RU2589289C1

RU2589289C1 - Method of determining contact temperature using tools from superhard materials

Info

Publication number: RU2589289C1
Application number: RU2015105467/28A
Authority: RU
Inventors: Борис Сосрукович Хапачев
Original assignee: Борис Сосрукович Хапачев
Priority date: 2015-02-17
Filing date: 2015-02-17
Publication date: 2016-07-10

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: invention can be used for temperature measurement while grooving abrasive disks by means of tools from superhard materials using artificial thermocouple installed on crystal face. Method suggests oscillographic testing of thermocouple output signals. They are used to define temperature values which are approximated by function subsequently extrapolated till cutting zone. Herewith, temperature values are fixed which correspond to period of running single-point tools equipped with crystals made of super-hard materials of different length.

EFFECT: high accuracy and reliability of determining contact temperature.

1 cl, 1 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области измерения температуры в технологических системах, в частности к способам определения контактной температуры при правке абразивных кругов с использованием правящих карандашей из сверхтвердых материалов.The present invention relates to the field of temperature measurement in technological systems, in particular to methods for determining contact temperature when dressing abrasive wheels using ruling pencils from superhard materials.

Известен способ определения температуры шлифуемой поверхности металла в зоне резания с помощью срезаемой термопары, состоящей из детали и термоэлектрода, помещенного в шлифуемую деталь (Жабокрицкий Р.А. Способ определения температуры шлифуемой поверхности металла в зоне резания срезаемой термопарой, состоящей из детали и термоэлектрода, помещенного в шлифуемую деталь. - А.с. СССР №468108, G01K 7/08). Согласно известному способу закладной срезаемый термоэлектрод покрывают предварительно электроизоляционным лаком и защемляют по нормали к шлифуемой поверхности между двумя половинами исследуемого образца. Полученную таким образом срезаемую полуискусственную термопару «деталь-закладной срезаемый термоэлектрод» подключают к электронному осциллографу, по осциллограммам определяют величину выходного напряжения данной термопары и вычисляют контактную температуру по определенной зависимости.A known method for determining the temperature of the grinding metal surface in the cutting zone using a cut thermocouple, consisting of a part and a thermoelectrode placed in the grinding part (Zhabokritsky R.A. into the polished part .-- AS USSR No. 468108, G01K 7/08). According to the known mortgage method, the thermoelectrode to be sheared is pre-coated with an electrically insulating varnish and pinched normal to the grinding surface between the two halves of the test sample. The semi-artificial cut-off thermocouple thus obtained “part-embedded thermal electrode” is connected to an electronic oscilloscope, the output voltage of the thermocouple is determined from the oscillograms and the contact temperature is calculated by a certain dependence.

Недостатком указанного способа является отсутствие возможности определить температуру в зоне резания, когда обрабатываемый и режущий материалы - диэлектрики, поскольку известный способ применим лишь при обработке деталей из электропроводных материалов, образующих с закладным термоэлектродом полуискусственную термопару.The disadvantage of this method is the inability to determine the temperature in the cutting zone, when the processed and cutting materials are dielectrics, since the known method is applicable only when processing parts from electrically conductive materials, forming a semi-artificial thermocouple with embedded thermoelectrode.

Известен также способ определения контактной температуры и характера ее распределения в режущих инструментах (Хапачев Б.С. Способ определения контактной температуры и характера ее распределения в режущих инструментах. - Патент на изобретение РФ №2248537, G01K 7/04, G01N 3/58). Указанный способ предполагает использование искусственной термопары, которая монтируется в теле инструментального материала, а также осциллографирование ее выходного напряжения. При этом в процессе изнашивания инструмента периодически выполняют одновременные измерения расстояний от места перехода термоэлектродов в спай до рабочей поверхности кристалла и соответствующие этим расстояниям значения температуры с последующей аппроксимацией экспериментальных результатов функцией, впоследствии экстраполируемой до зоны резания.There is also a method of determining the contact temperature and the nature of its distribution in cutting tools (Hapachev BS The method of determining the contact temperature and the nature of its distribution in cutting tools. - Patent for the invention of the Russian Federation No. 2248537, G01K 7/04, G01N 3/58). The specified method involves the use of an artificial thermocouple, which is mounted in the body of the instrumental material, as well as oscillography of its output voltage. In the process of tool wear, periodically perform simultaneous measurements of the distances from the junction of the thermoelectrodes to the junction to the working surface of the crystal and the temperature values corresponding to these distances, followed by approximation of the experimental results by a function that is subsequently extrapolated to the cutting zone.

