Дубоделова ОС

Главная страница Электронная библиотека

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛИ ПРИ СОВМЕСТНОЙ ОБРАБОТКЕ ТОЧЕНИЕМ И ОБКАТЫВАНИЕМ

Ивченко Т.Г., Михайлов А.Н., Дубоделова О.С.
(ДонНТУ, г. Донецк, Украина)

    The theoretical and experimental investigation of the temperature used for increasing of the quality level of the machining surface. The improvement of the quality level is made by sub-stantiation of optimal temperature level and creation the optimum cutting conditions.

    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 враще-ния достаточно широкое распространение получило совместное точение и обкатывание, 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 обкатывания, 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 актуаль-ным 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 совместной обработке точением и обкатыванием.
    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]:

- коэффициенты теплопроводности и температуропроводности инструмента и детали соответственно,

- время действия источника.
Схема совместной обработки точением и обкатыванием представлена на рис.1. Для двух комбинируемых видов обработки общими являются скорость главного движения V = dn/1000, определяемая частотой вращения n детали диаметром d, и скорость движения подачи VS, определяемая с учетом подачи S: VS = nS.

Рис. 1. Схема совместной обработки точением и обкатыванием

Мощности двух источников теплоты, определяемые при точении силой резания PТ, а при обкатывании - усилием обкатывания PО, равны соответственно: W_Т = P_ТV; W_О = P_ОV. Ширина источника теплоты при точении l_Т определяется глубиной резания t и главным углом в плане.
Площадь контакта инструмента с деталью при точении определяется величиной износа по задней поверхности h: F_Т = 0.5hl_Т. Плотность теплового потока при точении с учетом доли теплоты b _Т, поступающей в деталь:

Ширина источника теплоты при обкатывании lО = 2апл определяется радиусом пластического отпечатка [1]: апл = (P_О /3

)0,5 (

- предел текучести обрабатываемого материала ?Т). Глубина внедрения в обрабатываемую поверхность t_О = [R - (R² - а_пл2)0,5] (R - радиуса шарика или приведенный радиус ролика R = (rD/2)^0,5 при обкатывании роликом диаметра D с профильным радиусом r). Площадь контакта инструмента с деталью при обкатывании F_О = 2 а_плt_О. Плотность теплового потока при обкатывании с учетом доли теплоты b_О, поступающей в деталь:

Доля теплоты, поступающая в деталь, при точении b_Т и обкатывании b_О зави-сит от соответствующих для этих видов обработки значений параметров, входящих в формулу (1). Для известных теплофизических характеристик инструментов и детали формула (1) упрощается. Например, при точении стали 45 резцами Т15К6 и обкатывании шариками из стали ШХ15, доля теплоты, поступающая в деталь, равна:

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

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 шариком, определяемое конструктивными особенностями комбинированного инструмента. Температурное поле в детали для полосового движущегося источника описывается аналитическим выражением [2]:

где x, y - абсцисса и ордината точки, для которой рассчитывается температура; xu - абсцисса импульса теплоты; Vs - скорость перемещения источника. Кo(u) - модифицированная функция Бесселя, которая с погрешностью, не выходящей за 5% может быть определена следующим образом:

Для исследования температурного поля в детали целесообразно перейти к безразмерным величинам

Тогда температурное поле в детали может быть выражено через безразмерное распределение температур:

Температурное поле при совместном точении и обкатывании может быть полу-чена как суперпозиция отдельных температурных полей при каждом из видов обработ-ки и описано следующим образом:

Безразмерное суммарное температурное поле при совместном точении и обкатывании имеет вид:

На рис. 3 представлено безразмерное температурное поле.

Рис. 3 Безразмерное температурное поле при совместном точении и обкатывании

    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 . 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.
    Для исследования закономерностей распределения температур на поверхности детали безразмерное температурное поле (8) с учетом (6) имеет вид:

С использованием указанных зависимостей проведены исследования температурных полей в поверхностном слое детали из стали 45 при совместном точении резцами Т15К6 и обкатывании шариками из стали ШХ15. Расчеты температур выполнялись для следующих режимов обработки: скорость V = 2м/с, подача s = 0,4 мм/об. При точе-нии глубина резания составляла t = 2 мм, сила резания Р_Т= 1500 Н; при обкатывании сила составляла Р_О = 500 Н, радиус шарика R= 10мм, расстояние L = 10мм. Ширина источника теплоты при точении l_Т = 3мм, при обкатывании l_О = 1мм. Плотность теплового потока при точении q_Т = 3,56•106 вт/м²•с, при обкатывании - q_О = 2,04•107 вт/м²•с. Графики распределения температур ) на поверхности детали при точении Т(x), обкатывании О(x) и суммарной для совместной обработки представлены на рис.4.

Рис. 4. Распределение температуры на поверхности детали при точении Т(x), обкатывании О(x) и суммарной для совместной обработки

При исследовании влияния температуры на остаточные напряжения в поверхностном слое интерес представляет изменение температуры по глубине детали, представленное на рис. 5.

Рис. 5. Распределение температуры по глубине детали при точении и обкатывании

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. Приведен пример расчета температур с учетом суперпозиции температурных полей при совместной обработке точением и обкатыванием.
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.

Список литературы:

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.: Машиностроение, 1981. - 279с.
4. Резников А.Н., Резников Л.А. Тепловые процессы в технологических системах. - М.: Машиностроение, 1990. - 288с.

Вверх

Электронная библиотека Главная страница