Лабораторная работа №17 Определение влияния температурных деформаций на точность детали.

1. Теоретические положения.

1.1. Тепловые деформации станочной системы.

В процессе обработки на металлорежущих станках выделяется большое количество теплоты, которая в значительной части воспринимается инструментом, обрабатываемым изделием и деталями станка.

Под действием теплоты инструмент и обрабатываемое изделие нагреваются, вследствие чего изменяются их размеры. Изменение размеров инструмента и обрабатываемого изделия в процессе обработки приводит к появлению погрешности обработки.

Большое влияние на точность изготовления имеют температурные деформации режущего инструмента, которые в ряде случаев достигают значительной величины. Для учета этих погрешностей необходимо знать законы изменения их во времени и уметь рассчитывать их величину.

Величину температурных деформаций простейших инструментов (например токарных резцов) можно определить экспериментально с помощью установки, регистрирующей температурные деформации.

Кроме теплоты резания, в процессе работы станка в его подвижных соединениях выделяется: теплота трения, теплота в местах установки электроаппаратуры и узлов гидропривода. Все это приводит к неравномерному нагреванию отдельных деталей и узлов станка, изменяя их размеры и относительное расположение, что также влияет на точность механической обработки.

Величину температурных деформаций металлорежущих станков также можно определить экспериментально.

Рис.1 Температурная деформация резца от времени работы и охлаждения Т.

Закон изменения температурных деформаций во времени можно характеризовать показательными функциями:

при охлаждении

(1)

при нагревании

(2)

где - величина удлинения;

- величина удлинения при установившемся режиме теплового равновесия;

- коэффициент, характеризующий форму кривой;

Т – время.

Исходя из зависимости (рис. 1), наибольший рост температурных деформаций наблюдается в начальный период времени работы (резца, станка, обрабатываемой детали), затем интенсивность роста понижается и, наконец, наступает период установившегося теплового режима, в течение которого температурные деформации практически не изменяются.

Если значения Т и (для инструмента, станка, обрабатываемой детали) определены экспериментально, то по этим результатам методом наименьших квадратов можно определить значения параметров и в уравнении (1).

В случае нагревания (уравнение 2) определяется только значение . Величина принимается из опыта как максимальное значение температурной деформации при нагревании (установившийся тепловой режим).

Во время работы любого металлорежущего станка некоторая часть его полезной мощности расходуется на преодоление сил трения, возникающих в подвижных сопряжениях деталей и узлов (подшипники, зубчатые передачи, муфты и т.д.). Поэтому в местах подвижного контакта выделяется теплота, которая повышает температуру отдельных деталей и узлов станка. Наибольшее количество теплоты трения выделяется в приводе главного движения. Из мест образования теплота передается другим деталям станка, но нагрев отдельных деталей у узлов станка происходит неравномерно.

Процесс притока теплоты происходит одновременно с ее рассеиванием в окружающее пространство. Однако, несмотря на это, температура деталей станка продолжает повышаться. Это повышение происходит до тех пор, пока не возникнет момент теплового равновесия, который обычно наступает через несколько часов работы станка. Ввиду разных температурных деформаций деталей и узлов изменяется их взаимное расположение в процессе работы станка, что, в свою очередь, приводит к возникновению погрешности формы и размера обрабатываемых деталей. Наибольшее влияние на точность формы и размера обрабатываемой детали оказывают температурные деформации частей станка, происходящие в направлении нормали к обрабатываемой поверхности, поэтому они обычно и являются предметом экспериментальных исследований.

В работе рассматриваются температурные деформации вертикально-фрезерного станка, однако, по этой же методике могут быть определены температурные деформации любого другого станка или отдельных узлов.

Экспериментальными исследованиями температурных деформаций вертикально-фрезерных станков установлено, что наибольшие температурные деформации в процессе работы наблюдаются в узле шпиндельной головки. По мере нагревания узла шпиндельной головки, происходит удлинение шпинделя, что приводит к уменьшению размера обрабатываемой детали в случае, например выполнения перехода торцевого фрезерования.

Целью настоящей работы является исследование зависимости температурных деформаций узла шпиндельной головки вертикально-фрезерного станка (при холостом ходе) от времени работы.

Испытание станка ведется на холостом ходу из тех соображений, что погрешности изготовления имеют существенное значение только при чистовой обработке, т.е. при малых нагрузках станка, когда потери на трение незначительно больше, чем при холостом ходе, а испытание станка при холостом значительно упрощает проведение работы.

