Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Оценка теплового состояния режущего инструмента в условиях лезвийной обработки резанием. Учебное пособие
.pdf
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Д.В. Моисеев
ОЦЕНКА ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ
РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА
В УСЛОВИЯХ ЛЕЗВИЙНОЙ ОБРАБОТКИ РЕЗАНИЕМ
Учебное пособие
Ростов-на-Дону
ДГТУ
2023
УДК 621.9
М74
Рецензенты:
доктор технических наук, профессор А.Н. Чукарин;
доктор технических наук, профессор В.И. Бутенко
Моисеев, Денис Витальевич.
М74 Оценка теплового состояния режущего инструмента в условиях
лезвийной обработки резанием : учебное пособие / Д.В. Моисеев ;
Донской государственный технический университет. – Ростовна-Дону : ДГТУ, 2023. – 35 с.
ISBN 978-5-7890-2141-5
Представлены формулы для расчета температур при прямолезвий-
ном резании, а также математические модели и аналитические зависимости для определения температур при фасонном точении в одно- и двухкоординатной постановке, в том числе с учетом влияния износостойких
покрытий. Приведены примеры расчетов температур резания при фасонном и прямолезвийном точении на базе предложенных моделей.
Предназначено для студентов и магистрантов всех форм обучения по направлению подготовки «Конструкторско-технологическое
обеспечение машиностроительных производств».
УДК 621.9
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Донского государственного технического университета
Научный редактор
кандидат технических наук, профессор В.А. Лебедев
ISBN 978-5-7890-2141-5
© Моисеев Д.В., 2023
© Донской государственный
технический университет, 2023
3
Предисловие
Учебное пособие разработано для студентов и магистрантов всех
форм обучения по направлению подготовки «Конструкторскотехнологическое обеспечение машиностроительных производств» при
изучении теоретических курсов, проведении практических занятий
по профильным дисциплинам и при выполнении выпускных квалификационных работ. В нем с позиции термодинамики установлена связь
между интенсивностью изнашивания и температурой резания. На основе результатов исследований тепловых потоков в процессе резания разработаны математические модели и методические основы для расчета
температур как количественных показателей тепловых процессов.
Основным содержанием настоящего учебного пособия являются
результаты, полученные автором при исследовании тепловых процессов: представлены аналитические зависимости для оценки температуры
как прямолезвийного резания, так и в условиях радиального фасонного
точения инструментом с эллиптическим профилем режущей кромки,
в том числе с учетом влияния износостойких покрытий.
Изучение данного пособия направлено на приобретение магистрантами необходимых знаний, навыков применения их в профессиональной деятельности, а также будет способствовать углублению
и закреплению знаний, полученных на лекционных и практических
занятиях, развивать навыки творческого анализа учебной литературы,
служить материалом для самостоятельной проработки и углубления
отдельных тем дисциплин.
4
Введение
Мировой опыт развития машиностроения и металлообработки свидетельствует о постоянном повышении требований к качеству выпускаемых
машин, приросту производительности обработки и снижению трудоемкости
.
Общепризнано, что в современном машиностроении основные операции по формообразованию изделий выполняются обработкой материалов резанием, которая базируется на технологическом оборудовании,
инструментальном и технологическом обеспечении. В процессе формообразования изделий резание рассматривается как процесс трения
скольжения, поскольку оба процесса объединены общими признаками:
наличие контактных тел (инструмент – деталь), давление в контакте,
относительное скольжение контактных тел за счет скорости резания,
генерация тепла, наличие сил трения на контактных поверхностях инструмента. При трении большая часть работы внешних сил преобразуется в тепловую энергию, прежде всего, за счет упругопластических
деформаций, сил трения, структурно-фазовых превращений. В большинстве случаев трение (резание) сопровождается разрушением (износом) поверхностей контртел. При этом наиболее слабым звеном являются контактные площадки инструмента из-за непрерывности их контакта с деталью. Количественным расчетным показателем износа является величина интенсивности изнашивания, которая определяется отношением износа инструмента к длине пути, пройденного данным инструментом за время его работы. Интенсивность изнашивания является
важным фактором, определяющим долговечность работы режущего инструмента за счет реализации во времени допустимой величины износа.
