Файл: Вульф А.М. Резание металлов.pdf

Применяемые методы измерения сил основаны на использова­ нии упругих деформаций ряда тел (датчиков) под воздействием нагрузки и различных (механических, гидравлических, пневма­ тических, магнитных и электрических) явлений при деформации датчиков.

К приборам, измеряющим силы резания, предъявляются сле­ дующие требования.

1. Минимальные измерительные перемещения (т. е. возможно меньший сдвиг и деформация деталей, воспринимающих нагрузку); это необходимо для сохранения практически неизменных условий резания — размера стружки, угла резания и пр.

2.Возможность легкой установки различных диапазонов изме­ ряемых нагрузок при сохранении достаточной чувствительности прибора, т. е. способности реагировать на малые изменения на­ грузок.

3.Малая инерционность применяемого метода измерения, необходимая в той или иной степени в зависимости от поставлен­ ных задач. Например, для расчета мощности достаточно иметь средние значения сил резания и скорости; в этом случае могут быть пригодны приборы, обладающие большей или меньшей сте­ пенью инерции. И наоборот, для определения напряжений в стан­ ках, инструментах, приспособлениях требуется знать максималь­ ную нагрузку и картину изменения ее во времени, когда необхо­

димы практически безынерционные приборы.

Для измерения истинных значений сил резания требуются приборы, способные регистрировать колебания нагрузок, изме­ няющихся от 500 раз в секунду. При этом собственная частота колебаний прибора должна быть пяти-, восьмикратная, т. е. со­ ставлять 2500—4000 Гц. Такие приборы можно называть мало­ инерционными, а при еще большей собственной частоте колебаний

затраты времени на подготовку его к работе, что особенно жела­ тельно при частой установке прибора на станке.

5. Надежность и экономичность эксплуатации, для чего ре­ комендуется избегать сложных и дорогостоящих дополнительных приспособлений (усилителей). В этом случае упрощается обслу­ живание и исключаются побочные помехи, возникающие при слож­ ном электрическом хозяйстве: разряд аккумуляторов, колебания

электрические и, в меньшей степени, гидравлические и механи­ ческие динамометры.

Гидравлические динамометры просты по конструкции и в экс­ плуатации, но имеют существенные недостатки — значительную инерционность и малую чувствительность. Поэтому все чаще при­ меняют электрические динамометры, более точные, чувствитель­ ные , хотя и более сложные и дорогие.

116

При измерении сил резания практически используются сле­ дующие электрические динамометры: пьезоэлектрический, емко­ стный, омического сопротивления, индуктивный, магнитный.

Пьезоэлектрический метод. На поверхности различных кри­ сталлов (кварца, турмалина, сегнетовой соли) появляется пьезо­ электричество, когда их подвергают действию внешних сил в опре­ деленном направлении, зависящем от кристаллической структуры. Для большего эффекта целесообразно кварц подвергать воздей­ ствию сил вдоль его нейтральной оси (рис. 61). Тогда на поверх­ ностях, перпендикулярных этой оси, образуются заряды стати­ ческого электричества противоположных знаков, причем коли-

.Злентрические оси

оптическая -о

чество его пропорционально действующей силе. После разгрузки кристалла заряды исчезают, не оставляя остаточного электри­ чества.

На рис. 62 показана типичная конструкция кварцевого дат­ чика с двумя пластинами. Отрицательно заряженные поверхности лежат на электроде, от которого заряд отводится к приемнику, в то время как положительный заряд заземляется через метал­ лический корпус. Сила Р действует на кварцевые пластины, рас­ положенные в корпусе 3, через шарик и пластину 2, распреде­ ляющую нагрузку. Если необходимо измерить нагрузку большую, чем это допускается прочностью кристаллов, то следует преду­ смотреть упорную пластину / и предохранительную пластину 4, передающие на кварц лишь часть нагрузки. При этом пластина / должна прогибаться на величину, не большую, чем это допу­ скается малой упругой деформацией кристаллов кварца (при­ мерно 1—3 мкм).

Существенное преимущество пьезоэлектрического метода — его чрезвычайно малая инерционность; можно наблюдать весьма высокую частоту колебаний нагрузок вплоть до 30 ООО—50 ООО Гц. Правда, в столь высокой безынерционное™ нет нужды при изме­ рении сил резания. Недостатком пьезоэлектрических приборов

117

является их малая прочность и сложность обслуживания. Поэтому они редко применяются в лабораторных условиях и мало при­ годны для решения производственных задач.

Емкостный метод. Построенные на основе этого метода кон­ денсаторные динамометры отличаются простотой конструкции. Сила, действующая на конденсатор электрического контура, изме­ няет его емкость. Это изменение емкости преобразуется в изме­

ризонтальном направлении, изменяют зазоры между пластинами датчиков 3 и 4, благодаря чему изменяются емкости конденсато­ ров. Изменение емкости конденсаторов преобразуется в изменение силы тока с помощью высокочастотного устройства.

Емкостные динамометры практически безынерционны. При достаточно большой жесткости датчика и его опор можно достиг­ нуть весьма высокой собственной частоты колебаний (10 ООО Гц). Существенным недостатком емкостных динамометров яляется слож­ ность высокочастотного устройства, что затрудняет их обслужи­ вание.

