ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ГИБРИДНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 921.01

Т.Г. Насад, К.Т. Шеров, И.П. Насад ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ГИБРИДНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Аннотация. В статье проанализированы теп л офизи ч ее кие процессы при ги бри till ой обработке. Рассмотрены вопросы схематизации контактирующих тел и тепловых источников, действующих на инструменте, детали, плоскости сдвига и их взаимодействие. Разработана теплофизическая модель, предложено решение задачи баланса теплоты.

Ключевые слова: температура, режимы резания, теплофизика процесса, источник теплоты, конвективный теплообмен, энергия, гибридные технологии многолезвийная обработка

T.G. Nasad, К.Т. Sherov, I.P. Nasad THERMOPHYSICAL ASPECTS OF HYBRID TECHNOLOGIES

Abstract The provided analysis relates thermophysicai processes in hybrid processing. The challenges concerned with mapping contacting bodies and thermal sources acting over tools, parts, shear areas and their relationship are considered. The designed thermophysicai model can be applied to solve the problems of heat-transfer balance.

Keywords: temperature, cutting modes, thermophysics, heat source, convection heat transfer, power, hybrid technologies, multiblade processing

ВВЕДЕНИЕ

В машиностроительной отрасли требования к качеству и точности изделий неуклонно возрастает. Традиционные методы обработки, которые используются на производстве, часто не дают ожидаемого эффекта. В то же время активно развиваются направления по повышению качества и эффективности механической обработки за счёт циклического снижения прочности материала заготовок. Для реализации циклического снижения прочности обрабатываемого материала, наиболее целесообразно применять гибридную обработку (ГО), сочетающую механическую с другими видами энергии - химической, тепловой, электромагнитной, электрической, и позволяющую обеспечивать качественно новый комплекс характеристик изделий машиностроения.

Гибридная технология, реализованная на специальном оборудовании с ЧПУ способствует:

- Снижению расхода энергии.

- Облегчение процесса формообразования.

- Повышению производительности.

- Обеспечению высокого качества поверхности.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

В процессе гибридного формообразования в зоне резания возникают три основных источника теплоты:

- теплота деформации в зоне стружкообразования qд;

- теплота трения на контактной площадке между стружкой и передней поверхностью инструмента qr,;

- теплота трения между задней поверхностью инструмента и деталью q2T.

В отдельных случаях (например, использования предварительного нагрева или охлаждения) должен учитываться дополнительный источник или сток теплоты.

Все источники тепловыделения при резании являются объемными, но с увеличением скорости резания, теплота не успевает глубоко проникнуть в поверхность заготовки, поэтому при тепло физическом анализе их полагают двумерными или одномерными.

Общую мощность тепловыделения при ГО полагают эквивалентной механической работе деформирования и работе сил трения на контактных площадках инструмента с деталью и стружкой, т.е. W = P7V, где Р7 - главная составляющая силы резания, Н; V - скорость резания, м/с. С учетом предварительного нагрева можно записать:

W+ = \Уд+ + W1t+ + W2t+ + \Утеп+ (1)

где W4', Wit , W21 - соответственно мощности тепловыделения источников, возникающих в процессе обработки в области плоскости сдвига, на передней и задней поверхности инструмента; W1 теп - мощность дополнительного источника теплоты. Знак «+» свидетельствует о рассмотрении процесса резания с предварительным нагревом.

Сформируем систему уравнений, описывающую баланс теплоты между контактирующими телами:

'w+ - W, + W„ + Wp 1 - Р7_.,1 (0)Y

w, = b*W/ + W1T - W1 (2)

w„ =(l-b")W,,' + W2T' - w2' wp = W1 + w2

где Wc', W„ , Wp - соответственно теплота в стружке, изделии и резце; Ь* - доля, характеризующая часть теплоты деформации, передаваемая стружке; Wi , W2 - тепловая мощность итоговых потоков теплоты.

Мощность теплообразующих источников равна [5]:

W-j - (Pn -F2)V - F^! (3)

W1T = FjV; W2T=KV (4)

где Fi и F2 - силы трения на контактных поверхностях инструмента [1,5], Vi - скорость перемещения стружки, м/с, V- скорость резания, м/с.

