способ определения вольт-амперной характеристики контакта инструмент-изделие

Формула изобретения

Способ определения вольт-амперной характеристики контакта инструмент - изделие, при котором инструмент или изделие изолируют от массы станка, подсоединяют их в электрическую цепь, состоящую из токосъемного устройства, регистрирующего прибора, магазина сопротивлений нагрузки и ключа, при разомкнутом состоянии которого измеряют ЭДС установившегося процесса резания, а при замкнутом состоянии ключа для фиксированных значений сопротивлений нагрузки измеряют токи и напряжения, действующие на контакте инструмент - изделие, отличающийся тем, что по двум измерениям тока и напряжения, а также ЭДС резания, определяют эквивалентные максимальному сопротивлению контакта ток и напряжение, по которым находят токи и напряжения вольт-амперной характеристики, соответствующие сопротивлениям контакта во всем диапазоне действующих нагрузок.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к обработке металлов и токопроводящих материалов резанием и может найти применение при исследовании и проектировании технологических процессов и режущего инструмента.

Известен способ определения вольт-амперной характеристики (ВАХ) контакта инструмент - изделие, при котором инструмент и изделие изолируют от массы станка, подсоединяют их в замкнутую электрическую цепь, состоящую из регистрирующего прибора, магазина сопротивлений нагрузки и токосъемного устройства, и в процессе резания, изменяя в широком диапазоне величину сопротивлений нагрузки, измеряют соответствующие им токи и напряжения (см. Афанасьев Ф.З., Бобровский В.А. Внешние характеристики термоэлемента резец - деталь // Сб.: Электрические явления при трении, резании и смазке твердых тел. - М.: Наука, 1973, с.54-60).

Недостатком известного способа является его низкая точность. Для определения ВАХ авторы известного способа используют порой ничем не обоснованные и принципиально искажающие физику процесса допущения. К их числу относится, например, допущение о том, что сопротивление контакта инструмент - изделие не зависит от протекающего по нему тока (см. 4-й абзац снизу, с.55).

Известен также способ определения ВАХ контакта инструмент - изделие, при котором инструмент или изделие изолируют от массы станка, подсоединяют их в электрическую цепь, состоящую из токосъемного устройства, регистрирующего прибора, магазина сопротивлений нагрузки и ключа, при разомкнутом состоянии которого измеряют ЭДС установившегося процесса резания, а при замкнутом состоянии ключа измеряют токи и напряжения на контакте инструмент - изделие для фиксированных значений сопротивлений нагрузки (см. Васильев С.В. Измерение ЭДС резания. // Станки и инструмент, 1983, 6, с.23).

Недостатком известного способа являются его ограниченные точность и информативность, связанные с невозможностью произвести корректные измерения напряжений и токов во всем диапазоне нагрузок, реально воздействующих со стороны станка на контакт инструмент - изделие. Так, автором известного способа сообщается, что при точении стали 45 резцом из твердого сплава марки Т15К6 со скоростью резания 100 м/мин, подачей 0,0510^-3 м и глубиной резания 0,210^-3 м контакт инструмент - изделие генерирует ЭДС резания величиной 8,5 мВ (см. кривую 1 на фиг.3). Очевидно, что ЭДС резания - это максимальное напряжение, возникающее на контакте инструмент - изделие. График же на фиг.2 (кривая 1) иллюстрирует, что максимальное напряжение контакта для названных условий резания составляет всего 3 мВ, причем область корректно и достоверно измеренных значений составляет всего 1 мВ и находится в пределах 2-3 мВ. Таким образом, вопрос о токах, проходящих через контакт инструмент - изделие, остается открытым.

Техническая задача, на решение которой направлено предложенное изобретение, - получение полной и достоверной информации о величинах токов, возникающих при резании.

Указанная техническая задача решается тем, что в способе определения вольт-амперной характеристики контакта инструмент - изделие, при котором инструмент или изделие изолируют от массы станка, подсоединяют их в электрическую цепь, состоящую из токосъемного устройства, регистрирующего прибора, магазина сопротивлений нагрузки и ключа, при разомкнутом состоянии которого измеряют ЭДС установившегося процесса резания, а при замкнутом состоянии ключа для фиксированных значений сопротивлений нагрузки измеряют токи и напряжения, действующие на контакте инструмент - изделие, по двум измерениям тока и напряжения, а также ЭДС резания определяют эквивалентные максимальному сопротивлению контакта ток и напряжение, по которым находят токи и напряжения вольт-амперной характеристики, соответствующие сопротивлениям контакта во всем диапазоне действующих нагрузок.

