Методичні вказівки до лабораторної роботи «дослідження температури різання при точінні» з курсу «Теорія різання» для студентів спеціальностей
Скачати 454.89 Kb.
|
|
М  іністерство освіти і науки УкраїниСумський державний університет Методичні вказівки до лабораторної роботи «ДОСЛІДЖЕННЯ температури різання ПРИ ТОЧІННІ» з курсу «Теорія різання» для студентів спеціальностей 7.090202 «Технологія машинобудування», 7.090203 «Металорізальні верстати і системи», 7.090204 «Інструментальне виробництво» усіх форм навчання Суми Вид-во СумДУ 2007 Методичні вказівки до лабораторної роботи «Дослідження температури різання при точінні» з курсу «Теорія різання» /Укладачі: В.О.Залога, Д.В. Криворучко - Суми: Вид-во СумДУ, 2007. – 47 с. Кафедра металорізальних верстатів та інструментів
Вивчення теплових явищ - одне з найважливіших завдань науки про різання. Від температури, що виникає в зоні різання, істотно залежить зношування і стійкість інструментів, якість обробленої поверхні й точність обробленої деталі. Підвищення температури відбувається в результаті перетворення в тепло більшої частини затрачуваної в процесі різання механічної енергії: А=Апр+Апл+Атр+ Ад, (1) де Апр - робота, витрачена на пружну деформацію; Апл - робота, витрачена на пластичну деформацію; Атр= Апп + Азп - робота, витрачена на тертя, по передній (Апп) і задній (Азп) поверхнях леза; Ад - робота, витрачена на диспергування (пов'язана з утворенням нової поверхні). З огляду на те, що складові Апр і Ад за своєю величиною незначні, й те, що практично майже вся робота, затрачувана на пластичне деформування й тертя, переходить у тепло, сумарну кількість тепла, що виділяється при різанні, можна визначити за таким рівнянням:  [ккал/хв], (2)де k = 0,8 – 0,95; Pz – тангенціальна складова сили різання, кГс; v – швидкість різання, м/хв; 427 - механічний еквівалент теплоти. Джерелами тепла при різанні є: робота пластичної деформації в зоні стружкоутворення  з.с, робота тертя стружки об передню поверхню Aγ леза п. п, робота тертя задніх поверхонь леза (Аα) по поверхнях на заготовці (поверхні різання R та обробленій) з.п (рис. 1). Тепло, яке утворюється у процесі різання, йде в лезо інструмента  , у стружку  , у деталь  та у навколишнє середовище  . Сказане можна записати у вигляді рівняння теплового балансу:  . (3) Рисунок 1 - Схема теплових потоків при різанні Таким чином, у результаті теплопередачі весь об'єм тепла, що виділяється при різанні, розподіляється між стружкою, деталлю, інструментом і навколишнім технологічним середовищем. На загальну кількість тепла, що виділяється, кількісне співвідношення його складових і характер розподілу в системі різання впливають всі фактори, що визначають умови процесу різання: властивості інструментального й оброблюваного матеріалу, у т.ч. і теплофізичні, геометрія лез інструмента, параметри режиму різання, навколишнє середовище, наявність (відсутність) мастильно-охолодного технологічного середовища (МОТС), його кількість, спосіб підведення й т.п., величина зношування леза й ін.  Рисунок 2 – Розподіл тепла у системі різання Зокрема, з параметрів режиму різання цей розподіл найбільшою мірою залежить від швидкості різання. З рис. 2 видно, що зі збільшенням швидкості різання розподіл тепла між стружкою, деталлю й інструментом докорінно змінюється. Наприклад, якщо при швидкості різання 30 - 50 м/хв у стружку йде в середньому близько 40 - 45%, у деталь та інструмент 45 - 50% та 4 -5% відповідно, то при швидкості різання 150 - 300 м/хв значно більша частина тепла (70-80%) іде в стружку, у деталь - 25-30%, у інструмент - 2-3%. Примітки: 1 У навколишнє середовище в середньому йде близько до 1 - 3%. 