CC BY
83
УДК 621.91.02
ПРАКТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
РЕЗАНИЯ ПРИ ТОЧЕНИИ
В.Ч. Хоанг
Рассмотрен вопрос повышения эффективности металлообработки резанием. Проведено экспериментальное исследование температуры резания для проверка адекватности теоретических работ и создания базы данных для обучения искусственной нейронной сети.
Ключевые слова: резание, моделирование, эксперимент, труднообрабатываемые материалы.
В развитых промышленных странах объем металлообработки составляет около 30...40 % всего производства [7]. Характерным признаком современного производства является постоянный рост требований к эксплуатационным свойствам выпускаемой продукции. Традиционная обработка резанием металлов в ближайшие десятилетия будет оставаться основным способом изготовления деталей машин, в том числе из конструкционных материалов. Попытки интенсифицировать этот вид обработки путем ввода дополнительной энергии в зону резания или заменить ее другим видом обработки не нашли сколько-нибудь значительного применения. Благодаря научным исследованиям и опыту промышленности достигнут значительный прогресс в механической обработке: разработаны оригинальные схемы резания и усовершенствованы традиционные методы обработки, освоены новые инструментальные материалы и износостойкие покрытия, созданы эффективные составы СОЖ и т.п. [3,4,5]. Однако большинство из них эффективны лишь в определенных, узких условиях эксплуатации, а реализация их, как правило, связана с серьезными материально-техническими затратами. Такое положение является результатом недостаточной изученности процесса резания.
Поэтому разработка обоснованных технологических рекомендаций по выбору рациональных режимов резания и оптимальных конструкций инструмента для различных операций механической обработки заготовок весьма актуальна. К параметрам, характеризующим условия резания, следует отнести силу и температуру резания [3]. Опубликовано много теоретических методов определения температуры резания. Однако лишь в теории А. М. Даниеляна, C.J. Solomon, А.Д. Макарова, А.Н. Резникова и С.С. Силина [1 - 5] они изложены настолько полно, что их можно использовать для практических расчетов. Известно большое число экспериментальных исследований температуры в зоне резания для разных материалов [7 - 9]. Их отличают варьируемые параметры, диапазон их изменения, обрабатываемые материалы и применяемые методы измерения.
78
Целью проведенного экспериментального исследования в данной работе являются:
- оценка степени влияния различных параметров (подача, скорость и глубина резания; обрабатываемый и инструментальный материалы; геометрические характеристики режущего инструмента) на температуру в зоне резания при обработке конструкционных материалов;
- создание базы данных для обучения искусственной нейронной сети при моделировании тепловых процессов в зоне резания.
Методика экспериментальных исследований
Условия проведения исследований:
- обрабатываемый материал: конструкционный сталь марки ст45;
- способ обработки: точение;
- станок: токарный станок Emco Concept Turn 250 ;
- заготовка: гладкий вал диаметром D = 30 мм, длиной L = 50. .100 мм;
- режущий инструмент: резец из твердого сплава T15^6 (главный угол в плане j = 55o, передний угол g= 0o, задний угол a = 120, радиус закругления r = 3 мм);
- число опытов: известно, что для обучения искусственной нейронной сети (с 6 входами, 1 выходом) оптимальное число выборок составляет N = 500 [10]. Предложено производить эксперименты на 100 режимах точения, повторяющихся 5 раз: 3 раза по периоду стойкости инструмента, 2 раза для инструментов с разными главными углами. План варьирования режимов резания составляется на основе вышепоказанных данных (таблица).
Диапазон варьируемых контролируемых параметров
Параметры Уровень
1 2 3 4 5
Скорость резания (м/мин) 50 100 150 200 250
Глубина резания (мм) 0. 5 1 1.5 2 2.5
Подача (мм/обр.) 0. 25 0. 5 0. 75 1
Технические средства измерения температуры резания
На основе анализа методов и средств измерения температуры в зоне резания можно сделать вывод о том, что наибольшее распространение в последнее время нашли 2 метода для измерения температуры: использование инфракрасной термографии и измерение термоЭДС.
Метод, основанный на измерении термоЭДС: термопара К-категории (диапазон измерения от - 200 до 1200 °С) продевается через отверстия для винта крепления режущей пластины в державке, и ее расплющенная вершина лежит между режущей пластиной и державкой (рис. 1). Вершина термопары в этом случае максимально приближена к зоне резания.
Рис. 1. Закрепление термопары в режущем инструменте
ТермоЭДС, возникающая в термопаре при резании, преобразуется в цифровую информацию с помощью многофункционального термометра Extech Instruments версии 42570. Этот термометр позволяет одновременно измерить температуру двумя рассматриваемыми методами с высокой точностью и высоким быстродействием. В результате сравнительного анализа экспериментальных данных двух методов показано, что метод измерения температуры с использованием инфракрасной термографии дает низкую точность при измерении объектов, движущихся с большой скоростью (рис. 2).
Термометр Extech Instruments версии 42570 как аналого-цифровой преобразователь. Он подключается к компьютеру через USB-порт с помощью специального программного обеспечения. Результаты измерения выводятся на экране термометра и на экране компьютера. Компьютер сохраняет результаты измерения в базе данных. Установка технических средств измерения температуры резания показана на рис. 3.
