CC BY
0УДК 62-9
Пахомов А.Д.
Московский государственный технологический университет «СТАНКИН» (г. Москва, Россия)
МЕТОДОЛОГИЙ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПРИ ФРЕЗЕРОВАНИИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
Аннотация: в работе произведен сравнительный анализ различных методологий определения температуры при фрезеровании алюминиевых сплавов. Выявлены наиболее точные и наиболее быстрые средства проведения экспериментов, произведен сравнительный анализ с методами конечно-элементного моделирования.
Ключевые слова: фрезерование, алюминиевых сплавов, температурные измерения, контактный метод измерения температуры, бесконтактный метод измерения температуры, режим резанья.
Ключевой задачей для анализа износа режущего инструмента является измерение температуры в зоне резания и правильная постановка эксперимента. Контроль температуры в зоне резания важен для предотвращения перегрева, который может привести к деформации обрабатываемой детали и ухудшению её поверхности. Алюминий, будучи относительно мягким металлом, легко подвержен этим деформациям при высоких температурах. Высокие температуры могут ускорить износ фрезы. Контролируя температуру, можно уменьшить её износ и, следовательно, сократить затраты на замену инструментов.
Измерение температуры пригодится в производстве деталей для авиационной и космической техники, где требования к точности и качеству особенно высоки. При производстве деталей двигателя и других важных компонентов, требующих высокую точность и долговечность. Это пригодится в
1637
изготовлении корпусов и элементов для электроники, где алюминий часто используется благодаря своим теплопроводным свойствам.
Методы измерения температуры.
Для измерения температуры существуют несколько методов измерения:
Термопары: Термопары измеряют температуру, создавая термоэлектрическое напряжение на стыке двух разных металлов. Их преимущество в хорошей точности, широким диапазоне измерений, быстром отклике. Но им необходим физический контакт с алюминием.
Инфракрасные пирометры: Эти устройства измеряют инфракрасное излучение, испускаемое нагретой поверхностью алюминия, и преобразуют его в температуру. Преимуществом является то, что это бесконтактное и быстрое измерение. Но для этого метода необходима корректировка на эмирсивность алюминия (низкая эмирсивность), что может усложнять калибровку.
Тепловизоры — это камеры, захватывающие инфракрасное излучение и создающие термограмму, показывающую распределение температуры на поверхности. Их преимущество в бесконтактное измерении, и возможность визуализации температурного распределения. Но при этом у них высокая стоимость, и требуется корректировка на эмиссивность.
Контактные термометры, эти устройства напрямую касаются поверхности алюминия для измерения температуры. Главный недостаток невозможность измерения в движении или на высоких скоростях.
Оптические пирометры, где измеряют температуру по цвету раскаленного металла, используя спектральный анализ. Главный минус низкая точность.
Оптоволоконные датчики, где используются световые волны, проходящие через оптоволокно, для измерения температуры. Главным минусом является сложная настройка и дороговизна.
Методы с использованием тепловых красок или плёнок, где для определения температуры используются специальные краски или плёнки наносятся на алюминий, которые меняют цвет. Такие краски не подходят для
1638
измерения непосредственно в зоне резания и отсутствует возможность измерять при использовании СОЖ.
Экспериментальное определение температуры.
Наиболее точным способом определения температуры в зоне резания является установка термопар в предварительно просверленные отверстия, в заготовке, при этом заготовку желательно сразу подготовить к нескольким видам экспериментов.
В работе [2] для проведения эксперимента с тремя типами алюминиевых сплавов (EN AW-5083, БК AW-6082 и EN AW-7075) заготовки предварительно подвергались механической обработке согласно рис 1.
Перед измерением температуры, после фрезерования заготовок, измерялось отклонение плоскостности. Вдоль заготовки было установлено шесть термопар, чтобы измерить температуру при различных значениях параметров резания: глубина резания, скорость вращения и скорость подачи.
Рис 1. Чертеж детали с гранями и размерами, а., подготовленных к опытам заготовок, б и в. граней I заготовки, с тремя рядами отверстий.
Цель эксперимента заключалась в представлении результатов температурных измерений как функции скорости подачи. Для этого заготовки обрабатывались и измерялись температуры при различных значениях скорости подачи, при постоянной глубине резания и скорости вращения.
1639
Для дополнительной оценки температуры использовался инфракрасный пирометр. Основная проблема для пирометра — это установить правильное значение излучательной способности материала, которая определяет его способность излучать инфракрасную энергию. Для алюминиевого сплава А1 6082, в диапазоне температур от 200°С до 500°С, излучательная способность колеблется от 0,09 до 0,24. Значение излучательной способности изменяется в зависимости от температуры и шероховатости поверхности. В данной работе использовалось значение излучательной способности 0,107, определенное экспериментально. Эксперимент включал предварительный нагрев образца и измерение температуры с помощью двух термопар, подключенных к термометру, который отображал температуру на дисплее.
Экспериментальная установка состояла из портативного инфракрасного термометра, шести термопар и фрезерного станка с цифровым считыванием. Температура измерялась как контактным методом с использованием термопар, так и бесконтактным методом с использованием инфракрасного пирометра. Данные, собранные с помощью этих методов, были обработаны и представлены графически для различных скоростей подачи Рис 2.
Рис. 2. Температуры для фрезерования алюминиевого сплава 6082 при различных скоростях подачи.
1640
Результатом 3-х экспериментов является диаграмма на Рис. 3. Более высокие значения температур получаются при измерениях инфракрасным термометром (бесконтактный метод). Этот факт можно объяснить тем, что в этом случае температура измеряется в месте контакта между инструментом и заготовкой. При контактном способе температура измеряется в середине заготовки и на 0,5 мм ниже режущей поверхности, так же термопара имеет большую инерцию при нагреве. Эксперимент показывает значительную погрешность в измерении температуры, но может использоваться для оценочного сравнения режимов резания для разновидностей сплавов.
MaiuiLum ъэЕигт oflhr [гтарсгаЕигм шсаlurcd lh illi ih? in ihmnDoiup^i
» vf = 100 mnnnin »if" 65 вв Ba rfaataiii
li
H
*I 3
Miiimuin uluti i-f 1U0 (ЩЩiiIiii I) ыеашгн) и iih Ht
■ it rr.irtfH I lii mm itirl^i
■ vf = 100 nuh пил tui-S5 mitt4i№ «Tf™4C mm-miB
=■ is E,,
0 \—
4
5
Si ;
* * К
7 It
□й
J 50
if
3D
i !D
1- ID
_
1® f| 4» s % * с - 2 - 3
i
Typroftbe aluminium dnh
№52
fc.
Type of ih.p aluminium л lb;-
MHJ
Рис. 3 Максимальные значения температур для трех типов алюминиевых сплавов при различных значениях скорости подачи для: А - контактного метода, В - бесконтактный метод.
Использование конечно-элементного моделирования.
Для понимания процесса применяется моделирование с применением CAE. Так в статье [2] рассматривается моделирование теплового потока в зоне резанья. На Рис 3. представлена температура в Алюминиевом сплаве 7475-Т7351, который плавится при температурах от 477 до 635 °C, что означает, что между этими пределами сосуществуют твердая и жидкая фазы. Когда в процессе резанья метал переходит в жидкую фазу он начинает налипать на режущую кромку. Из-за налипания режущий инструмент быстро изнашивается, а также ухудшается качество поверхности, увеличивается шероховатость.
1641
Thirtl WiveAitvtutil.it
Rako- lOSdi^.RcliuF- 10 dog, Г-Й.02 mm.
speed - MO nt/min, DOC - - I1 II.ir. IЛЧ - I? mm
-5S0..SCIOT J Tool
4 л
Part
X (mm)
15.5
TurjKixurt Cl
Ш (44 О)? 1 J32 3H 310 612 46*VJ1 427.17 ISi 49«
Ш '13.Ю7 ,
MO. 24 J
шш
I3J.0S 4! 1113
51
Рис 3. Распределение температур при ортогональной резке алюминия (передний угол = 10,5°, первичный угол зазора 10°, радиус кромки 0,02 мм).
Эта математическая модель говорит о том, что температура в области резания достирает 600С. Это достаточно большое значение температуры, но оно распространенно локально и очень сложно измеримо экспериментальным путем. Пирометр не может фиксировать температуру на таком маленьком расстоянии от фрезы, а термопары сильно усредняют температуру. Из этого можно сделать вывод что у каждого из методов есть как свои преимущества, так и недостатки, в случаях экспериментального установления возможно использовать пирометр и или термопары, это больше подойдет для определения режимов. А моделирование хорошо подходит при разработки режущего инструмента.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Ли, X., Исследование механизма износа твердосплавного инструмента для высокоскоростной резки алюминиевого сплава. Порошковая металлизация. / Ли, X., Чжоу, Ю., Лю, Дж., Гао Д. // Технол. 2018, 36, 256-260;
2. Синьсинь Мэн, The Study of Tool Wear Mechanism Considering the Tool-Chip Interface Temperature during Milling of Aluminum Alloy, / Юси Линь, Шаовэй Ми и Пэнъюй Чжан Lubricants 2023, 11(11), 471, https://doi.org/10.3390/lubricants11110471 Дата обращения 16.05.24;
1642
3. Сюй, Дж., Чен М. Machinability analysis in high-speed milling of AlSi7Mg alloys under EMQL conditions: An approach toward sustainable manufacturing. / Сюй, Дж., Ли, Л., Линь, Т., Гупта, М.К.// 2022, 81, 1005-1017;
4. Чжан, С. Physical model-based tool wear and breakage monitoring in milling process. / Гао, Ю., Го, З., Чжан, В., Инь, Дж., Чжао В.// Mech. Syst. Signal Process, 2023, 184, 109641;
5. Ценг, Х.К., Analysis of Tool Wear by Using a Cutting Bending Moment Model for Milling Processes. / Цай, М.С., Йе, до н.э., Ли К.М. // Int. J. Precis. Eng. Manuf. 2022, 23, 943-955.
Pakhomov A.D.
Moscow State Technological University STANKIN (Moscow, Russia)
TEMPERATURE DETERMINATION METHODOLOGIES WHEN MILLING ALUMINUM ALLOYS
Abstract: the paper provides a comparative analysis of various methodologies for determining temperature during milling of aluminum alloys. The most accurate andfastest means of conducting experiments have been identified, and a comparative analysis with finite element modeling methods has been performed.
Keywords: milling, aluminum alloys, temperature measurements, contact temperature measurement method, non-contact temperature measurement method, cutting mode.
1643
