Сравнение методов измерения температуры шлифования

Ху Хипенг, Стивен Малкин

Перевод с английского: К.А. Билищук

Экспериментальные измерения температуры шлифования используют для оценки коэффициента распределения энергии. В данном исследовании сравниваются три различных метода измерения температуры, необходимых для оценки коэффициента распределения энергии при шлифовании. Температура шлифования измерялась в поверхностном слое заготовки при идентичных условиях шлифования с помощью встроенной термопары и двух цветных инфракрасных датчиков, и на поверхности заготовки с использованием термопары фольга-заготовка. Все три метода дали идентичные температурные результаты, которые сопоставимы с аналитическими расчетами для того же самого коэффициента распределения энергии.

Введение

Шлифование широко используется как окончательный способ механической обработки при изготовлении деталей с повышенными требованиями к точности и шероховатости поверхности. По сравнению с другими способами механической обработки, такими как точение и фрезерование, процесс шлифования требует высоких затрат энергии на единицу объема снятия материала. Фактически, вся энергия шлифования преобразовывается в тепло в зоне обработки, что может привести к повышению температуры заготовки и, как следствие, возможному ее тепловому повреждению.

Тепловое воздействие, возникающее при шлифовании заготовки, может пагубно сказаться на ее прочностных свойствах. Следовательно, много исследований было направлено на определение температуры в зоне шлифования и анализ тепловых повреждений путем аналитического вычисления уровня распределения температурных полей в теле изделия от момента вхождения энергии до процесса и условий обработки. Большинство подходов к этой проблеме используют метод движущегося теплового источника, согласно которому зона шлифования тождественна источнику высокой температуры [1-8], который движется вдоль поверхности заготовки со скоростью подачи. Для рассматриваемых эксплуатационных режимов максимальная температура в зоне шлифования пропорциональна полному потоку тепла, произведенному в зоне шлифования и части потока тепла, передаваемого заготовке (энергетическое распределение) [6-8].

Общий тепловой поток может быть с легкостью получен путем деления чистой мощности шпинделя на единицу ширины шлифования по длине контакта круга и заготовки. Оценка распределения энергии обычно представляет гораздо более сложную задачу.

Для экспериментального определения распределения энергии по поверхности заготовки зачастую используют измерение температуры. Эти измерения, вместе с мощностью шлифования, могут использоваться для предварительной оценки теплового распределения при соответствующей температуре или теплоотдаче. Цель исследования состоит в определении распределения энергии, возникающей при обработке в условиях, для которых аналитически рассчитанная температура наиболее близко соответствует измеряемой температуре. Измерение температуры с теплоотдачей обычно используется при нахождении соответствующих затрат энергии и ее распределении по поверхности заготовки.

Критический показатель срабатывания является одним из важнейших вопросов, который необходимо тщательно проработать для оценки энергетического распределения измеряемой температуры, таким показателем является измерительная техника. Наиболее часто при измерении температуры используется метод термопары, которую встраивают в заготовку через небольшое глухое отверстие, находящееся близко к поверхности заготовки [8-13]. Вместо термопары так же можно использовать оптоволокно для передачи сигнала от основания отверстия к инфракрасному датчику [14, 15]. Другие исследователи предлагают использовать тонкую фольгу, зажатую в разрезе образца заготовки, для измерения температуры на ее поверхности [3, 16-18].

Не смотря на то, что предыдущие исследования температуры шлифования предоставили ценную информацию об энергетическом распределении и тепловых аспектах процесса, результаты, о которых сообщают эти исследователи, зачастую трудно сравнивать, потому что в каждом случае использовались различные методы измерения температуры. Данное исследование было направленно на сравнение результатов измерения температуры при шлифовании тремя методами: встроенной термопарой, оптоволокном с инфракрасным датчиком и термопарой с фольгой в заготовке. Для этого проводился ряд экспериментальных исследований при идентичных условиях шлифования, производились измерения температуры тремя перечисленными методами и оценено соответствующее энергетическое распределение.

Эксперимент

Экспериментальная установка схематично показана на рис. 1. Исследования проводились на плоскошлифовальных шлифовальных станках с ЧПУ Brown и Sharpe Hi-Tech, периферией круга из кубического нитрида бора (универсальные суперабразивы, зернистостью dg = 91мкм, 100% концентрации) диаметром ds = 406 мм и шириной bs = 12, 5 мм. Заготовка AISI 1010 – углеродистая сталь (твердость 88 HRB) длиной 44 мм (вдоль направления шлифования), 19 мм шириной, изначально 25 мм высотой. Эксперименты проводились врезным способом шлифования, окружная скорость круга Vs = 58 м/с, скорость заготовки Vw = 18 мм/с, глубина резания a = 0, 02 мм. С целью получения устойчивого сигнала эксперименты проводились без использования охлаждающей жидкости. Шлифовальный круг был предварительно выправлен алмазным бруском с точностью Sd=0, 1 мм и глубиной ad=0, 012 мм.

Температура шлифования на поверхности заготовки во время обработки измерялась с помощью встроенной термопары и двух цветных инфракрасных датчиков, а на поверхности заготовки с использованием термопары из фольги в заготовке (рис. 1). Расстояние между различными системами измерения составляло 15 мм. Встроенная термопара – хромель-алюминиевая (30 датчиков), спаяна емкостной сваркой. Ее тепловыделяющий спай, изготовленный емкостным свариванием, был размещен в глухом отверстии диаметром 1, 32 мм, предварительно просверленным с нижней стороны заготовки, приблизительно на расстоянии 2, 1 мм от поверхности [12-13], а теплопоглощающий спай помещен в холодную воду со льдом. Испытания проводились многократными проходами шлифования и прекращались к моменту выхода термопары на поверхность заготовки.

Глубина сошлифованного слоя для каждого эксперимента оценивалась как произведение количества проходов перед окончательным выходом термопары на поверхность заготовки к глубине резания круга. Аналоговый выход термопары подключался к микрокомпьютеру, через 100 Гц низкочастотный аналоговый фильтр (Krohn-Hite 3322) и аналого-цифровой преобразователь с минимальной частотой дискретизации 3 кГц.

Рисунок 1 – Схема установки для измерения температуры и мощности шлифования

Температура заготовки также измерялась при помощи двухцветного инфракрасного датчика (EG&G, J15InSb-M204-S02M). Система двухцветных инфракрасных датчиков состоит из двух фотоэлементов, антимонида индия (InSb) и ртуть-кадмий-теллура (КРТ), с 2-х метровым халькогенидным оптоволоконным сердечником диаметром 0, 5 мм (Amorphous Materials, Inc). Оптоволокно передает сигнал инфракрасного детектора с длиной волны 1-12 мм. Элемент InSb регистрирует сигнал с длинами волн от 1, 0 до 5, 5 мм, а элемент MCT регистрирует сигнал с длиной волны более 6, 0 мм. Как и встроенная термопара, оптоволокно вставлено в глухое отверстие диаметром 1 мм, просверленное с нижней стороны заготовки на расстоянии около 2, 0 мм от поверхности. Для введения волокна в отверстие и защиты его от повреждений было разработано специальное устройство. Процесс калибровки системы инфракрасных датчиков приведен в источнике [15]. Аналоговые выходы двух элементов инфракрасного датчика перед входом в компьютер усиливались отдельными предусилителями (EG&G, PA-300 для MCT и P-7-50 для InSb). Температура измерялась при помощи одного из двух сигналов фотоэлемента или разностью сигналов каждого из фотоэлементов. Как и со встроенной термопарой, реальная глубина залегания инфракрасного датчика для каждого эксперимента рассчитывалась как произведение числа проходов до окончания шлифования на глубину резания круга. Аналоговые сигналы от каждого фотоэлемента подавались в микрокомпьютер через фильтр низких частот 1 Гц и аналого-цифрового преобразователя с частотой дискретизации 5 кГц.

Температура на поверхности заготовки измерялась при помощи термопары из фольги, толщиной 35 мм, состоящей из константана (сплав меди и никеля) [3, 16], изолированной с обеих сторон 10 мм листами слюды и зажатой в разрезе между двумя частями заготовки. Заготовка использовалась в качестве второго полюса термопары. Свободный спай термопары был погружен в воду со льдом. Сигнал от термопары из фольги в заготовке подавался в микрокомпьютер через фильтр низких частот на 1 Гц и аналогово-цифровой преобразователь с минимальным уровнем дискретизации 3 кГц, сигнал регистрировался при одном проходе шлифовального круга.

Мощность шпинделя во время шлифования контролировалась при помощи преобразователя Halleffect (AF Green, WT3). Результат от преобразователя подавался на микрокомпьютер при помощи фильтра низких частот в 100 Гц и аналогово-цифровой преобразователь с 5 кГц частотной дискретизацией.

Результаты

Пример полученного сигнала мощности шпинделя за один проход шлифования показан на рис. 2(а). Среднее значение мощности шлифования, равное 650 Вт, было получено в стационарном состоянии после прохождения начального переходного процесса путем вычитания мощности холостого хода из средней измеренной мощности. Чистая мощность шлифования от прохода к проходу в течение одной серии экспериментов незначительно изменяется, как показано на рис. 2(в).

Рисунок 2 – Мощность шлифования: (а) – мощность за один проход, (в) – мощность от прохода к проходу

На рис. 3 показаны результаты измерения температуры, регистрируемые встроенной термопарой, инфракрасным датчиком и термопарой из фольги в заготовке. С целью возможности учета небольших изменений мощности при шлифовании от прохода к проходу, результаты измерений температуры, показанные на рис. 3, были нормализованы к средней мощности 650 Вт. Температура, измеренная встроенной термопарой и инфракрасным датчиком, повышаются от прохода к проходу, т.к. зона шлифования сдвигается ближе к нижней части отверстия. Результаты, зарегистрированные термопарой из фольги в заготовке, содержат две составляющие, «фоновой» температуры и периодической мгновенной температуры импульса на вращающемся шлифовальном круге. Инфракрасные измерения также показывают пики более низкой интенсивности, возникающие на той же частоте. Как было предложено ранее, мгновенная температура может быть связана с резанием отдельным единичным зерном шлифовального круга [3], физическая природа пиков, наблюдаемых в данном эксперименте, не известна и требует дальнейшего исследования. Материал заготовки ниже поверхности зоны шлифования непрерывно нагревается, несмотря на периодические температурные всплески очень короткой продолжительности.

Рисунок 3 – Результаты измерения температуры тремя методами

Заключение

При идентичных условиях шлифования поверхности, кругами из кубического нитрида бора без использования СОЖ были сопоставлены три метода измерения температуры: встроенной термопарой, инфракрасным датчиком и термопарой из фольги в заготовке. Результаты измерения температуры тремя методами сопоставимы с аналитическими расчетами.

Все три метода, при плоском шлифовании, показали сопоставимые температурные результаты, которые, в сочетании с аналитическими расчетами движущегося источника тепла, показали коэффициент распределения энергии, ε = 60%. Термопара из фольги в заготовке также регистрировала периодические пики мгновенной температуры при вращении шлифовального круга.

Списоклитературы

Jaeger, J. C., 1942, Moving Sources of Heat and Temperature at Sliding Contacts, Proc. of the Royal Society of New South Wales, 76, pp. 203-204.

Outwater, J. O., and Shaw, M. C., 1952, Surface Temperatures in Grinding, Trans. ASME, 74, pp. 73-86.

Rowe, W. B., Black, S. C. E., Mills, B., and Qi, H. S., 1996, Analysis of Grinding Temperatures by Energy Partitioning, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture, 210, pp. 579-588.

Malkin, S., 1974, Thermal Aspects of Grinding, Part 2 – Surface Temperature and Workpiece Burn, ASME J. Eng. Ind., 96, pp. 1184-1191.

Guo, C., and Malkin, S., 1995, Analysis of Transient Temperatures in Grinding, ASME J. Eng. Ind., 117, pp. 571-577.

Guo, C., and Malkin, S., 1995, Analysis of Energy Partition in Grinding, ASME J. Eng. Ind. 117, pp. 55-61.

Malkin, S., 1989, Grinding Technology: Theory and Application of Machining with Abrasives, John Wiley & Sons, New York, Reprinted by SME, Dearborn.

Snoeys, R., Maris, M., and Peters, J., 1978, Thermally Induced Damage in Grinding, CIRP Ann., 27, pp. 571-580.

Malkin, S., and Anderson, R. B., 1974, Thermal Aspects of Grinding: Part I – Energy Partition, ASME J. Eng. Ind., 96, pp. 1117-1183.

Littmann, W. E., and Wulff, J., 1955, The Influence of the Grinding Process on the Structure of Hardened Steel, Trans. ASME, 47, pp. 692-714.

Takazawa, K., 1966, Effects of Grinding Variables on Surface Structure of Hardened Steels, Bull. Jpn. Soc. Precis. Eng., 2, pp. 14-19.

Kohli, S., Guo, C., and Malkin, S., 1995, Energy Partition to the Workpiece for Grinding with Aluminum Oxide, and CBN Abrasive Wheels, ASME J. Eng. Ind. 117, pp. 160-168.

Guo, C., Wu, Y., Varghese, V., and Malkin, S., 1999, Temperatures and Energy Partition for Grinding with Vitrified CBN Wheels, CIRP Ann., 48, pp. 247-250.

Ueda, T., Yamada, K., and Sugita, T., 1992, Measurement of Grinding Temperature of Ceramics Using Infrared Radiation Pyrometer with Optical Fiber, ASME J. Eng. Ind., 114, pp. 317-322.

Zhu, B., 1996, Thermal Aspects of Ceramic Grinding, Ph.D. Dissertation, University of Massachusetts, Amherst.

Xu, X. P., 1992, A Fundamental Study on Deep Grinding of Difficult-to-Machine Materials with High Efficiency, Ph.D. Dissertation, Nanjing Aeronautical Institute, Nanjing, China (in Chinese).

Gu, Y. D., and Wager, G. J., 1990, Further Evidence on the Contact Zone in Surface Grinding, CIRP Ann., 39, pp. 349-352.

Nee, A. Y. C., and Tay, A. O., 1981, On the Measurement of Surface Grinding Temperature, Int. J. Mach. Tool Des. Res., 21, pp. 279-291.

Kim, N. K., Guo, C., and Malkin, S., 1997, Heat Flux and Energy Partition in Creep-Feed Grinding, CIRP Ann., 46, pp. 227-232.