CC BY
29
МАШИНОСТРОЕНИЕ И ЭНЕРГОМАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК. 621.923.4
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА ГАЗОВОГО АНАЛИЗА ДЛЯ КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПРИ СВЕРЛЕНИИ
К.В. Афанасьев1, В.А. Рогов2
'Областное автономное учреждение «Новгородский научно-координационный центр» ул. Новолучанская, 27а, Великий Новгород, 173001 2Кафедра технологии машиностроения, металлорежущих станков и инструментов
Инженерный факультет Российский университет дружбы народов ул. Орджоникидзе, 3, Москва, Россия, 115419
Предлагается новый бесконтактный способ определения температуры резания при сверлении на основе метода газового анализа. Установлено, что температура резания и концентрация образованного в зоне резания газа связаны линейной зависимостью. Показаны преимущества использования способа. По экспериментальным данным получено математическое выражение для расчета температуры резания в зависимости от концентрации газа для обработки стали 45.
Ключевые слова: температура резания, сверление, метод газового анализа.
Температура резания является одним из важнейших параметров при сверлении, температурные значения периодически требуются при испытаниях нового режущего инструмента, построении тарировочных кривых между диагностируемым параметром процесса резания и температурой, получением математических моделей, в методиках оптимизации режимов обработки и многих других случаях. Возникает потребность в экспресс-контроле температуры резания.
В настоящее время устройства для измерения температуры, в основе которых лежат физические принципы, уже не требуют встраивания в инструментальные узлы станков, предварительной настройки или тщательной калибровки.
Многие устройства, используемые в резании для определения температуры, непригодны при сверлении. Пирометр практически сложно использовать при свер-
лении ввиду скрытой (изолированной) зоны резания. Устройства для измерения температуры с помощью термопары требуют размещения отдельных элементов устройства на быстродвижущихся узлах станках, что значительно усложняет конструкцию.
Целью работы является создание нового способа определения температуры в зоне резания и исследование возможности его использования при сверлении.
Способ бесконтактного определения температуры резания при механической обработке на основе метода газового анализа разработан К.В. Афанасьевым, И.В. Швецовым и В.А. Щёголевым [1]. Предложенный способ заключается в том, что «зону резания изолируют от внешней воздушной среды защитным кожухом, зонд газоанализатора размещают вблизи изолированной зоны резания, измеряют концентрацию образующихся углеродсодержащих газов и определяют температуру процесса резания при помощи корреляционной зависимости между указанной температурой и концентрацией образующихся газов». Способ позволяет осуществлять непрерывный контроль над тепловыми и диффузионными процессами в зоне резания.
Основные положения метода газового анализа изложены в работах [2; 3]. Данный способ имеет ряд преимуществ: высокое быстродействие и низкая погрешность измерений. Быстродействие определяется исключительно технической возможностью газоанализатора, а погрешность измерений газовых каналов составляет не более 4—6% (для оптико-абсорбционного газоанализатора, при использовании других, более высокоточных приборов погрешность снижается до 1—3%). Полученный газоанализатором сигнал передается на персональный компьютер, где выдаются значения температуры, соответствующие концентрации образованных газов. Кроме того, влияние на показания измерительного прибора таких помех, как вибрация, акустические волны и др., замечено не было. За счет этого значительно повышается качество регистрируемого сигнала.
В то же время есть и ограничения по применению предложенного способа: 1) использование только при сухом резании, которое, по разным источникам, занимает до 60% от всей механической обработки; 2) диапазон измеряемых температур — от 0,4Тпл до температуры теплостойкости материала. Например, для сухого сверления стальных материалов температурный диапазон применяемого способа [600, 900 °С]. Однако этого диапазона достаточно для работы на оптимальных режимах резания.
Взаимосвязь параметров коэффициента диффузии, энергии активации и температуры резания определяется выражением [4]
Б = Боетр [ - , (1)
где Б — коэффициент диффузии, см2/с; Б0 — предэкспоненциальный или частотный множитель, см2/с; Q — тепловая энергия (энергия активации), кал/г-атом; Я — универсальная газовая постоянная, Я = 8,31Дж/(кг • м); Т — температура резания, К.
Афанасьев К.В., Рогов В.А. Использование метода газового анализа для контроля температуры...
В выражении (1) значения Q и D0 являются табличными величинами для заданного диффундирующего элемента из кристаллической решетки растворителя. На рисунке 1 изображен график зависимости, расчитанный по формуле (1) для атомов углерода, диффундирующих из кристаллической решетки обрабатываемого материала — стали 45.
D, 10""CM2/C 7
6
5
4
3
2
1
О
600 650 700 750 800 850 900 Т, °С
Рис.1. График зависимости коэффициента диффузии D от температуры резания Т: D0 = 0,04 см2/с, Q = 31 400 кал/г-атом
Для построения графической зависимости N(z, т) = f(T) проведем серии экспериментов на вертикально-сверлильном станке 2Н118 с самоустанавливающейся подачей. Замеры концентрации образованного газа N(z, т) осуществлялись при установленных режимах резания и соответствующей им температуре резания.
