CC BY
10
МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 621.923
А. Н. УНЯНИН, И. В. СЕМДЯНКИН
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ ПРОЦЕССА ФРЕЗЕРОВАНИЯ ЗАГОТОВОК ТОНКОСТЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ С РАЗЛИЧНЫМИ СКОРОСТЯМИ ПОДАЧ
Выполнено численное моделирование кинематических и силовых параметров и температурного поля, возникающего в процессе фрезерования заготовок тонкостенных деталей. Варьировали толщиной заготовки и скоростью подачи фрезы. Установлено влияние этих параметров на силу трения стружки о зуб фрезы и зуба фрезы о заготовку, главную составляющую силы резания, мощности источников тепловыделения, температуры на передней и задней поверхностях фрезы и температуры в поверхностных слоях заготовок. При увеличении скорости подачи увеличиваются силы трения и главная составляющая силы резания, мощности источников тепловыделения и температура на передней поверхности зуба фрезы и незначительно уменьшается температура в поверхностных слоях заготовки. Температура в поверхностном слое тонкостенной заготовки выше, чем в массивной.
Ключевые слова: моделирование, фрезерование, температурное поле, тонкостенная заготовка, скорость подачи.
Работоспособность инструмента и качество обработанных деталей при фрезеровании существенно зависят от тепловой напряжённости процесса.
Тепловые процессы, сопровождающие процесс фрезерования заготовок, имеющих значительную толщину, изучены достаточно полно. При фрезеровании заготовок тонкостенных деталей тепловые процессы отличаются от протекающих в массивных заготовках. К тонкостенным (с точки зрения тепловых процессов) относят заготовки, при обработке которых поверхность, расположенная напротив обрабатываемой поверхности, оказывает существенное влияние на температурное поле в заготовке. Это вызвано низким уровнем теплоотвода этой поверхности, поскольку теплоотвод в окружающую среду, в том числе смазочно-охлаждающую жидкость, существенно меньше, чем в нижележащие слои заготовки [1, 2].
Для расчёта температурного поля, возникающего в процессе фрезерования цилиндрическими фрезами и периферией концевых фрез, разработаны физические и математические модели, позволяющие учесть наличие трёх источников тепловыделения: в зоне деформирования и в зонах
© Унянин А. Н., Семдянкин И. В., 2021
контакта зубьев со стружкой и заготовкой [3, 4]. Модели [4] учитывают наложение тепловых импульсов от отдельных зубьев, зависимость теп-лофизических свойств контактирующих объектов (фрезы, заготовки и стружки) и механических свойств материала заготовки (напряжения текучести) от температуры, распределение тепловых потоков между фрезой, заготовкой и стружкой, а также изменение параметров процесса в зависимости от положения зуба на поверхности контакта с заготовкой. Рассмотрена двумерная задача теплообразования в сечении фрезы, перпендикулярном её оси.
Для схемы встречного фрезерования (рис. 1) максимальная глубина внедрения зуба в заготовку
аштах = ВС = Sz ' ^тах, где Бг - подача на зуб фрезы, мм/зуб.
Б - 2' г а тах = м^сов—-,
где Б - диаметр фрезы, мм; t - глубина резания, мм.
Напряжение текучести обрабатываемого материала в области деформирования, являющееся аргументом зависимостей для расчёта сил резания и трения, определяли как [5]
Рис. 1. Схема к расчёту глубины внедрения зуба в заготовку: 1 - фреза; 2 - заготовка
Таблица 1
Зависимость сил резания и мощностей источников тепловыделения от толщины заготовки Ни и скорости подачи Уз: время контакта зуба с заготовкой т = 12,5 • 10-4 с; коэффициент теплоотдачи от необрабатываемой поверхности заготовки а6 = 40 Вт/(м-К)
Размер (толщина) заготовки И3, мм Скорость подачи Уз, м/мин Глубина внедрения зуба в заготовку, ат max, мкм Температура деформируемого слоя заготовки Т8, К Сила трения, Н Составляющая силы резания Р,, Н Мощности источников тепловыделения, Вт
стружки о переднюю поверхность зуба стружки о заднюю поверхность зуба
в зоне контакта стружки с зубом W1 в зоне дефор-миро- вания ^ в зоне контакта зуба с заготовкой W2
10 0,8 24,4 414 29,4 50,4 84,5 44,1 58,1 151,2