Рис. 2. Сравнение эффективности использования двух методов измерения температуры в зоне резания при точении вала из стали ст45резцом из сплава Т15К6 с подачей 8=0,05мм/обр., =1мм
Рис. 3. Технические средства измерения температуры резания
На рис. 4 приведен результат измерения температуры резания при точении.
Обсуждение результатов эксперимента
I
Ь
О.
б
Рис. 4. Зависимость температуры резания: а) от скорости резания и подачи при точении вала из стали марки ст45резцом из сплава марки Т15К6 с глубиной резания I =1 мм; б) от глубины резания и подачи при точении вала из стали марки ст45 резцом из сплава марки Т15К6 со скоростью резания V =100 м/мин
Из рис. 4 видно, что результат экспериментального исследования хорошо согласуется с теоретическими исследованиями [1-6]: диапазон изменения температуры в проведенном эксперименте ограничивается 90<Г<550°С Скорость резания оказывает более существенное влияние на температуру, чем подача. Возрастание температуры объясняется тем, что увеличение скорости резания и подачи приводит к увеличению силы резания. Однако это тоже приводит к увеличению износа режущей инструмента, то есть к увеличению радиуса скругления вершины режущего пластины резца, в результате чего замедляется процесс увеличения темпе-
иодача, мм/обр.
1.5
Глубина рплнни, мм
ратуры резания при большом значении скорости и подачи. Температура резания монотонно увеличивается соответственно с увеличением глубины резания, но в малой степени.
Основные выводы
1. Результаты проведенного экспериментального исследования температуры в зоне резания, хорошо согласующиеся с результатами теоретических исследований [1 - 9], используются для построения базы данных для обучения искусственной нейронной сети.
2. На основе сравнения эффективности использования двух методов измерения температуры в зоне резания предложено использовать метод измерения термоЭДС с помощью термопары.
Список литературы
1. Patent Number 523594, 1931. 451 p. Germany. Process for machining metals of similar acting materials when being worked by cutting tools. / C.J. Salomon.
2. Даниелян А.М. Резание металлов и инструмент. М.: Машгиз, 1950. 454 с.
3. Макаров А.Д. Оптимизация процессов резания. М.: Машиностроение, 1976. 278 с.
4. Силин С. С. Метод подобия при резании материалов. М.: Машиностроение, 1979. 152 с.
5. Резников А.Н., Резников Л. А. Тепловые процессы в технологических системах. М.: Машиностроение, 1990. 288 с.
6. Сальников В. С., Хоанг В.Ч. Математическая модель тепловых процессов в зоне резания // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 5. 2012. С. 56 - 62.
7. Kannan A., Esakkiraja K., Nataraj Dr. M., Modeling and Analysis for Cutting Temperature in Turning of Aluminium 6063 Using Response Surface Methodology // OSR Journal of Mechanical and Civil Engineering (IOSR-JMCE). 2013. Vol. 9. Issue 4. P. 59 - 64.
8. Cutting Temperature Measurement and Material Machinability THERMAL SCIENCE / B.P. Nedic [et al.] 2014. Vol. 18. Suppl. 1. P. S259-S268.
9. Huang Yong, Liang Steven Y., String temperature modeling based on non-uniform heat intensity and partition ratio // Machining Science and Technology 2005. № 9. P. 301-323.
10. Хоанг В.Ч., Сальников В. С. Моделирование температуры резания в условиях неопределенности с применением искусственной нейронной сети // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2014. Вып. 11. Ч. 1. С. 386 - 395.
83
11. Общемашиностроительные нормативы режимов резания О-28: справочник: в 2 т. Т.2 / А.Д. Локтев, И.Ф. Гущин, Б.Л. Балашов [и др.]. М.: Машиностроение, 1991. 304 с.
Хоанг Ван Чи, асп., Hoangchi.phdagmail.com, Россия, Тула, Тульский государственный университет
PRACTICAL RESEARCH CUTTING OF TEMPERATURE IN TURNING
Hoang V. C.
The question of increase of efficiency of metal working is considered by cutting. Modeling of temperature of cutting in the conditions of uncertainty with use of an artificial neural network is carried out.
Key words: Cutting, modeling, training, neural network.
Hoang Van Chi, postgraduate, Hoangchi.phdagmail. com, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.9
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗМЕРОВ ПЛОЩАДКИ КОНТАКТА ПРИ НИЗКИХ СКОРОСТЯХ РЕЗАНИЯ
М.В. Ушаков, И. А. Воробьев, Е.В. Сорокин, А.С. Данилов
Рассматриваются принципы определение размеров площадки контакта стружки с передней поверхностью инструмента. Методика определения базируется на принятии прямолинейной формы стружки, равномерного распределения напряжений вдоль плоскости сдвига и представлении стружки как жестко - упругого тела. Результаты расчетов близки экспериментальным данным.
Ключевые слова: угол сдвига, линия скольжения, резание.
В процессе обработки металлов согласно [1] при низких скоростях резания наблюдается прямолинейная форма стружки, особенно при операциях, близких по характеру к процессу строгания (рис. 1). Это соответствует равенству скоростей Ус перемещения всех точек поперечного сечения стружки. В этом случае, если рассматривать стружку как «абсолютно твердое тело», можно предположить, что нормальные о2-4 и касательные т2-4 напряжения на плоскости сдвига 2-4 равны на всем ее протяжении [2].
