Дубоделова ОС

Главная страница Электронная библиотека

РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРЫ РЕЗАНИЯ ДЛЯ СБОРНОГО РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА ИСТОЧНИКОВ

Дубоделова О.М., Самофалова М.А., Ивченко Т.Г.,
(каф. ТМ, ДонНТУ, г.Донецк, Украина)

    Температура резания является важнейшей характеристикой тепловых явлений при эксплуатации режущего инструмента, оказывающих весьма существенное влияние на его работоспособность. Экспериментальные методы исследования температуры резании весьма трудоемки, в связи с чем возрастает роль теоретических методов, позволяющих рассчитывать уровень температур, как на поверхностях, так и внутри тел, участвующих в теплообмене.
    В настоящее время одним из наиболее распространенных аналитических методов решения тепловых задач является метод источников теплоты [1, 2]. Несмотря на достаточную простоту и наглядность в сравнении с другими аналитическими и численными методами, метод источников еще не получил широкого распространения в практике, результаты его использования для анализа температуры резания в литературе практически отсутствуют.
    Целью представленной работы является аналитическое определение температуры резания для сборного режущего инструмента с помощью метода источников.
    Для установившегося процесса резания стационарное температурное поле описы-вается следующим дифференциальным уравнением теплопроводности [1]:

где

- температура, координаты точек тела и время.
    На площадках контакта лезвия инструмента со стружкой имеют место граничные условия второго рода, определяемые законом распределения плотности теплового потока q. Предполагается, что остальные участки поверхностей пластины не обмениваются теплотой с окружающей средой и отдаленными от источника тепловыделения по-верхностями. Для них qs = 0.
    С помощью метода источников, основанного на использовании принципов конструирования решений и принципов отражения источников, сравнительно просто можно определить интеграл, удовлетворяющий дифференциальному уравнению теплопроводности и условиям однозначности: дальнейшей задачей является лишь вычисление этого интеграла.
    В соответствии с принципом конструирования решений сложные источники представляют в виде той или иной системы, состоящей из мгновенных точечных источников теплоты. Поэтому и температурное поле, возникающее под действием источника сложной формы, получают методом суперпозиции полей, возникающих под действием каждого из мгновенных точечных источников.
    При схематизации компонентов исследуемой системы лезвийный инструмент, представленный на рис. 1, рассматривается в виде неограниченного клина с углом заострения . Источник теплоты Io, возникающий на передней поверхности лезвия инструмента, представляется двумерным прямоугольным с размерами bхl, равным площадке контакта стружки с передней поверхностью, с равномерной плотностью распределения теплового потока q [2].

Рис.1. Схематизация компонентов системы

В соответствии с принципом отражения источников, для того чтобы учесть ограниченность твердых тел, надо выполнить отражение источников теплоты, мысленно прикладывая к основному (реальному) телу ряд подобных ему тел с фиктивными источниками теплоты, причем каждое из последующих тел должно являться зеркальным отражением предыдущего тела относительно плоскости их соприкосновения. На рис. 1 первое отражение - тело 1 с фиктивным источником I_o^/, второе отражение - тело 2 с источником I₁ = 2(I_o + I_o^/), последующие отражения аналогичны второму.
Температурное поле, возникающее в лезвии режущего инструмента под действи-ем такого источника при установившемся теплообмене, описывается выражением:

- безразмерные координаты: х, у, z - координаты какой-либо точки тела М(х, у, z); х_и, у_и, z_и - координаты места вспышки J(х_и, у_и, z_и);

- коэффициент теплопроводности инструментального материала;

- коэффициент перехода от неограниченного пространства к неограниченному клину:

- закон распределения температур в безразмерном виде;

- размерный коэффициент, определяемый в зависимости от условий эксплуатации:

где P_Z0 = Pz - Fтр - разность тангенциальной силы резания и силы трения по задней по-верхности лезвия; P_N0= Py - Fтр - разность нормальной составляющей силы резания и силы трения по передней поверхности лезвия; v - скорость резания; k - коэффициент продольной усадки стружки; s - подача; t - глубина резания.
Представление закона распределения температур в безразмерном виде позволяет установить общие закономерности изменения температуры, которые для каждого конкретного варианта обработки корректируются размерным коэффициентом А. Формула (2) позволяет рассчитывать температуру в любой точке лезвия режущего ин-струмента.
Для многогранных неперетачиваемых пластин сборных инструментов с углом за-острения лезвия

= 90 распределение температур в лезвии графически представлено на рис.2 безразмерным температурным полем в поперечном сечении лезвия

, определяемым при

= 0 и b = l:

Рис.2 - Безразмерное температурное поле в лезвии инструмента - а) и безразмерное распределение температур на передней и задней поверхностях - б) Температура резания представляет собой среднюю температуру по длине контак-та лезвия со стружкой и деталью. На основании установленного закона распределения температур по передней и задней поверхностям лезвия с учетом длины кон-такта лезвия с деталью, определяемой его износом по задней поверхности h, темпера-тура резания рассчитывается следующим образом:

Выражение в квадратных скобках представляет собой безразмерную температу-ру резания Трез, не зависящую от условий обработки, которые учитываются размерным коэффициентом А/(l+h). Безразмерная температура зависит от соотношения размеров - ширины и длины площадки контакта стружи с передней поверхностью b/l и соотноше-ния величины износа с длиной этой площадки h/l, которые могут быть определены в зависимости от параметров обработки следующим образом:

На рис. 3 представлена зависимость безразмерной температуры Трез от соотно-шения b/l при h/l = 0,5. Устанавливая постоянное значение безразмерной температуры можно достаточно просто рассчитывать температуру резания для любых условий.

Рис.3. График зависимость безразмер-ной температуры Трез от соотношения b/l
В качестве примера приведен выполненный по представленной методике расчет температуры резания в сравнении с температурами: на вершине лезвия и максимальной для резцов с пластинами из различных твердых сплавов. Расчеты, представленные в табл. 1, выполнены для следующих условий: обрабатываемый материал - сталь 45, в = 750МПа, коэффициент усадки k = 2,0; режимы резания - глубина резания t = 2мм, подача s = 0,4мм/об, скорость резания v = 120 м/мин., износ по задней поверхности лезвия h = 0,9 мм.

С использованием указанной методики расчета выполнен анализ температурных полей в лезвии инструмента и температуры резания в различных условиях эксплуатации: для различных обрабатываемых и инструментальных материалов, геометрических параметров, режимов резания. Выполненные исследования позволяют назначать параметры механообработки, обеспечивающие уровень температуры резания не превышающий заданный. Предлагаемая методика исследования температурного поля может быть широко использована для различных сборных режущих инструментов с механическим креплением многогранных неперетачиваемых пластин.

Список литературы:
1. Резников А.Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов. - М.: Машиностроение, 1981. - 279с.
2. Влияние параметров инструмента на распределение температур по передней поверхности лезвия. // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сб. научных трудов. - Донецк: ДонГТУ, 2001. Вып. 17. С.7- 11.

Вверх

Электронная библиотека Главная страница