Расчет температуры резания осуществляют по эмпирическим формулам, приведенных в работах [5; 6; 7]:
T = KvVk2 Sk3 tk4 ИБкб, (2)
где kj...k6 — коэффициенты, определяемые в ходе проведения эксперимента; V — скорость резания, м/мин.; S — подача, мм/об.; t — глубина резания, мм; h — износ, мм; НВ — твердость обрабатываемого материала, ед.
Используем модель А.Д. Макарова [6] как наиболее предпочтительную для данных режимов обработки. Температура резания, использованная в работе [6], находится из формулы
T = 266,7 -V0384 S 0'132t0'098. (3)
Варьирование осевой подачи осуществляют таким образом, чтобы исходя из расчетной формулы (3) температура резания с каждым новым режимом увели-
чивалась на 20—25 °С в диапазоне температур 600^900 °C. За счет самоустанавливающейся от грузов подачи был рассчитан необходимый шаг в граммах массы грузов, который прибавлялся для увеличения подачи и, как следствие, температуры резания. Зависимость температуры резания от подачи представлена на рис. 2.
Г, °С 950
900
850
800
750
700
650
600
0
В каждом режиме резания осуществляли не менее семи экспериментов, выбиралось новое стандартное сверло, ранее не использовавшееся в работе. Режимы обработки: скорость резания V = 20,1 м/мин., S = 0,03^0,58 мм/об., глубина сверления L/d = 5, диаметр сверла d = 8 мм, материал сверла — Р6М5, материал заготовки — сталь 45.
На основе проведенных экспериментов была получена следующая зависимость. С использованием методов математической статистики [8] для коэффициента корреляции между значениями температуры резания и концентрацией образованного газа получено значение
r = 0,972.
Данный коэффициент свидетельствует о том, что температура резания и концентрация образованного газа связаны линейной зависимостью:
T = 1020 • N + 640. (4)
На рисунке 3 изображена прямая, построенная на основе математического выражения (4). Из графика видно, что погрешность между теоретическими и экспериментальными значениями не превышает 3%.
Достоинством способа является простота и низкая стоимость газоаналитического оборудования. Данные поступают на прибор в цифровом виде, что исключает дополнительные алгоритмы обработки и вторичную аппаратуру. Получаемый сигнал может быть использован в качестве входной информации для ЧПУ.
Афанасьев К.В., Рогов В.А. Использование метода газового анализа для контроля температуры...
Т,° С 900
850
800
750
700
650
600
0
Таким образом, разработанный способ бесконтактного определения температуры с помощью метода газового анализа показал принципиальную пригодность при сверлении.
Полученное математическое выражение позволяет рассчитать значения температуры резания на основе показаний концентрации газа, при этом погрешность расчетных и экспериментальных значений не превышает 5%.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Афанасьев К.В., Швецов И.В., Щеголев В.А. Способ бесконтактного определения температуры в зоне резания при механической обработке. Патент на изобретение № 2398659; заявитель и патентообладатель Новгородский государственный университет им. Ярослава Мудрого.
[2] Швецов И.В. Газоаналитическое отображение механической обработки: Монография. — Великий Новгород, 2004.
[3] Сокол В.В., Афанасьев К.В. Оценка тепловой энергии при решении задач теплофизики резания // Вестник ОрелГТУ. Серия «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии». — 2008. — С. 54—57.
[4] Болтакс Б.И. Диффузия в полупроводниках. — М.: ГИФМЛ, 1961.
[5] Вульф А.М. Резание металлов. — Л.: Машиностроение, 1973.
[6] Макаров А.Д. Оптимизация процессов резания. — М.: Машиностроение, 1976.
[7] Юдковский П.А., Крючков Н.К. Четырехленточное спиральное сверло // Станки и инструменты. — 1965. — № 3.
[8] Рогов В.А., Позняк Г.Г. Методика и практика технических экспериментов. — М.: Машиностроение, 2005.
0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 Ы(г, т)
Рис. 3. Зависимости температуры резания от концентрации образованного газа:
1 — по результатам эксперимента; 2 — теоретическая зависимость
USING OF GAS ANALYSIS BY WAY OF TEMPERATURE CONTROL IN DRILLING
K.V. Afanasyev1, V.A. Rogov2
'Regional Autonomous Institution "Novgorod Scientific Coordinating Centre" Novoluchanskaya str., 27a, Veliky Novgorod, Russia, 173001
2Department of Mechanical Engineering, Metal-cutting machines and tools Engineering Faculty People's Friendship University of Russia Ordzhonikidze str., 3, Moscow, Russia, 115419
The paper proposes a new contactless method of determining temperature when drilling on the basis of gas analysis. Established that the cutting temperature and the concentration formed in the cutting of gas associated linear dependence. The paper proposes advantages of the method. According to experimental data obtained by the mathematical expression to calculate the cutting temperature, depending on the concentration of gas.
Key words: temperature control of cutting, drilling, the method of gas analysis.