Определение температуры резания расчетным путем позволяет предупредить критическое значение температур и в этой связи резкое изменение механических характеристик инструментальных материалов (прочности, твердости и др.) за счет структурных изменений, а также обосновать расчетную стойкость, предупредить катастрофический, лавинный
износ инструментальных материалов, оптимизировать режимы резания.
В этой связи температуру резания следует рассматривать как фактор
управления процессом резания, позволяющий определять оптимальное
сочетание между режимами резания и интенсивностью изнашивания.
К числу первых работ по изучению термодинамики изнашивания
на базе энтропийного подхода следует отнести исследования, выполненные в Донском государственном техническом университете [1, 2].
В результате проведенных исследований получена аналитическая
5
зависимость для определения интенсивности изнашивания, из которой
следует, что интенсивность изнашивания, аналитическое выражение
температуры и энтропия взаимосвязаны:
2
2
2
0
11TT
dx
x T x T
Jk
S
, (1)
где J – интенсивность изнашивания;
δ – тепловой пограничный слой;
k –
коэффициент, учитывающий долю накопленной материалом тепловой энтропии, затрачиваемой на образование частицы износа;
υ – скорость трения (резания);
λ – коэффициент теплопроводности инструментального материала;
T – максимальная поверхностная температура;
T
x
– градиент температуры на поверхности контакта;
S – предельная плотность энтропии в изнашиваемом инструмен-
тальном материале.
Из выражения (1) следуют предварительные выводы о путях
управления износостойкостью инструментальных материалов. Прежде
всего, следует использовать материалы с высокими начальными энтропиями и принять средства для их увеличения в процессе изнашивания,
например применять износостойкие покрытия.
В классической физике энтропия – есть функция состояния системы. В данном случае энтропия рассматривается как важнейшая термодинамическая характеристика материала, позволяющая управлять износостойкостью инструментальных материалов [3, 4].
Наиболее перспективным с точки зрения достоверности следует
признать энтропийный подход к оценке интенсивности изнашивания
на базе термодинамических характеристик в зоне резания, поскольку
он позволяет учитывать все виды возможного износа. При этом превалирующим каналом диссипации энергии для всех видов износа является
температура в контакте. Неслучайно, что во всех зависимостях
теоретической оценки интенсивности изнашивания, полученными различными авторами, общим обязательным расчетным параметром является температура резания. В этой связи разработка аналитических зависимостей для определения температур контакта расчетным путем является неотъемлемым этапом, предшествующим оценке интенсивности
изнашивания и оптимизации процесса резания.
6
1. ОЦЕНКА ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ПРИ ТРЕНИИ
В УСЛОВИЯХ ПРЯМОЛЕЗВИЙНОГО РЕЗАНИЯ
ПРИ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКЕ
В представленной ранее расчетной формуле (1) для оценки интен-
сивности линейного изнашивания инструментальных материалов входят, кроме энтропии S и скорости резания V, характеристики теплового
поля на контактной площадке, подвергаемой износу: температура T,
градиент температуры
Tx
,
2
6a
- зона действия высоких градиентов
T
x
(толщина теплового поверхностного слоя [5]), где a2 – коэффициент
температуропроводности обрабатываемого материала, τ – время контакта.
Принимаем, что лимитирующим является износ по задней поверхности как для инструментов с прямолинейным, так и с фасонным лезвием, работающих в условиях чистового и получистового точения. Для
расчета температурных распределений в инструментальном режущем
материале (ИРМ) со стороны задней поверхности используем стержневую модель с плоским источником тепла [2]; на площадке износа hз
(рис. 1) действуют источники тепла от сил трения
ТЗ
q
и часть теплового
потока из плоскости сдвига
*
1
д
qb
, где
*
1 b
– коэффициент распре-
деления тепла от деформации, уходящего в обрабатываемую деталь.