10 1 30,5 413 36,5 50,5 92,8 54,8 72,3 151,3
10 1,2 36,6 407 43,1 50,6 100,7 64,8 85,6 151,8
1 0,8 24,4 451 28,7 49,2 82,4 43,1 56,7 147,5
1 1 30,5 450 35,6 49,2 90,6 53,5 70,5 147,7
1 1,2 36,6 443 42,2 49,5 98,5 63,3 83,7 148,3
Таблица 2
Зависимость температур от толщины заготовки Ни и скорости подачи Уз: время контакта зуба с заготовкой т = 12,5 10-4 с; коэффициент теплоотдачи от необрабатываемой поверхности
заготовки а6 = 40 Вт/(м2К)
Размер Ско- Темпе- Средняя температура, Максимальная температура, Температура
(толщи- рость ратура К на площадках К на площадках контакта заготовки, К,
на) заго- подачи на контакта на глубине
товки Уз, вершине стружки зуба с за- стружки зуба 25 500
й3, мм м/мин зуба с зубом, готовкой, с зубом, с заготовкой, мкм мкм
Те, К Т1 Т2 т 1 1тах т 1 2тах
10 0,8 988 851 902 882 1245 578 463
10 1 993 871 991 1092 1285 578 465
10 1,2 986 877 884 1122 1279 568 430
1 0,8 1001 867 927 899 1264 635 547
1 1 1006 889 948 1109 1305 633 539
1 1,2 999 898 910 1156 1300 620 528
^ = 0S
1 —
Т
где о3 - напряжение текучести материала заготовки при температуре 20°С, Па; ТЁ - температура в области деформирования, °С; Тр - температура плавления обрабатываемого материала, °С.
Силы трения и главную составляющую силы резания рассчитывали как приходящиеся на 1 мм высоты зуба фрезы.
Численное моделирование температурного поля выполнили при следующих исходных данных: диаметр фрезы - 20 мм; материал зуба фрезы - твёрдый сплав Т5К10; высота профиля зуба - 4 мм; число зубьев - 5; передний угол фрезы у = 10°; скорость резания V = 3 м/с; скоростью подачи варьировали в пределах VS = 0,8 ... 1,2 м/мин; глубина резания t = 1 мм [6]. Теплофизические характеристики материала заготовки (сталь 40Х) и фрезы (плотности, коэффициенты теплопроводности и теплоёмкости) в зависимости от температуры определяли по справочным данным. Параметры процесса фрезерования фиксировали при работе 35-го зуба, когда поверхностные слои заготовки в достаточной степени прогреты при работе предшествующих зубьев [4].
Варьировали толщиной заготовки в пределах 0,7 ... 10 мм. Заготовка толщиной 10 мм относится (с точки зрения тепловых процессов) к массивным заготовкам, при обработке которых наличие поверхности, расположенной напротив обрабатываемой, не оказывает влияния на температурное поле в заготовке.
При обработке заготовок толщиной 3 и 2 мм силовые параметры процесса и температурное поле незначительно отличаются от соответствующих параметров, зафиксированных при обработке заготовок толщиной 10 мм.
Значительная разница с массивной заготовкой получена при обработке заготовки толщиной 1 мм: температура деформируемого слоя увеличивается в среднем на 7%, что приводит к снижению сил и мощностей источников тепловыделения (табл. 1, 2). При этом увеличиваются как средние, так и максимальные температуры в зонах контакта зуба со стружкой и заготовкой и температура заготовки. В большей степени увеличивается температура заготовки: на 7 и 13% на
глубине 25 и 500 мкм соответственно. При обработке заготовок толщиной 0,7 мм разница всех параметров в сравнении с массивной заготовкой более значительная.
При обработке тонкостенной заготовки её температуры выше не только на значительном расстоянии от обрабатываемой поверхности, но и вблизи от неё.
Увеличение скорости подачи с 0,8 до 1,2 м/мин приводит к увеличению максимальной глубины внедрения зуба фрезы в заготовку ат тах на 50%. Однако температура деформируемого слоя заготовки Тг незначительно уменьшается. Причина этого заключается в том, что при увеличении подачи зуб фрезы контактирует с материалом заготовки, в меньшей степени прогретым в результате работы предшествующих зубьев. В результате уменьшения ТЁ увеличивается напряжение текучести обрабатываемого материала и силы и Р2. Сила трения стружки о заднюю поверхность зуба незначительно изменяется с увеличением подачи. Мощности источников тепловыделения и увеличиваются в среднем на 48%; мощность источника в зоне контакта зуба с заготовкой Ж2 с увеличением подачи изменяется несущественно.