2 Зі збільшенням швидкості різання кількість тепла, що йде в стружку, може досягати 90% і більше (при швидкостях різання 600 - 800 м/хв і більше). З боку стружки й деталі інтенсивність теплового потоку, а отже, і температура згодом змінюються. Це пов'язане з тим, що з боку стружки й деталі в процесі тепловиділення й теплопередачі беруть участь безупинно змінювані (нові) об'єми матеріалу заготовки, у той час як з боку інструменту протягом усього періоду різання беруть участь ті самі об'єми леза. Тому в інструменті через деякий проміжок часу після початку різання встановлюється відносно стаціонарний тепловий процес, що майже не залежить від часу. Практично найбільший інтерес становить не стільки кількість тепла, що виділяється в процесі різання, скільки температура на контактних поверхнях леза інструмента, що має безпосередній вплив на інтенсивність тертя й зношування робочих ділянок поверхонь леза, і температура нової (обробленої) поверхні, що може приводити до різного роду структурних змін перетворень та тріщиноутворенню в ній і т.п. Таким чином, основними об'єктами вивчення теплових явищ (або аналітичними, або експериментальними методами) є: а) кількість виділеного при різанні тепла та його розподіл між стружкою, деталлю й інструментом; б) температура, що встановлюється на контактних поверхнях інструмента; в) температурні поля в зоні деформації на різальному клині інструмента (рис. 3).  а) б) Рисунок 3 - Температурні поля на контактних поверхнях леза інструмента в головній січній площині Рτ (а) і основній площині Рv (б) Незважаючи на те, що частка тепла, що йде в стружку є найбільшою, а в інструмент - відносно мала, все-таки середня температура θ на передній поверхні інструмента в кілька разів перевершує середню температуру стружки θстр (рис. 4а). На рис. 4б наведена зміна температури θ для різних точок площадки контакту стружки з передньою поверхнею інструмента. Максимальна температура відповідає точці, що лежить наприкінці ділянки пластичного контакту Сп (приблизно на половині ширини площадки контакту С). До леза і до кінця площадки контакту температура спадає.  Примітка. На площадці контакту задньої поверхні інструмента з поверхнею різання температура розподіляється також нерівномірно. Під температурою різання θ розуміють найбільшу температуру на поверхні контакту інструмента зі стружкою та поверхнею різання.   а) б) Рисунок 4 - Вплив швидкості різання v на температуру різання θ і середню температуру стружки θстр при точінні сталі 40Х (а) і зміна температури різання θ для різних точок площадки контакту стружки з передньою поверхнею Примітка. Температуру різання іноді називають середньою температурою контакту (з урахуванням контактної температури як на передній, так і на задній поверхнях різання). Температура різання є інтегральним показником теплового стану системи різання і залежить від потужності теплових джерел у зонах первинної й вторинної деформації, тертя на контактних поверхнях леза інструмента та інтенсивності стікання тепла в деталь, інструмент і навколишнє середовище. Тому якщо треба пояснити вплив того або іншого фактору на температуру різання необхідно розглянути: 1) як з його зміною (збільшенням / зменшенням) буде змінюватися (збільшуватися / зменшуватися або навпаки) об'єм матеріалу (vtS=abv, де а й b, відповідно товщина й ширина зрізу), що знімається в процесі обробки за одиницю часу, а отже, і робота, витрачена на процес різання (1): збільшення / зменшення цього чинника сприяє відповідно зростанню / зниженню температури різання, незалежно від зміни умов відведення тепла (третій чинник); 2) як з його зміною (збільшенням / зменшенням) буде змінюватися (збільшуватися / зменшуватися або навпаки) об'єм пластичних деформацій у зоні стружкоутворення (первинній і вторинній зонах деформації), тиск і тертя на контактних поверхнях леза інструмента, а відповідно сила й потужність різання й кількість тепла, що виділяється в процесі різання (2): збільшення / зменшення цього чинника сприяє відповідно зростанню / зниженню температури різання; 3) як при цьому будуть змінюватися умови відведення тепла (поліпшення / погіршення), тобто теплові потоки (зменшуватися / збільшуватися), які є відповідальними за потужність стікання теплоти відповідно у деталь, інструмент і навколишнє середовище: зміна цього чинника (поліпшення / погіршення) сприяє відповідній зміні (зниженню / зростанню) температури різання; 4) установити, який із чинників (другий