание процесса резания является температура в зоне резания. Количественно оценить температуру в зоне стружкообразования весьма заманчиво и непросто. С давних пор изыскиваются различные методы.

Наибольшее применение для измерения нашли различные варианты решений, основ эффекта Зеебека.

В России для изучения процесса резания металла термоэлектрический метод впервые (.может быть и впервые в мире) использован и опубликован [4] Усачевым Я.Г. в 1915году.

Преимущества этого метода трудно переоценить, ибо в век компьютерной обработки информации необходимо все и электрические параметры и измеряемые величины неизбежно преобразовывать в электрический сигнал.

При нагреве, в зоне контакта двух химически разнородных металлов или сплавов, возникает электрический сигнал без подачи энергии извне. Измерительный преобразователь сам генерирует электрическую энергию, т.е. является генераторным датчиком. Источник энергии который неизбежно требуется вводить в измерительную цепь с параметрическими преобразователями неэлектрических величин, здесь обеспечен самим термоэлектрическим эффектом.

В металлах и полупроводниках процессы переноса заряда (электрический ток) и энергии взаимосвязаны, так как осуществляются посредством перемещения подвижных носителей тока - электронов проводимости и дырок.

Возникновение электродвижущей силы Е в замкнутой электрический цепи, составленной из последовательно соединенных разнородных проводников, если места их контакта (спаи) поддерживают при различных температурах, будет равна

(1)

здесь интегрирование производится по всему замкнутому контуру L электрической цепи.

Эта математическая модель, описывающая эффект Зеебека, отражает идеализацию реального физического объекта. Контур L представляется как нитевидный, описываемый только одним линейным размером проводника - его длиной. Свойство а и температура Т, являются функциями длины. Такой моделью утверждается, что термо-э.д.с. может быть определена только при обходе по замкнутому контуру. В разомкнутом контуре термо-э.д.с. не существует. Она тождественно равно нулю при плотности тока в термоэлектродах равной нулю (при отсутствии тока в проводниках термопары).

Рис. 1.2. Схема термоэлемента.

Простейшую замкнутую электрическую цепь (рис 1.2.), состоящую из двух разнородных проводников 1 и 2, называют термоэлементом, или термопарой.

Если Т_г, и Т_х, - температуры горячего и холодного спаев термоэлемента, то, при выбранном на рнс.1.2., направлении обхода цепи по часовой стрелке, термо-э.д.с. термоэлемента равна

(2)

где б₁ и б₂, - значения удельной термоэлектродвижущей силы для двух различных материалов 1 и 2 ветвей термоэлемента, б₁₂= a₂ - б₁ -удельная дифференциальная термоэлектродвижущая сила для данной пары материалов:

б₁₂ = dE/dT

Здесь следует отметить, что коэффициент б₁₂ представляет собой чувствительность - одну из основных метрологических характеристик преобразователя.

Если интервал температур Т_г-Т_х невелик, то в его пределах можно считать, что б - постоянная величина и

(3)

При б₁₂ >0 Е = 0. В противном случае ток идет в обратном направлении.

В горячем спае термоэлемента термоток всегда идет из ветви с меньшим значением б в ветвь с большим значением б.

Если в разрыв одной из ветвей термоэлемента включить последовательно любое число проводников другого состава, все спаи которых термостатированы, т.е. поддерживаются при одной и той же температуре, то термо-э.д.с. в такой цепи будет равно термо - э.д.с. исходного термоэлемента.

Практически их всех металлов, сплавов, а также графита могут быть образованы термопары.

Они удовлетворяют многим требованиям идеального преобразователя. Термопары просты, надежны в работе - и состоят, по существу, из двух термоэлектродов. Их конструктивные формы позволяют обеспечивать малый показатель тепловой инерции. Выбирая соответствующие материалы термоэлектродов, можно проводить измерения температур в широком диапазоне (от 2 до 3000 К). При этом достигается высокая точность преобразования (инструментальная погрешность до 0,01 К) и высокая чувствительность (до 100 мкВ/К).

Если материалы термоэлектодов однородны, изотропны и не претерпевают физических или химических изменений, то зависимость термо-э.д.с. термопары от температуры хорошо воспроизводима. В связи с этим преобразователи, термопары которых изготовлены из одной и той же партии термоэлктродов, могут быть полностью взаимозаменяемы.

Перечисленные выше достоинства термопар могут быть реализованы только при соблюдении общих правил конструирования термоэлектрических измерительных цепей, из которых следует:

- Термо-э.д.с. возникающая в замкнутой цепи, зависит только от температуры спаев и не зависит от распределения температуры по длине проводников только для пары однородных, изотопных проводников.

- Неоднородность проводника допустима только в изотермической области.

- Неоднородность допустима только в однородном проводнике.

- При введения в цепь термопары прибора для измерения термо-э.д.с. необходима обеспечить его изотермичность.

- Каждый идеально чистый проводник имеет собственную термо-э.д.с., а наличие в проводнике даже минимального количества примесей заметно влижет на ее значение.

Термо - э.д.с. при точкнии.

Влияние электрического тока, возникающего при трении металлических тел, на их износ впервые на страницах технической литературы был поднят П.Л. Гордиенко и C.JI. Гордиенко [12]. Почти одновременно с ними выдвинул свою энергетическую теорию процесса трения и износа А. Д. Дубинин [20],

Рис. 1.3. Результаты опытов П.Л. Гордиенко и С.Л. Гордиенко (кривые 1 - 4 соответствуют схемам б - д подвода тока)

П.Л. Гордиенко и C.JI. Гордиенко провели эксперимент, сущность и результаты которого сводятся к следующему. Два бронзовых образца, электрически изолированные друг от друга и от корпуса установки, истирались о торцовую поверхность закаленного стального диска. Взвешиванием определяли износ одного из образцов. Другой образец выполнял функции контактной щетки. Опыты приводились при скорост и трения истираемого образца v_и -750 м/мин и удельном давлении q=1.6 кг/см². Скорость трения образца-щетки составляла v_и=660м/мин. При этом было исследовано влияние на износ бронзового образца; постоянного тока (Е=1 В, I=6 A) от внешнего источника, положительный полюс которого соединялся с истираемым образцом; постоянного тока (Е=1 В, I=6 A) от внешнего источника, отрицательный полюс которого соединялся с истираемым образцом; термотока, возникающего при трении по стальному образцу двух соединенных проводником бронзовых образцов при разности скоростей их истирания v_и-v_щ = 90 м/мин; термотока, возникающего на площадке контакта исследуемого образца с трущим диском вследствие различия в скорости трения на отдельных участках этой площадки.

Результаты данного исследования представлены на рис. 1.3. Наибольший износ при трении бронзы по закаленной стали наблюдается в случае движения постоянного тока от образца к диску. При изменении полярности износ уменьшается примерно в 4 раза. Без подвода электрического тока от внешнего источника при замкнутой проводником электрической цепи, образованной термо-электроэлементами бронзовый образец - стальной диск, износ резко уменьшился. Наименьший износ получился тогда, когда образец не составлял части электрической цепи, по которой протекал ток. Таким образом, П,Л. Гордиенко и С.Л. Гордиенко экспериментально показали, что электрический ток, независимо от его происхождения, проходя через поверхности контакта трущихсия тел, отрицательно влияет на их износостойкость. Их опыты свидетельствую о том, что устранение тока между трущимися поверхности приводит уменьшению износа. А.Д. Дубинин исследовал явление возникновения электрического тока при различных видах взаимодействия твердых тел, и частности, при обработке резанием. Он пришел к выводу, что не только при трении, но и при любых других видах воздействия на поверхностные слои твердого тела в них возникает разность потенциалов с протеканием электрического тока.

Величина потенциалов и их характер зависят от всех тех факторов, которые влияют на величину износа трущихся поверхностей, т. е. от давления, скорости, вида движения, материала трущихся тел, состояния трущихся поверхностей, сорта и качества смазки и т. д.

Отмечая, что изменение потенциалов в процессе трения связано с воздействием электрических импульсов на поверхность трущихся пар, А. Д. Дубинин высказывает предположение, что нахождение зависимостей изменения потенциалов в поверхностных слоях трущихся пар от различных факторов дал возможность установить связь этих потенциалов с величиной износа трущихся поверхностей, поскольку приращение потенциала характеризует процесс увеличения энергии в поверхностном слое трущейся нары и является эквивалентной величиной количества массы в поверхностном слое, разрушаемой в процессе трения [20].

X. Аксер изучал влияние термотока, возникающего в контуре станок-- инструмент--изделие--станок (СИИС), на износ твердосплавных токарных резцов. [42].

Первые его исследования, о которых он доложил на VI Аахенском коллоквиуме специалистов по станкам и резанию, показали, что термоток в значительной мере влияет на износ инструмента. Термо-э.д.с, возникающую при резании, X. Аксер справедливо считает первопричиной электрического тока, циркулирующего по контуру СИИС. Но он утверждает, что электрический контур СИИС обладает ничтожно малым сопротивлением прохождению электрического тока и на этом основании делает вывод, что небольшая термо-э.д.с. способна вызвать сравнительно большой ток в контуре СИИС.

Для борьбы с вредным влиянием термотока, возникающего при резании, на стойкость твердосплавного резца X. Аксер применил метод компенсации. При этом в эону контакта резца с обрабатываемой деталью от постороннего источника через делитель напряжения и сопротивление вводилась э.д.с. полярность которой была противоположна полярности термо-э.д.с., а величина равнялась, величине термо-э.д.с. Опыты проводились при несвободном чистовом точении (t - 0,2 мм; s = 0,28 мм/об) различных сталей резцами, оснащенными пластинами из твердого сплава марки ТТЗ. В качестве критерия затупления резца принимался его износ по задней поверхности. Результаты сравнительных стойкостных испытаний резцов, работавших в обычных условиях и с компенсацией термо-э.д.с. показали, что при компенсации термотока стойкость твердосплавных резцов увеличивается в 2-3 раза.

Проанализировав эти результаты, X. Аксер высказал предположение, что влияние термотока на износ инструмента проявляется в интенсификации электрическим током химических процессов, происходящих в зоне резания.

X. Опитц, анализируя результаты исследований X. Аксера, обратил внимание, в частности, на то, что компенсационный метод борьбы с износом существенно уменьшает износ задней поверхности резца, но не оказывает заметного влияния на износ его передней поверхности [44].

Эффективность перечисленных в предыдущем разделе методов борьбы с вредным влиянием термотока, возникающего при резании, на износостойкость инструмента исследовалась преимущественно в лабораторных условиях при точении образцов из различных сталей резцами из твердых сплавов вольфрамо - кобальтовой, титано - вольфрамо - кобальтовой и тантало - титано - вольфрамо - кобальтовой групп. Кроме названных выше исследователей, таким исследованиями занимались А. А. Аваков с учениками [6, 7 ] Ю. М. Коробов [24, 26] и др. Производственных испытаний, кроме Х. Аксер [42], практически никто не проводил. Все названные исследователи, за исключением Г. Энгстранда, наблюдали повышение стойкости твердосплавных резцов. При этом подавляющее большинство названных авторов не приводят сведений об истинных величинах термо-э.д.с. возникающих при точении, или термотоков, протекающих по контуру СИИС.

Необходимость же получения объективных сведений о величине термо- э.д.с. или термотока, возникающих при точении, вызывается также тем, что эти сведения часто используются для определения, так называемой, температуры резания, т. е. температуры нагрева, поверхностей контакта инструмента со стружкой и обрабатываемой деталью. Значения этой температуры представляют наибольший интерес для определения износостойкости инструмента.

Как показали исследования, проведенные В.А. Бобровским под руководством А.М. Даниеляна [16], на величину термо - э.д.с., возникающей при точении твердосплавными инструментами, значительное влияние оказывает даже конструкция резца.

Исследуя эффективность различных методов борьбы с вредным влиянием термотоков на износ инструмента, В.А, Бобровский измерял, в частности, величины термо-э.д.с., возникающих при точении образцов из различных сталей резцами с механическим креплением неперетачиваемых пластин из твердых сплавов ВК6 и Т15К6. Опыты проводились на станке мод.1620. Обрабатывались образцы из сталей 45, 40Х, 12ХНЗА, I8X2H4BA, У7 и 34ХН1М (по ТУ МТ и ТМ 31-7-54). Державки резцов были изготовлены из тех же сталей, которые подвергались обработке.

