CC BY
35
УДК 621.91.02 DOI 10.21661/r-557634
Кумушкина Н.Ю.
Влияние температуры на процесс резания
Аннотация
В статье рассматривается вопрос влиянии температуры на процесс резания. Многочисленные исследования показывают, что температура в зоне резания зависит от физико-механических свойств обрабатываемого материала, режима резания, геометрии режущего инструмента и многих других условий. Наибольшее влияние на температуру в зоне резания оказывает скорость резания, в меньшей степени влияет подача, а влияние глубины резания почти не обнаруживается. Автор анализирует способы экспериментального измерения температуры резания, а также выделяет и описывает характерные особенности термоиндикаторов.
I
Ключевые слова: источники тепла, зона стружкообразования, зона пластических деформаций, смазочно-охлаждаю-щие среды, термоиндикаторы.
Процесс резания всегда сопровождается выделением тепла и повышением температуры в зоне обработки. Существует три основных источника тепла:
- источник в зоне сдвига за счет процесса пластической деформации;
- источник в зоне трения между стружкой и инструментом по длине контакта с глухим отверстием;
- источник находится в зоне трения между заготовкой и инструментом по длине контакта с задней поверхностью (рис. 1).
Рис.1. Схема взаимодействия источников тепла
Каждый из этих источников тепла излучает определенное количество тепла, что заставляет их влиять друг на друга. Стружка, заготовка и инструмент нагреваются, что оказывает существенное влияние на ход процесса обработки.
Многие ученые изучали влияние температуры на процесс резания. Так или иначе, эта тема поднималась: А.Н. Резников [1; 2; 3], А.М. Даниелян [4], Т.Н. Лоладзе [5; 6; 7], Н.Н. Зорев [8], М.Ф. Полетика [9], М.Х. Утешев [10], В.С. Кушнер [11; 12], E.M. Tient. [13], R. Komanduri и Z. Hou [14] и многие другие.
По мнению многих авторов, температура является основной характеристикой процесса резания. Так Н.Н. Зорев в [15] рассматривает температуру резания как «комплексную обобщающую характеристику, отражающую деформационные процессы в зоне резания», и считает температуру резания основным фактором, определяющим условия трения на рабочих поверхностях инструмента, так как на трение действуют все внешние факторы вплоть до изменения температуры резания. Г.И. Грановский [16] считает, что «распределение температуры на рабочих поверхностях является одной из важнейших характеристик условий работы и оказывает существенное влияние на характер износа этих поверхностей».
В.С. Кушнер в [17] пишет температура, возникающая на поверхности инструментов, описывается как величина, определяющая работоспособность инструмента и ограничивающая производительность обработки. Автор считает, что для повышения точности расчетов необходимо учитывать ширину зоны стружкообразования с параллельными границами, а также наличие контактной зоны пластических деформаций на лицевой поверхности (рис. 2).
В зависимости от задачи регулирования теплового режима в технологической системе возможно регулирование температуры в зоне обработки и изменение температуры на отдельных участках заготовки и инструмента.
Изменение температуры в зоне резания необходимо производить таким образом, чтобы создать наиболее благоприятные условия, обеспечивающие наибольшую стойкость и производительность инструмента при заданной точности обработки.
В [18] автор выделяет несколько способов управления тепловыми явлениями при резании.
Рис. 2. Схема распределения температуры и плотности теплового потока в зоне стружкообразования с параллельными границами
В зависимости от задачи регулирования теплового режима в технологической системе возможно регулирование температуры в зоне обработки и изменение температуры на отдельных участках заготовки и инструмента.
Изменение температуры в зоне резания необходимо производить таким образом, чтобы создать наиболее благоприятные условия, обеспечивающие наибольшую стойкость и производительность инструмента при заданной точности обработки.
В [18] автор выделяет несколько способов управления тепловыми явлениями при резании.
Естественным способом изменения температуры в зоне резания является регулирование мощности тепловыделения. Этого можно добиться, изменив режим работы инструмента или изменив его геометрию. Управляя скоростью резки или толщиной срезаемого слоя, они влияют на температуру в зоне реза. Например, при резке или механической обработке фигурных или конических поверхностей скорость резания и толщина остаются постоянными.
