Используемые в настоящее время экспериментальные методы исследования тепловых процессов в зоне резания чрезвычайно разнообразны и благодаря их надежности и простоте являются основным направлением исследования. С их помощью можно определить количество выделяемой теплоты и ее распределение между стружкой, заготовкой и инструментом; температуру контактных площадок инструмента; температурные поля в зоне деформации и режущем лезвии инструмента. Рассмотрим некоторые из них.

Калориметрический метод позволяет определить количество теплоты, переходящей в стружку, заготовку и инструмент, а также их средние температуры. Например, улавливая в калориметр горячую стружку, зная массы стружки и воды в калориметре и изменение темпе­ратуры воды, можно определить среднюю температуру стружки (рис. 5.3 а). Есть также калориметры, в которые погружают заготовку и инструмент (рис. 5.3 б).

Метод плавящихся пленок заключается в том, что на контактные площадки инструмента наносится в вакууме тонкий слой чистого металла с известной температурой плавления. Теплота, выделяющаяся при резании, оплавляет пленку в области, где достигается температура ее плавления, и тем самым обозначает соответствующую изотерму (рис. 5.4). Если нанести несколько пленок из различных металлов, то можно построить изотермы температурного поля инструмента

Метод термокрасок принципиально аналогичен методу пленок, но вместо чистых металлов используются специальные составы, изменяющие свой цвет под действием температур. В некоторых случаях эти составы наносят в специальные канавки в плоскости разъема разрезного резца. Это дает возможность определить температурное поле внутри инструмента.

Метод термопар заключается в том, что если нагреть место спая двух проводников из различных металлов, оставляя при этом свободные концы при более низкой температуре, на последних возникает термоЭДС (ТЭДС), которая зависит от разности температур спая и более холодных концов. Замыкая цепь через милливольтметр, можно измерить ТЭДС. Такая цепь называется термоэлектрической. Этот метод является наиболее распространенным и подразделяется на несколько разновидностей.

Метод искусственной термопары заключается в том, что в инструменте просверливается отверстие малого диаметра, не доходящее до определенной точки передней или задней поверхности примерно на 0,2...0,5 мм. В отверстие вставляется изолированная термопара (рис. 5.5). Температура в точке соприкосновения термопары и инструмента регистрируется включенным в цепь термопары гальванометром.

Этот метод дает возможность определить температуру различных точек на передней и задней поверхностях инструмента и на поверхности стружки, т.е. найти температурное поле. Основным преимуществом метода искусственной термопары является известная зависимость ТЭДС–°С как ее стандартная характеристика.

Недостатками классической схемы искусственной термопары является сложность устройства и невозможность определить наивысшую температуру, так как измерение температуры фактически производится не на поверхности контакта инструмента и стружки, а на некотором удалении от нее. Кроме того показания прибора изменяются со временем из-за износа перемычки, отделяющей термопару от поверхности контакта.

Более точные значения температур можно получить, используя скользящие по прирезцовой поверхности сходящей стружки (рис. 5.6).

В методе полуискусственной термопары в качестве одного из ее проводников используется токопроводящие инструмент или заготовка. Второй частью термопары является традиционный проводник, подсоединенный к тем же инструменту или заготовке (рис. 5.7).

Метод полуискусственной термопары дает более точные результаты, чем метод искусственной, но, обеспечивая измерение температур в данных точках поверхности, не дает возможности изучить закономерности влияния элементов режима резания на наивысшую температуру процесса резания. Кроме того, этот метод требует знания тарировочных зависимостей для каждого обрабатываемого или инструментального материала.

В методе естественной термопары (предложенный Е. Гербертом и К. Готвейном) элементами термопары служат заготовка и инструмент, которые, будучи разнородными металлами, в процессе резания имеют сильно нагретый контакт, фактически являющийся спаем этой термопары. Концы инструмента и заготовки имеют значительно более низкую температуру. Одна из распространенных схем естественной термопары приведена на рис. 5.8. Заготовка 1 изолируется от патрона 3 станка при помощи диэлектрических прокладок 5 и текстолитовой вставки 5 в заготовку, на которую опирается задний центр станка. Резец 2 изолируется от резцедержателя станка при помощи текстолитовых прокладок 5.

Для замыкания контакта с заготовкой в нее ввертывается стержень 10, диаметр которого меньше, чем отверстие в шпинделе. Этот стержень при выходе из шпинделя 4 проходит через текстолитовую втулку 5, чтобы избежать соприкосновения со станком. На конце стержня установлен токосъемник 7, 8, которым обеспечивается надежное замыкание вращающегося и неподвижного участков цепи. Возникающая в процессе резания термоЭДС регистрируется гальванометром 9.

