1)В чем смысл обобщенного алгоритма теплофизического анализа?

2) Сформулируйте суть инженерной методики расчета температур.

3) Напишите уравнение инженерной методики расчета температур и расшифруйте значения сомножителей.

4) Какие виды теплообмена возникают в зоне резания?

5) Какие существуют пути управления тепловыми явлениями при резании?

6) Какие тепловые явления возникают при работе в технологическом оборудовании?

7) Схемы движения тепловых потоков.

8) Опишите аналитический расчет тепловых потоков по методу источников теплоты.

9) Структурная схема теплообмена в зоне резания.

10) Тепловыделение и температура в подшипниках.

Глава 4. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ РЕЗАНИЯ

Используемые в настоящее время экспериментальные методы исследования тепловых процессов в зоне резания чрезвычайно разнообразны и благодаря их надежности и простоте являются основным методом исследования. С их помощью можно определить количество выделяемой теплоты и его распределение между стружкой, деталью и инструментом; температуру контактных площадок инструмента; температурные поля в зоне деформации и режущем клине инструмента. Рассмотрим некоторые из них.

1 Калориметрический метод.

Калориметрический метод позволяет определить количество теплоты, переходящей в стружку, деталь и инструмент, а также их средние температуры. Например, улавливая в калориметр горячую стружку, зная массы стружки и воды в калориметре и изменение температуры воды, можно определить среднюю температуру стружки (рис. 4.1, а) Есть также калориметры, в которые погружают деталь и инструмент (рис. 4.1, б).

2 Метод пленок.

Метод пленок заключается в том, что на контактные площадки инструмента наносится в вакууме тонкий слой чистого металла с известной температурой плавления. Теплота, выделяющаяся при резании, оплавляет пленку в области, где достигается температура ее плавления, и тем самым обозначает соответствующую изотерму.

3 Метод термокрасок.

Метод термокрасок принципиально аналогичен методу пленок, но вместо чистых металлов используются специальные составы, изменяющие свой цвет под действием температур.

4 Термоэлектрический метод.

Термоэлектрический метод заключается в том, что если нагреть место спая двух проводников из различных металлов, оставляя при этом свободными концы при более низкой температуре, на последних возникает термо-ЭДС, которая зависит от разности температур спая и более холодных концов. Замыкая цепь через милливольтметр, можно измерить термо-ЭДС. Такая цепь называется термоэлектрической. Этот метод является наиболее распространенным и подразделяется на несколько разновидностей.

4.1. Метод искусственной термопары

Метод искусственной термопары заключается в том, что в инструменте просверливается отверстие малого диаметра, не доходящее до какой-либо точки передней или задней поверхности примерно на 0,2…0,5 мм, в которое вставляется изолированная термопара (рис. 4.3). Температура в точке соприкосновения термопары и инструмента регистрируется включенным в цепь термопары гальванометром.

Этот метод дает возможность определить температуру различных точек на передней и задней поверхностях инструмента и на поверхности стружки, т. е. найти температурное поле.

Недостатками классической схемы искусственной термопары является сложность устройства и невозможность определить наивысшую температуру, так как измерение температуры фактически производится не на поверхности контакта резца и стружки, а на некотором удалении от них.

Более точные значения температур можно получить, используя скользящие или бегущие термопары.

Принципиальная схема бегущей термопары представлена на рис. 4.4. Деталь 4 имеет гребни в форме винта с ленточной резьбой. В них сверлят отверстия диаметром  0,5… 0,7 мм, в которые встав­ляют защитные трубки  3 с двумя изолированными проводниками 1 и 2 термопары. Трубка из обрабатываемого или близкого к нему по свойствам материала защищает проводники от преждевременного замыкания. При перерезании резцом трубки проводники замыкаются, и на поверхности резания образуется точечная термопара, которая движется вместе с прирезцовым слоем стружки по передней поверхности. Это позволяет записать распределение тем­пературы по длине контакта. Участки проводников, оставшиеся в заготовке, позволяют определить распространение температуры вначале по задней поверхности инструмента, а затем температуру обработанной поверхности.

Стремление уменьшить размеры слоев термопар и приблизить последние к контактным поверхностям инструмента привело к созданию пленочных термопар. Например, резец с искусственной пленочной термопарой состоит из пластин 2 и 6, прижатых друг к другу с помощью накладки 7 в державке 1 (рис. 4.5). На одну из пластин с помощью трафарета напылены последовательно химически чистое железо 3, слой изоляции 4 и химически чистый никель 5. К концам напыленной термопары припаиваются проводники, соединенные с измерительным устройством. Пленочные термопары существенно снижают погрешности измерения и перспективны для теплофизических исследований.

4.2. Метод полуискусственной термопары

В методе полуискусственной термопары один из ее элементов (инструмент или деталь) естественно присутствует при механической обработке, а второй не участвует в этом процессе, а вводится в зону обра­ботки с целью измерения температуры.

Разновидность метода полуискусственной термопары приведена на рис. 4.6. В теле разрезного резца 1 закладывается изолированная от него токопроводящая пластина 2, расположенная под углом  к режущей кромке. Термо-ЭДС, возникающая между стружкой 3 и пластиной, регистрируется измерительным устройством. Если при свободном точении диска из обрабатываемого материала инструменту сообщить продольное перемещение, можно записать закон распределения температур на пло­щадке контакта резец — стружка.

Метод полуискусственной термопары дает более точные результаты, чем метод искусственной, но, обеспечивая измерение температур в данных точках поверхности, не дает возможности изучить закономерности влияния элементов режима резания на наивысшую температуру процесса резания.

4.3. Метод естественной термопары

В методе естественной термопары элементами термопары служат деталь и инструмент, которые, будучи разнородными металлами, в процессе резания имеют сильно нагретый контакт, являющийся спаем этой термопары. Концы инструмента и детали имеют значительно более низкую температуру. Одна из распространенных схем естественной термопары приведена на рис. 4.7. Заготовка 5 изолируется от станка при помощи диэлектрических прокладок и текстолитовой вставки 4 в деталь, на которую опирается задний центр станка. Резец 6 изолируется от резцедержателя станка при помощи текстолитовых прокладок 7. Для замыкания контакта с деталью в заготовку ввертывается стержень 1, диаметр которого меньше, чем отверстие в шпинделе. Этот стержень при выходе из шпинделя проходит через текстолитовую втулку 3, чтобы избежать соприкосновения со станком. На конце стержня установлен токосъемник 2, которым обеспечивается надежное замыкание вращающегося и неподвижного участков цепи. Возникающая в процессе резания термо-ЭДС регистрируется гальванометром 8.

Для устранения дополнительных паразитных термопар, возникающих в местах стыка деталей станка с заготовкой, резец и заготовку изолируют от станка.

4.4. Метод бесконтактного измерения температур

Метод бесконтактного измерения температур представляет собой регистрацию теплового излучения отдельных участков детали или инструмента в процессе обработки. Он основан на принципе собирания теплового излучения с участка нагретой поверхности 1 с помощью линз 2 и направления его на фотосопротивление 3. Под действием теплового излучения в фотоэлементе возникает ток, который повышается усилителем 4 и регистрируется измерительным устройством 5 (рис. 4.8). Фотоэлектрический метод позволяет измерять температуру различных участков зоны резания и опре­делять температурные поля передней и задней поверхности резца.

На основании приведенной общей схемы разработана конструкция и изготовлен прибор для измерения температуры в любой точке зоны резания.

Был применен специальный резец с прихватом и пластиной из прозрачного для инфракрасной области спектра материала с полированными передней и нижней (опорной) плоскостями, причем опорная плоскость выполнена зеркальной. В качестве режущих материалов применялись алмаз и лейкосапфир. Объектив наводился в зону резания со стороны главной задней поверхности резца. Исследования показали, что таким образом можно измерять темпера­туру даже в том случае, если нет возможности нанести зеркальное покрытие.

Приборы такого типа могут быть использованы для измерения температуры не только на площадке контакта, но и в любой точке режущей части резца. Это используется в тех случаях, когда инструментальный материал не прозрачен для инфракрасных лучей, или когда сходящая стружка закрывает контактную площадку. Зная температуру в точках вне площадки контакта и используя известные закономерности распределения температур, можно теоретически рассчитать температуру в любой точке режущей кромки.

Контрольные вопросы к четвертой главе

1) Калориметрический метод определения температуры.

2) Определение температуры методом пленок.

3) Определение температуры методом термокрасок.

4) Термоэлектрический метод.

5) Метод искусственной термопары.

6) Метод скользящей термопары.

7) Метод полуискусственной термопары.

8) Метод естественной термопары.

9) Методы бесконтактного измерения температуры.