Температуру резания также можно контролировать и управлять ей, периодически прерывая контакт между инструментом и заготовкой. Снижение температуры тем больше, чем больше время цикла рабочего и вспомогательного ходов и чем больше отношение времени вспомогательного хода к времени рабочего хода инструмента.
Другим вариантом управления тепловыми потоками является использование смазочно-охлаждаю-
щих технологических сред. С одной стороны, они могут смазывать поверхности трения, уменьшая тем самым мощность источников тепла. С другой стороны, при промывке содержащиеся в системе твердые вещества, жидкости или газы участвуют в конвективном теплообмене и отводят часть тепла из зоны резания, что также снижает температуру.
Для управления тепловыми процессами в процессе резания, помимо энергии, используемой для резания, в технологическую систему вводится еще одна энергия, которая предназначена для дополнительного нагрева заготовки. Это изменяет свойства материала заготовки, условия трения в зоне резания, а также теплофизические условия и температуру на контактных поверхностях.
Направленное изменение температуры создается за счет выбора рациональной конструкции инструмента [12; 19]. При этом все варианты конструкции направлены на изменение конечных тепловых потоков теплопередачи в зоне резания.
Несмотря на успехи, достигнутые в аналитических расчетах температуры при резании и управлении тепловым потоком, ни один из указанных авторов не уделил достаточно внимания ее распределению вдоль режущей кромки, чтобы оставить вопрос о таких расчетах открытым.
Способы экспериментального измерения температуры резания
Исследование тепловых процессов в технологических системах тесно связано с проведением экспериментов по измерению температур на различных участках инструмента, заготовки или оборудования, а также с определением мощности и плотности тепловых потоков. Такие эксперименты необходимы, с одной стороны для решения тех или иных задач опытным путем, а с другой - для проверки правильности и корректировки результатов теоретических построений, предназначенных для определения расчетным путем температур или характеристик источников и стоков теплоты.
Все методы измерения температуры можно разделить на две большие группы: контактные и бесконтактные [19].
К первой группе относятся методы и устройства, в которых между датчиком температуры и объектом измерения имеется непосредственный контакт.
Вторая группа содержит методы, при которых датчики измерительных устройств находятся на некотором удалении от объекта, температура которого подлежит определению. Контактные методы измерения, в свою очередь, могут быть разделены на три группы в соответствии с основными особенностями устройств, с помощью которых их осуществляют: термометры, термопары, термоиндикаторы.
На (рис. 3) показана классификация методов экспериментального исследования тепловых потоков и температур в технологических системах. Она получена в результате анализа общей классификации из работы [18].
Рис. 3. Классификация методов экспериментального исследования тепловых потоков и температур в технологических системах
Каждый из существующих способов измерения температуры имеет свои достоинства и недостатки, поэтому выбор того или иного метода зависит от целей и конкретных условий измерения. В частности, когда необходимо определить температуру не в отдельной точке, а ее распределение по поверхности для установления участков с большим градиентом температуры, термометры термоэлектрические и сопротивления непригодны. Для этих целей наиболее применимы цветовые термоиндикаторы. Они являются одним из перспективных средств не только регистрации, но и измерения температуры. К таким термоиндикаторам относятся вещества, об-
ладающие способностью резко изменять свой цвет при определенной температуре, называемой температурой перехода. По принципу действия термоиндикаторы подразделяются на 4 основных типа:
- термохимические индикаторы;
- термоиндикаторы плавления;
- жидкокристаллические термоиндикаторы;
- люминесцентные термоиндикаторы.
Бесконтактные измерения, используемые в технологической практике, осуществляют либо с помощью радиационных устройств, либо с помощью других устройств, использующих оптические, акустические или пневматические датчики.
Литература
1. Резников А.Н. Теплофизика резания. - М.: Машиностроение, 1969. - 288 с.
2. Резников А.Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов. - М.: Машиностроение, 1981. - 279 с.
3. Резников А.Н. Тепловые процессы в технологических системах / А.Н. Резников, Л.А. Резников. - М.: Машиностроение, 1990. - 288 с.