Использование указанного способа позволяет лишь определить характер распределения температуры по длине кристалла, но не дает возможность экспериментально установить значение контактной температуры при правке абразивных кругов инструментами из сверхтвердых материалов (в частности, алмазными карандашами). По мере износа кристалла из сверхтвердых материалов в нем накапливаются повреждения (появляются трещины на рабочей поверхности алмаза) под действием циклически изменяющихся и многократно действующих термических напряжений. Накопление повреждений приводит к изменению физико-механических свойств кристаллов алмаза, в частности к постепенному снижению (по мере выработки ресурса работы инструмента) прочности алмаза. Поэтому значения температуры, полученные на различных этапах износа алмаза, невозможно экстраполировать до рабочей зоны, поскольку не наблюдается на осциллограммах непрерывное возрастание температуры по мере приближения рабочей зоны (по мере износа кристалла) к спаю термопары.Using this method only allows you to determine the nature of the temperature distribution along the length of the crystal, but does not allow you to experimentally establish the value of the contact temperature when dressing abrasive wheels with tools made of superhard materials (in particular, diamond pencils). As the crystal from superhard materials deteriorates, damage accumulates in it (cracks appear on the working surface of the diamond) under the influence of cyclically changing and repeatedly acting thermal stresses. Damage accumulation leads to a change in the physicomechanical properties of diamond crystals, in particular to a gradual decrease (as the tool life is developed), diamond strength. Therefore, the temperature values obtained at various stages of diamond wear cannot be extrapolated to the working zone, since there is no continuous temperature increase on the waveforms as the working zone approaches (as the crystal wears out) to the thermocouple junction.

Задачей предлагаемого изобретения является определение контактной температуры при использовании инструментов из сверхтвердых материалов, в частности при правке абразивных кругов карандашами из природных, моно- и поликристаллических синтетических кристаллов алмаза.The objective of the invention is to determine the contact temperature when using tools made of superhard materials, in particular when dressing abrasive circles with pencils from natural, single and polycrystalline synthetic diamond crystals.

Технический результат достигается за счет того, что правку кругов выполняют последовательно однокристальными инструментами, оснащенными кристаллами, имеющими одинаковые физико-механические свойства, форму и постоянные размеры поперечного сечения, но различающимися значениями длины (например, L=2,0; 2,5; 3,0; 3,5; 4,0; 4,5; 5,0 мм). При этом однокристальные карандаши изготавливают по единому технологическому процессу, причем форма кристаллов, используемых для изготовления данной партии инструментов, должна быть постоянной (например, цилиндрической или в виде правильной призмы). Для каждого инструмента, оснащенного кристаллом определенной длины, фиксируют температуру при помощи искусственной термопары, которая устанавливается на торцевой поверхности зерна. Измерения температуры проводят на начальном этапе износа карандаша, соответствующем периоду приработки инструмента, когда еще в кристалле не накопились повреждения, обусловливающие снижение прочностных характеристик алмаза. При этом измерения проводят только тогда, когда сформировалась полная рабочая поверхность, т.е. когда кристалл начал работать всей площадью поперечного сечения. Это обеспечивается (при незначительных величинах износа алмаза) путем установки карандаша под небольшим углом относительно горизонтальной плоскости (в пределах 4…5°). Для повышения точности следует измерения температуры для различных по длине кристаллов проводить при одинаковых величинах их износа. Испытывая однокристальные инструменты, оснащенные кристаллами различной длины (L₁≠L₂≠…≠L_n), экспериментально устанавливают изменения температуры в зависимости от расстояния между рабочей поверхностью кристалла и горячим спаем термопары. Полученные таким образом значения температуры, зависящие от длины кристаллов, подвергают математической обработке и получают функцию, описывающую изменение температуры в зависимости от длины кристалла. В последующем полученную экспериментальную зависимость аппроксимируют функцией, которую затем экстраполируют до зоны резания (L^O), что позволяет определить контактную температуру при правке абразивных кругов алмазными карандашами.The technical result is achieved due to the fact that the dressing of the circles is carried out sequentially with single-chip tools equipped with crystals having the same physical and mechanical properties, shape and constant cross-sectional dimensions, but with different lengths (for example, L = 2.0; 2.5; 3 , 0; 3.5; 4.0; 4.5; 5.0 mm). In this case, single-chip pencils are made according to a single technological process, and the shape of the crystals used to make this batch of tools should be constant (for example, cylindrical or in the form of a regular prism). For each instrument equipped with a crystal of a certain length, the temperature is fixed using an artificial thermocouple, which is installed on the end surface of the grain. Temperature measurements are carried out at the initial stage of pencil wear, corresponding to the tool running-in period, when damage has not yet accumulated in the crystal, which leads to a decrease in the strength characteristics of diamond. In this case, measurements are carried out only when a complete working surface has formed, i.e. when the crystal began to work the entire cross-sectional area. This is ensured (with insignificant values of diamond wear) by installing the pencil at a small angle relative to the horizontal plane (within 4 ... 5 °). To increase accuracy, temperature measurements should be carried out for crystals of various lengths at the same values of their wear. Testing single-chip instruments equipped with crystals of various lengths (L ₁ ≠ L ₂ ≠ ... ≠ L _n ), experimentally establish temperature changes depending on the distance between the working surface of the crystal and the hot junction of the thermocouple. The temperature values obtained in this way, depending on the length of the crystals, are mathematically processed and a function describing the temperature change depending on the length of the crystal is obtained. Subsequently, the obtained experimental dependence is approximated by a function, which is then extrapolated to the cutting zone (L ^ O), which makes it possible to determine the contact temperature when dressing abrasive wheels with diamond pencils.

На чертеже изображено устройство (алмазный карандаш), которое позволяет осуществить предлагаемый способ определения контактной температуры при правке абразивных кругов.The drawing shows a device (diamond pencil), which allows the proposed method for determining the contact temperature when dressing abrasive wheels.

Устройство содержит корпус 1, в котором при помощи связки 2 закреплен кристалл алмаза 3. Устройство также включает в себя диэлектрический штырек 4, шайбы 5 и 6, винт 7, пружину 8, а также термопару 9, которая подключается к измерительной системе (она не показана).The device includes a housing 1, in which, using a bundle 2, a diamond crystal 3 is fixed. The device also includes a dielectric pin 4, washers 5 and 6, a screw 7, a spring 8, and a thermocouple 9, which is connected to the measuring system (it is not shown )

Термопара 9 вставляется в перпендикулярное к оси карандаша отверстие и прижимается к кристаллу 3 при помощи пружины 8 (через диэлектрический штырек 4). Отверстие для термопары 9 расположено от рабочей поверхности инструмента на расстоянии, равном длине кристалла, которым оснащен данный экспериментальный карандаш. Усилие прижима термопары 9 к кристаллу 3 в экспериментах, проводимых с использованием различных по длине кристаллов 3, поддерживается постоянным. Постоянство усилия обеспечивается при помощи винта 7 путем его перемещения вдоль оси карандаша. На торце диэлектрического штырька 4, обращенном к термопаре 9, выполнено по оси небольшое углубление для размещения рабочего спая термопары 9 (необходимость формирования углубления на торце штырька 4 зависит от конкретного вида рабочего спая термопары). Это обеспечивает центрирование рабочего спая относительно кристалла алмаза и исключает возможный контакт термопары 9 с корпусом карандаша 1. Для обеспечения более равномерного сжатия пружины 8 на ее торцах устанавливаются шайбы 5 и 6.The thermocouple 9 is inserted into the hole perpendicular to the axis of the pencil and pressed against the crystal 3 by means of a spring 8 (through a dielectric pin 4). The hole for the thermocouple 9 is located from the working surface of the instrument at a distance equal to the length of the crystal with which this experimental pencil is equipped. The clamping force of the thermocouple 9 to the crystal 3 in experiments conducted using crystals of different lengths 3 is kept constant. The constancy of the force is ensured by the screw 7 by moving it along the axis of the pencil. At the end of the dielectric pin 4, facing the thermocouple 9, a small depression is made along the axis to accommodate the working junction of the thermocouple 9 (the need to form a recess at the end of the pin 4 depends on the particular type of working junction of the thermocouple). This ensures that the working junction is centered relative to the diamond crystal and eliminates the possible contact of the thermocouple 9 with the pencil case 1. To ensure more uniform compression of the spring 8, washers 5 and 6 are installed at its ends.

