Исследование теплового состояния детали при обработке алмазным точением и выглаживанием

Губин Т.И., Ивченко Т.Г.
Донецкий национальный технический университет

Источник:Молодая наука ХХI века: Сборник научных работ международной студенческой научной конференции. - Краматорск: ДГМА, 2009. – С.21-24.

Важнейшей задачей технологии машиностроения является повышение производительности механообработки с обеспечением высокого качества деталей. Одним из возможных вариантов ее решения является комбинирование лезвийной и отделочно-упрочняющей обработок, обеспечивающих как снижение трудоемкости за счет совмещения операций, так и высокое качество поверхностного слоя.

В настоящее время для обработки наружных и внутренних поверхностей вращения достаточно широкое распространение получило совместное точение и выглаживание, осуществляемое с применением комбинированных инструментов, сочетающих в себе режущие и деформирующие элементы. Для каждого из этих методов хорошо известны основные закономерности протекания процесса обработки и формирования поверхностного слоя деталей [1, 2]. Однако практически отсутствуют сведения об особенностях совместного точения и выглаживания, что затрудняет выбор рациональных условий обработки и прогнозирование параметров состояния обработанной поверхности.

Известно, что функционирование технологической системы в значительной мере определяется тепловыми явлениями, влияющими на качество обработки деталей и работоспособность оборудования, оснастки, инструмента. При исследовании параметров поверхностного слоя деталей в процессе их механической обработки весьма актуальным является изучение температур, как на самой поверхности детали, так и по ее глубине. Теоретические основы определения температурных полей для отдельных видов лезвийной и отделочно-упрочняющей обработки, как в деталях, так и в инструментах, достаточно хорошо разработаны [3,4]. Представляет интерес исследование особенностей описания теплового состояния детали при комбинировании различных видов обработки с использованием одного из наиболее распространенных в теплофизике аналитических методов расчета – метода источников [4].

Целью представленной работы является исследование закономерностей формирования температурного поля в поверхностном слое детали при комбинированной обработке алмазным точением и выглаживанием.

Основным источником теплоты при лезвийной и отделочно-упрочняющей является зона обработки, размеры которой существенно меньше размеров обрабатываемой детали. В связи с этим, независимо от метода обработки, при схематизации компонентов технологической системы, деталь рассматривается как полубесконечное тело. Источник теплоты, возникающий на поверхности заготовки в результате взаимодействия с инструментом, рассматривается как движущийся полосовой шириной l, определяемой условиями контакта инструмента с деталью, с равномерным распределением плотности теплового потока. Мощность источника теплоты определяется скоростью его перемещения V и силой P, действующей в направлении перемещения в зоне обработки: W = PV. Плотность теплового потока, равномерно распределенного по площадке F контакта инструмента с деталью: q = b*PV /F.

Доля теплоты b*, поступающая в деталь, равна [3]:

где λ_и, λ_д, ω_и, ω_д – коэффициенты теплопроводности и температуропроводности инструмента и детали соответственно, τ - время действия источника.

Схема совместной обработки точением и выглаживанием представлена на рис.1.

Рис. 1. Схема совместной обработки точением и выглаживанием

Для двух комбинируемых видов обработки общими являются скорость главного движения V = πdn/1000, определяемая частотой вращения n детали диаметром d, и скорость движения подачи V_s, определяемая с учетом подачи S: V_s = nS.

Мощности двух источников теплоты, определяемые при точении силой резания P_T, а при выглаживании – усилием выглаживания P_o, равны: W_T = P_TV; W_o = P_oV.

Ширина источника теплоты при точении l_T определяется глубиной резания t и главным углом в плане φ: lТ = tsinφ. Площадь контакта инструмента с деталью при точении определяется величиной износа по задней поверхности h: F_T = 0.5hl_T. Плотность теплового потока при точении с учетом доли теплоты b*_T, поступающей в деталь:

Ширина источника теплоты при выглаживании l_o = 2а_пл определяется радиусом пластического отпечатка [1]: а_пл = (P_щ /3πσ_T)^0,5 (σ_T - предел текучести обрабатываемого материала σ_T). Глубина внедрения в обрабатываемую поверхность t_o = [R – (R² - а_пл²)^0,5] (R - радиуса шарика или приведенный радиус ролика R = (rD/2)^0,5 при выглаживании роликом диаметра D с профильным радиусом r). Площадь контакта инструмента с деталью при выглаживании F_o = 2πа_плt_o. Плотность теплового потока при выглаживании с учетом доли теплоты b*_o, поступающей в деталь:

Схематизация компонентов технологической системы при совместном точении и выглаживании представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схематизация компонентов технологической системы при точении и выглаживании

В принятой системе координат с началом в точке О, соответствующей начальной границе контакта резца с деталью, ось Х располагается на поверхности детали, ось Y – по нормали к поверхности вглубь детали. L – расстояние между резцом и индентором, определяемое конструктивными особенностями комбинированного инструмента.

Температурное поле в детали для полосового движущегося источника описывается аналитическим выражением [2]:

где ψ = x/l; ψ_u = x_u/l; υ = y/l - безразмерные координаты; Pe=Vl/ω_д - безразмерный критерий Пекле; К_o(u) –функция Бесселя: K_o(u)≈(π/2u)^0,5exp[-u].

Температурное поле при совместном точении и выглаживании может быть получена как суперпозиция отдельных температурных полей при каждом из видов обработки и описано следующим образом:

где безразмерные величины равны: ψ_T = x/l_T; ψ_Tu = x_u/l_T; υ_T = y/l_T; ψ_о = (x+ L)/l_о; ψ_оu = x_u/l_u; υ_T = y/l_o.

Вводя безразмерные величины ψ = L/l_T, χ = q_o /q_T и ς = l_o /l_T, температурное поле (6) можно представить в следующем виде:

Безразмерное суммарное температурное поле Т_Σ(ψ,ν) при совместном точении и выглаживании имеет вид: Т_Σ(ψ,ν) =Т(ψ,ν) + ςТ(ς (ψ-φ),ν). На рис. 3 представлено безразмерное температурное поле для значений безразмерных величин χ = 0,5; ς = 1; φ = 3; Ре = 2,3.

Рис. 3 Безразмерное температурное поле при точении и выглаживании

Представление температурных полей в безразмерном виде позволяет устанавливать общие закономерности изменения температур, независимо от конкретных условий обработки, которые учитываются размерными коэффициентами.

Для движущихся источников характерным является распространение тепла впереди источника, о чем свидетельствует положительное значение безразмерной температуры при отрицательных значениях безразмерной координаты ψ. Представленный график свидетельствует о том, что для движущихся источников поверхностный слой прогревается лишь на незначительную глубину, так как кривая температур по глубине достаточно быстро убывает.

Таким образом, с использованием метода источников разработана методика определения температурного поля в поверхностном слое детали при совместной лезвийной и отделочно-упрочняющей обработке. На ее основании исследовано суммарное безразмерное температурное поле, устанавливающее общие закономерности распределения температур, как на поверхности детали, так и по ее глубине. Разработанная методика может найти широкое применение при комбинировании различных видов обработки, в том числе для многоинструментальных наладок, открывая новые возможности в управлении тепловым состоянием поверхностного слоя деталей.

Литература

1. Суслов А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. – М.: Машиностроение, 2000. – 320с.

2. Качество машин: Справочник. В 2 т. Т.1 / А.Г. Суслов, Э.Д. Браун и др. - М.: Машиностроение, 1995.-256с.

3. Резников А.Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов. - М.:

4. Резников А.Н., Резников Л.А. Тепловые процессы в технологических системах. - М.: Машиностроение, 1990. – 288с.