Способ определения температуры в зоне резания металла

Авторы патента:

B23Q17/00 - Приспособления для индикации или измерения на металлорежущих станках (для автоматического управления или регулирования подачи, скорости резания или положения инструмента или обрабатываемого изделия B23Q 15/00)

B23B25/06 - измерительные, контрольные или установочные устройства, служащие для наладки, подачи, управления или наблюдения за режущими инструментами или обрабатываемыми изделиями (измерительные приборы или калибры G01B)

Владельцы патента RU 2585917:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" (RU)

Изобретение относится к области металлообработки и может быть использовано при измерении температур в зоне резания. По сигналам датчиков тока и напряжения определяют мощность главного электропривода станка, расходуемую на процесс резания. Сигнал, пропорциональный мощности главного электропривода станка, пропускают через динамическое звено, моделирующее динамические свойства тепловой модели процесса резания и преобразованное к виду передаточной функции, связывающей сигналы, характеризующие упомянутую мощность и нагрев деформируемой в процессе резания части стружки. Сумма сигнала, пропорционального температуре охлаждающей среды, и выходного сигнала упомянутого динамического звена определяет температуру в зоне резания. Использование изобретения позволяет повысить быстродействие и обеспечить высокую точность измерения температуры в зоне резания с применением уже имеющейся информационной системы станка. 1 ил.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к области измерения температур в зоне резания при лезвийной обработке металлов.

Известен способ измерения температуры в зоне резания с помощью встраиваемой в деталь термопары, установленной в обрабатываемом материале детали [патент на изобретение RU №2445588 С1, МПК G01K 7/02, от 20.03.2012 г.], в котором горячий спай термопары раскатывают по форме в виде пластинки до толщины много меньшей толщины снимаемой стружки, заглубляют в деталь на толщину пластинки и приваривают к детали так, что в момент резания фрезой горячий спай термопары становится элементом стружки и разогревается до максимальной температуры, которая реализуется в зоне скольжения стружки по передней поверхности инструмента, регистрируют температуру тепловой волны с частотой опроса не менее 10000 Гц, в том числе неоднократно регистрируют температуру горячего спая термопары в момент срезания его элемента вплоть до момента его полного уничтожения.

Также известен способ определения величины температурного поля, температуры в зоне резания и характера ее распределения в обрабатываемом материале с помощью искусственной термопары [заявка на изобретение RU №2005110736 А, МПК G01K 7/04, от 20.10.2006 г.], заключающийся в осциллографировании ее выходного напряжения, в котором в процессе резания инструмент непрерывно подают до соприкосновения с термопарой, установленной в обрабатываемом материале, по осциллограмме определяют предварительную величину температурного поля, которую затем увеличивают на размер спая термопары, и аппроксимирующую характер распределения температуры в обрабатываемом материале функцию, а для определения температуры в зоне резания функцию экстраполируют от точки соприкосновения инструмента с термопарой до места перехода термоэлектродов в спай.

Недостатками таких способов являются:

- необходимость встраивания термоэлемента в тело детали, что не дает возможности производить непрерывный контроль температуры в процессе резания металла при формообразовании поверхности детали;

- невозможность применения данных способов в системе автоматического регулирования режимов резания.

Известен способ бесконтактного определения температуры в зоне резания при механической обработке [патент на изобретение RU №2398659 С1, МПК В23В 25/06, G01N 3/58, от 10.09.2010 г.], заключающийся в том, что зону резания детали изолируют от внешней воздушной среды, и с помощью газоанализатора, зонд которого размещают вблизи зоны резания, измеряют концентрацию образующихся в зоне резания углеродсодержащих газов, по величине которой судят о температуре процесса резания.

Недостатком данного способа является сложность его применения в процессе резания металла при формообразовании поверхности детали, так как он требует установки дополнительных специальных конструктивных устройств.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ определения температуры контактного взаимодействия при трении и резании [патент на изобретение RU №2124707 С1, МПК G01K 7/02, G01K 13/04 от 10.01.1999 г.], позволяющий измерять температуру в зоне резания металла, использующий электрические параметры, характеризующие процесс резания металла.

