Определение средней температуры на контактных поверхностях детали при точении

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

Источник: Машиностроение и техносфера XXI века. Сб. трудов XVI международной конференции в г. Севастополе 17-12 сентября 2009г. В 4-х томах. – Донецк: ДонНТУ, 2009. Т.2. – С. 280-283

Введение

Тепловые процессы в зоне резания оказывают существенное влияние на формирование поверхностного слоя деталей в процессе их механической обработки, в связи с чем исследования теплового состояния деталей весьма актуальны.

Современные методы исследования тепловых явлений при резании достаточно хорошо разработаны. Основы теории теплового анализа [1] нашли свое развитие, прежде всего, для исследования теплового состояния режущего инструмента. Изучению источников теплоты и основных закономерностей формирования тепловых потоков на передней и задней поверхностях лезвия инструмента посвящены работы [2, 3]. Методика аналитического расчета температур резания в различных условиях обработки представлена в работе [4].

Однако, в этих работах отсутствует информация об определении температур в детали. Представляет интерес дальнейшее развитие методики определения тепловых потоков в зоне резания и температур применительно к обрабатываемой детали.

Целью представленной работы является установление закономерностей формирования тепловых потоков в детали и определение средней температуры на ее контактных поверхностях.

Основное содержание и результаты работы

Источниками теплоты в зоне резания [1], представленными на рис.1, являются:

теплота деформации в зоне стружкообразования на плоскости сдвига – источник J_д с равномерным распределением плотности тепловыделения q_д и равномерным распределением плотности тепловых потоков в стружку q_дс и деталь q_дд: q_д = q_дд + q_дс;

теплота трения на площадке контакта между стружкой и передней поверхностью лезвия инструмента – источник J₁ с комбинированным распределением плотности тепловыделения q_ТП;

теплота трения между задней поверхностью лезвия инструмента и деталью – источник J₂ с нормальным несимметричным распределением плотности тепловыделения q_ТЗ.

Рис.1 Схема расположения источников теплоты и распределения тепловых потоков в зоне резания при точении

Ось X в рассматриваемой системе координат ориентируется в направлении передней поверхности; l - длина контактной площадки в направления схода стружки; h - износ по задней поверхности; а - толщина среза; а₁ – толщина стружки; Φ - угол сдвига.

Для определения средней температуры контактной поверхности детали и задней поверхности лезвия инструмента необходимо выполнить анализ теплового состояния всех элементов системы резания – инструмента, стружки и детали.

Плотности тепловых потоков на передней q₁ и задней q₂ поверхностях лезвия инструмента, равномерно распределенные по площадкам bxl и bxh (b – ширина среза), определяются из системы уравнений [2, 3]:

где λ_д, λ_и, ω_д, ω_и – коэффициенты теплопроводности и температуропроводности материалов детали и инструмента соответственно; M₁, M₂, N₁, N₂ - безразмерные функции, определяющие нагрев площадок на передней и задней поверхностях лезвия инструмента; k - коэффициент усадки стружки; V - скорость резания; с - коэффициент, учитывающий подогрев слоев металла стружки за один оборот детали; Т_д – безразмерная функция распределения температур в детали, вызванных теплотой деформации; b' - коэффициент относительного количества теплоты, уходящего в стружку.

В результате решения системы уравнений (1) установлены аналитические выражения плотностей тепловых потоков на передней q₁ и задней q₂ поверхностях лезвия инструмента в зависимости от основных параметров процесса резания:

Безразмерные функции, определяющие нагрев контактных площадок:

где η - безразмерная ширина среза: η₁ = b/l, η₂ = b/h (η_1,2>1); β = 90° - γ - α - угол заострения; b = t/sin_φ - ширина среза; t - глубина резания, φ - главный угол в плане; В_1,2(h/l) - специальные функции: В₁(h/l) = 2,85 - 0,9(h/l), В₂(l/ h) = 2(l/ h)0,54 при β = 90° [3].

Коэффициент, учитывающий подогрев металла стружки за один оборот детали:

где φ₀ - безразмерный критерий: φ₀ = 4,17•10^-9na²/ω_д; n – частота вращения.

Безразмерная функция распределения температур в детали, вызванных теплотой деформации:

Коэффициент относительного количества теплоты, уходящего в стружку:

где Р_ео - безразмерный критерий Пекле: .

Плотности тепловых потоков от сил трения на площадках контакта между стружкой и передней поверхностью лезвия инструмента q_1Т, между задней поверхностью лезвия инструмента и деталью q_2Т, а также в зоне деформации q_д равны:

где P_Z0 = P_z – F_тр - разность тангенциальной силы резания и силы трения по задней поверхности лезвия; P_N0= P_y – N - разность нормальной составляющей силы резания и нормальной силы на задней поверхности лезвия.

Средняя температура контактной поверхности детали и задней поверхности лезвия инструмента может быть определена следующим образом [1]:

где Θ_D – температура деформации:

Выполнен расчет средней температуры контактной поверхности детали для следующих условий: обрабатываемый материал - сталь 45; σ_в = 750МПа; коэффициент усадки k = 2,0; инструментальный материал Т15К6; параметры резцов: углы в плане φ = φ₁ = 45°; передний угол γ = -7°; задний угол α = 7°; угол заострения β = 90°; износ по задней поверхности h = 0,5 мм. Согласно представленной методике, Θ_д = 196^оС.

Таким образом, разработанная методика, а также созданное программное обеспечение расчетов, позволяют определять тепловые потоки в зоне резания и средние температуры контактной поверхности детали.

Заключение

В представленной работе на основании анализа тепловых потоков в зоне резания установлены закономерности формирования тепловых потоков в детали, а также разработана методика определения средней температуры на контактных поверхностях детали. Методика может найти широкое применение для определения средних температур детали при любых видах механической обработки.

Литература

1. Резников А.Н., Резников Л.А. Тепловые процессы в технологических системах. - М.: Машиностроение, 1990. –288с
2. Ивченко Т.Г. Исследование закономерностей формирования тепловых потоков зоне резания при точении // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем. Збірник наукових праць. Вип.20. – Краматорськ: ДДМА, 2006.- С.78-84.
3. Ивченко Т.Г. Влияние условий обработки на закономерности формирования тепловых потоков в зоне резания при точении // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Машинобудування і машинознавство. Випуск 5. - Донецьк, ДонНТУ, 2008.- С.23-29.
4. Ивченко Т.Г. Исследование общих закономерностей изменения температуры резания в различных условиях обработки// Прогрессивные технологии и системы машиностроения:– Донецк: ДонНТУ, 2009. Вып. 37. – С.84 – 89.

Библиотека