Исследование влияния режима точения на температуру рабочих поверхностей инструмента

Министерство образования и науки Российской Федерации Ульяновский государственный технический университет Кафедра «Технология машиностроения»

ОТЧЕТ о выполнении лабораторной работы № 1

по дисциплине: «Методы моделирования физических и тепловых процессов механической обработки материалов»

Исследование влияния режима точения на температуру рабочих поверхностей инструмента

1. Исследование влияния режима точения на температуру рабочих поверхностей инструмента

1.1 Цель работы Получение практических навыков расчетной оценки влияния режима точения проходным резцом на температуру контактирующих поверхностей инструмента и заготовки с использованием аналитических моделей и экспериментальным методом.

Теоретический материал и уравнения для расчётов приведены в пособии: А. Н. Унянин «Лабораторные работы по дисциплине „Методы моделирования физических и тепловых процессов механической обработки материалов“» (стр. 19−29).

Средства технологического оснащения

— Токарный станок SUI 40.

— Естественная термопара.

— Цилиндрические заготовки из конструкционной стали диаметром 30 … 80 мм.

Расчет температур на контактных поверхностях резца и температуры резания.

Исходные данные для расчета средних температур на передней и задней поверхностях резца и температуры резания при точении заготовки из стали 40Х, HB 212 … 248: = 40 Вт/(м· °С); = 5 МДж/(м³· °С); = 8· 10^-6 м²/с [3.4]; = 784 МПа [3.8]; = 981 МПа [3.8]; = 0,1; ш = 0,45.

Резец оснащен пластиной из твердого сплава Т5К10 (= 38,3 Вт/(м· °С); = 14,2· 10^-6 м²/с [3.4]).

Геометрические параметры резца: = 45°; = 10°; = 7° [3.7].

Режим резания: V = 4 м/с; глубина резания t_r = a = 1 мм = 1· 10^-3 м; S_об = 0,3· 10^-3 м/об; = 0,3; =0,3.

Длина контакта задней поверхности резца с заготовкой l₂ = 0,15 мм = = 0,15· 10^-3 м [3.1].

Ниже приведена последовательность (алгоритм) расчета температур, , по зависимостям (3.32), (3.27), (3.28).

1. Принимают в первом приближении температуру в области деформации = 180 °C.

2. Напряжения по зависимости (3.4):

МПа.

3. Истинный сдвиг по зависимости (3.9) при k_c = 2 [3.1, 3.7]:

.

4. Средние касательные напряжения по зависимости (3.10):

МПа.

5. Температура по зависимости (3.8):

°С, что отличается от принятой температуры на 2%, поэтому пересчет можно не производить.

6. Силы, и по зависимостям (3.2), (3.3), (3.11):

7. Угол сдвига по зависимости (3.13):

.

8. Скорость стружки .

9. Мощности источников тепловыделения по зависимостям (3.1):

Вт;

Вт;

Вт.

10. Длина контакта стружки с инструментом по зависимости (3.15):

м.

11. Плотности источников по зависимостям (3.12), (3.14), (3.16):

Вт/м²;

Вт/м²;

;

;

Вт/м².

12. Плотности тепловых потоков по зависимостям (3.19) — (3.21):

скорость сдвига по зависимости (3.19):

м/с;

Вт/м²,

что близко к значению, определенному по зависимости (3.12);

Па;

Вт/м²,

что существенно отличается от результатов расчета по зависимости (3.14);

Па;

Вт/м²,

что близко к значению, определенному по зависимости (3.16).

13. Код источника длиной, движущегося по полупространству (поверхности заготовки):

14. Коэффициент А₁:

.

Для двухмерного источника:

где — коэффициент теплопроводности материала заготовки, ;

;

.

Для быстродвижущегося источника (С = 2), где критерий Пекле

:

. .

; (табл. 3.2);

.

Коэффициент

где — ширина стружки (ширина среза)

; ;

.

Для быстродвижущихся источников:

.

По рис. 3.2 и .

Для полубесконечного тела (T = 1) с адиабатической границей

;

.

15. Код источника, движущегося внутри стержня (стружки), скорость которого :

.

.

.

.

.

. .

; (табл. 3.1).

; .

. .

По рис. 3.2 ;.

где — толщина стружки;; .

Если, то; .

;

.

16. Плотность теплового потока по зависимости

:

Вт/м².

17. Код источника: .

.

.

.

.

; (табл. 3.1).

; .

Поскольку источник имеет вид неограниченной полосы (О = 1), то .

;

.

Если, то; .

;

.

18. Код источника: Код = .

.

.

.

.

; (табл. 3.1).

; .

Для источника, имеющего вид неограниченной полосы (О = 1):

.

.

.

;

.

19. Температура со стороны стружки по зависимости (3.25):

20. Код источника

:.

.

где м — длина контакта задней поверхности резца с обрабатываемой поверхностью заготовки.

.

.

(табл. 3.1).

— по рис. 3.2.

21. Код стока: .

.

.

.

(табл. 3.1).

— по рис. 3.2.