Недостатками данного способа являются:

- необходимость конструктивной доработки станка с целью изолирования элементов термопары;

- измерение температуры производится дискретно за счет переключения резисторов, что не позволяет производить непрерывное измерение температуры в зоне резания металла при формообразовании поверхности детали.

Задача изобретения - расширение функциональных возможностей применения способа определения температуры в зоне резания металла, в частности, для построения системы автоматического регулирования режимов резания в производственных условиях.

Технический результат изобретения:

- возможность измерения температуры в зоне резания металла при формообразовании поверхности детали;

- обеспечение быстродействия, непрерывности, высокой точности измерения температуры с применением имеющейся информационной системы станка без установки дополнительных конструктивных устройств.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в способе определения температуры в зоне резания металла при формообразовании поверхности детали, включающем измерение величины электрических сигналов, связанных с параметрами, характеризующими процесс резания металла, согласно изобретению измеряют ток и напряжение главного электропривода станка и определяют мощность упомянутого электропривода, формируют динамическое звено с передаточной функцией в виде:

W_ПР(p)=τ(p)/N_рез(p)=K/(T·p+1),

где K=1/F_T·K_T - коэффициент передачи динамического звена,

Т=с·m/F_T·K_T - постоянная времени динамического звена,

N_рез - мощность главного электропривода, расходуемая на процесс резания,

с - удельная теплоемкость деформируемой в процессе резания части стружки,

m - масса деформируемой в процессе резания части стружки,

τ - разность температур деформируемой в процессе резания части стружки и охлаждающей среды,

τ=θ-θ_ос,

θ - температура деформируемой в процессе резания части стружки, равная температуре в зоне резания детали,

θ_ос - температура охлаждающей среды,

F_T - площадь теплоотдачи деформируемой в процессе резания части стружки,

K_T - коэффициент теплоотдачи деформируемой в процессе резания части стружки,

а температуру в зоне резания металла определяют путем подачи сигнала мощности упомянутого электропривода на сформированное динамическое звено и суммирования выходного сигнала упомянутого звена с сигналом, пропорциональным температуре охлаждающей среды.

Способ определения температуры в зоне резания металла реализуется следующим образом.

1. Составляют модель связи мощности двигателя и температуры в зоне резания (тепловая модель процесса резания). Температуру в зоне резания определяют по перегреву нагреваемого тела. Нагреваемое тело представляет собой деформируемую в процессе резания часть стружки. Перегрев нагреваемого тела есть разность температур нагреваемого тела и охлаждающей среды. Модель составляют на основе уравнения теплового равновесия, преобразованного в передаточную функцию связи мощности электропривода главного движения и перегрева нагреваемого тела.

2. Определяют мощность электропривода главного движения произведением тока на напряжение двигателя. Для этого используются штатные приборы оборудования: датчик тока и датчик напряжения или датчик тока и тахогенератор, позволяющие непрерывно измерять мощность электропривода главного движения. Точность измерения характеризуется классом точности приборов.

3. Сигнал, пропорциональный мощности электропривода главного движения, пропускают через динамическое звено, построенное на основе тепловой модели процесса резания. Получают сигнал, пропорциональный перегреву нагреваемого тела.

4. Сигнал, пропорциональный перегреву нагреваемого тела, суммируют с сигналом, пропорциональным температуре охлаждающей среды. Эта сумма является характеристикой температуры в зоне резания металла.

Высокое быстродействие измерения температуры в зоне резания металла обеспечивается тем, что штатные приборы оборудования фиксируют непосредственно реакцию электропривода главного движения на изменение режимов резания.

Непрерывное измерение температуры резания, высокая точность ее измерения, высокое быстродействие и отсутствие необходимости изменения конструкции станка и применения конструктивных приспособлений для измерения температуры в зоне резания дают возможность построения системы автоматического регулирования режимов резания с использованием способа определения температуры в зоне резания металла по энергетическим параметрам электропривода главного движения станка и применение ее в промышленных масштабах.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена блок-схема способа определения температуры в зоне резания металла.