С использованием предлагаемого способа были проведены экспериментальные исследования по определению контактной температуры при использовании инструментов из сверхтвердых материалов при правке абразивных кругов однокристальными карандашами, оснащенными синтетическими поликристаллическими алмазами. Правку абразивных кругов 600×63×305 24А50ПСТ25К6 производили на круглошлифовальном станке мод.ЗБ151 при обильном охлаждении СОЖ на следующих режимах: S_прод.=0,5 м/мин, S_поп.=0,025 мм/х. стола. Возникающую в процессе правки абразивных кругов температуру фиксировали при помощи измерительной системы, включающей в себя микропроцессорный измеритель ТРМ101, блок питания БП30, адаптер интерфейса АС4 и компьютер, а величину износа однокристальных карандашей, оснащенных кристаллами, имеющими различную длину, определяли при помощи специального приспособления с погрешностью ± 0,01 мм (для этой цели можно использовать также инструментальный микроскоп). В эксперименте использовали термопару хромель-алюмель (диаметр термоэлектродов 0,3 мм) и поликристаллические синтетические кристаллы алмаза марки CVD-CDY, имеющие форму правильной призмы (сторона квадратного сечения 1,2 мм), но различную длину (L=2,0; 3,0; 4,0 и 5,0 мм). Для всех испытанных карандашей линейный износ кристаллов был одинаков и составил 0,3 мм.Using the proposed method, experimental studies were conducted to determine the contact temperature when using tools made of superhard materials when dressing abrasive wheels with single-chip pencils equipped with synthetic polycrystalline diamonds. Editing of abrasive wheels 600 × 63 × 305 24A50PST25K6 was carried out on a circular grinding machine mod.ZB151 with abundant cooling of the coolant in the following modes: S _prod. = 0.5 m / min, S _pop. = 0.025 mm / h. the table. The temperature arising during the editing of abrasive wheels was recorded using a measuring system, which includes a TPM101 microprocessor meter, a BP30 power supply unit, an AC4 interface adapter and a computer, and the wear value of single-chip pencils equipped with crystals with different lengths was determined using a special device with an error ± 0.01 mm (for this purpose, you can also use an instrumental microscope). A chromel-alumel thermocouple (thermoelectrode diameter 0.3 mm) and CVD-CDY polycrystalline synthetic diamond crystals having the shape of a regular prism (1.2 mm square side) but different lengths (L = 2.0; 3) were used in the experiment. , 0; 4.0 and 5.0 mm). For all tested pencils, the linear wear of the crystals was the same and amounted to 0.3 mm

После математической обработки результатов эксперимента получена экспоненциальная функция, описывающая изменение контактной температуры в зависимости от длины кристалла:After mathematical processing of the experimental results, an exponential function is obtained that describes the change in contact temperature depending on the crystal length:

t=ae^-bL,t = ae ^-bL ,

где а и b - постоянные коэффициенты, зависящие от условий правки абразивных кругов, (а=802,4; b=0,49);where a and b are constant coefficients depending on the conditions for editing the abrasive wheels (a = 802.4; b = 0.49);

L - длина кристалла, мм.L is the length of the crystal, mm.

Полученную функцию в дальнейшем использовали для определения (путем экстраполяции) контактной температуры в зоне правки абразивного круга: при выбранных условиях эксперимента контактная температура составила 802°С.The obtained function was subsequently used to determine (by extrapolation) the contact temperature in the dressing zone of the abrasive wheel: under the chosen experimental conditions, the contact temperature was 802 ° C.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет определить величину контактной температуры при правке абразивных кругов алмазными карандашами, оснащенными диэлектрическими инструментальными материалами. Разработанный способ позволяет оценить значение температуры в зоне резания с учетом изменения теплофизических свойств алмаза, зависящих от температуры. Кроме того, меняя режим правки абразивных кругов (характеристику круга, скорость продольной подачи инструмента, значения поперечной подачи круга и др.), можно, используя предлагаемый способ, определить влияние указанных параметров на контактную температуру при правке абразивных кругов.Thus, the proposed method allows to determine the value of the contact temperature when dressing abrasive wheels with diamond pencils equipped with dielectric tool materials. The developed method allows us to estimate the temperature in the cutting zone, taking into account changes in the thermophysical properties of diamond, depending on temperature. In addition, by changing the dressing mode of abrasive wheels (wheel characteristics, the longitudinal feed rate of the tool, the values of the lateral feed of the wheel, etc.), it is possible, using the proposed method, to determine the influence of these parameters on the contact temperature when editing abrasive wheels.

Способ может быть использован не только при правке абразивных кругов, но и при обработке природных камней и эксплуатации буровых алмазных коронок.The method can be used not only when dressing abrasive wheels, but also in the processing of natural stones and the operation of diamond drill bits.

Определение контактной температуры в зоне резания позволит в дальнейшем разработать пути ее снижения, а значит, и значений термических напряжений в кристаллах, многократные действия которых приводят к снижению ресурса работы алмазных инструментов. Осуществление предлагаемого способа будет способствовать разработке методов повышения срока службы и конкурентоспособности инструментов из сверхтвердых материалов.Determination of the contact temperature in the cutting zone will further develop ways to reduce it, and hence the values of thermal stresses in crystals, repeated actions of which lead to a decrease in the life of diamond tools. Implementation of the proposed method will contribute to the development of methods to increase the service life and competitiveness of tools made of superhard materials.

Claims

A method for determining the contact temperature when using tools made of superhard materials using an artificial thermocouple mounted on the end surface of the crystal, which consists in oscillating its output voltages and determining from them the temperature values approximated by a function that is subsequently extrapolated to the cutting zone, characterized in that the values are fixed temperatures corresponding to the running-in period of the tools, and the temperature is measured at different lengths not crystals.