В структурной схеме теплообмена ГО стружка, образующаяся при резании, в большинстве случаев представляет собой элементную, поэтому в модели она представлена в виде бесконечного стержня. Источник q;i, возникающий на плоскости сдвига ON, принят распределенным равномерно. Движется внутри стержня (стружки), располагаясь наклонно к оси последнего. Угол jll = Ф - у имеет значения (ц ^ 10... 15°). Максимальная плотность тепловыделения может быть рассчитана из соотношения:

sinO

q^ = w д—— (5)

ab

где а - толщина среза, мм; b - ширина среза, мм, Ф - угол наклона плоскости сдвига. Угол наклона плоскости сдвига [5]:

• ^ cosy

S1T1Ф = , ' --(6)

(Vk2 -2ksiny +1)

где к - коэффициент усадки стружки. 48

По отношению к стружке температурное поле от источника теплоты, действующего на плоскости сдвига, описывается выражением:

„ а со

0 * -1— (7)

Щ

Выражение действительно для точек расположенных позади источника, так как считается, что впереди быстродвижущегося источника температурное поле не распространяется [5]. Для расчета температуры деформации может быть использовано выражение, учитывающее характерные особенности теплообразования при ГО.

Деталь схематизируем полупространством (нижняя граница - пассивна), на поверхности которого действует быстродвижущийся плоский тепловой источник. Установлены граничные условия второго рода. По отношению к детали на поверхности полупространства действует двумерный быстр одвижущ его ся тепловой источник.

В пределах контактной площадки (х < 1; у = 0)

= (В)

А.>/ 7гУ |

(-) 2(1^>1 К I (9)

где ц/ = х/1.

За пределами контакта (х > 1; у = 0), температура нагрева равна:

е- = - /¡^Т) (ю)

Хл/пУ |

Рассматривая площадь сдвига как поверхность соприкосновения стержня (стружки) и полупространства (детали), определим долю теплоты, направляемой в стружку. Наиболее достоверные результаты дает зависимость с учетом температурно-скоростного фактора по формуле:

I Тр4аЬ(5тсо + у)

тДЬ, +ЗЬ;)БтФсоБ(о + Ф)

где а, Ь - соответственно толщина и ширина срезаемого слоя, мм; ЬА, и - ширина стружки и ушпрение прирезцового слоя в связи с его пластическим деформированием; р, о, у -условный угол сдвига, угол действия, угол схода стружки; тр, тк - средние значения касательных напряжений, отнесенные к условной плоскости сдвига и номинальной поверхности контакта стружки с инструментом.

Используя схематизацию процесса и источников можно записать:

© (х,0) = (1 + с)0, + 01Т (х,0) - ©, (х,0)

где х,0 - координаты точки; ®л, Оц - повышение температуры, вызванное теплотой деформации и теплотой трения; 01 (х,0) - снижение температуры, в результате теплообмена стружки с резцом; с - коэффициент учитывающий подогрев поверхностных слоев материала, из которых образуется стружка. Для обычного резания с = 0,05. .0,15. В условиях с дополнительным тепловым воздействием рекомендуют принимать с = 1,2... 1,3 [2,5].

При решении теплофизической задачи рассмотрен случай обработки с использованием искусственного охлаждения зоны резания передней и задней поверхностей режущего инструмента потоками СОТС.

(п)

В данной формуле 0О - температура рассматриваемого участка зоны резания, 0 -температура того же участка без охлаждения, вызванного подачей СОТС. Величина 0С характеризует собой снижение температуры, которое вызвано улучшением смазки трущихся поверхностей при применении смазочно-охлаждающей жидкости. Величина 0Г характеризует влияние теплоотвода в охлаждающую среду с нагретых поверхностей инструмента, стружки и изделия.

Для случая охлаждения режущего инструмента при подаче СОТС на переднюю и заднюю поверхности режущего клина одновременно можно использовать формулы, описывающие средние температуры на контактных поверхностях режущего инструмента:

л М, / ч, NU / ч,

©i = 1 (я, + ЯЛ, + , " (Чз+Ч.сУ:

А * Ag

02

'ô

м2

О

(q2+q(:»2)/2 + Nl (qi +qoiVi ~

М<п , _Nn3

Ящ'о] » Яизмс Аа

h

X

Я 02^02 - Я о/

Ал

(12)

где qoi, qo2 - интенсивности стоков тепла по передней и задней поверхностям, Вт/м ; Moi, Мог, Noi, N«2 - функции, учитывающие взаимный нагрев площадок; Ал, /02 - размеры пятна, занимаемого на передней и задней поверхностях стоком тепла, м.