Преобразование мощности в температуру резания происходит следующим образом.

Электропривод главного движения станка 1 создает крутящий момент двигателя М_ДВ и скорость двигателя ω_ДВ, которые через редуктор 2 преобразуются в момент шпинделя М_ШП и скорость вращения шпинделя станка ω_ШП. Произведение М_ШП на ω_ШП представляет собой мощность N_Рез, расходуемую на процесс резания 3. Эта мощность поступает в нагреваемое тело. В соответствии с уравнением теплового равновесия (1) мощность преобразуется в перегрев нагреваемого тела.

где N_рез·dt - тепло, поступающее в нагреваемое тело;

N_рез - мощность, расходуемая на перегрев нагреваемого тела;

t - текущее время;

c·m·dτ - тепло, поступающее в нагреваемое тело;

с - удельная теплоемкость нагреваемого тела;

m - масса нагреваемого тела;

τ - перегрев нагреваемого тела;

τ=θ-θ_ос;

θ - температура в зоне резания металла;

θ_ос - температура охлаждающей среды;

F_T·K_T·τ·dt - тепло, поступающее в охлаждающую среду от нагреваемого тела;

F_T - площадь теплоотдачи нагреваемого тела;

K_T - коэффициент теплоотдачи нагреваемого тела;

На основе уравнения (1) составлена передаточная функция связи мощности резания и перегрева нагреваемого тела:

где K=1/F_T·K_T - коэффициент передачи модели динамического звена;

Т=c·m/F_T·K_T - постоянная времени динамического звена;

p - оператор Лапласа.

Температура в зоне резания является суммой температуры охлаждающей среды θ_ос и перегрева нагреваемого тела τ. На схеме реализуется сумматором 4.

Определение температуры в зоне резания металла осуществляется следующим образом. В процессе формирования поверхности детали энергетическое состояние электропривода характеризуется током I и напряжением U. Датчиком напряжения 5 и датчиком тока 6 определяются соответственно напряжение и ток двигателя. С помощью блока умножения 7 перемножаются выходные сигналы датчиков тока U_ДТ и напряжения U_ДН, образуя аналог мощности, расходуемой на процесс резания U_N. Сигнал напряжения U_N пропускается через динамическое звено W_ПР(p) 8, представляющего собой модель преобразования мощности резания в перегрев нагреваемого тела, согласно уравнению (1).

В результате образуется напряжение U_τ, пропорциональное перегреву нагреваемого тела τ. Это напряжение суммируется сумматором 9 с напряжением U_θос, пропорциональным напряжению охлаждающей среды. На выходе сумматора образуется напряжение U_θ, пропорциональное значению температуры в зоне резания металла.

Напряжение U_θ может быть использовано в обратной связи системы автоматического регулирования режимов резания.

Пример конкретной реализации способа

При резании материала ХН77ТЮР резцом ВК6М мощность, расходуемая на процесс резания, N_рез=7000 Вт. При напряжении двигателя U=440 В потребляемый ток I=15,9 А. Датчик напряжения 5 преобразует напряжение двигателя U=440 B в U_ДН=5 В. Датчик тока 6 преобразует ток I=15,9 А в U_ДТ=1 В. Произведение сигналов с датчиков тока и напряжения осуществляется блоком умножения 7 и составляет U_N=5 B, что пропорционально мощности N_рез=7000 Вт. При прохождении этого сигнала через звено W_ПР 8 создается напряжение U_τ=3 В, пропорциональное перегреву нагреваемого тела, составляющего τ=700°С. С ним суммируется напряжение U_θос=0,086 B, пропорциональное температуре охлаждающей среды. Сумма напряжений U_τ=3 B и U_θос=0,086 B пропорциональна температуре в зоне резания θ=720°С.

Итак, заявляемое изобретение позволяет измерять температуру в зоне резания металла при формообразовании поверхности детали, обеспечивает быстродействие, непрерывность, высокую точность измерения температуры с применением имеющейся информационной системы станка без установки дополнительных конструктивных устройств, позволяет решить задачу построения системы автоматического регулирования режимов резания в производственных условиях.