В результате было установлено, что в случае, когда сталь данной марки обрабатывается резцом с державкой из той же стали, значения регистрируемых величин результирующей термо-э.д.с. получаются, как правило, меньшими, чем при обработке резцом с державкой из другой стали. Своеобразное исключение наблюдалось лишь при обработке образцов сталей 12ХНЗА и 18Х2Н4ВА резцом с державкой из стали У7. В этом случае значения регистрируемых термо - э.д.с. получались наименьшими. Эти явления можно объяснить только тем, что при прогреве режущей пластины в зоне контакта ее с державкой возникает термо- э.д.с., знак которой в замкнутом контуре СИИС противоположен знаку термо - э.д.с., возникающей в зоне резания. Справедливость такого объяснения подтверждается тем, что в данном случае величина регистрируемой термо - э.д.с. с возрастанием времени резания не увеличивается, как этого можно было ожидать, а, наоборот, уменьшается вследствие более сильного прогрева зоны контакта режущей пластины с державкой. Следовательно, в этом случае имеет места своеобразная частичная компенсация термо - э.д.с., возникающей в зоне резане. А так как пара твердый сплав -- сталь У7 характеризуется наибольшим коэффициентом термо - э.д.с., то при прогреве зоны контакта твердосплавной пластины с державкой из стали У7 имеет место наибольшая компенсация.

Из изложенного выше следует; для уменьшения величины термотоков, циркулирующих по контуру СИИС при резании, а тем самым и уменьшения вредного влияния термотоков на износ инструмента, державки составных инструментов следует изготовлять (там, где это возможно) из того же материала, который подвергается обработке. В то же время рассмотренные опыты, как и вышеупомянутое исследование [16], убеждают в том, что при измерении температуры резания термопарой инструмент - деталь применение в качестве одного из термоэлектродов составного резца может привести к получению значений температуры резания, весьма далеких от фактических.

На величину регистрируемом при резании результирующей термо - э.д.с., а тем самым на точность определения термопарой инструмент - деталь температуры резания могут влиять (как привило, незначительно) термо - э.д.с., возникающие в трущихся пирах станка. Если при определении температуры резания термопарой инструмент--деталь в качестве регистрирующего прибора используют милливольтметр или электронный осциллограф с большим внутренним сопротивлением, то сопротивление контура СИИС практически не влияет на точность определения величины результирующей термо-э.д.с. Если же в качестве регистрирующего прибора используется миллиамперметр или гальванометр магнитоэлектрического осциллографа со сравнительно малым внутренним сопротивлением, то сопротивление контура СИИС может существенно повлиять на величину регистрируемого термотока, а тем самым и на величину определяемой таким способом температуры резания. В этом исследовании проверялось влияние способа включения регистрирующего прибора в контур термопары инструмент-- деталь на регистрируемую величину термотока (температуры резания). Опыты проводились при точении образцов из стали 45 на станках мод. 1К62 и ЛТ-10 цельным резцом из твердого сплава марки Т30К4. Резец имел размеры 20 х 20 х 120 мм и геометрию режущей части: г= 10°; б=б₁= 8°; ц = 45°; ц=18°; л = + 5°; R=0,5мм. Глубина резания принималась равной t = 1 мм и t=1,5 мм; подача s=0,21мм/об; скорость резании изменяли в пределах 4 - 473 м/мим. Термоток регистрировали с помощью гальванометра VIII группы (собственное сопротивление Rг= 11,7 Ом) магнитоэлектрического обрабатываемая деталь и резец изолированы от станка, то изменение варианта подключения гальванометра к детали почти не влияет на регистрируемую величину термотока, причем эта величина с увеличением скорости резания все время только возрастает. Интенсивность роста регистрируемой величины термотока (иначе говоря, роста температуры резания) с увеличением скорости резания уменьшается.

Снижение роста температуры резания при увеличении скорости резания отмечалось многими исследователями, начиная с Я. Г. Усачева [4], и получило те или иные объяснения. Правда, в большинстве случаев такие объяснения даются односторонне, без учета всей сложности явления [38], а иногда и неправильно.

Температура резания, несомненно, зависит от прочностных характеристик металлов стружки и инструмента, находящихся в контакте. При прочих равных условиях температура будет тем выше, чем прочнее обрабатываемый материал, так как и работа трения и работа деформации в этом случае будут больше. Увеличение скорости резания сопровождается повышением как температуры основной массы стружки вследствие деформации, так и, главным образом, повышением температуры прирезцового слоя стружки в результате увеличивающейся работы трения. При этом термопару резец - деталь градуировали в соответствии с рекомендациями, содержащимися в работе [16].