Изоляция заготовки и инструмента от станка выполняется для устранения влияния дополнительных паразитных термопар, возникающих в местах стыка деталей станка с заготовкой. При исследованиях, не требующих высокой точности, заготовку не изолируют от станка, считая, что роль возникающей дополнительно термопары ничтожна из-за слабого разогревания заднего центра по сравнению с резцом. В связи с этим провод, ранее присоединяемый к заготовке, можно присоединить к любой точке станка.

Естественные термопары могут также применяться для измерения средних температур на каждой из контактных площадок в отдельности и для изучения закона распределения температур на поверхности соприкосновения стружки с инструментом.

Большим недостатком метода естественной термопары является необходимость наличия тарировочных графиков ТЭДС–°С для каждой комбинации обрабатываемый и инструментальный материал. Эти графики получаются при помощи достаточно трудоемких экспериментов на специальных установках, вид одной из которых приведен на рис. 5.9.

Стержни 1 и 2 из обрабатываемого и инструментального материалов с определенной силой прижимаются к нагревателю 3. Одновременно к нагревателю в том же месте приварена контрольная термопара 4. Задавая различную температуру нагрева реостатом 6, сравнивают показания гальванометров 8, подключенного к контрольной термопаре 4 и 5 – испытываемой термопары. Эти данные являются основой для тарировочного графика.

Последние исследования показывают, что естественная термопара дает показания ТЭДС, лишь примерно соответствующие некоторой усредненной температуре, возникающей на передней и задней поверхностях. Величина этой температуры зависит от соотношения длин контактных площадок и температур, на них возникающих. Учитывая, что и отношение этой средней температуры к максимальным на передней или задней поверхностях тоже непостоянно, использовать результаты метода естественной термопары можно лишь для очень приближенных, сравнительных экспериментов.

Метод бесконтактного измерения температур представляет собой регистрацию теплового излучения отдельных участков детали или инструмента в процессе обработки. Он основан на принципе собирания теплового излучения с участка нагретой поверхности 1 с помощью линз 2 и направления его на фотоэлемент 3 (рис. 5.10). Под действием теплового излучения в фотоэлементе возникает ток, который повышается усилителем 4 и регистрируется измерительным устройством 5. Наименьшая разрешающая способность такого прибора (пирометра) достигает 1 мм². Фотоэлектрический метод позволяет измерять температуру различных участков зоны резания и определять температурные поля передней и задней поверхности резца.

На основании приведенной общей схемы разработана конструкция и изготовлен прибор для измерения температуры в любой точке зоны резания (рис. 5.11 а). Прибор состоит из корпуса 6, объектива 4, подвижного зеркала 5, фотоэлемента 7, окуляра 9 с сеткой 8. Кроме того, применен специальный резец 1 с прихватом 2 и пластиной 3 из прозрачного для инфракрасной области спектра материала (например, из лейкосапфира) с полированными передней и нижней (опорной) плоскоcтями, причем опорная плоскость А выполнена зеркальной.

Инфракрасные лучи из заданной точки зоны резания, отражаясь от опорной зеркальной плоскости А, фокусируются объективом на приемник инфракрасного излучения. Визуальное наблюдение за зоной резания обеспечивается окуляром с сеткой и подвижным зеркалом. Прибор позволяет измерять температуру в любой точке от 150 до 1200°С. Высокая точность измерения (± 2 ... 3%) обеспечивается специальным зеркальным объективом, а также электронной схемой усилителя. Приемник инфракрасного излучения принимает сигналы с площадки размером 0,04 × 0,07 мм². Таким образом, имеется возможность измерять температуру в любой точке зоны резания на режущей кромке, на передней и задней поверхностях инструмента и т.д.

Приборы такого типа могут быть использованы для измерения температуры не только на площадке контакта, но и в любой точке режущей части резца (см. рис. 5.11 б). Это используется в тех случаях, когда инструментальный материал не прозрачен для инфракрасных лучей или когда сходящая стружка закрывает контактную площадку. Зная температуру в точках вне площадки контакта и используя известные закономерности распределения температур, можно теоретически рассчитать температуру в любой точке режущей кромки.

Рассмотренные ранее приборы позволяют измерять температуру в ограниченной зоне, практически в точке. Однако оптимизировать технологический процесс или оценивать термический режим объекта по температуре в отдельной точке весьма затруднительно. В этих случаях желательно иметь значительно больший объем информации, которую можно было бы получать, располагая тепловым изображением объекта. В последние годы для этой цели все чаще используют инфракрасную (ИК) аппаратуру, в частности, тепловизоры, позволяющие с достаточно высокой точностью фиксировать температурное поле тела.