В результате увеличиваются как средние, так и максимальные температуры на площадках контакта зуба со стружкой, причём в большей степени увеличиваются максимальные температуры - в среднем на 28%. Средние и максимальные температуры на площадках контакта зуба с заготовкой при увеличении VS до 1 м/мин увеличиваются; при дальнейшем увеличении VS до 1,2 м/мин - снижаются. Мощность источника тепловыделения Ж2 на этой площадке, как было отмечено выше, от скорости подачи мало зависит, но при VS = 1,2 м/мин ниже температура заготовки, с которой контактирует зуб фрезы. Очевидно, этими факторами и объясняется нелинейный характер зависимости температур Т2 и Т2тах от скорости подачи.
Температура в поверхностных слоях заготовки с увеличением VS незначительно снижается.
В результате исследования установлено, что при увеличении скорости подачи значительно увеличивается температура на передней поверхности зуба фрезы и незначительно уменьшается температура в поверхностных слоях заготовки. Температура в поверхностном слое тонкостенной заготовки выше, чем у массивной.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Худобин Л. В., Хусаинов А. Ш. Шлифование заготовок клиновидных изделий / Под общ. ред. Л. В. Худобина. - Ульяновск: УлГТУ, 2007. - 249 с.
2. Shigeki O., Tokuhiko N., Shinsaki H. Study on the geometrical accuracy in surface grinding. Thermal deformation of workpiece in traverse grinding // International journal Japanese society precision engineering. - 1994. - Vol. 28. - №4. -pp.305-310.
3. Резников А. Н., Резников Л. А.Тепловые процессы в технологических системах. - М.: Машиностроение, 1990. - 288 с.
4. Унянин А. Н. Аналитическое исследование температурного поля при фрезеровании с наложением ультразвуковых колебаний // Вестник РГАТУ им. П. А. Соловьева. - 2017. -№2 (41). - С. 220-235.
5. Васин С. А., Верещака А. С., Кушнер В. С. Резание материалов: Термомеханический подход к системе взаимосвязей при резании: учебник для технических вузов. - М. : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001. -448 с.
6. Справочник инструментальщика / И. А. Ординарцев, Г. В. Филиппов, А. Н. Шевченко и др.; Под общ. ред. И. А. Ординарцева. - Л. : Машиностроение, Ленинградское отделение, 1987. - 846 с.
REFERENCES
1. Khudobin L. V., Khusainov A. Sh. Shlifovanie zagotovok klinovidnyh izdelij [Grinding of blanks of wedge-shaped products] Pod obshch. red. L. V. Hudobina Ed. ed. L. V. Khudobin. Ulyanovsk, UlSTU, 2007, 249 p.
2. Shigeki O., Tokuhiko N., Shinsaki H. Study on the geometrical accuracy in surface grinding. Thermal deformation of workpiece in traverse grinding. International journal Japanese society precision engineering, 1994, Vol. 28, No. 4, pp.305-310.
3. Reznikov A. N., Reznikov L. A. Teplovye processy v tekhnologicheskih sistemah [Thermal processes in technological systems]. [Moscow, Mashinostroenie], 1990, 288 p.
4. Unyanin A. N. Analiticheskoe issledovanie temperaturnogo polya pri frezerovanii s nalo-zheniem ul'trazvukovyh kolebanij [Analytical study of the temperature field during milling with the imposition of ultrasonic vibrations] Vestnik RGATU im. P. A. Solov'eva [Bulletin of the RGATU im. P. A. Solovyov], 2017, No. 2 (41), pp.220-235.
5. Vasin S. A., Vereshchaka A. S, Kushner V. S. Rezanie materialov: Termomekhanicheskij podhod k sisteme vzaimosvyazej pri rezanii: uchebnik dlya tekhnicheskih vuzov [Cutting of materials: Thermomechanical approach to the system of interconnections during cutting: a textbook for technical universities] Izdatel'stvo MGTU im. N. E. Baumana [Moscow, Publishing house of MSTU im. N. E. Bauman], 2001, 448 p.
6. Spravochnik instrumental'shchika [Handbook of the toolmaker] Pod obshch. red. I. A. Ordinarceva. [I. A. Ordinartsev, G. V. Filippov, A. N. Shevchenko and others; Under total. ed. I. A. Ordinartseva]. L., Mashinostroenie, Leningradskoe otdelenie, [L., Mechanical engineering, Leningrad branch], 1987, 846 p.
Унянин Александр Николаевич, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Информационные технологии в машиностроении» УлГТУ. Семдянкин Илья Викторович, аспирант кафедры «Информационные технологии в машиностроении» УлГТУ первого года обучения.
Поступила 12.03.2021 г.