4. Даниелян А.М. Теплота и износ инструментов в процессе резания металлов. - М., 1954 - 276 с.
5. Куфарев Г.Л. Экспериментальная проверка основных гипотез о напряжениях в зоне резания / Г. Л. Куфарев, М.Г. Гольтшмидт, В.А. Говорухин // Известия ТПИ. - Т.224. - 1976. - С. 90-93.
6. Лоладзе Т.Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента. - М.: Машиностроение, 1982. - 320 с.
7. Лоладзе Т.Н. Износ режущего инструмента. - М.: Машгиз, 1958. - 356 с.
8. Зорев Н.Н. Вопросы механики процесса резания металлов. - М.: Машгиз, 1956. - 368 с.
9. Полетика М.Ф. Напряжения и температура на передней поверхности резца при высоких скоростях резания / М.Ф. Полетика, В.А. Красильников // Вестник машиностроения. - 1973. - №10. - С. 76-80.
10. Филоненко С.Н. Исследование температурных зависимостей при резании кислостойкой стали Х17Н13М3Т и сплава хастеллой Д / С.Н. Филоненко, В.П. Лука // Станки и режущий инструмент. - 1968. - №8. - С. 9-13.
11. Васин С.А. Резание материалов: Термомеханический подход к системе взаимосвязей при резании / С.А. Васин, А.С. Верещака, В.С. Кушнер. - М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. - 448 с.
12. Кушнер В.С. Основы теории стружкообразования. - В2-х кн. - Кн.2: Теплофизика и термомеханика резания. - Омск: Изд-во ОмГТУ 1996. - 136с.
13. Komanduri R. A Review of The Experimental Techniques for The Measurement of Heat and Temperatures Generated in Some Manufacturing Processes and Tribology / R. Komanduri, Z.B. Hou. // Tribology international. - 2001. - №34 (10). - P. 653-682.
14. Trent E.M. Metal Cutting, 2nd ed., Butterworths. - London, 1984.
15. Верещака А.С. Исследование теплового состояния режущих инструментов с помощью многопозиционных термоиндикаторов / А.С. Верещака, М.В. Провоторов, В.В. Кузин, Е.А. Тимощук [и др.] // Вестник машиностроения. - 1986. - №1. - С. 45-49.
16. Грановский Г.И. Кинематика резания. - М.: Машгиз, 1948. - 200 с.
17. Васин С.А. Резание материалов: Термомеханический подход к системе взаимосвязей при резании / С.А. Васин, А.С. Верещака, В.С. Кушнер. - М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. - 448 с.
18. Резников А.Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов. - М.: Машиностроение, 1981. - 279 с.
19. Резников А.Н. Тепловые процессы в технологических системах / А.Н. Резников, Л.А. Резников. - М.: Машиностроение, 1990. - 288 с.
УДК 65.011.56 DOI 10.21661/Г-557489
Руднев Г.А.
Научный руководитель: Котов Е.С.
Модернизация системы управления проливной поверочной установки УПП-50
Аннотация
Целью статьи является описание экспериментально-исследовательской работы, направленной на создание автоматизированной системы управления УПП-50. Автором рассмотрены недостатки существующей системы, составлены требования к разрабатываемой системе и предложены проектные решения по ее модернизации.
I Ключевые слова: система управления, проектирование, поверка, расходомер, проливная установка, схема автоматизации.
Согласно пункту 1 статьи 8 Закона Республики Казахстан Об энергосбережении и повышении энергоэффективности, в проектах строительства объектов, потребляющих энергетические и водные ресурсы, предусматривается обязательное использование энергосберегающих материалов, установка приборов учета энергетических и водных ресурсов, автоматизированных систем регулирования теплопотребления. В проектах многоквартирных жилых домов предусматривают-
ся обязательное использование энергосберегающих материалов, установка общедомовых приборов учета тепловой энергии и воды, поквартирных приборов учета электрической энергии, холодной и горячей воды, газа, а также приборов-регуляторов в отопительных системах, автоматизированных систем регулирования теплопотребления [1], таким образом, в последние годы в РК стремительно увеличивается количество приборов для коммерческого учета в области ЖКХ.
