Bezdotykov men teplot KTOEMO Cvien 8 Tato prezentace

Bezdotykové měření teplot KTO/EMO Cvičení 8 Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

Vymezení pojmů: Teplota řezání - střední teplota v ploše styku mezi břitem a materiálem obrobku [1] Teplotní pole – pole izoterm ve břitu, třísce a obrobku [1]

Přehled experimentálních metod měření teplotních jevů

ÚVOD Zvýšení řezné rychlosti je jedním z nejvíce efektivním způsobem zvýšit produktivitu, ale toto zároveň způsobuje vývin vysokých teplot na nástroji, třísce a obrobku. Protože je vysoká teplota generována v oblasti první plastické deformace, tak zhoršuje životnost nástroje a integritu obrobeného povrchu. To je zapříčiněno opotřebením nástroje a vznikem tažných zbytkových napětí obrobeného povrchu. Tažným zbytkovým napětím by jsme se měli vyhnout, protože ty redukují schopnost materiálu odolávat únavě. Je žádoucí určit teplotu okolo řezné hrany pro hlubší poznání řezného procesu a jeho kontroly [10]. Tepelná distribuce a maximální teplota jsou také významné faktory ovlivňující poškození nástroje. Je obtížné měřit, protože oblast měření je velmi malá a nástroj rychle rotuje [11].

Metody bezdotykového měření teploty - teorie Každé těleso zahřáté na teplotu vyšší, než je teplota 0 K vyzařuje tepelné elektromagnetické záření. Přeměna části tepelné energie na energii vyzařovanou elektromagnetickým zářením. Využívá se záření na vlnové délce od 0, 4 μm do 25 μm vlnové délky, což pokrývá měření teploty od - 40 °C do 10 000 °C.

Metody bezdotykového měření teploty - teorie dokonale černé těleso – maximálně vyzařuje i maximálně pohlcuje záření intenzita vyzařování a pohltivost jsou si úměrné podle Kirchhoffova zákona je-li teplota tělesa větší než teplota okolí, převažuje intenzita vyzařování nad pohltivostí intenzita vyzařování dokonale černého tělesa (Ho) závisí jen na jeho absolutní teplotě Stefan. Boltzmannův zákona:

Metody bezdotykového měření teploty – teorie EMISIVITA skutečné těleso vyzařuje i pohlcuje méně než dokonale černé těleso Emisivita = poměr energie vyzařované objektem při dané teplotě k energii vyzařované černým tělesem při téže teplotě (hodnota emisivity je vždy menší než 1) Funkcí: druhu materiálu stupni oxidace povrchu materiálu opracovanosti a drsnosti povrchu efektivní vlnové délce pyrometru teplotě materiálu

Metody bezdotykového měření teploty – TERMOVIZE Z bodů se rekonstruuje obraz rozložení teplot, který se zobrazuje v barevném provedení na monitoru. Teplotní rozsah: -20 až +600°C (za příplatek až 1200°C) detektor infračerveného záření – kvantový (zvyšují el. Vodivost), pyroelektrický (ohřívají-el. Náboj) Nutnost nastavit emisivitu cena: 400 000 a výš

Metoda měření teplotního pole pomocí infračervené kamery [5], [6] Metoda patří do skupiny metod využívající část elektromagnetického záření k detekci teploty povrchu měřeného objektu a zároveň je měřeno pole bodů na povrchu měřeného objektu.

Metoda měření teplotního pole pomocí infračervené kamery [5], [6] PRINCIP Běžně dostupné termokamery pracují při snímání obrázků ve vlnových délkách 8 -14µm. Termokamera použitá v experimentu snímá vlnové délky mezi 0, 4 -1, 1 µm. Oblast viditelného záření má interval 0, 4 -0, 7 µm. Proto je nutné použít filtr, který propustí jen vlnové délky od 0, 8 do 1, 1 µm. Výhodou tohoto je možnost použití klasického objektivu. CCD čip má 510 x 492 bodů, které detekují současně intenzitu světla vyzařovanou body v pozorované oblasti. Výstupem je obrázek, kde můžeme pozorovat teplotní oblasti. Dále, každý obraz spojený do filmu se získává 0, 04 s. Použitím kamery, která umožní sledovat děj ve spektru viditelném a přilehlém IR je možné určit přesnou polohu každého bodu z oblasti IR záření.