Было проведено три серии опытов. В первой серии резец и деталь электрически изолировались от станка; во второй серии изолировался от станка только резец; в третьей серии ни резец, ни деталь от станка не изолировались. Резец к гальванометру во всех случаях подключался непосредственно с помощью медного провода, припаянного к резцу. Обрабатываемая деталь подключалась к гальванометру различными способами.

Результаты измерения термотока при проведении всех этих опытов на станке мод. 1К62 представлены на рис. 1.4. Если повышение температуры приводит к изменению прочностных характеристик обрабатываемого металла, особенно в прирезцовом слое: прочность этого слоя, по-видимому, начнет снижаться. Этим в первую очередь и можно объяснить уменьшение интенсивности роста температуры резания с повышением скорости.

Рис.1.4. Зависимость величины термотока от скорости резания при различных вариантах включения регистрирующего прибора в цепь термопары инструмент - деталь

Опытные данные Н. Н. Зорева, Т. Н. Лоладзе и ряда других исследователей, по исследованию влияния ширины отрицательной фаски на резце с двойкой передней поверхностью на различные факторы резания [1], свидетельствуют о том, что увеличение скорости резания приводит к уменьшению длины контакта стружки с передней поверхностью инструмента. Этот фактор, приводя к уменьшению пути трения стружки о переднюю поверхность резца, должен приводить к снижению интенсивности роста температуры резания с повышением скорости. Аналогичным, очевидно, должно быть действие изменения условий теплоотвода с повышением скорости резания: количество тепла, остающегося в стружке, увеличивается, а количество тепла, отводимого в обрабатываемую деталь и в резец, уменьшается. Теоретические изыскания М. П. Левицкого [30, 31] и других авторов [15, 28 др.] по этому вопросу нашли экспериментальное подтверждение в работе С. С. Можаева [34]. Его экспериментальные данные приведены на рис. 1.5.

Рис.1.5. Распределения тепла между стружкой и инструментом в зависимости от скорости резания при точения образцов из стали (t - 2 мм, s - 0,218мм/об) резцом из твердого сплава Т15К6 (г =-10о , б=10о , ц=35о , л=0о) [34].

Кроме сказанного, нужно еще отметить следующее. При увеличении скорости резания уменьшается время контакта стружки с инструментом, время деформации на поверхности сдвигов и в пределах углах и влияние снижения прочностных характеристик металла на уменьшение температуры резания. При повышении температуры деформации уменьшается интенсивность снижения прочностных характеристик всех металлов, включая и стали (при температуре, большей, чем температура зоны дисперсионного твердения). Следовательно, ожидать непрерывного уменьшения роста температуры резания с повышением скорости резания (в пределах скоростей резания, применяемых на практике в промышленности и в исследовательских работах) не приходится.

Таким образом, зафиксированные при использовании вариантов о, б, в, е, ж и к зависимости величины термотока от скорости резания (см. рис. 1.4.) вполне объяснимы и хорошо согласуются с данными температурных исследований многих авторов. Во всех этих вариантах в контуре термопары резец деталь содержатся только такие элементы, сопротивление которых условно можно назвать, «сопротивлением станка», и внутреннее сопротивление термоэлемента инструмент--деталь.

Термо-э.д.с. при сверлении.

Выше отмечалось, что эффективность различных методов борьбы с влиянием термотоков на износ инструмента исследовалась преимущественно при точении стальных деталей твердосплавными резцами. Лишь М.Т. Галей исследовал эффективность метода противотока при сверлении стали 45 сверлами из быстрорежущих сталей марки PI8 и марки M l производства США [6]. В результате проведения этих опытов М.Т. Галей установил, что при вводе в зону резания противотока оптимальной величины стойкость сверл повышается в 2--4 раза. Этим впервые было доказано, что возникающие при резании термотоки отрицательно влияют на стойкость режущих инструментов не только из твердых сплавов, но и из быстрорежущих сталей.

Исследование интенсивности и характера изменения величины результирующего термотока в зависимости от глубины сверления глухих и сквозных отверстий осуществил В.А. Бобровский [2].

Рис.1.6. Зависимость регистрируемой величины термотока от глубины сверления сплошного образца из стали У8 сверлом из стали Р18 (D=24мм) с различными скоростями резания при s - 0,2мм/об;