Способ определения температуры в зоне резания металла при формообразовании поверхности детали, включающий измерение величины электрических сигналов, связанных с параметрами, характеризующими процесс резания металла, отличающийся тем, что измеряют ток и напряжение главного электропривода станка и определяют мощность упомянутого электропривода, формируют динамическое звено с передаточной функцией в виде:
W_ПР(p)=τ(p)/N_peз(p)=K/(T p+1),
где K=1/F_TK_T- коэффициент передачи динамического звена,
T=с m/F_TK_T- постоянная времени динамического звена,
N_peз - мощность главного электропривода, расходуемая на процесс резания,
с - удельная теплоемкость деформируемой в процессе резания части стружки,
m - масса деформируемой в процессе резания части стружки,
τ - перегрев деформируемой в процессе резания части стружки,
τ=θ-θ_ос,
θ - температура деформируемой в процессе резания части стружки, равная температуре в зоне резания детали,
θ_ос - температура охлаждающей среды,
F_T - площадь теплоотдачи деформируемой в процессе резания части стружки,
К_T - коэффициент теплоотдачи деформируемой в процессе резания части стружки,
а температуру в зоне резания металла определяют путем подачи сигнала мощности упомянутого электропривода на сформированное динамическое звено и суммирования выходного сигнала упомянутого звена с сигналом, пропорциональным температуре охлаждающей среды.

Изобретение относится к области высокоточного станкостроения и может быть использовано в прецизионных станках расточной и фрезерной групп для оценки силовых деформаций их станины.

Способ измерения осевого биения рабочего органа станка // 2564774

Изобретение относится к области станкостроения и может быть использовано при проверке станков по нормам точности. Для измерения осевого биения рабочего органа станка на торцовую поверхность рабочего органа устанавливают коленчатую оправку с возможностью поворота относительно этой поверхности на угол 180° в любом положении рабочего органа, при этом на другой конец коленчатой оправки устанавливают измерительный прибор, который настраивают относительно концевой меры длины на нулевое значение в первоначальной точке измерения.

Способ диагностики шпиндельного узла // 2548538

Способ включает закрепление на станине шпиндельной бабки со шпиндельным узлом, фиксирование сигналов от датчиков колебаний и направление их через усилительно-преобразующую аппаратуру в компьютер.

Устройство для контроля технологической машины // 2459138

Изобретение относится к области безопасности функционирования технологической машины, преимущественно с дисковой пилой. .

Контрольное устройство для технологической машины и технологическая машина // 2456133

Изобретение относится к контрольным устройствам для технологических машин, предназначенным для защиты оператора технологической машины в критических рабочих ситуациях.

Способ регулирования параметров конструктивных элементов изготавливаемой штамповой оснастки // 2448826

Изобретение относится к машиностроительной промышленности, в частности к способам регулирования параметров конструктивных элементов изготавливаемой штамповой оснастки.

Способ сканирования поверхностей модели на станке с чпу и устройство для его осуществления // 2399476

Изобретение относится к области автоматического сканирования поверхностей моделей, имеющих сложную поверхность для дальнейшего использования результатов в создании управляющих программ станков с ЧПУ.

Способ определения точности металлорежущих станков // 2344918

Изобретение относится к машиностроению и может быть применено для определения точности металлорежущих станков. .

Устройство и способ измерения коэффициента усадки стружки // 2311990

Изобретение относится к области металлообработки, определению деформации срезаемого слоя при резании. .

Способ оценки состояния процесса производства деталей // 2277038

Изобретение относится к способу оценки состояния процесса производства деталей, обеспечивающего размеры взаимного расположения их конструктивных элементов, и может быть использовано во всех отраслях производства крупно- и мелкосерийного производства.

Способ идентификации операции механической обработки // 2583557

Изобретение относится к области металлообработки и может быть использовано для прогнозирования параметров качества обрабатываемой поверхности. Способ включает формирование полигармонического возбуждающего воздействия на входе металлообрабатывающего станка путем взаимодействия инструмента станка в виде шлифовального круга или дисковой фрезы с поверхностью заготовки в виде пластины с пазами прямоугольного профиля в процессе ее обработки с заданными параметрами.