або третій) переважає (превалює) і відіграє вирішальну роль у формуванні теплового стану системи різання, а отже, визначає рівень температури різання: якщо буде превалювати другий чинник, наприклад, збільшення кількості тепла, що виділяється у процесі різання, то температура різання буде відповідно рости (незалежно від характеру зміни (погіршення / поліпшення) третього чинника), а якщо третій, наприклад, поліпшення умов відведення тепла, то буде її зниження (незалежно від характеру зміни (збільшення / зменшення) другого чинника). Примітка. При розгляді впливу на температуру різання факторів, які визначають об'єм матеріалу, що знімається за одиницю часу в процесі обробки (v, t, S, чи a, b, тобто перший чинник), то залежно від характеру зміни другого та третього чинників і перевагою одного з них, може змінюватися інтенсивність підвищення або зменшення температури різання. Наприклад, при різанні певного матеріалу температура різання росте зі збільшенням швидкості різання v і розмірів зрізуваного шару (площі зрізу  ) тому, що зростає кількість (об’єм) матеріалу, що знімається за одиницю часу (vtS), а отже, і механічна енергія (робота), затрачувана на процес різання (рис. 5). Однак, їхній вплив на температуру різання неоднаковий: найбільший вплив має швидкість різання, а найменший - глибина різання, що пов'язано з їхнім неоднаковим впливом на тепловий стан системи різання.  а) б) в)Рисунок 5 – Вплив швидкості різання (а), подачі (б) і глибини різання (в) на температуру різання Відомо, що зі збільшенням швидкості різання сила різання зменшується, як за рахунок зменшення сили нормального тиску на контактні ділянки леза інструмента (у зв’язку з локалізацією деформацій у зоні стружкоутворення), так і за рахунок відповідно до зменшення сили тертя (зв’язку зі зменшення тиску). І, незважаючи на те, що зменшення сили різання сприяє відповідно до формули (2) зменшенню кількості тепла, що виділяється, робота різання (  ), а отже, і потужність теплового потоку буде рости завдяки збільшенню, головним чином, роботи тертя: сила нормального тиску зменшується зі збільшенням швидкості різання значно повільніше, ніж ступінь зміни швидкості різання. З урахуванням того, що при зміні швидкості різання практично залишаються незмінними умови тепловідведення (права частина рівняння (3)), можна стверджувати, що в умовах традиційно застосовуваних діапазонів швидкостей різання, коли практично незмінними залишаються частки робіт Апр і Ад (див. рівняння (1)), за рахунок збільшення потужності теплового потоку (ліва частина рівняння (3)) температура різання буде зростати, асимптотично наближаючись до температури плавлення оброблюваного матеріалу θпл (рис. 5а): вирішальну роль у формуванні теплового стану системи різання при зміні швидкості різання грає чинник збільшення потужності теплового потоку (перший чинник). Вплив як подачі  , тобто товщини зрізу а ( ), і глибини різання  , тобто ширини зрізу b ( ), на площу зрізу  , а отже, на питому силу різання  та (при незмінній швидкості різання) потужність теплового джерела приблизно однаковий. Разом з тим, якщо зі зміною як подачі, так і глибини різання площа контакту леза зі стружкою залишається однаковою, то площа контакту задньої поверхні з поверхнею різання при їх зміні різна: зі зміною глибини різання вона змінюється (зростає) прямо пропорційно цій зміні, а зі зміною (збільшенням) подачі вона залишається практично незмінною. На рис. 6 зображені два однакових різці, що працюють у різних умовах: I (рис. 6а) – при збільшеній у 2 рази глибині різання (  ); II (рис. 6б) - при збільшеній в 2 рази подачі ( ). Обидва різці зрізують шари матеріалу з однаковою площею зрізуваного шару  . Різець I зрізує шар шириною 2b і товщиною а, а різець II зрізує шар шириною b і товщиною 2а. Таким чином, на передніх поверхнях різців на площі контакту  діють теплові джерела, потужність яких можна вважати приблизно однаковою. Теплові джерела ковзають по контактних поверхнях лез зі швидкостями, рівними швидкостям стружок. Відомо, що при збільшенні відношення