10) Опишите влияние скорости резания на температуру резания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение сформулируем некоторые общие выводы и правила, руководствуясь которыми инженерно-технические работники машиностроительного производства с помощью теплофизического анализа могут повысить эффективность технологических систем.

1. Изучение и описание тепловых процессов в технологических системах позволяют отыскивать те области систем, в которых возникают экстремальные ситуации, ограничивающие производительность операций, влияющие на качество и себестоимость продукции.

Эти ситуации могут возникать непосредственно в зоне, где происходит формоизменение заготовки. Тогда они влияют на работоспособность инструмента и качество изделий. Экстремальные термические ситуации могут возникать в узлах оборудования и оснастки. Тогда они влияют на эксплутационные показатели рабочих машин и через них вновь на производительность процессов и качество продукции.

2. В зависимости от конкретных условий описание тепловых процессов и температурных полей в технологических системах и подсистемах может быть выполнено аналитическими методами, численными способами с помощью ЭВМ, методами моделирования или экспериментально. Успешным может быть комбинирование нескольких различных методов описания тепловых явлений.

3. При анализе и совершенствовании технологических систем большую роль играет описание законов изменения температур на контактных поверхностях тел, участвующих в теплообмене. Решение задач, относящихся к определению температур контактных поверхностей тел при различных рабочих процессах или температур в узлах станочного оборудования, может быть выполнено с помощью обобщенного алгоритма теплофизического анализа и инженерной методики расчета температур.

4. Тепловые процессы, как правило, играют наибольшую роль в подсистемах первого уровня, в которых формируются поверхности детали.

Важным участком технологических подсистем первого уровня являются контактные поверхности между заготовкой и инструментом. Для контактных поверхностей могут быть рекомендованы оптимальные температуры, зависящие от свойств материалов заготовки и инструмента. Оптимальные температуры могут быть достигнуты регулированием режимов обработки, а также введением в технологическую подсистему дополнительных источников (плазменный, лазерный и другой нагрев) или стоков теплоты. Если в качестве стока теплоты используется охлаждающая жидкость, то её маршрут должен быть построен таким образом, чтобы эта среда, прежде всего, встречала нагретые поверхности интересующего объекта (инструмента), а затем уже поверхности других тел (стружки, заготовки).

При прочих равных условиях предпочтительнее инструментальные материалы более высокой теплопроводности не только потому, что они усиливают рассеивание теплоты в массе инструмента, но и потому, что они активнее транспортируют теплоту в окружающую (в том числе охлаждающую) среду. Теплопроводность материала инструмента должна быть тем выше, чем ниже теплопроводность материала заготовки.

5. Большие, во многом ещё не использованные резервы повышения работоспособности и снижения тепловых деформаций тел, входящих в подсистему первого уровня, в частности инструментов, заложены в применении прерывистых методов теплового нагружения и ротационных способов перемещения рабочих поверхностей.

6. Тепловые процессы, протекающие в технологическом оборудовании, влияют на точность изделий, поскольку эти процессы вызывают деформации и смещения деталей и узлов, а, следовательно, и погрешности обработки. Уменьшить эти погрешности можно, если при проектировании оборудования предусмотреть размещение узлов, сильно влияющих на повышение температуры корпусных деталей (электродвигателей, резервуаров с технологической или смазочной жидкостью и т.д.), за пределами станка или, по крайней мере, в удалении от узлов, определяющих точность изделий.

При конструировании оборудования следует по результатам расчета или экспериментов определять температурные поля и вероятные тепловые деформации важнейших деталей и предусматривать устройства для компенсации погрешностей, вызванных этими деформациями.

7. Сведения о тепловых явлениях в технологических системах не несут полной информации о ходе технологических процессов. Однако во многих случаях, особенно при интенсификации режимов обработки и повышении требований к качеству продукции, управление тепловыми явлениями тесно связано с обеспечением высоких показателей производственного процесса.

5. РЕШЕНИЕ ТИПОВЫХ ЗАДАЧ

Пример 1. На внутришлифовальном станке производится врезное шлифование отверстия  d_в= 50 мм во втулке из стали  ШХ15, l= 34 Вт/(м² ×°С)  (рис. 5.1). Охлаждающую жидкость в процессе шлифования не применяют. Измерения показали, что избыточные температуры при установившемся теплообмене составляют в среднем       Q_в= 128 °С и Q_н = 40 °С соответственно на внутренней и наружной поверхностях заготовки. Эффективная мощность, подведенная к шлифовальному кругу, W = 2,5 кВт. Требуется определить, какая доля теплоты попадает в заготовку.

