Способ измерения температуры в поверхностном слое заготовки при механической обработке

 

Изобретение относится к механической обработке заготовок, в частности к определению контактных температур при шлифовании. Перерезаемую полуискусственную термопару устанавливают в заготовке, а измерение температуры осуществляют на глубине, равной толщине электрода термопары в направлении вектора скорости заготовки. Использование способа ведет к повышению точности и стабильности определения температуры в поверхностном слое заготовки при механической обработке. 5 ил.

Изобретение относится к механической обработке и может быть использовано при назначении режима шлифования заготовок.

Известен способ измерения температуры в зоне шлифования (см. Ящерицын П. И., Цокур А.К., Еременко М.Л. Тепловые явления при шлифовании и свойства обработанных поверхностей. Минск: Наука и техника, 1973. С. 52), в котором температуру измеряют полуискусственной термопарой, электрод которой располагают в стыке разрезанной заготовки, а ее королек защемляют на некоторой глубине в поверхностном слое заготовки.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе текущую глубину в поверхностном слое заготовки, на которой регистрируется температура, можно определить лишь после того, как датчик перестанет передавать сигнал: термопара измеряет температуру, относящуюся к точке в переходной области от королька к стеблю электрода; по мере снятия припуска координата этой области по глубине от обрабатываемой поверхности уменьшается; после выхода королька термопары на поверхность он срезается режущим инструментом, спай термопары разрушается, а датчик прекращает работу; после этого следует сразу же прекратить обработку, измерить высоту заготовки, а затем, зная глубину шлифования на каждом рабочем ходе, вычислить глубину залегания спая на каждом из рабочих ходов; далее сопоставляют температурные отклики термопары на каждом рабочем ходе с вычисленной глубиной залегания спая термопары.

Другим недостатком известного способа является то, что погрешность определения текущей глубины залегания королька равна глубине резания при последнем рабочем ходе, так как при предпоследнем рабочем ходе режущего инструмента королек, размеры которого существенно меньше глубины резания, может оказаться как у поверхности заготовки, так и на глубине, равной глубине резания.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ, содержащий полуискусственную перерезаемую термопару, термоэлектрод которой закладывают между двух прижатых друг к другу частей заготовки (см. Резников А.Н., Резников Л. А. Тепловые процессы в технологических системах. М.: Машиностроение, 1990. С. 147-149), принятый за прототип. Термоэлектрод на всем протяжении, кроме спая, изолируют от заготовки.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что известный способ применяли лишь для измерения температуры поверхности заготовки при ее обработке. При этом результаты измерения существенно отличались при изменении размеров термоэлектрода, что объясняли различием в теплоотводе из области измерения температур в электрод различной толщины, а следовательно, и различной теплоемкости. Однако этот вывод получен в некорректных условиях - сравнивали температуры на поверхности заготовки при отсутствии теплоотвода в нее (что само по себе нереально) с температурой при теплоотводе в электроды различных размеров.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Повышение производительности шлифования и при этом обеспечение заданного качества поверхностного слоя детали невозможно без точного определения количества тепловой энергии, поступающей в заготовку, так как для определения глубины дефектного поверхностного слоя необходимо знать температуру в этом слое.

Технический результат - повышение точности и стабильности определения температуры в поверхностном слое заготовки при механической обработке.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что оно, как и известный способ, содержит полуискусственную перерезаемую термопару. Особенность заключается в том, что глубина залегания точки, в которой измеряется температура, равна толщине (в направлении вектора скорости заготовки) термоэлектрода.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном изобретении, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна". Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата, в частности, заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования: - дополнение известного средства какой-либо известной частью, присоединяемой к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такого дополнения; - замена какой-либо части известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены; - исключение какой-либо части средства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата; - увеличение количества однотипных элементов, действий для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов, действий; - выполнение известного средства или его части из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами этого материала; - создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании известных правил, рекомендаций, и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого средства и связей между ними.