Применение охлаждения инструмента потоками СОТС приводит к снижению температуры на 8-10% [2-3].

В случае прерывистого резания с регулярно повторяющимися циклами для величины Mi вводят поправки Хр и ХчДля рабочего и холостого ходов соответственно.

М,

(13)

I /Vp

Mu =M,xJ

Полученные значения Mip и Mix подставляются в формулу (12) для определения средней температуры на передней поверхности инструмента в конце рабочего хода 0Р и в конце холостого 0Ч соответственно.

Значения поправок зависят от безразмерного критерия Фурье и коэффициента г = тх/тр (тх - длительность холостого хода, с; тр - длительность рабочего хода, с) и могут быть определены из графика.

ЮОш т

fop =

р р

(14)

2

где сор- коэффициент температуропроводности режущего материала, м /с.

Полученная теплофизическая модель также учитывает многолезвийность обработки. Суммарное повышение температуры для т-го зуба можно определить:

AQm =

1.13q ,Va)

ibJV( ,+Ь) V }8ф

V(

( +I2)

; 0.25

о

1-1^-л/^Т)

(15)

где (р » /„ // - безразмерный шаг между зубьями инструмента; Ф - угол сдвига, °

ВЫВОДЫ

Моделирование на ЭВМ позволило установить, что многолезвийность обработки способствует повышению температуры в зоне резания на 4-5%.

Предложенный комплекс теплофизических моделей позволяет теоретическим путём определять температурные поля в контактирующих телах, рассчитывать баланс теплоты с учётом конвективного теплообмена и многолезвийности обработки и управлять процессом тепловыделения для обеспечения роста показателей качества поверхностного слоя в процессе формообразования при ГО.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Рогов В.А. Методика и практика технических экспериментов / В.А. Рогов, Г.Г. По-зняк. М: Издательский центр «Академия», 2005. С. 288.

2. Насад Т.Г., Васин А Н., Казинский А.А., Игнатьев А.А., Изнаиров Б.М., Козлов Г. А., Тихонов Д.А., Самойлова Е.М., Решетникова О.П., Глушкова Ю.О., Давиден-ко О.Ю., Мелентьев В.А. Управление качеством поверхности деталей машиностроения // СТИН. 2018. Вып. № 7. С. 30-32.

3. Surface-layer quality after high-speed turning of hard material Kiryushin I.E., Kiryush-in D.E., Venig S.B., Nasad T.G., Stepanova M.O., Terin D.V. Russian Engineering Research. 2014. T. 34. № 6. C. 423-424.

4. Benefits of high-speed milling Kiryushin Т.Е., Kiryushin D.E., Nasad T.G., Venig S B. Russian Engineering Research. 2012. T. 32. № 1. C. 48-49.

5. Резников A.H. Тепловые процессы в технологических системах / А.Н. Резников, Л.А. Резников. - М.: Машиностроение, 1990.-288 с. - ISBN 5-217-01013-4

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ

Насад Татьяна Геннадиевна -

доктор технических наук, профессор кафедры «Технологии и управление в машиностроении Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Шеров Карнбек Тагаевич -

доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Технология машиностроения» Карагандинского государственного технического университета (Казахстан)

Насад Ирина Навловна -

аспирант кафедры «Технологии и управление в машиностроении Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Tatyana G. Nasad -

Dr. Sc. (Engineering), Professor, Department of Control Systems Technology in Mechanical Engineering, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Karibek I . Sherov -

Dr. Sc. (Engineering), Professor, Department of Mechanical Engineering Technology, Karaganda State Technical University (Kazakhstan)

Trina P. Nasad -

Postgraduate Department of Control Systems Technology in Mechanical Engineering, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov irisha350oe@mail.ru

Статья поступила в редакцию 20.02.20. принята к опубликованию 15.03.20