ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УСЛОВИЙ РЕЗАНИЯ НА ТЕМПЕРАТУРНОЕ ПОЛЕ ПРИ ТОЧЕНИИ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.9.08

П. Р. ФИНАГЕЕВ, А. Н. УНЯНИН

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УСЛОВИЙ РЕЗАНИЯ НА ТЕМПЕРАТУРНОЕ ПОЛЕ ПРИ ТОЧЕНИИ

Выполнено численное моделирование температурного поля и параметров процесса точения заготовок из стали 12Х18Н10Т. В качестве варьируемых параметров были выбраны коэффициенты трения стружки о переднюю поверхность инструмента р.1, задней поверхности инструмента о заготовку ц2 и коэффициент трения по напряжению текучести ¡. Оценена степень влияния варьируемых параметров на тангенциальную составляющую силы резания, силы трения на передней и задней поверхностях режущего инструмента, на мощности источников тепловыделения, контактные температуры и среднюю температуру заготовки.

Ключевые слова: точение, температура, коэффициенты трения, численное моделирование.

Исследования выполнены при поддержке РФФИ (проект 18-47-730005).

Значительное влияние на работоспособность инструмента, качество и производительность обработки оказывает температура [1, 2 и др.].

При аналитическом исследовании теплофизики процесса резания, исходя из принятого маршрута тепловых потоков [3], определяют соответствующие потоки в инструмент, стружку и заготовку, а затем составляют и решают уравнения теплопроводности для каждого объекта. Недостатком такого подхода является приближенный учёт распределения тепловых потоков между объектами. Теплофизические характеристики материалов заготовки и инструмента, а также физико-механические характеристики материала заготовки (пределы прочности и текучести) зависят от температуры [4], однако ряд известных методик расчёта температур не учитывают это обстоятельство.

Для адекватной оценки температурного поля в процессе точения необходимы модели, которые учитывают тепловыделение в области стружкообразования и на поверхностях контакта резца с заготовкой и стружкой, взаимное перемещение контактирующих объектов (заготовки и стружки относительно резца), зависимость теплофизических характеристик материалов контактирующих объектов (инструмента, стружки, заготовки и окружающей среды) и физико-механических свойств материала заготовки от температуры.

Разработаны физические и математические модели и программное обеспечение для расчёта

© Финагеев П. Р., Унянин А. Н., 2021

параметров процесса точения, контактных температур и температур в поверхностных слоях заготовки, удовлетворяющие вышеперечисленным условиям [5].

Значительный интерес представляет исследование влияния коэффициентов трения на контактные температуры и температуры поверхностных слоёв заготовки при точении. Данный вопрос изучен недостаточно полно. Ряд учёных исследует влияние состава износостойких покрытий режущего инструмента на контактные характеристики процесса точения [6], к которым относят и коэффициенты трения стружки о переднюю поверхность резца ц и трения задней поверхности о заготовку ц2. Известны работы по определению коэффициентов трения ц,1 и ц2 в зависимости от элементов режима обработки (скорости резания V, подачи ^6, глубины резания tr) и профиля передней поверхности режущей пластины [7]. При этом в данных работах нет упоминания о коэффициенте трения по напряжению текучести ц и его влиянии на параметры процесса точения. Не в полной мере изучен вопрос влияния коэффициентов ц, ц и ц2 на параметры процесса точения и контактные температуры.

Результаты численных расчётов контактных температур при точении сравнивали с экспериментальными результатами, приведёнными в работе [8]. Расхождение значений не превышает 10%, что свидетельствует об адекватности разработанной методики [5].

Численное моделирование при варьировании коэффициентами трения выполнили при следующих исходных данных: материал

заготовки - стали 45 и 12Х18Н10Т; материал режущей части резца - твёрдый сплав марки Т15К6; передний угол резца у = 10°; главный угол в плане ф = 45°; скорость резания V = 180 м/мин; подача ^об = 0,2 мм/об; глубина резания ^г = 0,5 мм. Варьировали коэффициентами трения: по напряжению текучести ц; стружки о перед-

нюю поверхность резца и задней поверхности резца о заготовку ц2 в пределах 0,3 ... 0,5 (значения 0,3 и 0,5 соответствуют наличию и отсутствию смазочно-охлаждающего

технологического средства (СОТС) в зоне резания соответственно).

Результаты расчёта представлены в табл. 1, 2.

