RU2198085C2

RU2198085C2 - Method for measuring temperature in surface layer of blank at working it

Info

Publication number: RU2198085C2
Application number: RU2001105561/02A
Authority: RU
Inventors: Л.В. Худобин; А.Ш. Хусаинов; С.З. Ширгин
Original assignee: Ульяновский государственный технический университет
Priority date: 2001-02-27
Filing date: 2001-02-27
Publication date: 2003-02-10

Abstract

FIELD: mechanical working of blanks, namely determining contact temperature at grinding. SUBSTANCE: method comprises step of placing cut-apart semiartificial thermocouple in blank; measuring temperature at depth equal to thickness of electrode of thermocouple in direction of blank speed vector. EFFECT: enhanced stability and accuracy of measuring temperature in surface layer of blank at working it. 5 dwg

Description

Изобретение относится к механической обработке и может быть использовано при назначении режима шлифования заготовок. The invention relates to machining and can be used in the appointment of grinding workpieces.

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. A known method of measuring temperature in the grinding zone (see. Yashcheritsyn P.I., Tsokur A.K., Eremenko M.L. Thermal phenomena during grinding and the properties of the treated surfaces. Minsk: Science and technology, 1973. P. 52), in where the temperature is measured by a semi-artificial thermocouple, the electrode of which is located at the junction of the cut workpiece, and its beads are pinched at a certain depth in the surface layer of the workpiece.

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. The reasons that impede the achievement of the following technical result when using the known method include the fact that in the known method, the current depth in the surface layer of the workpiece at which the temperature is recorded can only be determined after the sensor ceases to transmit a signal: the thermocouple measures the temperature related to a point in the transition region from the king to the electrode stem; as the allowance is removed, the coordinate of this area in depth from the surface to be machined decreases; after the king of the thermocouple comes to the surface, it is cut off with a cutting tool, the junction of the thermocouple is destroyed, and the sensor stops working; then you should immediately stop processing, measure the height of the workpiece, and then, knowing the depth of grinding at each working stroke, calculate the depth of the junction at each of the working moves; Next, they compare the temperature responses of the thermocouple at each working stroke with the calculated depth of the thermocouple junction.

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. Another disadvantage of the known method is that the error in determining the current depth of the bead is equal to the cutting depth at the last working stroke, since with the penultimate working stroke of the cutting tool, the beet, whose dimensions are significantly less than the cutting depth, can appear both at the surface of the workpiece and at a depth equal to the depth of cut.

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. Closest to the claimed invention is a method containing a semi-artificial cut thermocouple, the thermoelectrode of which is laid between two parts of the workpiece pressed against each other (see Reznikov A.N., Reznikov L.A. Thermal processes in technological systems. M .: Engineering, 1990 S. 147-149), adopted as a prototype. The thermoelectrode throughout, except junction, is isolated from the workpiece.

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. The reasons that impede the achievement of the following technical result when using the known method include the fact that the known method was used only to measure the surface temperature of the workpiece during its processing. Moreover, the measurement results differed significantly when changing the size of the thermoelectrode, which was explained by the difference in the heat sink from the temperature measurement region to the electrode of different thicknesses, and consequently, different heat capacities. However, this conclusion was obtained under incorrect conditions - the temperatures on the surface of the workpiece were compared in the absence of heat removal into it (which in itself is unrealistic) with the temperature during heat removal to electrodes of various sizes.

Сущность изобретения заключается в следующем. The invention consists in the following.

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. Improving the grinding performance and at the same time ensuring the specified quality of the surface layer of the part is impossible without accurately determining the amount of thermal energy entering the workpiece, since to determine the depth of the defective surface layer it is necessary to know the temperature in this layer.

Технический результат - повышение точности и стабильности определения температуры в поверхностном слое заготовки при механической обработке. The technical result is an increase in the accuracy and stability of determining the temperature in the surface layer of the workpiece during machining.

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. The specified technical result during the implementation of the invention is achieved in that it, like the known method, contains a semi-artificial cut thermocouple. The peculiarity lies in the fact that the depth of the point at which the temperature is measured is equal to the thickness (in the direction of the workpiece velocity vector) of the thermoelectrode.

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.The analysis of the prior art by the applicant, including a search by patent and scientific and technical sources of information, and the identification of sources containing information about analogues of the claimed invention, allowed to establish that the applicant did not find a source characterized by features identical to all the essential features of the claimed invention. The definition from the list of identified analogues of the prototype, as the closest in the totality of the characteristics of the analogue, allowed us to establish a set of significant distinctive features in relation to the applicant’s perceived technical result in the claimed invention set forth in the claims. Therefore, the claimed invention meets the condition of "novelty." To verify the compliance of the claimed invention with the condition "inventive step", the applicant conducted an additional search for known solutions in order to identify features that match the distinctive features of the claimed invention from the prototype. The search results showed that the claimed invention does not follow explicitly from the prior art determined by the applicant for the specialist, the effect of the transformations provided for by the essential features of the claimed invention on the achievement of a technical result is not revealed, in particular, the following transformations are not provided for by the claimed invention:
- addition of a known product by any known part, attached to it according to known rules, to achieve a technical result, in respect of which the effect of such an addition is established;
- replacement of any part of a known product with another known part to achieve a technical result, in respect of which the effect of such a replacement is established;
- the exclusion of any part of the funds with the simultaneous exclusion due to its function and the achievement of the usual result for such exclusion;
- an increase in the number of elements of the same type, actions to enhance the technical result, due to the presence in the tool of just such elements, actions;
- the implementation of a known tool or part of a known material to achieve a technical result due to the known properties of this material;
- the creation of a tool consisting of known parts, the choice of which and the relationship between them are based on known rules, recommendations, and the technical result achieved in this case is due only to the known properties of the parts of this tool and the relationships between them.

