Ответ на теоретический вопрос.

Приведите описание методов измерения температуры. Контактные
и бесконтактные методы. Естественные, искусственные и полуискусственные термопары, особенности применения и тарирования.

Для измерения температуры используются следующие методы.

1. Контактные методы – предполагают наличие надежного контакта с предметом, у которого снимается температура. При таком контакте пределы измерения измеряемой температуры определяются механическими (жаропрочность) и химическими свойствами материала, из которого изготовлен чувствительный элемент термометра.

Верхний предел измеряемых температур ограничен из-за ограничения вышеназванных свойств материала датчика с показателем 2500–3000 о С.

Чувствительность термометра (на 1 °C)

Измеряется в миллиметрах.

Их основная характеристика – температурный коэффициент сопротивление:

где В – некоторая постоянная, определяется по таблице и измеряется в кельвинах, Т – температура, К.

Чувствительный элемент у термометров сопротивления – это проволока, намотанная на жесткий изоляционный каркас.

Поскольку сопротивление металлов изменяется по закону (в зависимости от температуры)

R = r0(1 + xt),

где R0 —сопротивление до начала измерения; t – измеряемая температура, то, какими бы точными ни были изготовлены термометры, со временем даже золото и платина окисляются (например, окисью углерода СО), и в результате нарушается точность показаний прибора (термометра).

Для повышения устойчивости работы термометров, например, с платиновым датчиком, изготавливают проволоку с диаметром больше 1 мкм и регистрируют показания датчика с помощью моста из сопротивлений.

Широкое применение нашли термодатчики из сплавов двух металлов, которые могут быть использованы в разных сочетаниях.

Термическая электродвижущая сила меняется по закону:

? = x (T1-T2)

где T1, T2 – начальная и конечная (рабочая) температуры датчика при измерении, х – коэффициент термической электродвижущей силы, Мв/градус.

2) Бесконтактные методы измерения температуры. Методы также называют пирометрами. Их преимущества перед предыдущими в том, что из-за их мало-инерционности, которая повышает точность измерений, становится возможной регистрация температуры быстро изменяющихся объектов.

У пирометров вероятный предел измерения не ограничен: однако это не значит, что их нельзя применять для измерения температур в других диапазонах.

Погрешности в показаниях пирометров, к тому же немалые, вызваны необходимостью введения различных поправок при градуировании шкалы прибора.

Пирометры работают по следующему принципу. Из курса атомной и ядерной физики известно, что если имеется абсолютно черное тело с температурой Т, то полная энергия его излучения связана с температурой уравнением:

 

в котором? = 5,75?10-12вт? см2? град-4– постоянная.

При этом имеется такая энергия, которая излучается с площади 1 см2черного тела за 1 с.

Однако ни одно физическое тело в действительности не является абсолютным черным телом.

Поэтому температуру нагретого тела определяют по формуле

в которой ET определяется эмпирически или из таблицы, является коэффициентом черноты полного излучения.

В пирометрах для компенсации изменений в окружающей среде применяются компенсаторы в виде катушек из никелевой проволоки с конструктивным оформлением в виде термобатареи.

Визирование на расстоянии 1 м от излучателя – это номинальное визирование. Определение погрешности параметра сводится к определению

?? = (?2 –?1),

где?2, – практическая термическая электродвижущая сила черного тела (излучателя);?1 – табличные данные термической электродвижущей силы пирометра с соответствующим телескопом (устройство, которое служит для концентрации излучения источника (черного тела) на термоприемник (датчик), состоит из многослойной термобатареи и оптической системы).

Инерционность пирометра – это время, требуемое для установления термической электродвижущей силы, равной 99 % от табличных данных термической электродвижущей силы при комнатной температуре 20 ± 2 °C.

Для определения температуры нагрева резца, стружки и заготовки на практике применяют следующие основные методы: 1) калориметрический; 2) искусственной термопары; 3)полуискусственной термопары; 4) естественной термопары; 5) оптический; 6) микроструктурного анализа.

Термопа́ра (термоэлектрический преобразователь) — устройство, применяемое в промышленности, научных исследованиях, медицине, в системах автоматики. Применяется, в основном, для измерения температуры.

Международный стандарт на термопары МЭК 60584 (п.2.2) дает следующее определение термопары: Термопара — пара проводников из различных материалов, соединенных на одном конце и формирующих часть устройства, использующего термоэлектрический эффект для измерения температуры.

Для измерения разности температур зон, ни в одной из которых не находится вторичный преобразователь (измеритель термо-ЭДС), удобно использовать дифференциальную термопару: две одинаковые термопары, соединенные навстречу друг другу. Каждая из них измеряет перепад температур между своим рабочим спаем и условным спаем, образованным концами термопар, подключёнными к клеммам вторичного преобразователя, но вторичный преобразователь измеряет разность их сигналов, таким образом, две термопары вместе измеряют перепад температур между своими рабочими спаями.

Принцип действия основан на эффекте Зеебека или, иначе, термоэлектрическом эффекте. Между соединёнными проводниками имеется контактная разность потенциалов; если стыки связанных в кольцо проводников находятся при одинаковой температуре, сумма таких разностей потенциалов равна нулю. Когда же стыки находятся при разных температурах, разность потенциалов между ними зависит от разности температур. Коэффициент пропорциональности в этой зависимости называют коэффициентом термо-ЭДС. У разных металлов коэффициент термо-ЭДС разный и, соответственно, разность потенциалов, возникающая между концами разных проводников, будет различная. Помещая спай из металлов с отличными от нуля коэффициентами термо-ЭДС в среду с температурой Т ₁, мы получим напряжение между противоположными контактами, находящимися при другой температуре Т ₂, которое будет пропорционально разности температур Т ₁ и Т ₂.