Таблица 1

Результаты расчёта параметров процесса точения при варьировании параметрами ц, ц и ц2:

материал заготовки - сталь 12Х18Н10Т

Коэффициенты трения Сила трения, Н Тангенциальная составляющая силы резания Р* Н Мощности источников тепловыделения, Вт

по напряжению текучести ц стружки о переднюю поверхность резца Ц1 задней поверхности резца о заготовку Ц2 стружки о переднюю поверхность Fl задней поверхности о заготовку

в зоне дефор-миро-вания в зоне контакта стружки с передней поверхностью Ж1Т в зоне контакта задней поверхностью с заготовкой №2Т

0,3 0,3 0,3 22 8 34 46 33 23

0,5 0,3 0,3 25 8 35 46 37 23

0,3 0,5 0,3 34 8 36 34 52 23

0,5 0,5 0,3 37 8 37 34 55 23

0,3 0,3 0,5 22 13 39 46 33 38

0,5 0,3 0,5 25 13 40 45 37 38

0,3 0,5 0,5 34 13 41 34 51 38

0,5 0,5 0,5 37 13 42 33 55 38

Таблица 2

Результаты расчёта контактных температур при варьировании параметрами ц, ц и ц2:

материал заготовки - сталь 12Х18Н10Т

Коэ< )фициенты трения Температура на передней поверхности Т1, °С Температура на задней поверхности Т2, °С Средняя температура заготовки Тзаг на расстоянии от поверхности 0.150 мкм, °С

по напряжению текучести ц стружки о переднюю поверхность резца ц1 задней поверхности резца о заготовку ц2

0,3 0,3 0,3 640 495 143

0,5 0,3 0,3 654 530 145

0,3 0,5 0,3 696 557 148

0,5 0,5 0,3 710 592 151

0,3 0,3 0,5 689 595 184

0,5 0,3 0,5 902 609 186

0,3 0,5 0,5 942 713 190

0,5 0,5 0,5 956 746 195

При увеличении коэффициентов трения увеличиваются силы трения Fi и F2 и в меньшей степени - тангенциальная составляющая силы резания Pz. Увеличиваются и мощности источников тепловыделения W1 и W2. В то же время мощность источника тепловыделения в зоне деформирования Wg с увеличением коэффициентов трения ц, ц2 от 0,3 до 0,5 снижается на 25%, что объясняется увеличением температуры деформируемого слоя заготовки и снижением напряжения текучести её материала.

При увеличении всех коэффициентов трения от 0,3 до 0,5 температуры T1 и T2 увеличиваются на 33 и 51%. На температуру в зоне контакта передней поверхности резца с заготовкой T1 превалирующее влияние оказывают

коэффициенты ц и ц1, на температуру T2 -коэффициент трения ц2.

Выполненное исследование позволяет сравнить результаты расчёта параметров процесса точения и температур при обработке с применением и без применения СОТС. При обработке с применением СОТС температуры и силы резания имеют меньшую величину, что ведёт к меньшему износу режущего инструмента и способствует увеличению работоспособности инструмента.

Полученные результаты дают возможность оценить влияние коэффициентов трения на передней ц и задней поверхностях резца ц2 и коэффициента трения по напряжению текучести ц на параметры процесса и контактные температуры при точении.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Abhang L. B, Hameedullah M. Chip-Tool Interface Temperature Prediction Model for Turning Process, International Journal of Engineering Science and Technology, Vol. 2 (4), 2010, pp. 382-393.

2. O'Sullivan D., Cotterell M. Temperature measurement in single point turning , Journal of material processing technology Vol. 118, 2001, pp. 301-308.

3. Воронцов А. Л. Исходные положения и критические замечания о современных методах теоретического исследования теплофизических процессов // Справочник. Инженерный журнал с приложением. Приложение № 3 (228). - 2016. -С.2-8.

4. Марочник сталей и сплавов. - 4-е изд.,

перераб. и доп. / Ю. Г. Драгунов, А. С. Зубченко, Ю. В. Каширский и др. Под общей ред. Ю. Г. Драгунова и А. С. Зубченко. - М., 2014. - 1216 с.

5. Унянин А. Н., Финагеев П. Р. Исследование температурного поля при точении с наложением вибрации // Вектор науки Тольят-тинского государственного университета. -Тольятти: ТГУ, 2018. - С.63-69.

6. Табаков В. П., Сагитов Д. И. Физические основы процесса резания и изнашивания режущего инструмента с покрытиями : учебное пособие. - Ульяновск : УлГТУ, 2014. - 74 с.

7. Шатуров Д. Г., Сухоцкий С. А. Методика по определению сил резания и коэффициентов трения на рабочих поверхностях призматического резца // Вестник Белорусско-Российского университета . - 2020. - № 4(69). -С. 70-78.

8. Воронцов А. Л. Практические расчёты температуры резания. Часть 1 // Справочник. Инженерный журнал с приложением. Приложение №2 (239). - 2017. - С. 14-23.