Metoda měření teplotního pole pomocí infračervené kamery [5], [6]

Metoda měření teplotního pole pomocí infračervené kamery [5], [6] KALIBRACE Nutno určit emisivitu měřeného objektu, tím že je měřena skutečná teplota objektu jinou metodou. Hodnota emisivity se nastavuje na infrakameře do té doby než je hodnota teploty z infrakamery shodná s hodnotou teploty získanou jinou metodou. Nutno podotknout, že hodnota emisivity je závislá na velikosti měřené teploty. Proto je třeba tento algoritmus aplikovat pro celé spektrum teplot, ve kterém se budou experimentální hodnoty teplot pohybovat.

Metoda měření teplotního pole pomocí infračervené kamery [5], [6] VYHODNOCENÍ Data (teplotní pole) z infrakamery jsou uložena a zpracována v PC speciálním softwarem VÝHODY nad získanými daty lze snadno provádět potřebné operace, např. určení teploty jednoho bodu, zvýraznění izoterm atd.

Metoda měření teplotního pole pomocí infračervené kamery [5], [6] NEVÝHODY pro získání teplotních polí rovině Pp, Po je nutné použít ortogonální řezání musí se omezit na obrábění za sucha cena infrakamery problematika emisivity – změření, nastavení jiné zdroje tepelného záření v měřené oblasti ZÁVĚR Při správném nastavení hodnot emisivity je tato metoda vhodná pro měření nejen ortogonálního řezného procesu.

Metody bezdotykového měření teploty – PYROMETRY radiační - měří úhrnné záření, tj. celkovou energii vyzařovanou v určitém směru, v celém spektru vlnových délek fotoelektrické (pásmové) - měří pásmové záření, tj. záření v úzkém pásmu vlnových délek, např. 3, 6 µm - infrazáření spektrální – jasové, využívají úzkou oblast viditelného pásma záření 0, 4 až 0, 78 μm barvové

Metody bezdotykového měření teploty – PYROMETRY pásmové • detektor: fotočlánek, fotodioda, fototranzistor foto-odpor • použití pásmových pyrometrů je tam, kde se mezi měřeným objektem a pyrometrem náhodně vyskytuje plyn nebo vodní pára v oblasti infračerveného záření, jako např. CO 2, vodní pára • možné chyby: pyrometr kolmo k povrchu, odraz horkého předmětu

Měření teploty pyrometrem s optickým vláknem, soustružení diamantovým nástrojem [9] Tato metoda je metoda bodového měření teploty založeném na tepelném záření měřeného objektu, obrábí se diamantovým krystalem Al, Cu slitiny, jedná se o suché, ortogonální soustržení o hloubce řezu 0, 01 mm, řezná rychlost 400 -900 m/min

Měření teploty pyrometrem s optickým vláknem, soustružení diamantovým nástrojem [9] PRINCIP Při obrábění pomocí diamantu není možné použít termočlánek, protože diamant není vodivý. K měření se využívá dvoubarvového pyrometru, který přijímá signál z optického vlákna. Pyrometru využívá detektor záření typu In. Sb a Hg. Cd. Te, citlivost těchto dvou detektorů je na obr. 12. Z obrázku je patrná výhoda dvoubarvového pyrometru, každý použitý detektor v pyrometru je totiž citlivý na jinou vlnovou délku. Tento typ pyrometru je značně rozšířený.

Měření teploty pyrometrem s optickým vláknem, soustružení diamantovým nástrojem [9]

Měření teploty pyrometrem s optickým vláknem, soustružení diamantovým nástrojem [9] PRINCIP Při obrábění pomocí diamantu není možné použít termočlánek, protože diamant není vodivý. K měření se využívá dvoubarvového pyrometru, který přijímá signál z optického vlákna. Pyrometru využívá detektor záření typu In. Sb a Hg. Cd. Te, citlivost těchto dvou detektorů je na obr. 12. Z obrázku je patrná výhoda dvoubarvového pyrometru, každý použitý detektor v pyrometru je totiž citlivý na jinou vlnovou délku. Tento typ pyrometru je značně rozšířený.

Měření teploty pyrometrem s optickým vláknem, soustružení diamantovým nástrojem [9] Vlákno je vloženo do díry vyvrtané v noži. Z obrázku je patrné, že konec vlákna je uložen pod diamantovým krystalem. Diamant má dobré přenosové vlastnosti pro přenos infrazáření. Záření je v tomto případě vedeno nejdříve diamantovým krystalem, následně je vedeno optickým vláknem a nakonec je zaznamenáno tepelnými detektory pyrometru. Není nutné tedy do nástroje vrtat díru, což by se v případě diamantu dělalo opravdu těžko. Průměr vlákna je 0, 3 mm. Je měřena teplota čela nástroje.