Следует, однако, иметь в виду, что при работе станка с нагрузкой, вследствие возрастания потерь от трения, температурные деформации узла шпиндельной бабки будут большими и будут протекать более интенсивно.

1.2. Тепловые деформации обрабатываемых заготовок.

Кроме тепловых деформаций станка на точность обработанных поверхностей влияют также тепловые деформации обрабатываемых заготовок, нагрев которых происходит в результате выделения тепла в процессе резания. Основная часть тепла аккумулируется в стружку; в обрабатываемую заготовку переходит незначительная часть тепла (при точении, фрезеровании, строгании, наружном протягивании). При сверлении большая часть тепла остается в заготовке.

Во время токарной обработки в стружку уходит 50-80% тепла, а при высоких скоростях резания свыше 90%; 10-40% переходит в резец, 3-9% остается в заготовке и около 1 % рассеивается в окружающей среде. При сверлении в стружку уходит 28% теплоты; 14% переходит в сверло; 55% остается в заготовке и 3% уходит в окружающую среду. Обильное охлаждение (при обработке стальных заготовок) позволяет устранить нагрев заготовки. В этом случае ее тепловые деформации незначительны и их влияние на точность обрабатываемой поверхности можно не учитывать. Обработку заготовок из серого чугуна, бронзы и других материалов производят без охлаждения; в этом случае тепловые деформации будут большими.

Тепловые деформации заготовки определяют, считая ее температурное поле постоянным, что будет справедливым, если поверхность заготовки обрабатывать за несколько рабочих ходов, за несколько последовательно выполняемых переходов, а также несколькими режущими инструментами.

Средняя температура нагрева заготовки

Q – полученное заготовкой тепло резания, ккал.;

С – удельная теплоемкость материала заготовки, ккал/(кГ.С);

q – плотность материала заготовки, кг/м³.

V – объем заготовки, м³.

Тепловое расширение (деформации) в направлении линейного размера L.

где  - температурный коэффициент линейного расширения материала заготовки1/С

L – линейный размер заготовки, мм.

t – температура нагрева заготовки С.

1.3. Тепловые деформации режущего инструмента.

Несмотря на то, что при обработке резанием в инструмент переходит всего 10-40% теплоты, инструмент во многих случаях все же подвержен интенсивному нагреву. Температура рабочей поверхности резцов из быстрорежущей стали достигает 700-800С. С отдалением от зоны резания температура стержня резца заметно снижается. В начале резания наблюдается быстрое повышение температуры резца. Затем ее рост замедляется и через непродолжительное время достигается состояние теплового равновесия. При обычных условиях работы удлинение резца может достигать 30-50 мкм. Нагрев, а следовательно, и удлинение резца растут с увеличением подачи, глубины и скорости резания; резец также удлиняется и с повышением предела прочности (твердости по Бринеллю) материала заготовки.

Удлинение резца с пластинкой из твердого сплава при установившемся тепловом состоянии выражается следующей зависимостью:

где - постоянная для резца;

- вылет резца, мм.;

F – площадь поперечного сечения резца, мм²;

- предел прочности материала заготовки, кгс/мм;

t – глубина резания мм;

S – подача, мм/об;

V – скорость резания, м/мин;

- коэффициент, учитывающий охлаждение резца из-за перерывов в работе;

При обработке крупной заготовки тепловые деформации резца могут вызвать погрешности формы обрабатываемой поверхности;

1.4. Порядок расчета тепловых погрешностей.

Количество теплоты, выделяемое при точении:

где N – мощность на шпинделе станка;

- основное время обработки;

Основное время:

где - длина обработки;

i – количество рабочих ходов;

n – число оборотов;

S – подача, мм/об;

Количество теплоты, поглощаемое заготовкой:

Средняя температура нагрева заготовки

Тепловое расширение в направлении линейного размера:

таким образом, окончательно имеем формулу для определения теплового расширения в направлении линейного размера:

Тепловые деформации резца

Суммарная погрешность, влияющая на точность выполняемого размера:

Исходные данные для расчета:

N= 1/С К=0,05 i=1 мм

кг/мм2 С=0,11 ккал/кг С q=8100 кг/м3 м м

t = n = S = мм

t_________мм S__________мм/об

Таблица 1

№ п/п	V					Погрешность 
	м/мин	мм	мм	мм	мм	%

Определение параметров показательной функции.