Изменение силы резания можно регистрировать с помощью миллиамперметра или в виде графиков с помощью осциллографа. Схема осциллографа показана на рис. 65, а. Шлейф осциллографа (проволочная или ленточная металлическая петля) натянут между полюсами сильного магнита М и несет маленькое зеркальце пло­ щадью 1 мм2 . Изменение силы тока в шлейфе вызывает некоторое отклонение проволок в магнитном поле и как следствие — по­ ворот зеркальца на угол, соответствующий изменению силы тока. При этом луч света, проходящий от дуговой лампы через линзу С

118

и щель на экране S и отражающийся от зеркальца, проходит через линзу Z и описывает на движущейся светочувствительной бумаге Р кривую изменения силы резания. Таким образом, несколькими датчиками и шлейфами можно одновременно регистрировать ряд явлений в процессе резания (силы, температуру, скорость, время работы и т. д.). На рис. 65, б представлен блок схем измерения и регистрации сил резания.

Метод омического сопротивления. Омическое сопротивление специальных-проводников в контуре может быть изменено под воздействием силы, при этом степень изменения сопротивления

Рис. 64. Схема емкостного трехкомпонентного динамометра

может быть показателем действующих сил. Теоретически для этой цели пригодны все твердые упругие тела, а также жидкости и газы, которые не оказывают электрическому току бесконечно большого

показывают хорошую повторяемость результатов, пока они под влиянием нагрузки испытывают лишь упругие деформации.

На рис. 66 дана схема датчика с двойным угольным столби­ ком. Под влиянием нагрузки Р малая упругая деформация оса­ живаемого цилиндра 1 передается слегка изогнутой стойке 2, дальнейший прогиб которой вызывает сжатие одного из угольных столбиков 3 и разгрузку другого. Ряд недостатков ограничивает надежность данного метода. Например, угольный столбик неза­ метно может разрушиться, а прибор будет продолжать давать

119

Рис. 65. Схема осциллографа (а) и схема измерения и регистрации сил резания (б)

Р

Рис. 66. Датчик с уголь­ ным сопротивлением

Рис. 67. Токарный тензометрический динамометр

к усилителю И усилителю к усилителю

Рис. 68. Схема соединения в мосты датчиков трехкомпонентного токарного дина­ мометра

Рис. 69. Схема индукционного датчика

121

показания, но уже неправильные. Имеет место механический гистерезис, т. е. сопротивление столбика пр'и нагрузке иное, чем при разгрузке. Градуирование вращающихся приборов должно выполняться в динамическом состоянии, так как изменение со­ противления угольных пластин может быть вызвано центробеж­ ной силой, уплотняющей частицы угля, вследствие чего изменяется их действительная поверхность соприкосновения. Собственная частота колебаний угольного столбика очень высока — 60 ООО Гц. Практически она снижается до 20 ООО Гц у корпуса прием­ ника.

На рис. 67 показаны схема проволочного тензометрического динамометра для измерения сил резания при точении. Здесь

3 2 1

Рис. 70. Трехкомпонентный индукционный датчик

использована способность металлической проволоки при растяже­ нии и сжатии изменять омическое сопротивление с изменением механически напряженного состояния под влиянием нагрузки. Силы Рг, Ру, Рх, приложенные к резцу /, закрепленному в рез­ цедержателе 2, передаются упругим элементам, выполненным в виде полуколец, граненных снаружи. На гранях и внутренних цилиндрических поверхностях каждого элемента наклеены про­ волочные датчики. Например, сила Р„ воспринимается датчиками

Изменение силы тока под влиянием изменяющихся напряже­ ний регистрируется миллиамперметром или осциллографом после предварительного значительного усиления с помощью усилителя. Во избежание взаимовлияния составляющих сил резания датчики включаются в мостовую схему строго определенным образом (рис. 68).

122

ЭЛЕКТРОИНДУКТИВНЫЙ МЕТОД. В качестве датчиков применяются катушки, у которых при постоянном приложенном напряжении переменного тока может изменяться сила тока в зависимости от величины воздушной щели б (рис. 69). Под воздействием нагрузки на подвижную часть датчика, связанного с железным сердечни­ ком катушки, изменяется зазор (на сотые доли миллиметра), а вместе с ним и сила индукционного тока во вторичной катушке. Зазор б для большого диапазона измерений колеблется в пределах 0,1—0,2 мм. Считают целесообразным, чтобы с увеличением на­ грузки зазор б не уменьшался, А увеличивался. В этом случае повышается чувствительность метода и, кроме того, с увеличе­

болтами 13. Благодаря прогибу дна корпуса датчиков изменяется расстояние между электромагнитами, вследствие чего изменяется сила тока в электрической цепи, регистрируемая тремя милли­ амперметрами, по одному на каждый датчик.

Динамометр питается переменным током, поэтому показания прибора искажаются при включении и выключении станков, ра­ ботающих на переменном токе и расположенных рядом с прибо­ ром. Искажения трудно полностью устранить, пользуясь стаби­ лизатором напряжения. Сильно искажаются показания прибора и при вибрациях.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ МЕТОД. При этом методе применяют катушку переменного тока с магнитоупругим сердечником из пермаллоя (78% Ni, остальное— Fe, С и другие составляющие). Под воздей­ ствием нагрузки на сердечник в зависимости от степени механи­

в катушке. Простые и удачные схемы электромагнитных датчи­ ков, работающих на сжатие с использованием индукции (б) или самоиндукции (а), представлены на рис. 71. При мало меняющихся напряжениях сжатия магнитоупругий эффект устойчив. Для

123