В инструменте (тело 1) действует стационарное тепловое поле,
в заготовке (тело 2) – нестационарное, и распределение температур
описывается дифференциальными уравнениями:
для тела 1 (инструмент):
2
2
1
11
2
()
( ) 0
d T x
m T x
dx
; (2)
с граничными условиями:
1
( ) | 0
x
Tx
;
1
0
1
(1 )
()
|
ЗП
x
q
Tx
x
;
11
1
11
m
F
, (3)
решение которого имеет вид:
1
1
11
1
ЗП
mx
q
T x e
m
. (4)
7
Рис. 1. Упрощенная схема действия тепловых потоков
на контактных площадках резца
для тела 2 (заготовка):
2
22
2
2
( , ) ( , )T x T x
a
x
; (5)
с граничными условиями:
2
0
2
( , )
|
ЗП
x
q
Tx
x
;
2
( , )
|0
x
Tx
x
;
2
0
,0Tx
. (6)
Решая уравнение (5) и (6) интегральным методом [2], получим:
2
22
2
2
( , ) 2 6
2
6
ЗП
q
x
T x x a
a
. (7)
При условии
12
00
,
xx
T x T x
из (4) и (7) найдем
2
2 1 1 2
2
26ma
,
откуда
2 1 1 2 2 1 1 2
2 1 1 2 2 1 1 2
2 6 2 6
1
2 6 2 6
m a m a
m a m a
. (8)
Из выражений (8) и (4) имеем распределение температуры в инструменте по нормали к площадке износа hз
1
1 1 2
2 1 1 2 1 1
6
26
mx
ЗП
ЗП
m a q
Te
m a m
или
1
2
2 1 1 2
1,5
2 1,5
mx
ЗП
ЗП
qa
Te
ma
, (9)
8
где
*
1
ЗП д ТЗ
q q b q
.
Обозначим
2
2 1 1 2
1,5
1,5
ЗП
ЗП
a
A
ma
.
Тогда
1
mx
ЗП ЗП
T Aq e
, (10)
откуда
1
1
mx
ЗП
ЗП
T
m Aq e
x
; (11)
1
2
2
1
2
mx
ЗП
ЗП
T
m Aq e
x
(12)
при
0x
;
ЗП ЗП
T Aq
. (13)
Плотности тепловых потоков
д
q
и
ТЗ
q
рассчитываем по известным
формулам [2, 6], а зависимости (10)–(13) необходимы для расчета
J по формул (1).
Подставив коэффициент α в уравнение типа (7), можем получить
формулу для температуры передней поверхности ТПП:
22
22
2 2 2
1
2 1 1 2
2 2 1 1 2
6 1,5
2
2 1,5 1,5
1,5
26
ПП ПП
ПП
ПП ПП
ПП
qq
Т a a
q a q a
Aq
ma
ma
(14)
Тогда температура резания может быть оценена по формуле
.
ПП ПП ЗП ЗП
рез
ПП ЗП
Т l Т h
T
lh
. (15)
2. ОЦЕНКА ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ЗОНЫ ТРЕНИЯ
ПРИ ФАСОННОМ ТОЧЕНИИ
При оценке работоспособности режущего инструмента наиболее
значительный вклад в изменение интенсивности изнашивания оказывают тепловые явления, возникающие в процессе резания, поэтому нами
при построении моделей и проведении оценки интенсивности изнашивания фасонного инструмента будет учитываться лишь тепловой канал
диссипации энергии трения как доминирующий. В связи с этим крайне
актуальным является определение расчетных зависимостей температур
резания в процессе механической обработки.
.