довжини смугового джерела тепла (2b), що рухається, до його ширини с середня температура тертя в межах площі контакту безупинно зменшується, тобто середня температура на передній поверхні різця I буде меншою, ніж на передній поверхні різця II. До цього варто додати, що й умови відведення тепла через тіло інструмента для різця I більш сприятливі, тому що джерело тепла відносно більше віддалене від вершини, ніж у різця II, що також сприяє зниженню температури різання. Крім того, умови тепловідведення з боку задньої поверхні зі збільшенням глибини різання поліпшуються (різець I) у зв’язку зі збільшенням площі контакту задньої поверхні з поверхнею різання ( ), а зі збільшенням подачі залишаються практично незмінними (різець II). Таким чином, різець I (рис. 6а) повинен працювати з меншою температурою різання, ніж різець II (рис. 6б).  а)   б) Рисунок 6 – Зміна площі контакту леза зі стружкою й поверхнею різання при однаковій площі зрізу зі збільшенням в 2 рази: а) глибини різання (різець 1); б) подачі (різець 2)Неоднаковий вплив ширини й товщини зрізуваного шару на температуру різання дозволяє зробити наступний важливий висновок: для зменшення температури різання при заданій площі перетину зрізуваного шару необхідно працювати з можливо більшим відношенням  . Рисунок 7 - Залежність температури різання від переднього кута При розгляді впливу геометричних параметрів леза інструмента, необхідно враховувати, що їх зміна не впливає на площу зрізу, а, отже, при незмінній швидкості різання й на об’єм матеріалу, що знімається за одиницю часу (перший чинник), але істотно впливає як на кількість тепла, що виділяється (другий чинник), так і на умови тепловідводу (третій чинник). Наприклад, при малих значеннях переднього кута γ, у т.ч. і негативних, превалює другий фактор (великі сила й потужність різання), що приводить до високої температури різання (рис. 7, точка а), незважаючи на відносно гарні умови тепловідведення (третій чинник), тому що маса різального клина (леза) найбільша. При збільшенні переднього кута деформації, сили різання й тепловиділення зменшуються, що сприяє зниженню температури різання. Але при цьому зменшуються кут загострення й об'єм (маса) різальної частини (леза), що обов'язково повинне супроводжуватися погіршенням умов тепловідводу, а отже, зростанням температури різання. Тому, коли превалює фактор зменшення сили різання й відповідно потужності теплового потоку (другий чинник), над погіршенням умов тепловідведення (третій чинник) за рахунок зменшення маси леза, температура знижується (ділянка аб). Однак з деякого значення переднього кута (точка б) починає превалювати третій чинник (погіршення умов тепловідводу) і температура різання починає зростати (ділянка бв), незважаючи на зменшення сили різання й потужності теплового потоку. Оптимальне значення переднього кута γопт (з погляду теплового стану системи різання), відповідає мінімальному значенню температури різання (точка б). На сьогодні, незважаючи на значні успіхи, досягнуті у використанні аналітичних методів для вивчення теплових явищ у зоні деформації та на контактних поверхнях інструмента, усе - таки головним інструментом дослідження завдяки своїй надійності й простоті є експериментальні методи. Експериментально визначити температуру в окремих точках контакту дуже складно, тому звичайно визначається усереднена температура. Для експериментального визначення усередненої температури існують численні методи вимірювання, які можна розділити на два види: непрямої оцінки й безпосереднього (прямого) виміру. До непрямого відносяться методи оцінки температур за кольорами мінливості стружки, що утворилася; метод термофарб; за зафіксованими змінами фізичного стану поверхневих шарів оброблюваного металу (структурні зміни, фазові й структурні перетворення й ін.). До методів безпосереднього (прямого) вимірювання відносяться методи: термопар, оптичний, радіаційний. |
, 
, 
на температуру різання при точінні. Оволодіння методикою одержання емпіричних залежностей температури різання від елементів режиму різання.