Měření teploty pyrometrem s optickým vláknem, soustružení diamantovým nástrojem [9]

Měření teploty pyrometrem s optickým vláknem, soustružení diamantovým nástrojem [9] KALIBRACE Kalibrace probíhala určováním emisivity při porovnání teplot vzorku pomocí pyrometru a termočlánku. Termočlánek měřil teplotu vzorku a byl použit jako etalonové měřidlo.

Měření teploty pyrometrem s optickým vláknem, soustružení diamantovým nástrojem [9] VÝHODY je měřena těžko přístupná oblast čela nástroje pyrometr lze díky optickému vláknu umístit kamkoli využitím diamantu pro přenos infrazáření se znemožní ucpání díry třískou

Měření teploty pyrometrem s optickým vláknem, soustružení diamantovým nástrojem [9] NEVÝHODY oproti infrakameře se měří pouze jeden bod oproti běžnému měření pyrometrem je nutno vyvrtat v nástroji díru ZÁVĚR Použití optického vlákna pro přenos signálu umožňuje odstranit z experimentálního prostoru pyrometr. Není možné, aby došlo k zanesení díry v nástroji.

Měření teploty pyrometrem s optickým vláknem při soustružení tvrdé oceli CBN VBD [10] Tato metoda je metoda bodového měření teploty založeném na tepelném záření měřeného objektu, obrábí se ocel vysoceuhlíková chromová, chrom-molybden, kalená uhlíková ocel, nástroj je CBN, hloubka řezu = 0, 1 mm, posuv 0, 1 mm/ot, řezná rychlost 100 -300 m/min

Měření teploty pyrometrem s optickým vláknem při soustružení tvrdé oceli CBN VBD [10] PRINCIP Nástroj je upevněn ve sklíčidlu namontovaném na vřetenu soustruhu, nástroj tedy koná hlavní řezný pohyb viz. obr. 15. Obrobek je dutý válec a je upnut na suportu. Obráběna je díra obrobku. V obrobku je vyvrtána přesná díra ø 0, 5 mm, díra je průchozí skrz celou stěnu obrobku. Optické vlákno dlouhé 2 m je vloženo do díry z vnější strany obrobku. Vlákno je upevněno v poloze, kde vzdálenost mezi čelem vlákna a obráběným povrchem je 0, 5 mm obr. 16. Vlákno může přijímat infrazáření ze hřbetu nástroje, když řezná hrana přejde přes díru.

Měření teploty pyrometrem s optickým vláknem při soustružení tvrdé oceli CBN VBD [10]

Měření teploty pyrometrem s optickým vláknem při soustružení tvrdé oceli CBN VBD [10] KALIBRACE Kalibrace je provedena pro CBN VBD o známé teplotě, zjištěné termočlánkem.

Měření teploty pyrometrem s optickým vláknem při soustružení tvrdé oceli CBN VBD [10] Jak je vidět z obr. 17. vlákno nejprve zaznamená vyzařování z třísky a pak teprve vyzařování hřbetu. Proto bylo nutno podrobit bližšímu zkoumání průběh zaznamenaných teplot obr. 18.

V průběhu síly obr. 18 je možno najít moment, kdy řezná hrana jde přes díru, řezná síla v tomto okamžiku klesá velmi rychle, protože nástroj obrábí oblast s dírou. Oblast vyšší teploty je čas, kdy je zaznamenaná teplota třísky jdoucí před nástrojem. Takže signál ze řezné hrany – hřbetu je oblast malého zvýšení teplot v oblasti klesání, to je hledaná část grafu.

Měření teploty pyrometrem s optickým vláknem při soustružení tvrdé oceli CBN VBD [10] Další pokus byl proveden se zaslepenou dírou obr. 19. , tloušťka stěny je menší než hloubka řezu ap, proto po průchodu ostří není díra již zaslepena. Díra je otevřená, když nad ní prochází hřbet, je zavřená, když nad ní prochází tříska. Proto je získáno infrazáření pouze ze hřbetu nástroje.

Měření teploty pyrometrem s optickým vláknem při soustružení tvrdé oceli CBN VBD [10]

Měření teploty pyrometrem s optickým vláknem při soustružení tvrdé oceli CBN VBD [10] VÝHODY je měřena těžko přístupná oblast hřbetu nástroje pyrometr lze díky optickému vláknu umístit kamkoli NEVÝHODY oproti infrakameře se měří pouze jeden bod oproti běžnému měření pyrometrem je nutno vyvrtat v obrobku díru ZÁVĚR Použití optického vlákna pro přenos signálu umožňuje odstranit z experimentálního prostoru pyrometr. Obrobek nekoná hlavní řezný pohyb, není tedy nutno řešit obtíže spojené s rotujícím obrobkem a optickým vláknem.