В исследовании по определению температурных деформаций элементов станочной системы применяются показательные функции вида:

(3)

Для обработки экспериментальных данных используется метод наименьших квадратов. Однако в этом случае целесообразно искать не минимальные суммы квадратов отклонений функции, а минимальные суммы квадратов отклонений логарифмов этих функций:

откуда

Система нормальных уравнений будет иметь вид

(4)

Решая систему уравнений (4), определяем параметры функции и

При анализе температурных деформаций технологической системы применяют функции вида

(5)

Эта функция не приводится к линейной, поэтому использовать для обработки экспериментальных материалов метод наименьших квадратов нельзя. Обработка экспериментальных данных в этом случае производится другими методами. Однако, если параметр А (асимптота функции) может быть определен экспериментально или теоретически, то второй параметр функции определяется методом наименьших квадратов, т.е.

(6)

2. Цель выполнения работы.

Оценка влияния температурных деформаций на звенья технологической цепи.

3. Технологическое оснащение.

1. Токарный станок 16К20

2. Резец с пластинкой Т15К6

3. Микрометр рычажный МР-50 ГОСТ 4381-80

4. Концевые меры длины 2 (161) ГОСТ 9038-73

4. Содержание работы.

1. Установить и закрепить в шпинделе вертикально-фрезерного станка торцевую оправку 1 (рис. 2).

Рис. 2. Схема измерения температурной деформации шпиндельного узла вертикально-фрезерного станка.

2. Закрепить на столе станка индикаторную стойку с микронным индикатором 2 для измерения деформаций оси шпинделя так, чтобы измерительный наконечник индикатора касался центра торцевой оправки. Обеспечить предварительный натяг индикатору (0,1-0,2 мм) и установить его шкалу на нуль.

3. Настроить станок для работы с заданным числом оборотов. Включить станок и через заданные промежутки времени записать величину температурной деформации.

4. Повторить указанные в п. 3 приемы для всех интервалов времени.

5. Проследить изменение температурной деформации при остывании станка после его остановки.

6. Построить кривые температурных деформаций узла шпинделя от времени работы станка и от времени охлаждения.

7. Определить параметры и в уравнениях (1), (2).

8. Изучить методическое руководство.

9. Обработать заготовку, на различных вариантах режимов резания.

10. Измерить диаметр обработанного элемента сразу после обработки и после охлаждения .

11. Рассчитать действительную погрешность в направлении размера. Данные занести в таблицу 1.

12. Рассчитать суммарную погрешность от температурных деформаций для каждого из вариантов режимов резания.

13. Рассчитать погрешность теоретической и действительной погрешности .

14. Построить график изменения погрешности в зависимости от чисел оборотов для заготовки, резца и суммарную погрешность.

15. Сравнить расчетные и действительные значения. Сделать заключение.

16. Составить отчет.

Содержание отчета.

В отчете должны быть приведены следующие данные:

1. Наименование работы;

2. Наименование, модель и характеристика станка, вылет шпинделя;

3. Число оборотов шпинделя;

4. Данные об измерительных приборах;

5. Схема измерения температурных деформаций шпинделя станка;

6. Результаты опытов занести в таблицу1;

Таблица 1

Параметры	Время в мин
	работы станка				охлаждения станка
	0	2	5	10	0	2	5	10
Температурные деформации шпинделя в мкм

7. График зависимости температурных деформаций шпинделя станка от времени работы и охлаждения;

8. Уравнения (1), (2) с определенными коэффициентами и ;

9. Выводы;

5. Контрольные вопросы.

1. Каковы источники нагрева станочной системы?

2. Каков характер зависимости температурной деформации от времени работы и времени охлаждения узла станка?

3. На каком участке кривой температурные деформации станочной системы меньше всего влияют на изменение показателей точности обрабатываемой детали и почему?

4. Приведите примеры влияния температурных деформаций на показатели точности обрабатываемой детали?

5. Как влияют тепловые деформации станка на точность обработки? Каковы пути снижения тепловых деформаций станка?

6. Как распределяется теплота в технологической системе?

7. Как определяются температурные деформации заготовок и резца?

8. Пути устранения температурных деформаций заготовок и режущего инструмента?