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". The described invention is not based on a change in a quantitative characteristic, the presentation of such signs in relationship, or a change in its appearance. This refers to the case when the fact of the influence of each of these characteristics on the technical result is known, and new values of these signs or their relationship could be obtained on the basis of known dependencies and patterns. Therefore, the claimed invention meets the condition of "inventive step".

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.The drawings show:
in FIG. 1 shows the construction of a cut blank assembly with a fixture; in FIG. 2 is an enlarged image of region I (in FIG. 1) of a workpiece with pinched insulator plates and an electrode after assembly, but before machining; in FIG. 3 - the same, but after one of the working strokes of the cutting tool; in FIG. 4 - an enlarged image of a junction electrode of a thermocouple - a workpiece with a diagram of the generation and flow of currents of thermoelectromotive force (thermoEMF) under the influence of temperature difference; in FIG. Figure 5 shows the dependences of temperature T at a depth of 15 μm (thermocouple 1) and 65 μm (thermocouple 2) with flat counter grinding from the distance to the beginning of the heat source.

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.The conditions of the experiment: circle 1 225x40x76 24A40NSM17K5; workpiece material - steel 40X, HRC 41 ... 44; peripheral wheel speed 28 m / s, workpiece speed 5 m / min, grinding depth 0.005 mm; cooling - watering with a 0.5% soda solution with a flow rate of 10 dm ³ / min; the length of the contact arc of the workpiece is 1.06 mm circle.

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.Information confirming the possibility of carrying out the invention with obtaining the above technical result:
the thermoelectrode 4, pinched between two parts of the workpiece 1 and insulated by plates 3 (see Fig. 2), is ground together with the workpiece at a workpiece speed V _s . In this case, the insulator made of brittle material (for example, mica) is destroyed, and the thermoelectrode made of viscous material (for example, chromel) is deformed (see Fig. 3). A junction is formed. The temperature recorded by the thermocouple refers to the junction point located at a depth h in the surface layer of the workpiece. The signal from the thermocouple is recorded using a galvanometer G, an electronic oscilloscope, or using an analog-to-digital converter and a computer to write to a file. The dependence of temperature on time τ is converted to the form temperature - the coordinate x along the workpiece’s work surface in the direction of the velocity vector V _s , using the substitution x = τ / V _s .

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.The recorded temperature refers specifically to the junction point at a depth h for the following reasons (see figure 4). It is known that thermo-EMF between two junctions of two dissimilar materials is generated if they (junctions) have different temperatures. If the temperature is not uniform within one junction, then the thermoelectric power between such regions is closed (thermoelectric power between the region with temperature T ₁ and the region with T ₂ , between the region T ₂ and the region T ₃ ). And only between the region with the temperature T ₃ and the region with the temperature T ₀ (cold junction temperature) the thermoEMF closes through extension wires and can be registered with the corresponding equipment.

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.Experimental studies of temperatures obtained using thermoelectrodes of various thicknesses showed that the thickness of the electrode determines the depth of the point at which the temperature is actually measured (see Fig. 5). Confirmation of this is that curves 1 and 2 come from the same point x = 0 (the temperature at all points of the workpiece is the same until the appearance of the heat source) and intersect again at the point x = 1.06 mm (end of the heat source). Within the segment x = (0 ... 1.06) mm, the workpiece is heated, and then (x> 1.06 mm) the temperature T ₂ exceeds T ₁ , i.e. the heat flow is already directed from the workpiece to the environment - the workpiece is cooled.

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. It is thanks to the features of the claimed invention that it becomes possible to determine the temperature in the surface layer, which opens up prospects for determining the instantaneous values of the heat flux density in the cutting zone (with the simultaneous use of two or more thermoelectrodes of different thicknesses), which will significantly increase processing productivity by improving the accuracy of modeling of thermal processes .

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".Thus, the above information indicates the fulfillment of the following set of conditions when using the claimed invention:
- a tool embodying the claimed invention in its implementation, is intended for use in industry, namely in mechanical engineering, and can be used in the appointment of grinding workpieces;
- for the claimed invention in the form described in the independent clause of the claims, the possibility of its implementation using the means and methods described in the application or known prior to the priority date has been confirmed;
- therefore, the claimed invention meets the condition of "industrial applicability".

Claims

A method of measuring temperature in the surface layer of a workpiece during machining, in which a cuttable semi-artificial thermocouple is installed in the workpiece, characterized in that the temperature is measured at a depth equal to the thickness of the thermocouple electrode in the direction of the workpiece velocity vector.