Teplota hřbetu řezného nástroje při HSC frézování [11] Tato metoda je metoda bodového měření teploty založeném na tepelném záření měřeného objektu. KALIBRACE Kalibrace byla prováděna jako v předchozích článcích.

Teplota hřbetu řezného nástroje při HSC frézování [11]

Teplota hřbetu řezného nástroje při HSC frézování [11] PRINCIP a VYHODNOCENÍ JEDNOTLIVÝCH EXPERIMENTŮ Základem úspěchu je pyrometr, který je schopen měřit při 10000 ot/min, neboť se jedná o HSC obrábění. Je použita jen jedna destička, protože se udrží konstantní podmínky a vyhneme se jakýmkoli rozdílům mezi VBD. Druhá je vyvažovací.

Teplota hřbetu řezného nástroje při HSC frézování [11] Vlákno bylo umístěno do pozice ψ = 0, 90, 180, 270 º.

Teplota hřbetu řezného nástroje při HSC frézování [11] Rovnoměrná rychlost chladnutí hřbetu VBD.

Teplota hřbetu řezného nástroje při HSC frézování [11] Další experiment sledoval závislost teploty a polohy místa měření. Obr. 26. sleduje situaci v řezu – trojúhelník v grafu je síla. Před ψ = 349, 7 º není teplota tak velká, nástroj je ochlazen, nejvíce pak vzrůstá teplota při ψ = 360º, prohlubeň v teplotách mezi ψ = 350 -355 º je způsobena díky vyvrtané díře.

Teplota hřbetu řezného nástroje při HSC frézování [11]

Teplota hřbetu řezného nástroje při HSC frézování [11] VÝHODY je měřena těžko přístupná oblast hřbetu nástroje pyrometr lze díky optickému vláknu umístit kamkoli snadné zamíření na místo řezu NEVÝHODY oproti infrakameře se měří pouze jeden bod oproti běžnému měření pyrometrem je nutno vyvrtat v obrobku díru ZÁVĚR Použití optického vlákna pro přenos signálu umožňuje odstranit z experimentálního prostoru pyrometr. Experiment ukázal možnosti měření teploty hřbetu nástroje při HSC frézování pyrometrem a optickým vláknem.

[1] Hofmann, P. , Přednášky z předmětu KTO/EMO [2] Longbottom, J. , Lanham, J. D. , Cutting temperature measurement while machining – review, Aircraft engineering and Aerospace Technology, 2005, Proquest, Science. Direct [3] Feist, J. P. Heyes, A. L. , Choy, K. L. , Nicholls, J. R. , Two-colour phosphor thermometry for surface temperature measurement, Department of Mechanical Engineering, Imperial College of Science Technology and Medicine, London, UK, 2004 [4] Feist, J. P. Heyes, Seefelt, S. , Thermographic phosphor thermometry for film cooling studies in gas turbine co. . . , Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, 2003, Pro. Quest Science Journals pg. 193 [5] M´Saoubi, R. , Le Calvez, C. , Chngeux, B. , Lebrun, J. L. , Thermal and microstructural analysis of orthogonal cutting of a low alloyed carbon steel using an infrared-charge-coupled device camera technique, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, 2002, Pro. Quest Science Journals pg. 153 [6] http: //www. termovize. com/teorie. html [7] Lo Casto, S. , Lo Valvo, V. , Piacentini, M. , Ruisi, V. F. , Cutting Temperatures Evaluation in Ceramic Tools: Experimental Tests, Numerical Analysis and SEM Observations, Annals of the CIRP Vol. 43/1/1994, page 73 [8] http: //julieta. mech. ibaraki. ac. jp/jshinozu/FEM/fem. html [9] Ueda, T. , Sato, M. , Nakayama, K. , The Temperature of a Single Crystal Diamond Tool in Turning, Kanazawa University, Japan, 1998 [10] Ueda, T. , Mahfudy, A. H. , Yamada, K. , Nakayama, K. , Temperature Measurement of CBN Tool in Turning of High Hardness Steel, Kanazawa University, Japan, 1999 [11] Ueda, T. , Hosokawa, A. , Oda, K. , Yamada, K. , Temperature on Flank Face of Cutting Tool in High Speed Milling, Department of Mechanical System Engineering, Faculty of Engineering, Kanazawa University, Japan, 2001 Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.