Алгоритм решения и комментарии к нему:

а) из-за высокой окружной скорости вращения втулки следует принять, что плотность теплового потока по внутренней поверхности распределена равномерно;

б) пренебрегая изменением r_в в процессе шлифования, рассчитать плотность теплового потока на внутренней поверхности втулки

,

 (q = 35,6 × 10⁴ Вт/м²);

в) определить мощность источника теплоты, возникающего на внутренней поверхности втулки (W_в= 2236 Вт);

г) определить, какая доля общей тепловой энергии процесса шлифования попадает в заготовку.

Ответ: (W_в/W) × 100 % = 89,4 %.

Пример 2. Проводник, материал которого неизвестен, имеет длину l = 100 мм и диаметр d = 2 мм. Он подсоединен к источнику электрической энергии, имеющему мощность W = 50 Вт, и за время t = 5 с нагревается равномерно по объему до температуры 180 °С. Термическое сопротивление проводника известно, оно составляет R = 880 °С/Вт. Определить коэффициенты тепло- и температуропроводности материала проводника, если теплоотводом в окружающую среду можно пренебречь.

Алгоритм решения и комментарии к нему:

а) рассчитать коэффициент теплопроводности [l»36 Вт/(м × °С)];

б) применить закон Фурье при условии, что внешних источников теплоты нет и прогревание стержня равномерное (cp ¶Q = q_в¶ t , или l ¶Q=wq_в¶ t);

в) выполнить интегрирование выражения, полученного в п. б, подставив пределы 0 < Q < 160 и 0 < t < 5 (wq_в = 11,5);

г) рассчитать объемную плотность тепловыделения, полагая, что мощность источника расходуется только на нагревание проводника (q_в » 159×10⁶ Вт/м³);

д) рассчитать коэффициент температуропроводности материала (w = 0,072 × 10^-4м²/с).

Ответ: w = 0,072 × 10^-4м²/с; l  = 36 Вт/(м ×°С).

Пример 3. Головка токарного резца сечением 16 х 25 мм² имеет среднюю температуру 100 °С. На верхнюю поверхность резца направлена струя жидкости (водного раствора) под углом 60° к оси стержня. Жидкость подается через сопло диаметром 15 мм. Расход жидкости 8 л/мин, ее температура 20 °С. Рассчитать средний по омываемой поверхности коэффициент теплоотдачи от резца в охлаждающую среду.

Алгоритм расчета и комментарии к нему:

а) рассчитать скорость истечения жидкости из сопла (w  = 0,75 м/с);

б) рассчитать эквивалентный диаметр стержня (d_экв » 0,0195 м);

в) рассчитать значение Re₀ (Re₀ = 1,45 × 10⁴);

г) рассчитать значения Pr₀ и Pr_s (Pr₀ = 7,03; Pr_s = 1,75);

д) рассчитать значение Nu_o с учетом поправки на наклон струи (e » 0,9; Nu_o = 226);

е) рассчитать коэффициент теплоотдачи.

Ответ: a»7000 Вт/(м² ×°С).

Пример 4. Заготовку из стали 30Х диаметром 150 мм обрабатывают на токарном станке со скоростью резания v = 120 м/мин. Искусственное охлаждение не применяют. По расчету, при котором наружная поверхность заготовки полагалась адиабатической, избыточная температура этой поверхности Q_s = 80 °С. Можно ли пренебречь теплоотдачей вращающейся заготовки в окружающий воздух, температура которого Q₀ = 20 °С? Длительность операции t = 2 мин.

Алгоритм расчета и комментарии к нему:

а) считать, что скорость обдувания заготовки воздухом равна скорости резания   (w = 2 м/с);

б) в первом приближении рассматривать заготовку как полупространство длиной  l = pd = 0,47 м, полагая этот размер характерным;

в) рассчитать коэффициент теплоотдачи в воздух [a»6,8Вт/(м² × °С)];

г) определить плотность теплового потока, отводимого с поверхности заготовки в воздух (q_в = aQ_s = 544 Вт/м²);

д) для расчета снижения температуры поверхности, вызванного теплоотдачей в воздух, воспользоваться формулой

,

положив q = q_в (Q » 0,5 °C);

е) рассчитать изменение температуры поверхности заготовки [(Q/Q_s)  × 100 % » 0,6 %].

