Рудина Ирина Анатольевна
Донецкий национальный технический университет
Факультет: "Механический"
Специальность: "Технология машиностроения"
Тема магистерской работы: "Повышение эффективности обработки плоских поверхностей деталей за счет выбора рациональных параметров процесса резания"
УПРАВЛЕНИЕ ТЕПЛОВЫМИ ПРОЦЕССАМИ ПРИ РЕЗАНИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ ЖИДКОСТЕЙ
Ивченко Т.Г., Дубоделова О.С., Рудина И.А.// “Практика и перспективы развития партнерства в сфере высшей школы”: Материалы шестого научно-практического семинара, г. Донецк, 27-29 апреля 2005г. - Донецк: ДонНТУ, 2005. – С.533-538.
Тепловые процессы при резании в значительной мере определяют функционирование технологических систем механообработки, оказывая существенное влияние на работоспособность режущего инструмента и качество обработки деталей. Применение смазочноохлаждающих технологических сред – наиболее эффективный способ управления тепловыми явлениями, обеспечивающий снижение температуры резания, повышение производительности и качества механообработки.
В настоящее время достаточно хорошо разработан теоретический аппарат для исследования конвективного теплообмена, характеризуемого коэффициентом теплоотдачи [1]. Однако рекомендации по выбору коэффициента теплоотдачи для элементов технологических систем практически отсутствуют. Имеющиеся сведения о закономерностях его изменения в зависимости от условий обработки не содержат информации о влиянии коэффициента теплоотдачи на температуру резания, что не позволяет управлять тепловыми процессами при резании [2].
В настоящее время для охлаждения инструмента преимущественно используются смазочноохлаждающей жидкости (СОЖ) на основе водных растворов, имеющих теплофизические свойства, близкие к свойствам воды. При механообработке наиболее распространенным способом подачи СОЖ в зону резания является полив свободно падающей струей жидкости [3]. Практический интерес представляет исследование влияния условий подачи СОЖ на коэффициент теплоотдачи и обоснование возможностей направленного его изменения в заданном диапазоне.
Целью настоящей работы является комплексное исследование взаимосвязей температуры резания с условиями подачи СОЖ и коэффициентом теплоотдачи, а также разработка на этой базе теоретических основ управления тепловыми процессами при резании.
Первым этапом проведенных исследований является аналитическое определение температурного поля лезвия инструмента и температуры резания, позволяющих прогнозировать его тепловое состояние в зависимости от условий обработки и определять необходимость использования СОЖ.
Температурное поле лезвия инструмента, возникающее под действием двумерного прямоугольного источника теплоты, действующего на площадке контакта стружки с передней поверхностью, описывается следующим образом [1]:
- безразмерные координаты;
– безразмерная ширина среза;
– координаты источника;
- коэффициент перехода от неограниченного пространства к неограниченному клину;
– безразмерное температурное поле;Температура резания рассчитывается следующим образом:
- безразмерное выражение износа по задней поверхности 
; 
- безразмерная температура резания.
Для практического использования предложена упрощенная модель расчета безразмерной температуры резания:
Описание температурного поля и температуры резания в безразмерном виде позволяет установить общие закономерности изменения температуры, которые для конкретного варианта обработки корректируются размерным коэффициентом 
, учитывающим свойства инструмента и условия его функционирования.
Расчеты температур для резцов, оснащенных твердосплавными пластинами, выполнены для следующих условий: обрабатываемый материал - сталь 45, коэффициент усадки k=2,0; режимы резания - глубина резания t = 1мм, подача s = 0,1мм/об, скорость резания v = 120 м/мин; износ по задней поверхности лезвия h = 0,4мм. Параметры резцов - углы в плане 
= 45°, передний угол γ = -5°, задний угол α = 5°. Рассчитанные по общепринятым эмпирическим зависимостям [3] силы резания Pz = 323H, Py = 173Н, F = 142Н. Длина контакта стружки с передней поверхностью l и плотность теплового потока q рассчитываются по формулам [1]:
Для заданных условий обработки l = 0,45мм, q = 2,37?107Вт/м2.
На рис.1 представлены графики распределения температур по передней поверхности лезвия резцов, оснащенных различными марками твердых сплавов. Для одних и тех же условий обработки температуры на передних поверхностях для различных твердых сплавов существенно отличаются в связи с коэффициентами теплопроводности: для Т14К8 - 33,9Вт/м?С, Т15К6 - 27,2Вт/м?С, Т30К4 - 23,9Вт/м?С, ТТ7К12 - 20,9Вт/м?С.
Таким образом, представленная методика позволяет прогнозировать температуру в любой точке лезвия инструмента, а также температуру резания в зависимости от заданных параметров процесса резания.
Вторым этапом является исследование влияния условий подачи СОЖ на коэффициент теплоотдачи. При подаче СОЖ в зону резания свободным поливом для определения коэффициента теплоотдачи используется критериальное уравнение [2]:
- безразмерные критерии Нуссельта, Рейнольдса и Прандтля соответственно; l - характерный размер; 
– коэффициент теплопроводности жидкости; w - скорость потока; ν - кинематический коэффициент вязкости среды; ω - коэффициент температуропроводности.Коэффициент теплоотдачи, определяемый из этого уравнения для СОЖ на основе водных растворов (3% - 5% эмульсии), имеет вид:
- характерный размер, определяемый при условии поперечного обтекания тела жидкостью; В, Н – размеры инструмента.
С учетом того, что скорость потока жидкости w = 4?103R/60пd2 определяется ее расходом R (л/мин) и диаметром насадка d, из которого она вытекает, коэффициент теплоотдачи равен:
Следующим этапом является определение характера и степени влияния коэффициента теплоотдачи на температуру резания. В результате исследований при подаче СОЖ в зону резания свободным поливом обоснована следующая взаимосвязь коэффициента снижения температуры резания с коэффициентом теплоотдачи:
С учетом (6) коэффициент снижения температуры резания равен:
Полученное выражение позволяет прогнозировать уровень снижения температуры резания в зависимости от условий подачи СОЖ в зону резания. Графики зависимости коэффициента снижения температуры резания КQ (в виде линий уровня, на которых цифрами указаны его значения) от расхода R жидкости и диаметра насадка d для ВхН=20х25мм2 приведены на рис. 2. На основании представленных графиков для заданного значения этого коэффициента устанавливаются условия подачи СОЖ, обеспечивающие требуемую температуру при резании.
Таким образом, в результате проведенных комплексных исследований установлены взаимосвязи температуры резания с условиями подачи СОЖ и коэффициентом теплоотдачи, на основе которых разработаны теоретические основы управления тепловыми процессами при резании.