Năng lương trong mài phần lớn được chuyển hoá thành nhiệt. Nhiệt quá lớn sẽ dẫn tới thiệt hại về nhiệt, ứng suất dư và thay đổi kết cấu vi mô trong lớp bề mặt. Những hiệu ứng này có thể làm tổn hại lớn tuổi thọ và chất lượng thành phần của phôi gia công.
Nhiệt sinh ra trong quá trình mài phải được loại bỏ để giảm những ảnh hưởng của thiệt hại nhiệt đến mặt cơ sở. Khi tốc độ cắt vật liệu tăng tức là tăng với tốc độ làm việc và độ sâu cắt lớn hơn, ý nghĩa của hiệu ứng nhiệt này trở nên lớn hơn. Khi tăng tốc độ cắt vật liệu, nhiệt độ trong vùng mài yêu cầu xác định đo đạc kỹ lưỡng nếu quá trình này là bất lợi cho sự toàn vẹn bề mặt của phôi sau khi mài.
Tóm lại, nhiệt cắt ngoài ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác gia công, chất lượng lớp bề mặt gia công và khả năng cắt gọt của đá, còn ảnh hưởng đáng kể đến máy và đồ gá trong hệ thống công nghệ.
32
Qua nghiên cứu và từ thực tế cắt gọt ta thấy rằng nhiệt cắt có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình cắt, do vậy cần phải xác định được độ lớn của chúng trong nhữngtrường hợp cắt gọt cụ thể. Tuỳ thuộc vào mục đích nghiên cứu mà ta có thể xác định nhiệt cắt trên dao, trên chi tiết, trên phoi hoặc ở môi trường chung quanh.
Sự phân tích lý thuyết về sự thu nhận nhiệt của quá trình cắt giúp đánh giá được ảnh hưởng của các thông số cơ bản có liên quan đến quá trình cắt đến sự xuất hiện và sự dẫn nhiệt khi cắt, tuy nhiên việc xác định sự thu nhận nhiệt bằng tính toán là rất khó và không chính xác nên chỉ thường được áp dụng khi việc đo đạc nhiệt độ trực tiếp khó khăn hoặc không thể tiến hành được.
Ngày nay với sự phát triển của các ngành khoa học, kỹ thuật đo nhiệt nói chung và đo nhiệt cắt nói riêng ngày càng hoàn hảo và ngày càng trở nên phổ biến, được ứng dụng nhiều trong thực tế.
33
Chương 3 - Các phương pháp đo nhiệt cắt 3.1 Đo không tiếp xúc
Quá trình trao đổi nhiệt giữa các vật có thể diễn ra dưới hình thức bức xạ nhiệt, không cần các vật đó trực tiếp tiếp xúc với nhau. Bức xạ nhiệt chính là sự truyền nội năng của vật bức xạ đi bằng sóng điện từ. Khi một vật khác hấp thụ sóng điện từ của vật bức xạ thì sóng điện từ đó lại được chuyển thành nhiệt năng. Bất kỳ một vật nào sau khi nhận nhiệt thì cũng có một phần nhiệt năng chuyển đổi thành năng lượng bức xạ, số
lượng được chuyển đổi đó có quan hệ với nhiệt độ . Vậy từ năng lượng bức xạ người ta
sẽ biết được nhiệt độ của vật.
3.1.1 Hồng ngoại
Hình 3.1 Phép đo nhiệt độ sử dụng hồng ngoại
Hồng ngoại là một công nghệ lý tưởng để đo nhiệt độ mài do đo được khu vực đầy đủ của phôi bằng cách sử dụng các điểm ảnh tương đối nhanh và nhỏ, và nó không cần đính kèm vật lý với phôi.
34
Việc đo nhiệt độ được thực hiện bằng việc sử dụng một máy quay kỹ thuật số hồng ngoại, một hộp đen để hiệu chỉnh và một cặp nhiệt điện được hiệu chuẩn. Hộp đen được sử dụng để hiệu chỉnh camera hồng ngoại trước mỗi thí nghiệm. Bên trong hộp đen là một tấm thép nhỏ sơn màu đen. Thép và sơn có cùng vật liệu với phôi và sơn để đảm bảo có cùng độ phát xạ giống như phôi. Ngoài ra, một cặp nhiệt điện Sắt – Constantan cỡ 1,35 mm được sử dụng để nhận biết nhiệt độ của tấm thép này. Một camera hồng ngoại hoạt động ở 60 khung hình mỗi giây với thời gian cảm biến nhiệt độ là 25ms được sử dụng để đo nhiệt độ trong quá trình mài. Camera hồng ngoại đã được thiết lập phạm vi đo lường trong 20-500 0C với độ chính xác là ±2 0C và đi kèm với một ống kính có chiều dài tiêu cự 50 mm với một ống kính kéo dài 6,35mm. Ống kính kéo dài được sử dụng để giảm không gian nhìn và tăng độ phân giải của hình ảnh. Camera này đã được đặt cố định đối với vùng mài để giảm thiểu hiệu ứng làm mờ gây ra bởi các nguồn nhiệt chuyển động và thời gian cảm biến nhiệt độ. Các hình ảnh hồng ngoại đã được tạo ra bộ đoạt khung IMAQPCI-1422 và được lưu dưới định dạng RAW 12-bit. Tất cả các dữ liệu sau đó đã được gửi đến một máy tính thu thập dữ liệu để phân tích.
3.1.2 Kỹ thuật quang học
Hình 3.2 Phương pháp chụp ảnh nhiệt
Hình 3.2 minh họa phương pháp đo nhiệt sử dụng chụp ảnh nhiệt. Một máy ảnh nhiệt ghi lại sự phân bố nhiệt độ trên bề mặt của phôi. Trong hình, kết quả được so sánh với
35
dự đoán từ mô phỏng FEM. Kỹ thuật này đưa ra một hình ảnh toàn bộ về trường nhiệt độ bao gồm cả những khu vực lân cận khu vực mài. Tuy nhiên, phương pháp này ít sử dụng để xác định chính xác nhiệt độ của điểm tiếp xúc trong quá trình mài.
Phương pháp chụp ảnh nhiệt có ưu thế là xác định được nhiệt độ tại lớp dưới bề mặt. Trường nhiệt độ được minh họa thông qua việc đọc dữ liệu trực tiếp trong suốt quá trình mài. Một bất lợi của phương pháp này là việc camera ghi lại bức xạ nhiệt từ một mặt phẳng đứng phía vuông góc với vùng tiếp xúc. Sự có mặt của chất lưu động có thể ảnh hưởng đến bức xạ và do đó ảnh hưởng đến việc ghi lại bức xạ. Ngoài ra, nhiệt độ đo trong mặt phẳng có thể không phải là tiêu biểu cho nhiệt độ trung tâm bên trong vùng tiếp xúc. Sự đối lưu nhiệt trong quá trình mài xảy ra trên bề mặt bên của phôi, trong khi đó ở mặt phẳng trung tâm của phôi sự truyền nhiệt xảy ra hai chiều.
Hình 3.3 Phương pháp sử dụng transistor quang
Hình 3.3 minh họa việc sử dụng một transistor quang (4) ghi lại bức xạ hồng ngoại từ vùng mài thông qua một lỗ (2) được thực hiện trong đá mài. Dòng điện được tạo ra bởi transistor quang tỷ lệ thuận với cường độ bức xạ hồng ngoại. Các tín hiệu được điều khiển bởi một bộ khuếch đại (6) và gửi đến một thiết bị thu (7). Phương pháp này cung cấp tín hiệu gần như không có nhiễu, nhưng lại nảy sinh vấn đề khác. Phương pháp này chỉ hoạt động tốt trong mài khô. Trong mài ướt, phoi và chất lỏng lấp đầy lỗ đo, dẫn đến mất tín hiệu đầu ra. Rất khó tạo lỗ trong đá mài cũng như đồi hỏi sự can thiệp từ các nhà
36
sản xuất đá mài. Việc kiểm soát sự thay đổi kích thước lỗ và góc độ nghiêng là rất khó. Thời gian xử lí tín hiệu phụ thuộc vào tốc độ đá mài và đường kính lỗ.
3.1.3 Sợi quang kỹ thuật
Nghiên cứu gần đây về các cảm biến sợi quang đã mở đường cho việc phát triển một thiết bị đo nhiệt độ mới dựa trên kỹ thuật Bragg sợi. Sự thay đổi trong lưới sóng cảm biến do nhiệt độ gây ra sự thay đổi bước sóng của ánh sáng phản xạ. Ghép kênh phân chia bước sóng (WDM), bộ ghép và phương pháp tạo hai lưới sóng, cùng bộ phân kênh chia bước sóng trên màng mỏng (DWDM) là các kỹ thuật được sử dụng để phát hiện sự thay đổi trong bước sóng. Hình 3.4 minh họa kỹ thuật DWDM, Hình 3.7a cho thấy cấu tạo của hệ thống và hình 3.4b so sánh điện áp đầu ra của cảm biến quang với hai cặp nhiệt điện cực đôi, nơi mà cả hai bộ cảm biến được đặt bên dưới bề mặt mài. Sợi quang tạo ra một tín hiệu mạnh và hầu như không bị ảnh hưởng bởi nhiễu. Tuy nhiên, kỹ thuật này đòi hỏi phải đo trước và sau khi cắt bởi vì bộ cảm biến được đặt bên dưới bề mặt cắt. Cần phải có một khoảng cách an toàn ở phía trên cảm biến. Các giá trị nhiệt độ cuối cùng sau đó được ngoại suy, do đó phương pháp này không đưa ra nhiệt độ tiếp xúc trực tiếp một cách chính xác. Kỹ thuật sợi quang là tương đối đắt tiền và khó sử dụng.
(a) cấu hình hệ thống (b) tín hiệu đầu ra
37
3.1.4 Hỏa kế quang học
Hình 3.5 Cấu tạo hỏa kế quang học
Nguyên lý làm việc của hỏa kế quang học : so sánh cường độ sáng của vật cần đo với cường độ sáng của một nguồn sáng chuẩn đó là bóng đèn sợi đốt vonfram sau khi đã được già hóa trong khoảng 100 giờ với nhiệt độ 20000 C, sự phát sáng của đèn ổn định nếu sử dụng ở nhiệt độ 400 ÷ 15000 C. Cường độ sáng có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi dòng đốt hoặc dùng bộ lọc ánh sáng. Đầu tiên hướng ống kính về phía đối tượng cần đo, điều chỉnh kính vật để ảnh thật của vật nằm trên mặt phẳng của dây tóc bóng đèn, điều chỉnh kính mắt để nhìn rõ ảnh vật và dây tóc bóng đèn. Sau đó điều chỉnh biến trở để độ sáng của dây tóc bằng độ cường độ sáng của đối tượng cần đo và được so sánh bằng mắt.
Nếu cường độ sáng của đối tượng nhỏ hơn độ sáng của sợi đốt ta sẽ thấy được vệt sáng trên nền thẫm (a), nếu độ sáng của đối tượng lớn hơn độ sáng của sợi đốt ta sẽ thấy
38
được vệt thẫm trên nền sáng (b), lúc độ sáng của đối tượng bằng độ sáng của sợi đốt thì hình ảnh của sợi đốt biến mất (c) (ta không thể phân biệt được vệt dây tóc bóng đèn). Lúc này ta đọc được giá trị nhiệt độ của đối tượng cần đo.
3.2 Đo tiếp xúc trực tiếp
3.2.1 Kỹ thuật sơn phủ
Kỹ thuật sơn phủ có thể đo trực tiếp nhiệt độ tối đa ở một vị trí cụ thể. Ưu điểm của kỹ thuật này là giúp chúng ta nhận biết rõ ràng hơn về quá trình thay đổi từ thời điểm bắt đầu cảm biến nhiệt độ ở vị trí cần đo. Vật liệu có điểm nóng chảy thấp như indium, bismuth và các loại sơn nhạy nhiệt được sử dụng để đánh giá nhiệt độ khi mài. Phương pháp này được áp dụng cùng với việc phân tích luyện kim giúp chúng ta nhận biết một cách rõ ràng về thay đổi nhiệt độ bên trong lớp gia công.
3.2.2 Kỹ thuật cặp nhiệt điện
Có nhiều phương pháp khác nhau trong việc gắn một cặp nhiệt điện vào phôi để đo nhiệt độ tại vùng tiếp xúc khi mài. . Một cách tương đối đơn giản là chèn một cặp nhiệt điện sử dụng phôi lắp ghép. Có ba kỹ thuật chính. Cặp nhiệt điện hai cực thông thường có thể được chèn vào bên dưới bề mặt phôi. Thứ hai, có thể hình thành một cặp nhiệt điện hai cực có thể mài được tại điểm tiếp xúc khi mài. Một khả năng thứ ba là hình thành một cặp nhiệt điện đơn cực có thể mài được tài điểm tiếp xúc khi mài. Cặp nhiệt điện đơn cực sử dụng kim loại dẫn điện khác so với vật liệu phôi. Quá trình mài sẽ tạo thành kết nối cặp nhiệt điện ở bề mặt.
* Cặp nhiệt điện hai cực
Cặp nhiệt điện hai cực được đặt vào bên dưới bề mặt phôi được hiệu chuẩn theo tiêu chuẩn và thường cho ra một tín hiệu nhiệt độ tốt. Tuy nhiên, vì những cặp nhiệt điện này đo nhiệt độ bên dưới bề mặt, nhiệt độ đo được là do nhiệt truyền qua vật liệu phôi và thông qua chất cách ly của cặp nhiệt điện. Đặc tính nhiệt của vật liệu cách ly thường bị bỏ qua và gây ra sự không chính xác. Do độ chênh nhiệt độ gần bề mặt có thể phi tuyến tính, tính chính xác của phép đo dựa trên một quá trình ngoại suy.