Ответ: Поскольку изменение температуры незначительно, теплоотдачей в окружающий воздух можно пренебречь.

Пример 5. В условиях примера 3 рассчитать приведенный коэффициент теплоотдачи, если средняя температура головки резца равна 200 °С?

Алгоритм расчета и комментарии к нему:

а) определить коэффициент теплоотдачи при кипении [a_к» 0,46 × 10⁴ Вт/(м² × °С)];

б) рассчитать значение Nu_o, принимая предельное для воды при атмосферном давлении значение Pr_s = 1,75;

в) рассчитать значение a для условий конвективного теплообмена [a » 0,7 × 10⁴ Вт/(м²  × °С)];

г) сопоставить значения a_к и a  (a_к » 0,66 a);

д) рассчитать приведенный коэффициент теплоотдачи.

Ответ: a* » 1,07 × 10⁴ Вт/(м² × °С).

Пример 6. Тепловая труба (рис. 5.2), изготовленная из меди, имеет размеры d_н= 10 мм;  d_в = 8 мм. Высота уровня жидкости (воды) h₁ = 10 мм, давление внутри трубы р = 0,01 МПа. Глубина заделки нижнего конца трубы l₁= 15 мм. Длина участка конденсации h₂= 20 мм, температура стенок Q_s2 = 20 °С. Рассчитать: 1) какое количество теплоты в единицу времени отводит труба от нагретого тела; 2) какова температура на наружной цилиндрической поверхности трубы в зоне нагрева; 3) какова средняя плотность теплового потока q₁ на нагреваемом конце трубы.

Алгоритм расчета и комментарии к нему:

а) по прил. 3 определить температуру насыщения при давлении р = 0,01 МПа (q_н = 45,8 °С);

б) по прил. 4 определить коэффициент теплопроводности l, вязкость n и критерий Рr для воды, плотность пара r_п, теплоту парообразования r и характерный размер l_* при температуре насыщения [l₁= 64,2 × 10^-2 Вт/(м × °С)); n = 0,6 × 10^-6 м²/с; Рr=3,86; r_п = 0,07 кг/м³; r= 2392 × 10³ Дж/кг; l_*= 3836 × 10^-6 м];

в) считая Re_*>0,01, рассчитать коэффициент А (А=49,7);

г) рассчитать определяющую температуру для процесса конденсации в верхней части трубы [= 0,5 (45,8 + 20) »  33 °С];

д) по прил. 3 и 4 определить l, m и r при температуре  [l₂ =63,3 ×  10^-2Вт/м °С; m₂=5,1 × 10^-4 Па × с; r = 2,4 × 10⁶   Дж/кг];

е) имея в виду, что плотность воды  r »1000 кг/м³, j = 90° и h₂= 0,02 м, рассчитать коэффициент В (В= 2,58 × 10⁴);

ж) определить площадь стенок трубы, омываемых кипящей жидкостью [S₁=pd_в (h₁+ 0,25 d_в) = 3 × 10^-4 м²] и конденсатом (S₂ = 5,53 × 10^-4 м²);

з) рассчитать среднюю температуру стенок трубы в зоне кипения жидкости (q_S1= 71,5 °С);

и) рассчитать температурный напор (q_S1 - q_н=25,7 °С), критический температурный напор (Dq_кр= 14,2 × р^-0,15 =28,3 °С), проверить допустимость применения формулы для расчета коэффициентов теплоотдачи в зоне кипения (25,7 < 28,3);

к) рассчитать коэффициент теплоотдачи в зоне кипения [a₁=2,08^·10⁴ Вт/(м² × °С)];

л) рассчитать значение Re_* (Re_* = 0,012), проверить, что принятое в п. в) расчета условие Re_*³0,01 реализуется; если это условие не выполняется, расчет, начиная с п. в) и далее, следует вести при других значениях C₁, m₁, п₁, p₁ см. табл. 3.3 /2/;

м) рассчитать количество теплоты, отдаваемое трубой в кипящую жидкость в единицу времени [Q = a₁S₁(q_S1-q_н) = 160,4 Дж];

н) рассчитать среднюю плотность теплового потока на нагреваемом участке наружной поверхности трубы, имея в виду, что теплообмен установился (q₁= 31,4 × 10⁴ Вт/м²);

о) рассчитать коэффициент e  и коэффициент формы L для трубы (e » 0,2;  L » 1,12);

e	0,01	0,05	0,1	0,15	0,25	0,5	0,7	0,9