На фиг.1 представлена схема реализации способа определения ВАХ контакта инструмент - изделие; на фиг. 2 - фрагмент осциллограмм ЭДС резания E_i и падений напряжения U_i на сопротивлениях R_i нагрузки, полученных при точении стали 55 резцом, оснащенным сменной многогранной режущей пластиной с плоской формой передней поверхности из твердого сплава марки МА1 производства Sandvik - МКТС, со скоростью резания V=0,932 м/с; подачей S=0,2210^-3 м и глубиной резания t= 110^-3 м; на фиг.3 - кривые 1 и 2 - ВАХ контакта инструмент - изделие при названных для фиг.2 условиях обработки, полученные соответственно по известному и предлагаемому способу.

Пример реализации способа. Для определения ВАХ контакта инструмент - изделие изолированный от массы станка резец 1 и изделие 2 подсоединяют к электрической цепи 3, состоящей из измерительного прибора 4 - двухкоординатного самопишущего милливольтметра модели "endim 620.02" с входным сопротивлением 1 МОм, магазина сопротивлений нагрузки 5 модели МСР-60М, ключа 6, токосъемного устройства 7 штыревого типа с контактом медь по меди и соединительных проводов 8, выполненных из медных шин. При разомкнутом ключе 6 внешнюю нагрузку R для источника электрической энергии - контакта инструмент - изделие, сопротивлением r_кi, составляют измерительный прибор 4 с входным сопротивлением R_пр, проводники 8 сопротивлением R_n и токосъемник 7 сопротивлением R_m. При замкнутом ключе 6 внешнюю нагрузку R для источника электрической энергии составляют проводники 8 сопротивлением R_n, токосъемник 7 сопротивлением R_m и R_i - переменное нагрузочное сопротивление 5. При разомкнутом ключе 6 сумма R сопротивлений 4, 7 и 8 мало отличается от R_пр и не влияет на точность измерений ЭДС резания. Для повышения точности измерения тока и величин падения напряжения на сопротивлениях r_кi контакта инструмент - изделие сопротивления R_n и R_m минимизировались и их сумма R_ц=R_n+R_m не превышала 0,002 Ом.

Эффективность предлагаемого способа определения ВАХ проиллюстрируем его сравнением с известным способом. По известному способу при установившемся процессе резания производим измерения ЭДС и падения напряжения на переменных нагрузочных сопротивлениях R_i в широком диапазоне значений, а именно от 0,008 до 1 Ом. Падения напряжения U₁, U₂, U_i-1, U_i, U_i+1, U_n-2, U_n-1 и U_n, показанные на фрагменте осциллограммы (см. фиг.2), измерены на R_i соответственно величиной 0,008, 0,01, 0,015, 0,3, 0,15, 0,25, 0,8 и 1,0 Ом. Из осциллограмм видно, что по мере эксперимента регистрируемая величина ЭДС резания E_i меняется незначительно и составляет порядка 10,6 мВ.

На фиг. 3 показана кривая 1, полученная по известному способу, т.е. по результатам прямых измерений ЭДС резания Е_i и падений напряжения U_i на R_i и последующих расчетов тока I_i=U_i/R_i и падения напряжения U_ki=E_i-U_i на контакте инструмент - изделие. Кривая 1 имеет немонотонный вид и ее анализ показывает, что для источника электрической энергии, коим является контакт инструмент - изделие, генерирующего напряжение величиной E_i=10,6 мВ, область корректных измерений ограничена участком АВ, которому соответствуют сопротивления нагрузки R_i=0,01...0,2 Ом, напряжения контакта U_ki=0,773...6,186 мВ и токи силой 36,9...363 мА. Некорректность измерений правее т.В обусловлена тем, что сопротивление нагрузки R_i становится сопоставимым с сопротивлением измерительной цепи R, а левее т.А тем, что R_i становится много больше _ki, что соответствует размыканию внешней цепи, т.е. отсутствию тока в измерительной цепи. Таким образом, кривая 1 не дает ответа на вопрос о величине токов короткого замыкания I_кз=Е/r_k и сопротивлении r_k контакта инструмент - изделие, которые возникают в нем, когда сопротивление станка R, которое в эксперименте имитируется сопротивлением измерительной цепи, стремится к нулю.