Описываемое изобретение не основано на изменении количественного признака, представлении таких признаков во взаимосвязи, либо изменении ее вида. Имеется в виду случай, когда известен факт влияния каждого из указанных признаков на технический результат, и новые значения этих признаков или их взаимосвязь могли быть получены исходя из известных зависимостей, закономерностей. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

На чертежах изображено: на фиг. 1 изображена конструкция разрезанной заготовки в сборе с приспособлением; на фиг. 2 - увеличенное изображение области I (на фиг. 1) заготовки с защемленными пластинами изолятора и электродом после сборки, но до механической обработки; на фиг. 3 - то же, но после одного из рабочих ходов режущего инструмента; на фиг. 4 - увеличенное изображение спая электрод термопары - заготовка со схемой генерации и течения токов термоэлектродвижущей силы (термоЭДС) под действием температурного перепада; на фиг. 5 представлены зависимости температуры Т на глубине 15 мкм (термопара 1) и 65 мкм (термопара 2) при плоском встречном шлифовании от расстояния до начала теплового источника.

Условия проведения эксперимента: круг 1 225х40х76 24А40НСМ17К5; материал заготовки - сталь 40Х, HRC 41...44; окружная скорость круга 28 м/с, скорость заготовки 5 м/мин, глубина шлифования 0,005 мм; охлаждение - полив 0,5%-ным содовым раствором с расходом 10 дм³/мин; длина дуги контакта заготовка - круг 1,06 мм.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата: термоэлектрод 4, защемленный между двумя частями заготовки 1 и изолированный пластинами 3 (см. фиг. 2), шлифуют совместно с заготовкой при скорости заготовки V_з. При этом изолятор, выполненный из хрупкого материала (например, слюды), разрушается, а термоэлектрод, выполненный из вязкого материала (например, хромеля), деформируется (см. фиг. 3). Образуется спай. Температура, регистрируемая термопарой, относится к точке спая, расположенной на глубине h в поверхностном слое заготовки. Сигнал от термопары регистрируют с помощью гальванометра G, электронного осциллографа или с помощью аналого-цифрового преобразователя и компьютера записывают в файл. Зависимость температуры от времени τ преобразовывают к виду температура - координата х вдоль обрабатываемой поверхности заготовки в направлении вектора скорости V_з, используя замену х=τ/V_з.

Зарегистрированная температура относится именно к точке спая на глубине h по следующим соображениям (см. фиг.4). Известно, что термо-ЭДС между двумя спаями двух разнородных материалов генерируется в том случае, если они (спаи) имеют различную температуру. Если температура неравномерна в пределах одного спая, то термоЭДС между такими областями замыкаются (термоЭДС между областью с температурой T₁ и областью с Т₂, между областью Т₂ и областью Т₃). И только между областью с температурой Т₃ и областью с температурой Т₀ (температура "холодного" спая) термоЭДС замыкается через удлинительные провода и может быть зарегистрирована соответствующей аппаратурой.

Экспериментальные исследования температур, полученных с использованием термоэлектродов различной толщины, показали, что толщина электрода определяет глубину расположения точки, в которой фактически измерена температура (см. фиг. 5). Подтверждение этому - кривые 1 и 2 исходят из одной точки х=0 (температура во всех точках заготовки до появления теплового источника одинакова) и вновь пересекаются в точке х=1,06 мм (конец теплового источника). В пределах отрезка х=(0...1,06) мм заготовка нагревается, а затем (х>1,06 мм) температура T₂ превышает T₁, т.е. тепловой поток направлен уже из заготовки в окружающую среду - заготовка охлаждается.

Именно благодаря особенностям заявляемого изобретения появляется возможность определить температуру в поверхностном слое, что открывает перспективы определения мгновенных значений плотности теплового потока в зоне резания (при одновременном использовании двух или более термоэлектродов различной толщины), что позволит существенно повысить производительность обработки за счет повышения точности моделирования тепловых процессов.

Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий: - средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно в машиностроении, и может быть использовано при назначении режима шлифования заготовок;
- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;
- следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Формула изобретения

Способ измерения температуры в поверхностном слое заготовки при механической обработке, при котором в заготовке устанавливают перерезаемую полуискусственную термопару, отличающийся тем, что измеряют температуру на глубине, равной толщине электрода термопары в направлении вектора скорости заготовки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5