В зависимости от диапазона измеряемых температур различают две основные группы методов измерения: контактные (собственно термометрия) и бесконтактные (пирометрия или термометрия излучения). Бесконтактные способы применяются, как правило, для измерения очень высоких температур. Измерение температуры с помощью термопар относится к контактному способу измерения.

Метод естественной термопары заключается в том, что в качестве элементов термопары служат резец и обрабатываемая заготовка, материал которых разнороден. Спаем термопары здесь является место контакта резца.

Метод естественной термопары дает некоторое среднее значение температуры, но более близкое к действительно максимальной температуре при резании, чем методы искусственной и полуискусственной термопары. К недостаткам этого метода относится невозможность исследования температурного поля на режущем инструменте и сложность тарировки, которую необходимо проводить для каждого обрабатываемого металла и каждого применяемого резца.

Полуискусственная термопара является усовершенствованным вариантом искусственной термопары. Истираемая деталь и вставленный в нее перпендикулярно поверхности трения изолированный термоэлектрод (из алкщеля или хромеля) образуют термопару, не имеющую горячего спая. Спай создается непрерывно в зоне контакта трущихся поверхностей и перемещается по мере изнашивания образца и термоэлектрода.  

Метод полуискусственной термопары по сути дела является усовершенствованным вариантом искусственной термопары, вследствие чего ему присущи указанные выше недостатки.  

 

Задача. На токарном станке модели 16К20 обтачивается заготовка из серого чугуна СЧ10, НВ 170, резцом с пластинкой твердого сплава ВК8 с передним углом и углом в плане . Глубина резания t =3 мм, подача s =0,9 мм/об, скорость резания u=92 м/мин.

Определить:

- мощность тепловыделения в зоне резания Q;

- эквивалентную теплопроводность державки с пластиной по нормали к основанию резца;

- рассчитать температуру на опорной поверхности пластинки инструментального материала со стороны задней грани, исходя из предположения, что в резец идет 5 % общего количества тепла.

Температуру разупрочнения считать равной 250 °С

1. Общее количество теплоты, выделяющейся при резании можно определить по формуле [1]:

где Pz - тангенциальная составляющая усилия резания;

- скорость резания, м/мин.

Составляющая усилия резания Pz может быть вычислена по формуле [5]:

,

где - поправочные коэффициенты

Ср =300, х =1,0, у =0.75, n = -15 [5, с.273]

[5, с.271]

[5, с.264]

 

 

Kp=8∙0,94∙1∙11=82,7

Pz=10∙300∙3∙0,924∙∙82,7=6877 H=687 кг

В этом случае в зоне резания выделяется

Q = 0,039∙92∙687 = 2464 кал/с = 2,8 Вт

2. Для определения эквивалентной теплопроводности державки с пластиной режущей части можно воспользоваться формулой

 

 

где h - высота пластинки, см; принимаем H=4мм=0,4см.;

Н - высота державки, см; принимаем Н=25мм=2,5 см;

- теплопроводность материала режущей пластинки; принимаем из приложения Г для ВК8 =0,13 кал/();

- теплопроводность материала державки; принимаем из приложения Г для стали 40 =0,092 кал/().

Тогда

 

 

3. Для расчета температуры в основании пластинки можно воспользоваться формулой

 

где q - интенсивность тепловыделения в тело резца на единицу длины режущей кромки, ;

- интегрально-показательная функция;

r - расстояние от режущей кромки до опорной плоскости пластинки, мм;

- коэффициент температуропроводности, ;

- время обработки одной детали, с;

Интенсивность тепловыделения q можно определить по формуле q=0.05 Q/b

где b - длина активной части режущей кромки, см:

Тогда

Для определения времени обработки зададимся длиной обрабатываемой детали L =25 мм и диаметром 120 мм. В этом случае частота вращения детали будет равна

Время обработки одной детали составит

Коэффициент температуропроводности принимаем из приложения Г равным 0,246 .

Аргумент интегрально показательной функции равен

,

а сама функция равна

.

Температура на основании пластинки равна

Вывод: температура на основании пластины больше температуры разупрочнения материала державки, следует уменьшить режим резания, применить СОЖ.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Резников А. Н., Резников Л. А. Тепловые процессы в технологических системах. – М.: Машиностроение, 1990. – 228 с.
2. Ящерицын П. И. Теория резания: учебник / П. И. Ящерицын,
Е. Э. Фельдштейн, М. А. Корниевич. – Минск: Новое знание, 2005. – 512 с.
3. Попок Н. Н. Теория резания: учеб.-метод. комплекс для студентов
машиностроительных специальностей / Н. Н. Попок. – Новополоцк: ПГУ,
2005. – 240 с.
4. Попок Н. Н. Теория резания: учеб. пособие для студентов машиностроительных специальностей / Н. Н. Попок. – Новополоцк: ПГУ,
2006. – 228 с.
5. Справочник технолога-машиностроителя в 2-х томах. Т. 2. / под
ред. А. Г. Косиловой и Р. К. Мещерякова. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1985. – 240 с.

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: