CC BY
28
УДК 621.91:621.793:669.018.45
06 эффективности управления электрическими процессами в условиях резания
А. А. Рыжкин, В. Э. Бурлакова
(Донской государственный технический университет)
Рассмотрено тепловое действие термотока при резании. В узком диапазоне подач при заданной скорости резания определена область отсутствия во внутренней электрической цепи уравнительного тока.
Ключевые слова: термоЭДС, скорость резания, изнашивание, тепловое действие термотока, коэффициент Томсона, режущий инструмент.
Введение. В условиях резания в общем случае из-за неодинаковых температур (термоЭДС) на передней (Ел) и задней (Е3) поверхностях во внутренней цепи возможно протекание сильных уравнительных токов, определяемых разностью термоЭДС на контактных площадках. Условие Еп = Е3, при котором уравнительный ток равен нулю, выполняется при критической подаче, определяемой методом разрезного резца при варьировании величиной скорости резания и подачи (рис. 1).
Оптимальной подаче, зависящей от скорости резания, соответствуют точки пересечения кривых Еп и Е3\ чем больше скорость, тем меньше величина подачи, при которой обеспечивается стабилизация теплового режима на передней и задней поверхностях резца. В условиях обработки резанием устранить внутреннюю электрическую цепь и обеспечить отсутствие в ней уравнительного тока (/у) можно только при определённых условиях резания, работая лишь в узком диапазоне подач для заданной скорости резания.
Применительно к изнашиванию контактных площадок металлорежущих инструментов, действие объёмных источников тепла Томсона необходимо рассматривать с учётом протекания термотока минимум через две поверхности — переднюю и заднюю. Однако для качественной оценки теплового действия термотока, как и в условиях трения, при резании необходимо знать знак и величину коэффициента Томсона материалов инструмента и детали и направление тока. В связи с этим целью настоящего исследования является изучение действия объёмных источников тепла Томсона и определение знака и величины коэффициента Томсона материалов инструмента и детали.
Электрические процессы в условиях резания. Рассмотрим тепловое действие термотока при резании для двух случаев.
1. Контактные поверхности резца имеют одинаковую температуру (термоЭДС); зона резания как источник электрической энергии замкнута на внешнее сопротивление Л, величина которого определяет ток I во внешней цепи; уравнительный ток во внутренней цепи отсутствует.
Направление тока I зависит от материалов инструмента и детали. На рис. 2 показано направление протекания токов через контакт для твёрдого сплава (рис. 2, а) и быстрорежущей стали (рис. 2, б). Токи /1 и 12 через переднюю и заднюю поверхности соответственно для принятых условий принимаются одинаковыми по величине.
2. Внешняя цепь термотока отсутствует, но уравнительный ТОК /у имеет конечную величину и течёт в круговом контуре от передней поверхности к задней, если Еп > Е3 (рис. 3, а), или от задней поверхности к передней, если Е3 > Еп (рис. 3, б). Очевидно, в данном случае полярность пары «резец-деталь» значения не имеет.
Е,
Е, мВ 11
7
О 0,2 3-103,м/об.
в) г)
Рис. 1. Соотношение между термоЭДС Еп и Е3 при точении (свободное резание, сплошные кривые соответствуют Еп, пунктирные — Ез)\
а) резец из быстрорежущей стали Р18; обрабатываемые материалы: 1 — ковкий чугун КЧ 33-8 (у= 0,5 м/с, {= 2,5 х х 1СГ3 м, у= 0°); 2 — сталь 45 (|/= 0,5 м/с, t = 0,5 ■ 10~3 м, у = 0°); б) Т15К6 — сталь 40Х (£= 0,5 ■ 10~3 м): 1 — и= 0,42 м/с; 2 — v= 0,83 м/с; 3 — v= 1,25 м/с; 4 — и= 1,67 м/с; в) Т15К6 — КЧ 33-8 (£= 2 ■ 10~3 м): 1 — и = 0,25 м/с; 2—v= 0,5 м/с; 3 — и= 1 м/с; г) ВК8 — 1Х18Н9Т(Г = 0,5'10‘3 м): 1 — и= 0,33 м/с; 2 — v= 0,67 м/с; 3—1/= 1,17 м/с
Тепловое действие термотока через эффект Томсона определяется температурной зависимостью коэффициентов Томсона материалов пары трения и направлением тока и не является однозначным. В табл. 1 приведены сочетания материалов «инструмент-деталь» и температурные интервалы, в которых естественный термоток всегда дополнительно нагревает (через эффект Томсона) инструментальный материал (табл. 1, гр. 3). Существует диапазон температур, в которых из-за разных знаков коэффициента Томсона термоток будет дополнительно охлаждать инструмент для некоторых сочетаний пар «инструментальный — обрабатываемый материал».
Для различных пар «инструментальный — обрабатываемый материал» в выбранных температурных интервалах естественный термоток через эффект Томсона дополнительно нагревает инструментальный материал в локальном микрообъёме (табл. 1, гр. 3). Необходимым условием для этого должно быть равенство средних температур контакта на передней и задней поверхностях инструмента. В самом общем случае резания металлов дополнительно к идеальному вариан-
ту (равенство Еп = Е3) нужно учитывать тепловое действие термотоков, циркулирующих во внутренней цепи через контактные площадки инструмента согласно рис. 3. Если процесс резания осуществляется в условиях черновой обработки, когда рабочая подача больше её критического значения (Еп > Е3), то термоток через эффект Томсона нагревает заднюю и охлаждает переднюю поверхность твердосплавных инструментов. Для быстрорежущей стали — наоборот, в условиях циркуляции термотока только через переднюю и заднюю поверхности дополнительно нагревается передняя и охлаждается задняя поверхность (табл. 1, гр. 5 и 6).
Рис. 2. Схемы протекания естественных термотоков через зону контакта для твёрдого сплава (а) и быстрорежущей стали (б) (Еп = Е3) и теплового действия для пар: а — сплава Т15К6 — Ст 35 (Тп = 710...940 °С); б — сплава Р6М5 — Ст 35
{Тп= 145...568 °С)
Рис. 3. Схема протекания уравнительного тока во внутренней цепи при резании, когда Еп > Е3 (а) и Е3> Еп (б), и теплового действия для пары Т15К6 — Ст 35 (Тп = 710...940 °С). Направления термотоков показаны сплошными, а потока электронов — пунктирными линиями
При работе в области тонких и сверхтонких стружек (Е3 > Еп) на контактных площадках получается противоположный тепловой эффект от термотоков (табл. 1, гр. 4, 5 и 6, 7). В реальных условиях резания, когда одновременно действуют внутренняя и внешняя цепи термотока, итоговое тепловое действие термотоков может быть сложнее рассмотренного выше, и поэтому изоляция инструмента или введение противотока в зону резания не всегда уменьшит износ задней поверхности. Как видно из табл. 1, гр. 4 и 5, естественный термоток через эффект Томсона охлаждает переднюю и нагревает заднюю поверхность, поэтому его компенсация обусловливает снижение износа этой поверхности, а тепловой режим на передней поверхности остаётся без изменения. Как следует из расчётных и экспериментальных данных, в этих условиях интенсивность изнашивания должна возрастать, однако в тонких слоях стружки действует объёмный источник тепла Томсона, осуществляющий дополнительный нагрев стружки, в результате чего температурное поле на передней поверхности будет локализовано к поверхности контакта (увеличится дгас! Т и уменьшится размер Л). Из-за противоположного действия объёмных источников тепла Томсона в стружке и на передней поверхности тепловое состояние последней приблизительно останется таким же, как и в обычных условиях резания. При этой температуре (табл. 1) знак коэффициента Томсона у твёрдого сплава отрицателен, и при прохождении через контакт термотока на поверхностях резца действуют охлаждающие объёмные источники тепла Томсона, что по-
ложительно влияет на снижение интенсивности изнашивания. Разрыв изоляцией цепи термотока ликвидирует эти тепловые источники. Следовательно, условия протекания термотоков через зону трения и контактные площадки режущего инструмента (табл. 1) и действие объёмных источников тепла Томсона, обусловленное величиной тока, градиентом температур, знаком и величиной коэффициента Томсона, полностью будут определять эффективность разрыва цепи термотока для снижения износа. Наибольший эффект должен иметь место, с одной стороны, при резании с малыми размерами контактных площадок и, с другой стороны, на определённых оптимальных подачах, когда Тп = Т3 (Еп = Е3), т. е. обеспечивается термодинамическое равновесие во внутреннем контуре «передняя поверхность — стружка — деталь — задняя поверхность». Эспериментальные исследования стойкости металлорежущих инструментов в лабораторных и производственных условиях подтвердили ожидаемое максимальное повышение стойкости при работе изолированным инструментом с оптимальной подачей. В табл. 2 представлены результаты стойкостных испытаний в лабораторных условиях [1] токарных резцов с 4-гранными неперетачиваемыми пластинами, а в табл. 3 — в производственных условиях ОАО «Роствертол».
Таблица 1
Некоторые показатели действия термотока (через эффект Томсона) применительно к
процессу резания при точении1
Инструмент — Диапазон Тепловое действие объём- Тепловое действие объёмного источника Томсона во
деталь температу- ного источника Томсона внутренней цепи
ры, °С при Еп = Е3 (/у = 0) на по- Еп > Ез (tn > ts) Еп < Ез (tn < t3)
верхности инструмента на передней на задней на передней на задней
поверхности поверхности поверхности поверхности
1 2 3 4 5 6 7
Т15К6 — Сталь 35 710—940 + - + + -
ВК8 — Сталь 35 315—835 + - + + -
ВК8 — 1Х18Н9Т 315—630 + - + + -
630—840 + - + + -
ВК8 — ВТЗ-1 315—835 + - + + -
Р6М5 — Сталь 35 145—568 + + + - +
Р6М5 — 1Х18Н9Т 140—290 + + - - +
290 + + - - +
Р6М5 — ВТЗ-1 180—280 + + - - +
280 + + - - +
Р6М5 — ЛС59-1Л 145—275 + + - - +
275—600 + + - - +
Таблица 2
Результаты стойкостных испытаний твердосплавных резцов в лабораторных условиях
(£ = 1 ■ 1(Г3 м)
Материал инструмента — детали Скорость резания, V, м/с Величина оптимальной подачи, 510-3, м/об Коэффициент увеличения стойкости при изоляции инструмента К = Ги(0,9)/Го(0,9) для подачи 510-3, м/об Средняя температура при оптимальной подаче
0,07 оптимальная 0,39
Т15К6 — 40Х 0,83 0,17 1,08 1,43 1,18 760
1,25 0,11 1,08 1,60 1,26 720
1,67 0,097 1,06 1.69 1,35 740
ВК8 — 1Х18Н9Т 0,33 0,17 1,08 1,51 1,11 480
0,67 0,11 1,00 1,63 1,27 520
1,17 0,097 1,06 1,62 1,36 600
^нак «+» означает, что объёмный источник тепла Томсона дополнительно нагревает, а знак «-» — охлаждает микрообъёмы материалов.
В лабораторных условиях резцы (по 20 штук в каждой партии) изнашивались до значений
0,4'10“3 м по задним поверхностям, а результаты обрабатывались с привлечением элементов теории надёжности [2]. В табл. 2 приведены гарантийные значения стойкостей Т (0,9), полученные при резании в обычных условиях и с изолированным инструментом. Для оценки действия объёмных источников тепла Томсона (табл. 1) приведены средние температуры в зоне резания.
Таблица 3
Результаты стойкостных испытаний инструментов в производственных условиях
Инструмент Марка материала инструмента Материал детали Режим резания Стойкость Т(0,5) шт. дет. Коэффициент увеличения стойкости К= Гй(0,5)/7о(0,5)
V, м/с Sz 10“J, м/зуб. Обычное резание 7о(0,5) Инструмент изолир. Ти{0,5)
Свёрла спиральные Р18 ЭИ696А 0,25 0,05 27 42 1,56
09,5 Метчики Р18 Ст 45 0,28 0,25 1000 1500 1,50
М12Х1 Свёрла ружейные Т15Я6 Ст 45 0,75 0,05 79 112 1,42
08,0 Фрезы концевые Р6М5 40ХНМА (HRC = 30—35) 0,17 0,08 31 46 1,48
015,8 Фрезы концевые Р9 40ХНМА 0,28 0,11 333 538 1,62
060,0 Фрезы концевые Р9К5 40ХНМА 0,28 0,11 276 546 1,97
060,2 Фрезы концевые Т15К6 40ХНМА 1,02 0,04 344 440 1,28
054,0 Резцы подрезные Т15К6 У8А 0,66 (t = 4 мм) 0,15 41 66 1,62
Для выбранного диапазона скоростей резания наибольший эффект от изоляции инструмента имеет место при работе с оптимальной подачей, что полностью согласуется с изложенными выше соображениями о роли внутренней цепи термотока на изменение теплового режима через эффект Томсона. Из табл. 2 и 3 видно, что номинальный температурный режим для пары Т15К6 — 40Х 720...760 °С достаточен для проявления нагревающего действия термотока в обычных условиях резания. Для подачи 5=0,07110“3 м/об. (функционирует внутренняя цепь термотока, и обеспечивается условие Е3 > Еп) изоляция не оказывает практического влияния на износ задних поверхностей резцов, так как температура в зоне резания (~640 °С) недостаточна для проявления в обычных условиях резания эффекта Томсона (710...940 °С, табл. 1, гр. 2). Большая эффективность изоляции инструмента в снижении износа задних поверхностей при точении в области закритических подач (Еп > Е3) закономерна и объяснима раздельным действием объёмных источников тепла Томсона на передней и задней поверхностях резца. Если Еп > Е3/ термоток будет дополнительно нагревать заднюю поверхность — как для пары Т15К6 — Ст35, так и ВК8 — 1Х18Н9Т (табл. 1, гр. 5), и разрыв внешней цепи изоляцией возвратит систему трения в более выгодное термодинамическое состояние, характеризуемое большими grad Т и меньшими размерами термически активной зоны Д. При выборе операций механической обработки в производственных условиях, где проверялись результаты теоретических исследований и лабораторных испытаний инструмента с разрывом цепи термотока, принималось во внимание следующее:
1) необходимость повышения стойкости инструмента из-за его большого расхода или высокой стоимости детали (инструмента);
2) стабильность программы обрабатываемых деталей;
3) технологические особенности операции, позволяющие применять с наибольшей эффективностью метод разрыва цепи термотока.
Исходя из этого, выбирались операции, выполняемые на станках с программным управлением, агрегатных и револьверных станках с толщинами среза (подачи), при которых приблизительно соблюдается условие Еп= Е3. Полученные результаты подтверждают ожидаемое увеличение стойкости инструментов при их изоляции на основе теоретических предпосылок не только качественно, но и количественно. На рис. 4 в качестве примера приведены характеристики надёжности концевых фрез диаметром 15,8 мм из стали Р6М5 при обработке деталей из закалённой стали 40ХНМА.
й;Т> 10_2Р(Т) ЦТ)-10-1
" 0.8 _ 3
0.6 2
0.4 -
- 1
0.2 -
- 0 . п
" ч л, 1 Ч; \ / / / г У ^ / у
УМА / > \ \ Г * ъ / л / XV * ' \ \ .Л* * А ■ -- \ ч 1 \ ч \ \ ч - ч 1 ' чэ
10
20
30
40
50 Т, шт.
Рис. 4. Характеристики надёжности концевых фрез диаметром 15,8 мм из быстрорежущей стали Р6М5 (|/= 1,17 м/с,
5/ = 0,08- 1СГ3 м/зуб.); обрабатываемый материал — 40ХНМА (НКС = 30—35); сплошные линии — обычное резание, пунктирные — инструмент изолирован: 1 — функции надёжности Р{Т)~, 2 — плотность вероятностей безотказной работы f(T)•l
3 — интенсивность отказов А (7)
Вывод. Таким образом, наибольший эффект при изоляции, как и при трении, достигается на инструментах из быстрорежущих сталей, что было показано нами ранее в [3—7] и применительно к процессу сверления. Как следует из полученных в настоящей работе результатов, коэффициент увеличения стойкости инструмента при его изоляции не превышает двух, что по порядку величины согласуется с коэффициентом снижения интенсивности изнашивания для аналогичных случаев в условиях трения.
Статья подготовлена в ходе работ по государственному контракту на выполнение научно-исследовательских работ с Минобрнауки России от 29 апреля 2011 года № 16.552.11.7027. Библиографический список
1. Рыжкин, А. А. О связи тепловых и электрических процессов при трении / А. А. Рыжкин, А. И. Филипчук, В. С. Дмитриев // Известия СКНЦ ВШ. Технические науки. — 1980. — № 2. — С. 102—104.
2. Рыжкин, А. А. Основы теории надёжности: учеб. пособие / А. А. Рыжкин, Б. Н. Слюсарь, К. Г. Шучев. — Ростов-на-Дону: Изд. центр ДГТУ, 2002. — 181 с.
3. Аваков, А. А. Повышение стойкости спиральных свёрл при обработке жаропрочных сталей / А. А. Аваков, А. А. Рыжкин // Спиральные свёрла: сб мат-лов Всесоюз. совещ. — Москва,
1965. - С. 163-174.
4. Рыжкин, А. А. Влияние электрического тока на износ при резании / А. А. Рыжкин // Электрические явления при трении и резании металлов. — Москва: Наука, 1969. — С. 70—82.
5. Рыжкин, А. А. Исследование процесса сверления жаропрочных сталей быстрорежущими и твердосплавными свёрлами малого диаметра: дис. ... канд. техн. наук. — Новочеркасск,
1966. - 208 с.
6. Рыжкин, А. А. Стойкость быстрорежущих свёрл с пластмассовыми конусами / А. А. Рыжкин // ЦБТИ СНХ: информ. листок № 416. — Ростов-на-Дону, 1964. — 3 с.
7. Рыжкин, А. А. Влияние термоэлектрического тока на некоторые характеристики процесса резания металлов / А. А. Рыжкин, В. С. Дмитриев // Электрические явления при трении, резании и смазке твёрдых тел. — Москва: Наука, 1973. — С. 116—125.
Материал поступил в редакцию 30.01.2012.
References
1. Ry'zhkin, А. А. О svyazi teplovy'x i e'lektricheskix processov pri trenii / A. A. Ry'zhkin, A. I. Filipchuk, V. S. Dmitriev // Izvestiya SKNCz VSh. Texnicheskie nauki. — 1980. — № 2. — S. 102— 104. — In Russian.
2. Ry'zhkin, A. A. Osnovy' teorii nadyozhnosti: ucheb. posobie / A. A. Ry'zhkin, B. N. Slyusar', K. G. Shuchev. — Rostov-na-Donu: Izd. centr DGTU, 2002. — 181 s. — In Russian.
3. Avakov, A. A. Povy'shenie stojkosti spiral'ny'x svyorl pri obrabotke zharoprochny'x stalej / A. A. Avakov, A. A. Ry'zhkin // Spiral'ny'e svyorla: sb mat-lov Vsesoyuz. soveshh. — Moskva, 1965. — S. 163—174. — In Russian.
4. Ry'zhkin, A. A. Vliyanie e'lektricheskogo toka na iznos pri rezanii / A. A. Ry'zhkin // E'lektricheskie yavleniya pri trenii i rezanii metallov. — Moskva: Nauka, 1969. — S. 70—82. — In Russian.
5. Ry'zhkin, A. A. Issledovanie processa sverleniya zharoprochny'x stalej by'strorezhushhimi i tverdosplavny'mi svyorlami malogo diametra: dis. ... kand. texn. nauk. — Novocherkassk, 1966. — 208 s. — In Russian.
6. Ry'zhkin, A. A. Stojkost' by'strorezhushhix svyorl s plastmassovy' mi konusami / A. A. Ry'zhkin // CzBTI SNX: inform, listok № 416. — Rostov-na-Donu, 1964. — 3 s. — In Russian.
7. Ry'zhkin, A. A. Vliyanie termoe' lektricheskogo toka na nekotory'e xarakteristiki processa rezaniya metallov / A. A. Ry'zhkin, V. S. Dmitriev // E'lektricheskie yavleniya pri trenii, rezanii i smazke tvyordy'x tel. — Moskva: Nauka, 1973. — S. 116—125. — In Russian.
ON CONTROL EFFECTIVENESS OF ELECTRIC PROCESSES UNDER CUTTING
A. A. Ryzhkin, V. E. Burlakova
(Don State Technical University)
The effect of thermoelectric heat under cutting is considered. In the narrow feed range under the preselected cutting speed, no-equalizing current area in the inner electrical circuit is defined.
Keywords: thermoelectric power, cutting speed, wear-out, heat effect of thermionic current, Thomson coefficient, cutting tool.
