4.7. Тепловые деформации технологической системы

Тепловые явления, возникающие во всей системе СПИД, и оказывают большое влияние и на точность обработки.

Тепловая деформация инструмента. Механическая работа резания почти целиком превращается в теп­лоту, которая распределяется между стружкой, обрабатываемой деталью и инструментом. Некоторая часть рассеивается в окружающую среду.

Большая часть теплоты резания ухо­дит со стружкой (60...90 %). В резец пе­реходит незначительное количество те­пла (3...5 %). Тем не менее, температура лезвия может достигать весьма высоких значений (1000...1200° С), что, естест­венно, вызывает и нагрев тела резца.

Рассмотрим расчет тепловых удлинений вылета резца (рис. 4.11) в зависи­мости от времени обработки при следующих принятых допущениях:

• количество теплоты Q, притекающее к резцу в процессе реза­ния в единицу времени есть постоянная величина;

• в каждый данный момент температура различных точек голов­ки резца одинаковая.

Итак, обозначим: Q — количество теплоты, притекающее к резцу в процессе ре­зания в единицу времени;

Q₁ — количество теплоты, отдаваемое резцом в единицу вре­мени в окружающую среду;

Q₂ — количество теплоты, идущее на повышение теплосодер­жания и вызывающее рост температуры, а, следовательно, и удлине­ние резца.

Т аким образом, притекающая к резцу теплота идет частично на повышение теплосодержания и частично рассеивается. В таком слу­чае, учитывая изменение за бесконечно малый промежуток времени d получим: ,

Рис. 4.11. Схема вылета резца

где: dQ₁ — количество теплоты, отдаваемое резцом за бесконечно ма­лый промежуток времени; dQ₂ — повышение теплосодержания за бесконечно малый промежуток времени.

,

где:  — коэффициент теплоотдачи ; F— поверхность резца, отдающая теплоту, м², t — превышение средней температуры резца над температурой окружающего пространства в данный момент.

, где: т — масса резца, кг; с — удельная теплоемкость, Дж/(кг град)

Через определенный промежуток времени наступает тепловое равновесие между подводимой и отводимой к резцу теплотой. Температура резца стаби­лизируется, и зависит от интенсивности режимов обработки.

Зависимость теплового удлинения резца  от времени  обработки при не­прерывной работе показана на рис. 4.12. и зависит от температуры и вылете l резца.

Рис. 4.12. Зависимость удлинения резца

во времени

На рис. 4.13 а приведены кривые изменения длины резца при его нагре­вании и охлаждении. На рис. 4.13 б приведены схемы изменения размеров резца при изготовлении партии дета­лей и образования погрешностей раз­мера и формы деталей.

Рис. 4.13. а) – характер изменения размера резца при циклической работе и отдыхе;

б) – влияние циклического нагрева на размер и форму детали

Тепловые деформации станков

Основными причинами, вызывающими тепловые деформации станков являются:

• тепло, выделяющееся в узлах станка из-за потерь на трение в подшипниках и зубчатых передачах;

• тепло, образующееся в зоне резания;

• тепло от внешних источников;

• различные устройства: гидравлические, электрические и др.

Зависимости тепловых деформаций _ст узлов станков от времени ра­боты, так же, как и режущего инструмента — экспоненциальные.

График (рис. 4.14) показывает смещение шпинделя в горизонтальном направлении для различных частот его вращения (п).

Обычно станки испытываются вхолостую, так как считается, что при чистовых режимах тепловые деформации особо различаться не будут от тепловых деформаций холостого хода.

П ри работе токарного станка в основном нагревается передняя бабка вследствие трения в подшипниках и зубчатых передачах (рис. 4.15).

Ось шпинделя может смещаться в горизонтальном направлении на рабочего или от рабочего в зависимости от способа крепления шпиндельной бабки на станине. Тепловые деформации элементов технологической системы оказывают наибольшее влияние на точ­ность обработки при шлифовании.

Для уменьшения влияния тепловых деформаций необходимо ру­ководствоваться следующими рекомендациями:

• обеспечивать постоянство теплового поля в зоне установки станка путем поддерживания в цехе нормального теплового режима, в том числе создание специальных помещений с терморегулировани­ем, путем предохранения оборудования от солнечных лучей и т. д.;

• разрабатывать специальные конструкции для автоматической компенсации тепловых деформаций;

• проектировать конструкции с тепловыми перемещениями, в направлениях, не влияющих на точность;

• выносить узлы, тепловые деформации которых существенно влияют на точность обработки, за пределы станка, например, встро­енные электродвигатели, резервуары с маслом или охлаждающей жидкостью и т. д.;

• применять охлаждение встроенных электродвигателей, при­водов и т. п. путем выполнения развитых поверхностей теплоотвода, принудительного воздушного охлаждения, циркуляционной смазки и т. д.

Тепловые деформации изготавливаемой детали

В некоторых случаях, например при обработке массивных загото­вок, тепловыми деформациями можно пренебречь. Однако в боль­шинстве случаев, нагрев заготовок может быть значительным.

Наибольшие тепловые деформации возникают при обработке тонкостенных заготовок (трубы, гильзы компрессоров).

Иногда производится замер температуры пробной заготовки в не­скольких местах, вычисляется средняя температура t_cp и вводится коррекция положения инструмента при обработке последующих за­готовок.

Например, тепловые деформа­ции при токарной обработке вала диаметром 80 мм, длиной l = 800 мм, составили 0,012 мм, при этом форма вала в продольном сечении имела вид, показанный на рис. 4.16.