комбинированной лезвийной и отделочно-упрочняющей обработке

1. Схематизация процесса комбинированной обработки

2. Определение безразмерных температур в детали

3. Определение фактических температур

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.

Схема совместной обработки точением и обкатыванием представлена на рис. 16.1. Для двух комбинируемых видов обработки общими являются скорость главного движения V = pdn/1000, определяемая частотой вращения n детали диаметром d, и скорость движения подачи V_S, определяемая с учетом подачи S: V_S = nS.

Мощности двух источников теплоты, определяемые при точении силой резания P_Т, а при обкатывании – усилием обкатывания P_О, 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 j: l_Т = tsinj. 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:

. (16.1)

Ширина источника теплоты при обкатывании l_О = 2а_пл определяется радиусом пластического отпечатка: а_пл = (P_О /3p σ_Т)^0,5 (σ_Т - предел текучести обрабатываемого материала σ_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 = 2p а_плt_О. Плотность теплового потока при обкатывании с учетом доли теплоты b^*_О, поступающей в деталь:

. (16.2)

Доля теплоты, поступающая в деталь, при точении b^*_Т и обкатывании b^*_О зависит от соответствующих для этих видов обработки значений параметров. Для известных теплофизических характеристик инструментов и детали, например, при точении стали 45 резцами Т15К6 и обкатывании шариками из стали ШХ15, доля теплоты, поступающая в деталь, равна:

; . (16.3)

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]:

, (5)

где x, y – абсцисса и ордината точки, для которой рассчитывается температура; x_u – абсцисса импульса теплоты; V_S – скорость перемещения источника.

К₀(u) – модифицированная функция Бесселя, которая с погрешностью, не выходящей за 5% может быть определена следующим образом:

. (16.4)

Переходим к безразмерным величинам y = x/l; y_и = x_и/l; n = y/l. Тогда температурное поле в детали может быть выражено через безразмерное распределение температур Т(y, n):

. (16.5)

, (16.6)

где - безразмерный критерий Пекле.

Температурное поле при совместном точении и обкатывании может быть получена как суперпозиция отдельных температурных полей при каждом из видов обработки и описано следующим образом:

, (16.7)

где безразмерные величины равны: y_Т = x/l_Т; y_{Т и} = x_и/l_Т; n_Т = y/l_Т; y_О = (x+ L)/l_О; y_{О и} = x_и/l_О; n_Т = y/l_О.

Вводя безразмерные величины f = L/l_Т, c = q_О /q_Т и z = l_О /l_Т, температурное поле (9) можно представить в следующем виде:

. (16.8)

Безразмерное суммарное температурное поле Т_Σ(y,n) при совместном точении и обкатывании имеет вид: Т_Σ(y,n) =Т(y,n) + zТ(z (y-f),n). На рис. 16.3 представлено безразмерное температурное поле для значений безразмерных величин c = 0,5; z = 1; f = 3; Ре = 2,3.

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 y. 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 Т(y) при n = 0 безразмерное температурное поле имеет вид:

. (16.9)

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 точении глубина резаниясоставляла 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; безразмерные величины f = 3,37, c = 5,73и z = 0,38. 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 Q (x) на поверхности детали при точенииQ_Т(x), обкатывании Q_О(x) и суммарной для совместной обработки Q_Σ(x) представлены на рис. 16.4.

Представленные зависимости позволяют установить максимальную температуру на поверхности детали с учетом суперпозиции температурных полей при совместной обработке. Максимальные значения температур: при точении Q_{max т} = 270^оС; при обкатывании Q_{max о} = 155^оС.

1. Резников А.Н., Резников Л.А. Тепловые процессы в технологических системах: Учебник для вузов по специальностям “Технология машиностроения” и “Металлорежущие станки и инструменты”. - М.: Машиностроение, 1990. - 288с.

2. Резников А.Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов. - М.: Машиностроение, 1981. – 279с.

3. Резников А.Н., Резников Л.А. Основы расчета тепловых процессов в технологических системах: Учеб. пособие. - Куйбышев: КуАИ, 1986. -153с.

4. Тихонцов А.М., Чухно С.И., Коробочка А.Н. Тепловые процессы при механической обработке материалов резанием: Учебник: - К.:УМК ВО,1992. - 288с.

5. Якимов А.В., Слободяник П.Т., Усов А.В. Теплофизика механической обработки: Учеб. пособие. - К.; Одесса: Лыбидь, 1991. - 240 с.

6. Ящерицын П.И.. Еременко М.Л., Фельдштейн Е.Э. Теория резания. Физические и тепловые процессы в технологических системах: Учеб. для вузов. - Мн.: Выш. шк., 1990. - 512 с.

7. Обработка металлов резанием с плазменным нагревом. / А.Н. Резников, М.А. Шатерин, В.С. Кунин, Л.А. Резников. - М.: Машиностроение, 1986. – 232с.

8. Обработка металлов резанием: Справочник технолога / А.А. Панов, В.В. Аникин, Н.Г. Бойм и др.; Под общ. ред. А.А. Панова. - М.: Машиностроение,1988. - 736с.

9. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т. 2 / Под ред. А.Г. Косиловой, Р.К. Мещерякова. - М.: Машиностроение . 1985. - 496с.

10. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т. 1 / Под ред. А.Г. Косиловой, Р.К. Мещерякова. - М.: Машиностроение . 1985. - 496с.

11. Справочник по обработке металлов резанием / Ф.Н. Абрамов, В.В. Коваленко, В.Е. Любимов и др. - К.: Технiка, 1983. - 239с.