С другой стороны, анализ участка АВ корректных измерений на кривой 1 позволил установить, что элементы контактирующей пары - изделие и инструмент, - являясь по отдельности проводниками электрического тока, при резании образуют скользящий контакт, в котором возникает полупроводниковый эффект и, что участок АВ кривой 1 с минимальной погрешностью (менее 5%) может быть аппроксимирован выражением вида:



где I₀ и U₀ - ток и напряжение, постоянные для исследуемых условий обработки, эквивалентные максимальному сопротивлению r_k0= U₀/I₀ контакта инструмент - изделие, которое имеет источник электрической энергии в разомкнутом состоянии внешней цепи электрического тока.

Физический смысл параметров I₀ и U₀ виден из предельного значения производной dI/dU при U (или I) --> 0. Дифференцирование уравнения (1) по напряжению U относительно тока I позволяет получить зависимость



Принимая во внимание, что приращение тока к напряжению является величиной обратной дифференциальному сопротивлению dr_k0, т.е. , можно записать предел



Учитывая, что параметр r_k0 инвариантен к изменению сопротивления нагрузки, тока и напряжения контакта и что при U --> 0 значение экспоненты равно единице, находим которое соответствует разомкнутому состоянию внешней цепи и, как это явствует из ВАХ (см. фиг.3), является максимальным значением сопротивления контакта инструмент - изделие с эквивалентными ему током I₀ и напряжением U₀.

Выражение (1) содержит два неизвестных I₀ и U₀. Следовательно, для их нахождения требуется решить систему, состоящую из двух уравнений. Например, для токов I₁, I₂ и напряжений U_k1, U_k2 контакта выражение (1) представляется системой уравнений



Решение в явном виде системы (2) несложно получить при условии т.е. без учета единицы:



Поделив одно уравнение системы (3) на другое и прологарифмировав полученное выражение, находим значение U₀



Подставляя выражение (4) в одно из уравнений системы (3), например во второе, получаем зависимость для эквивалентного тока



Таким образом, для нахождения неизвестных I₀ и U₀ достаточно произвести измерения падения напряжения всего на двух сопротивлениях нагрузки.

Экспериментально выявлено, что независимо от материалов контактирующей пары инструмент - изделие и других условий резания минимальная погрешность аппроксимации выражением (1) участка АВ корректных измерений на кривой 1 достигается при отношении контактных напряжений U_k1/U_k2=45, что обеспечивается использованием нагрузочных сопротивлений, величиной 0,01 Ом и 0,2 Ом. На осциллограмме (см. фиг. 2) I₁ и U_k1 измерены на сопротивлении нагрузки 0,015 Ом, а I₂ и U_k2 - на сопротивлении нагрузки 0,15 Ом. Отношение U_k1/U_k2= 4,42.

Из осциллограмм на фиг.2 видно, что в диапазоне сопротивлений нагрузки 0,01. . .0,2 Ом, соответствующих участку АВ корректных измерений на кривой 1 (см. фиг.3), по мере увеличения R_i падение напряжения U_i на нем возрастает, а падение напряжения на сопротивлении r_ki контакта инструмент - изделие снижается. Очевидно, что максимальное падение напряжения U_kmax на сопротивлении контакта, равное ЭДС резания Е, имеет место при сопротивлении внешней цепи (сопротивлении станка) R, равном нулю. Подставляя в выражение (1) значения падения напряжения U_ki от нуля до U_kmax=E, производим вычисления соответствующих им токов I_i и получаем ВАХ для всего диапазона падения напряжения на контакте инструмент - изделие - кривая 2 на фиг.3. Кривая 2 дает полное представление о контакте инструмент - изделие. Например, она позволяет установить, что в замкнутом состоянии внешней цепи станка {R=0) через контакт инструмент - изделие, имеющий проводимость 67,7097 Oм^-1, протекает ток силой 716 мА, в то время как по известному способу корректно измеренное значение тока не превышает 330 мА, а проводимость (сопротивление) источника остается неизвестным. В разомкнутом состоянии внешней цепи станка (R=), которое достигается, например, изоляцией инструмента от его массы, источник имеет проводимость Y₀=1/r_k0=47,2321 Oм^-1, а во внутреннем контуре: передняя поверхность инструмента - зона резания - задняя поверхность инструмента - передняя поверхность инструмента течет ток силой 733,214 мА.

Таким образом, в отличие от известных решений, определение эквивалентных максимальному сопротивлению контакта, тока и напряжения позволяет построить ВАХ во всем диапазоне действующих нагрузок, что способствует получению полной и достоверной информации о величине токов, возникающих при резании, и расширяет существующие представления о физических процессах, происходящих на контакте инструмент - изделие.