Устройство для экспресс-диагностики резонансных свойств древесины на корню // 2577886

Изобретение относится к области диагностики физико-механических свойств древесины на корню. Технический результат - повышение точности и оперативности в экспресс-диагностике резонансных свойств древесины.

Устройство контроля точности нарезания резьбы на токарном станке // 2573162

Устройство контроля точности нарезания резьбы на токарном станке, включающем станину, шпиндель, предназначенный для закрепления в нем заготовки, и каретку с закрепленным на ней инструментом, содержит средство для съема информации, средство сбора и обработки информации и компьютер.

Способ измерения осевого биения рабочего органа станка // 2564774

Способ механической обработки заготовок на станках с чпу // 2544713

Способ включает выполнение проходов резца, контроль размеров заготовки и шероховатости обработанной поверхности и корректировку режимов обработки. Для повышения точности изготовления деталей, уменьшения шероховатости обрабатываемой поверхности и сокращения времени на обработку при корректировке режимов обработки используют устройства обратной связи и осуществляют непрерывное измерение в процессе обработки размеров заготовки лазерными дальномерами, жестко укрепленными на расстоянии до 1 м от обрабатываемой поверхности с учетом возрастания расстояния от лазерного дальномера до обрабатываемой поверхности при снятии слоя металла резцом за проход, а величину шероховатости в месте обработанной поверхности - лазерными измерителями шероховатости, жестко закрепленными на расстоянии до 1 м неподвижно на расстоянии от обработанной поверхности, на которую подают поток лазерного излучения.

Способ компенсации упругих тепловых деформаций подшипников шпинделей металлообрабатывающих станков и устройство для его реализации // 2542941

Изобретение относится к способу и устройству компенсации упругих тепловых деформаций подшипников шпинделей металлообрабатывающих станков. При вращении вала шпинделя осуществляют непрерывное измерение температуры нагрева каждого его подшипника.

Устройство для токарной обработки некруглых деталей // 2541327

Изобретение относится к электромеханике и может быть использовано для повышения точности токарной обработки серийных некруглых деталей при наличии на обрабатываемой поверхности зон прерывистого резания.

Способ определения оптимальной скорости резания в процессе металлообработки // 2538750

Изобретение относится к области обработки металлов резанием и может быть использовано для определения оптимальной скорости резания при работе на выбранном технологическом оборудовании.

Способ определения оптимальной скорости резания // 2535839

Изобретение относится к области обработки металлов резанием, в частности к способу определения оптимальной скорости резания при обработке жаропрочных сплавов на никелевой основе для твердосплавного инструмента.

Устройство для тарирования естественной термопары // 2520291

Устройство содержит образец детали, установленный на оправке, и резец, изолированные от зажимных элементов станка и резцедержателя. При этом образец детали и режущая часть резца электрически соединены через токосъемник и измерительный прибор для регистрации термо-ЭДС.

Способ определения профиля винтовой фасонной поверхности детали // 2587201

Изобретение относится к инструментальному производству и может быть использовано для определения профиля винтовой фасонной поверхности детали по известному профилю инструмента. Способ включает использование эталонной модели обрабатывающего инструмента, выполненной идентично обрабатывающему инструменту в виде тела вращения, и мерительного инструмента со щупом, размещенного на базе, которая установлена на направляющей с возможностью перемещения вдоль нее, при этом мерительный инструмент размещен с возможностью дискретного перемещения относительно базы. Эталонную модель обрабатывающего инструмента и направляющую мерительного инструмента устанавливают в соответствии с установкой детали при ее обработке, а щуп мерительного инструмента приводят в контакт с поверхностью эталонной модели. Искомый профиль винтовой фасонной поверхности детали определяют путем измерений положения поверхности эталонной модели при соответствующих перемещениях щупа мерительного инструмента. 4 ил., 1 табл.