39
Cấu hình thông thường của cặp nhiệt điện hai cực được thể hiện trong hình 3.8. Sử dụng cặp nhiệt điện cực đôi thông thường để đo nhiệt độ tại bề mặt tiếp xúc của phôi yêu cầu việc tính toán chính xác vị trí của mối nối so với bề mặt trước và sau khi mài để xác định vị trí trung bình để đo nhiệt. Thông thường, nhiệt độ được đo tại trung tâm của mối nối. Vì vậy, kích thước vật lý của mối nối đóng một vai trò quan trọng trong đo nhiệt độ. Nếu sự chênh lệch nhiệt độ cao ở vị trí của mối nối, kết quả sẽ là nhiệt độ trung bình của nhiệt độ cao nhất và thấp nhất. Một vấn đề nữa là nếu mối nối không được tạo thành chính xác trong mặt phẳng đo mong muốn, có một cách để dự đoán nhiệt độ tại vị trí mong muốn bằng cách ngoại suy từ chênh lệch nhiệt độ. Do đó, mô hình hóa lý thuyết đóng một vai trò quan trọng trong ngoại suy từ kết quả đo vật thể đến một điểm trên bề mặt.
40
Hình 3.7 Cấu trúc của cặp nhiệt điện hai cực có thể mài được
Tuy nhiên, việc sử dụng cặp nhiệt điện hai cực thông thường để đo bề mặt tiếp xúc yêu cầu số lượng đo lớn. Hơn nữa, việc tính toán để ngoại suy nhiệt độ cũng như độ chính xác khi di chuyển đá mài gần so với mối nối và tránh không cắt vào mối nối cũng khiến việc đo trở nên phức tạp.
Việc sử dụng cặp nhiệt điện hai cực có thể mài được như hình 3.7 có thể được hình thành trên bề mặt phôi và khắc phục một số những vấn đề của cặp nhiệt điện hai cực thông thường. Số lượng các lớp tăng lên làm tăng kích thước hệ thống và làm cho quá trình lắp các lá nhôm mỏng và dải mica cách điện khó khăn hơn.
* Cặp nhiệt điện đơn cực
Cặp nhiệt điện đơn cực là các cặp nhiệt điện có thể mài được và đây là một lợi thế so cặp nhiệt điện hai cực. Trong kỹ thuật đơn cực, mối nối được hình thành với phôi trong quá trình mài bằng cách làm mòn vật liệu cặp nhiệt điện trên phôi. Do đó, nhiệt độ mài được đo tại bề mặt tiếp xúc. Những cặp nhiệt điện đơn cực được xây dựng dựa trên một dải mỏng hoặc dây cách điện chèn vào trong đá mài hay phôi. Thông thường, cặp nhiệt điện được đưa vào trong phôi hơn là trong đá mài do đơn giản hơn và chi phí rẻ hơn.
41
Việc chèn một cặp nhiệt điện vào trong đá mài cho phép giám sát liên tục nhiệt độ khi mài. Phôi sẽ tạo thành cực thứ hai của cặp nhiệt điện và có thể hoán đổi được, do đó, phương pháp này có thể dùng để hiệu chỉnh được các giá trị nhiệt độ và có thể được sử dụng trong quá trình sản xuất. Phương pháp này được minh họa trong hình 3.8, có hai cặp nhiệt điện đơn cực (3) được chèn vào một đá mài. Khi quay với tốc độ cao các tín hiệu sẽ được tách ra nhưng sẽ kèm với nhiễu. Nước làm mát và phoi cũng gây ảnh hưởng đến chất lượng của tín hiệu. Phương pháp này đòi hỏi phải có thiết bị đọc tín hiệu nhanh, vì mỗi xung tín hiệu đặc trưng cho nhiệt độ tiếp xúc chỉ duy trì trong thời gian ngắn, điều này phụ thuộc vào quá trình mài (mài mài phẳng hay mài trụ, chiều sâu cắt nông hay sâu).
Hình3.8Cặp nhiệt điện đơn cực lắp vào một đá mài.
- Chèn trong phôi.
Trong cặp nhiệt điện đơn cực, constantan được sử dụng để tạo thành một cặp nhiệt điện loại J khi mài vật liệu kim loại màu.
42
Hình3.9 Kích thước cặp nhiệt kiểu J hoặc T
Lá mỏng Constantan có thể được lấy từ một cặp nhiệt điện loại J hay T và được chèn vào trong phôi. Hình 3.9 minh họa một cặp nhiệt điện đơn cực, chỉ ra đầu mỏng và chân của một lá nhiệt điện với kích thước thông thường. Đầu mỏng cho phép đo với chiều sâu cắt từ 0 đến 6 mm. Chân có thể được sử dụng để đo ở chiều sâu cắt lớn hơn. Đầu mỏng phù hợp cho mài nông hoặc khi chiều sâu cắt không lớn hơn 6 mm. Đối với chiều sâu cắt lớn hơn 5 mm, mặt cắt ngang của cặp nhiệt điện bắt đầu tăng lên. Điều này dẫn đến