REFERENCES

1. Abhang L. B, Hameedullah M. Chip-Tool Interface Temperature Prediction Model for Turning Process, International Journal of Engineering Science and Technology, Vol. 2 (4), 2010, pp. 382-393.

2. O'Sullivan D., Cotterell M. Temperature measurement in single point turning, Journal of material processing technology Vol. 118, 2001, pp. 301-308.

3. Vorontsov A. L. Iskhodnye polozheniya i kriticheskie zamechaniya o sovremennyh metodah teoreticheskogo issledovaniya teplofizicheskih processov [Initial positions and critical remarks on modern methods of theoretical research of thermophysical processes] Spravochnik. Inzhenernyj zhurnal s prilozheniem. Prilozhenie №3 (228) [Handbook. Engineering magazine with an appendix. The App No. 3 (228)]. 2016, pp. 2-8.

4. Marochnik stalej i splavov [Vintage of steels and alloys] 4-e izd., pererab. i dop. / YU. G. Dragunov, A. S. Zubchenko, YU. V. Kashirskij i dr. Pod obshchej red. YU. G. Dragunova i A. S. Zubchenko. [4th ed., reprint. and additional] / Yu. G. Dragunov, A. S. Zubchenko, Yu. V. Kashirsky, etc. [Under the general editorship of Yu. G. Dragunov

and A. S. Zubchenko]. M., 2014, 1216 p.

5. Unyanin A. N., Finageev P. R. Issledovanie temperaturnogo polya pri tochenii s nalozheniem vibracii [Investigation of the temperature field during turning with vibration overlay] Vektor nauki Tol'yattinskogo gosudarstvennogo universiteta [Vector of Science of Togliatti State University]. Togliatti, TSU, 2018, pp. 63-69.

6. Tabakov V. P., Sagitov D. I. Fizicheskie osnovy processa rezaniya i iznashivaniya rezhushchego instrumenta s pokrytiyami : uchebnoe posobie. [Physical foundations of the cutting process and wear of cutting tools with coatings : a textbook]. Ulyanovsk, UlSTU, 2014, 74 p.

7. Shaturov D. G., Sukhotsky S. A. Metodika po opredeleniyu sil rezaniya i koefficientov treniya na rabochih poverhnostyah prizmaticheskogo rezca [Methodology for determining cutting forces and friction coefficients on the working surfaces of a prismatic cutter] Vestnik Belorussko-Rossijskogo universiteta [Bulletin of the Belarusian-Russian

University], 2020, № 4(69), pp. 70-78.

8. Vorontsov A. L. Prakticheskie raschyoty temperatury rezaniya. CHast' 1 [Practical calculations of the cutting temperature. Part 1] Spravochnik. Inzhenernyj zhurnal s prilozheniem. Prilozhenie №2 (239). [Reference book. Engineering magazine with an appendix. Application No. 2 (239)], 2017, pp. 14-23.

Финагеев Павел Рамдисович, аспирант кафедры «Инновационные технологии в машиностроении», УлГТУ.

Унянин Александр Николаевич, профессор кафедры «Инновационные технологии в машиностроении», УлГТУ.

Поступила 22.06.2021 г.

УДК 536.421:621.922.025 В. В. ФЕДОТОВ

К ВОПРОСУ О МОДЕЛИРОВАНИИ СИСТЕМЫ «ЗЕРНО-СВЯЗКА» ШЛИФОВАЛЬНОГО КРУГА

Рассмотрена методика математического моделирования структуры системы «зерно-связка» абразивного инструмента. Актуальность исследования закономерностей распределения абразива, связки и пор в структуре круга и описание их соотношения математическими зависимостями позволяет проводить построение пространственных 3Б моделей шлифовального инструмента, которые могут быть использованы для определения сил удержания абразивного зерна в структуре шлифовального инструмента с использованием САЕ-систем. Описаны два варианта структур круга на спекающейся и плавящейся связках. Для автоматизации процесса моделирования шлифовального инструмента использовалась система трёхмерного проектирования САТ1А. Разработанная методика математического описания и проектирования абразивного круга позволяет прогнозировать силовые и температурные процессы при осуществлении технологической подготовки шлифовальной операции.

Ключевые слова: структура шлифовального круга, 3Б модель, спекающаяся и плавящаяся связки, коэффициент пористости, твёрдость круга, количество абразивных зёрен.

ВВЕДЕНИЕ

Прочность сцепления абразивных зёрен (а.з.) шлифовального круга с мостиками связки зависит от нескольких факторов: механических свойств а.з. и реакционной способности связки, коэффициента термического расширения последней, её способности кристаллизоваться, от количества связки в абразивном инструменте. Материал связки должен обладать высокими механическими свойствами,

© Федотов В. В., 2021