22. Передаточная функция, характеризующая влияние источника на температуру площадки размером .

Безразмерные координаты площадок размером и :

.

Параметр :

Температура со стороны заготовки по зависимости (3.26):

23. Код источника плотностью на передней поверхности резца (можно принять, что расчетная ширина источника):.

.

где — коэффициент теплопроводности материала инструмента, Вт/(м· °С).

(табл. 3.1).

— по рис. 3.2.

Для клина (табл. 3.2) при неподвижном источнике (C = 0):

.

.

24. Код источника плотностью на задней поверхности резца:.

Коэффициент С_22:

.

— по рис. 3.2.

Для клина (табл. 3.2) при неподвижном источнике (С = 0)

.

.

.

25. Расчет параметров:

;

26. Функции N₁ и N₂ по номограмме (рис. 3.3): N₁ = 7, N₂ = 1.

27. Расчет коэффициентов:

;

.

Температура контактных площадок со стороны резца по зависимостям (3.27) и (3.28):

;

.

28. Из уравнений баланса температур на контактных площадках рассчитываются итоговые потоки теплообмена и :

;

.

= ;

.

.

= ;

;

.

.

29. По зависимостям (3.27) и (3.28) средние температуры на контактных площадках:

єС.

єС.

30. Температура резания по зависимости (3.32):

єС.

Ниже приведен расчет температуры по зависимости (3.34) при тех же исходных данных.

Исходные данные для расчета по зависимости (3.35):

V =240 м/мин; а = 1 мм;

; d = 40 мм.

1. Безразмерный критерий по зависимости (3.35):

.

При, по зависимости (3.36) .

Исходные данные для расчета температуры стружки по зависимости (3.37):

= 40 = 0,09; V = 240 м/мин.

2. По зависимости (3.39) критерий Пекле

.

3. Доля теплоты деформации, переходящей в стружку, по зависимости (3.38):

.

4. Касательные напряжения в плоскости сдвига:

.

5. Скорость сдвига по зависимости (3.19):

м/мин.

6. Плотность теплового потока на поверхности сдвига:

; .

7. Температура стружки по зависимости (3.37):

єС.

8. Безразмерные величины источников тепловыделения:

.

температура тепловой точение инструмент

9. При <1 параметр М₁ определяли по зависимости (табл. 3.6):

.

.

10. Температура резания по зависимости (3.34):

Температура резания, рассчитанная по приближенной зависимости (3.34), на 13% меньше, чем рассчитанная по зависимости (3.32), так как зависимость (3.34) не учитывает влияние теплообмена на задней поверхности инструмента на температуру его передней поверхности. Расчеты по зависимости (3.32) отличаются большей трудоемкостью, однако обеспечивают и большую точность, что позволит назначить рациональные условия и режим обработки.

Библиографический список

1. Резников, А. Н. Тепловые процессы в технологических системах / А. Н. Резников, Л. А. Резников. — М.: Машиностроение, 1990. — 288 с.

2. Резников, А. Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов / А. Н. Резников. — М.: Машиностроение, 1981. — 287 с.

3. Железнов, Г. С. Процессы механической и физико-химической обработки материалов / Г. С. Железнов, А. Г. Схиртладзе. — Старый Оскол: ТНТ, 2011. — 456 с.

4. Васин, С. А. Резание материалов: Термомеханический подход к системе взаимосвязей при резании: учебник для технических вузов / С. А. Васин, А. С. Верещака, В. С. Кушнер. — М.: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001. — 448 с.

5. Воронцов, А. Л. Разработка новой теории резания. Практические расчеты параметров резания при точении / А. Л. Воронцов, Н.М. Султан-Заде, А. Ю. Албагачиев // Вестник машиностроения. — 2008. — № 9. — С. 67 — 70.

6. Воронцов, А. Л. Разработка новой теории резания. Математическое описание образования стружки разных видов, пульсации сил резания и параметров контакта обработанной поверхности заготовки с задней поверхностью резца / А. Л. Воронцов, Н.М. Султан-Заде, А. Ю. Албагачиев // Вестник машиностроения. — 2008. — № 7. — С. 56 — 61.

7. Ящерицын, П. И. Теория резания: учебник / П. И. Ящерицын, Е. Э. Фельдштейн, М. А. Корниевич. — Минск: Новое знание, 2006. — 512 с.

8. Анурьев, В. И. Справочник конструктора-машиностроителя. В 3 Т. Т.1 / В. И. Анурьев; под ред. И. Н. Жестковой. — М.: Машиностроение, 2001. — 920 с.

9. Якимов, А. В. Теплофизика механической обработки / А. В. Якимов, П. Т. Слободиняк, А. В. Усов. — Киев — Одесса: Лыбидь, 1991. — 240 с.

10. Марочник сталей и сплавов / А. С. Зубченко, М. М. Колосков, Ю. В. Каширский [и др.]; под общ. ред. А. С. Зубченко. — 2-е изд., доп. и испр. — М.: Машиностроение, 2003. — 784 с.