9
Аналитические методы расчета тепловых явлений, возникающих
при резании материалов, не раз находили свое отражение в работах
Резникова А.Н. [7, 8] Рыжкина А.А. [2, 9] и др. Как правило, в качестве
объекта исследования ранее рассматривался простой по форме прямолезвийный инструмент, для которого процессы и явления, возникающие
при резании, носили стационарный характер. Это вызвано постоянством геометрии режущего инструмента по режущим поверхностям,
а также постоянством элементов резания. Данные условия позволяют
рассматривать модель температурного поля в одномерной постановке,
как правило, в сечении, перпендикулярном режущему лезвию.
При радиальном точении инструментом радиусного фасонного профиля, в отличие от прямолезвийной обработки, невозможно обеспечить
постоянство как геометрии, так и режимов резания. Так, при врезании переменными являются передний γ и задний угол α, главный угол в плане φ,
площадь F и толщина среза a, длина активной части режущего лезвия l,
диаметр обработки D и, соответственно, скорость резания V [10, 15].
В этой связи возникает вопрос учета непостоянства значений вышеупомянутых параметров в расчетах характеристик процесса резания,
в том числе и по формулам, представленным в данном учебном пособии.
Тем не менее обработка радиусных фасонных поверхностей имеет
особую актуальность для шарикоподшипникового производства при
механической обработке радиусных беговых дорожек внутренних
и наружных колец шарикоподшипников, в том числе и сферических,
а также при обработке рабочих поверхностей червячных фрез для эллиптических зубчатых колес [11, 12].
Поскольку при обработке инструментом фасонного профиля обеспечить постоянство как геометрии, так и режимов резания невозможно,
то в этом случае методика моделирования тепловых процессов требует
значительной корректировки, а в отдельных случаях и новой постановки задачи, что значительно усложняет конечное решение. Ввиду того,
что данные по аналитическому определению температур на рабочих
поверхностях фасонных инструментов отсутствуют, были выбраны
два варианта решения тепловой задачи:
– используется известное решение в одномерной постановке для
плоского лезвия при учете поправок на геометрические, термодинамические параметры, а также путем введения корректирующих коэффици-
10
ентов на режимы резания в зависимости от точки, взятой на фасонном
режущем лезвии. Таким образом, рабочие поверхности режущего инструмента представляются в виде бесконечного набора сечений плоскостями, перпендикулярными главной режущей кромке. При этом необходимо производить вывод соответствующих аналитических зависимостей переменных параметров, либо расчет этих параметров производить
по полученным экспериментально эмпирическим зависимостям;
– моделирование температурного поля в любой точке передней поверхности инструмента, что требует решения тепловой задачи
на плоскости.
В этой связи для определения температуры резания фасонным инструментом в формуле (15) температуры
ПП
Т
и
ЗП
Т
следует рассматри-
вать как средние температуры, распределенные не на длине, а на площадке контакта инструмента с деталью:
.
ПП ПП ЗП ЗП
рез
ПП ЗП
Т F Т F
T
FF
, (16)
где
ПП
F
,
ЗП
F
– площади контакта инструмента со стружкой и деталью по
передней и задней поверхностям инструмента соответственно.
2.1. Расчет температуры резания в однокоординатной постановке
В первом приближении при оценке теплового состояния инструмента используем рассматриваемую выше модель расчета температуры
для прямолинейных лезвий.
Примем известную модель тепловой задачи трения [2] стружки
о рабочую поверхность инструмента, полагая, что стружка в виде бесконечного стержня перемещается по неподвижному инструменту, который обменивается теплом с окружающей средой. Уравнения температуры при трении стружки по передней поверхности и задней с заготовкой имеют вид (14) и (9).
Зависимость (14) определяет температуру передней поверхности
в сечении, нормальном режущему лезвию. В этой формуле
*
ПП д ТП
q q b q
– суммарная плотность теплового потока деформации
д
q
и теплового потока трения
ТП
q
(см. рис. 1 и рис. 2, а); λ
1
, λ
2
– коэффи-
циенты теплопроводности материалов инструмента и детали соответственно; b* – доля теплового потока из зоны деформации в стружку;
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]