ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ РЕЗЦА С УЧЕТОМ ОХЛАЖДАЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ СОТС
In this work the distribution of a temperature field in a lot of sides and not sharpened cutting tips of clamped-tip tools with the account of influence of cut-ting and coolant fluids on process of machining is received.
Все явления, происходящие при обработке резанием, есть результат механического и физико-химического взаимодействия обрабатываемого материала, инструментального материала и внешней среды, а также обмена энергией (тепловой, механической, электрической и т. д.) между системой резания и другими подсистемами динамической системы станка.
Теоретические исследования, проведенные рядом авторов [1], позволили получить распределение температурного поля в многогранных неперетачиваемых пластинах сборных резцов. Результатом проведенной работы стала система уравнений, решение которой - значение температуры на поверхности пластины резца и в ее теле.
Однако в разработанной методике не было учтено влияние смазочно-охлаждающих технологических сред (СОТС) на процесс механической обработки. Известно, что подаваемые тем или иным путем в зону резания, СОТС оказывают различное воздействие: смазывающее, охлаждающее, химическое и диспергирующим.
В общем виде влияние смазочно-охлаждающих технологических сред может быть проанализировано путем рассмотрения формулы [2]:
tо = t - tс - tр - tт - tи, (1)
где tо - температура данного участка зоны резания при работе с охлаждением, t - температура того же участка при резании без подачи смазочно-охлаждающей жидкости.
Остальные четыре величины, входящие в выражение (1), соответствуют четырем главным факторам влияния внешней среды на температуру в зоне резания.
Величина tс представляет снижение температуры, вызванное улучшением смазки трущихся поверхностей в связи с применением смазочно-охлаждающей среды. Смазочное действие среды способствует изменению характера контактных явлений в зоне резания за счет снижения сил трения, сдвига зоны наростообразования и связанных с ними коэффициентов усадки стружки k и длины контакта стружки с передней поверхностью lп. это приводит к уменьшение интенсивности теплообразующих потоков и вызывает снижение температуры в зоне резания.
Величина tр в формуле (1) представляет снижение температуры, вызванное диспергирующим действием смазочных сред. Этим термином обычно обозначают снижение удельной работы резания за счет охрупчивания тонких слоев обрабатываемого материала (эффект Ребиндера), что, в свою очередь, уменьшает теплообразование.
Таким образом, сумма tс + tр представляет собой снижение температуры в зоне резания, вызванное изменением интенсивности теплообразующих потоков и размеров контактных площадок в случае применения внешних сред по сравнению с работой всухую.
Величины tт + tи отражают влияние на температуру того или иного участка зоны резания теплоотвода в охлаждающую среду с нагретых поверхностей инструмента, стружки и изделия tт, а также снижение температуры в результате испарения частиц жидкости, попавших на контактные площадки tи.
Испарение охлаждающей среды, если она проникает в виде жидкости на площадки контакта, может лишь незначительно снизить температуру резания. Поэтому изменением температуры tи в результате испарения можно пренебречь. Тогда выражение (1) может быть представлено
tо ~ t - tс - tр - tт .
Прибавив и вычтя из правой части последнего выражения t:
tо ~ (t - tс - tр)+(t - tт) - t.
Теперь первое слагаемое t1 = (t - tс - tр) представляет собой температуру в зоне резания при условии, что применяемая среда имеет только смазочное и "режущее" действие. Второе слагаемое t2 = (t - tт) равно температуре, возникающей, если эта среда имеет только охлаждающее действие. Третье слагаемое t - температура при работе всухую.
Итак, чтобы определить полный теплофизический эффект от применения какой-либо смазочно-охлаждающей среды, необходимо выполнить следующее:
В данной работе ставилась задача определения влияния только охлаждающего действия СОТС.
Тогда с учетом только охлаждающего действия СОТС, можно записать:
tо ~ t2 = t - tт. (2)
Существуют сравнительно простые формулы, позволяющие оценить снижение средней температуры на контактных поверхностях инструмента при резании с охлаждением по сравнению с работой без принудительного охлаждения [2]:
s пп=0,61*[ lg(a п/l р)*(b/lп)0,5+0,6 ]*( w /V )0,5*( blп )-0,25,
s зп= ( 0,09...01 )*(a
п/l р)0,75*(w
/V)0,5*(blп)-0,25,
(3)
где s - коэффициент относительного снижения температуры, а индексы соответственно: s пп - относительное снижение температуры передней поверхности инструмента под действием, подаваемой на нее, струи охлаждающей жидкости; s зп - относительное снижение температуры задней поверхности под действием той же струи охлаждающей жидкости, подаваемой на переднюю поверхность инструмента; a п - коэффициент теплообмена инструмента с жидкостью на передней поверхности, Вт/м2ЧoC; l р - коэффициент теплопроводности режущего материала, Вт/мЧoC; w - коэффициент температуропроводности обрабатываемого материала, м2/ceк. V - скорость резания, м/мин; b - ширина резания, мм; ln - длина контакта стружки с передней поверхностью инструмента, мм; lз - длина контакта детали с задней поверхностью, мм.
В формулах (3) учитывается, что при подаче жидкости на переднюю поверхность, часть ее протекает вниз и, попадая на заднюю поверхность инструмента, отчасти охлаждает ее. С учетом коэффициента относительного снижения температуры формула (2) примет вид:
tо ~ (1-d )*t
t ~ to/(1-d ) (4)
Применим полученные выражения для уточнения результатов работы [1]: в системе уравнений значения t для точек 1, 2, 3, 4 (передняя) и 5, 9, 13 (задняя поверхности инструмента), соответствующие температуре без применения СОТС, заменим по формуле (4), изменив для точек 4, 5, 9 и 13 граничные условия (правую часть системы [1]). Получим:
где tж - температура охлаждающей жидкости; DХ - размер элементарной площадки; q1 и q2 - тепловые потоки, воздействующие, соответственно, на переднюю и на заднюю поверхности.
Решение этой системы дает искомые значения температуры инструмента с учетом только охлаждающего действия СОТС.
Для сравнения рассмотрим пример, приведенный в работе [1]: обработка стали 45 твердосплавными резцами Т5К10. Для резания с применением СОТС числовые значения в формулах (3) следующие: при поливе жидкостью с tж= 20оС на водной основе (для 5-типроцентного содержания эмульсола) a п= 1,047 кВт/м2*oC, коэффициент температуропроводности для стали 45 w = 8*10-6 м2/с, длина контакта детали с задней поверхностью инструмента принимаем lз= 0,1 мм.
Температурное поле резца, с охлаждением и без, представлены в виде изотерм (линий одинакового значения температуры) в любой точке рассматриваемого сечения на рис.1. Расчеты и построения графиков выполнены с использованием математического пакета Mathcad 7.0 Professional Edition.
а) без охлаждения б) с охлаждением
Х, мм
У,
мм
Рис.1. Температурное поле резца: Х, У - геометрическое изменение размеров пластины, соответственно, по передней и задней поверхностям; точка 0 - вершина резца.
Реализация охлаждающих свойств СОТС при резании приводит к изменению температурного поля рассматриваемой системы твердых тел. Это является прямым результатом охлаждающего действия СОТС. За счет уменьшения температуры обрабатываемых деталей и режущих инструментов увеличивается точность и стабильность размеров деталей, а за счет уменьшения температуры трущихся поверхностей и благоприятного изменения распределения температуры на них, уменьшается износ инструментов и увеличивается их стойкость.
Список литературы: