книги / Тепловые процессы в технологических системах

в процессе резания и деформирование материала заготовки, что снижает мощность теплообразующих источников, а значит, и температуру в зоне резания.

Ротационные способы обработки. Выше был рассмотрен способ снижения температуры резания путем разделения процесса обра­ ботки на периодически повторяющиеся рабочие и вспомогательные ходы инструмента. Однако если для улучшения термического режима режущих поверхностей искусственно вводить системати­ ческие перерывы в процессе обработки, то может оказаться, что потери, связанные со снижением производительности операций, не компенсируются выигрышем в повышении стойкости и сниже­ нии расхода инструментов. Это противоречие может быть устра­ нено, если применять ротационные способы обработки. Ротацион­ ные способы отличаются от обычных тем, что кроме двух основных движений, необходимых для осуществления процесса резания (главного со скоростью v и подачи со скоростью vs) предусматри­

вается движение рабочей части инструмента в дополнительном, третьем направлении со скоростью ор.

Такое перемещение может быть реализовано, например, путем вращения рабочей пасти круглого резца (рис. 5.24). Если резец

ние времени тх = 1/пр — тр не будет соприкасаться с заготовкой. Поскольку р = (360/я)]/ t/dp, где t — глубина резания; dp — диа­ метр рабочей части инструмента, то тр = (ялр)-1 У t/dp. Отно­ шение тр/(тр + тх) = (1/я) Y t/dp характеризует степень нестацио­

нарности теплового процесса, а следовательно, и уровень темпе­ ратур режущей части инструмента. Чем меньше это отношение тем более низкое значение имеет средняя температура на контакт­ ных поверхностях резца.

Ротационное перемещение рабочей части инструмента влияет на снижение температуры не только в связи с нестационарностью теплообмена. При ротационных методах обработки условия тре-

ния на контактных поверхностях резца отличаются от условий трения при vp = 0. Трение скольжения между инструментом и

заготовкой частично заменяется трением качения, что снижает мощность тепловыделения. Ротационное перемещение кромки приводит к уменьшению работы деформирования материала в зоне резания, а следовательно, и к уменьшению тепловыделения, экви­ валентного этой работе. Существенно меняется распределение теплоты резания между заготовкой, стружкой и резцом. Плот­ ность итогового потока qlt поступающего во вращающийся резец, в несколько раз превышает плотность потока qlt возникающего

при работе неподвижным инструментом. Поэтому температура на передней поверхности инструмента, как это следует из формулы (5.35), существенно снижается.

Заметим, однако, что в связи о интенсификацией потока q1

температура ротационного резца по мере увеличения времени непрерывной работы возрастает. Во избежание перегрева инстру­ мента и снижения эффекта ротационного перемещения рабочую часть круглого резца желательно интенсивно охлаждать потоком жидкости или сжатым воздухом.

Теплофизический анализ показывает, что при хорошо органи­ зованном процессе ротационного точения (выборе оптимальной скорости Vp, применении активного охлаждения резца в нерабо­

чей зоне и т. д.) можно получить такое снижение температуры контактных поверхностей инструмента, какого невозможно до­ стигнуть любым методом искусственного охлаждения невращающегося резца. В связи со снижением температуры стойкость вращающегося инструмента существенно выше, чем стойкость невращающегося. Выигрышу в стойкости способствует не только снижение температуры резания, но и удлинение активного участка режущей кромки. При точенци вращающимся резцом в работе участвует вся круговая кромка инструмента, а при неподвиж­ ном — только часть ее, соответствующая углу р.

Об эффективности ротационного перемещения кромок можно судить по следующему примеру, взятому из заводской практики. Черновое обтачивание поршней из сплава АЛ10В проводили стандартным проходным резцом с пластиной из твердого спла­

ных твердосплавных резцов круглыми вращающимися диаметром dp = 35-10"3 м, изготовленными из быстрорежущей стали Р18,

позволила не только повысить производительность операций на

в 360/р = 7,6 раза за счет удлинения кромки резца, а в 2,2 раза — в связи со снижением температуры резания.

Ротационный способ можно применять не только при точении заготовок круглыми резцами. На рис. 5.25 показана схема про­ цесса ротационного строгания [18]. Заготовку 2 обрабатывают

z

ротационной строгальной головкой /, на торцовой поверхности которой расположены широкие ножи 3. Головка смещена по отно­

шению к линии центров обрабатываемой заготовки на величину Я. Она полностью перекрывает всю длину заготовки, в связи с чем каждый нож срезает припуск по всей длине последней. Обработка может производиться врезанием ножей на заданную глубину при неподвижной или вращающейся со скоростью подачи vs заго­

товке.

В процессе вращения головки материал с поверхности заго­ товки срезают различные участки кромок строгальных ножей. При этом на периферийных участках инструмента скорость реза­ ния наибольшая, но длительность контакта ножа с заготовкой минимальна. На участках кромок, расположенных ближе к оси головки, скорость резания меньше, но больше время контакта с обрабатываемой заготовкой. Такое сочетание скоростей и вре­ мени контакта способствует выравниванию температуры на раз­ личных участках кромки строгального резца. Переменность по­ ложения активного участка на кромке ножа, периодический выход резцов из соприкосновения с заготовкой, наряду с отмеченными выше особенностями контакта, позволяют получить сравнительно невысокую температуру резания и большую стойкость инстру­ мента.

За последние годы повысился интерес к ротационным инстру­ ментам. Расширился опыт их применения, подтверждающий, что в этих инструментах заложены значительные резервы совершен­ ствования процессов механической Обработки. Изучение физики процесса ротационного резания, в том числе и тепловых явлений, позволит создать и эффективно применять новые конструкции этих прогрессивных инструментов.

Основные правила рационального использования смазочно­ охлаждающих сред. Смазочно-охлаждающие, или, как их часто

называют, технологические среды, оказывают различное влияние на теплообмен в процессе механической обработки. С одной сто­ роны, они могут смазывать трущиеся поверхности или (если жид­ кость является поверхностно активной [3, 32]) облегчать про­ цесс разрушения материала заготовки. Этим путем снижается мощность теплообразующих источников и, следовательно, темпе­ ратура в зоне резания. С другой стороны, омывая твердые тела, входящие в технологическую подсистему (заготовку, стружку, инструмент), жидкости или газы, участвуя в конвективном тепло­ обмене, уносят из зоны резания часть теплоты, содействуя сниже­ нию температуры процесса.

Рассмотрим влияние охлаждающей жидкости, подаваемой по­ ливом (рис. 5.26), на теплообмен в зоне резания. Жидкость, выте­ кающая из насадка, отбирает теплоту: от обрабатываемой поверх­ ности заготовки, приближающейся к зоне резания, в виде по­ тока q0; от поверхностей нагретой стружки в виде потока q0;

от поверхностей резца, не занятых контактом со стружкой и заго­ товкой, в виде потока q{; от обработанной поверхности в виде

Все эти потоки в той или иной мере влияют на температуру контактных поверхностей инструмента, однако степень их влия­ ния весьма неодинакова. Можно показать расчетом, что поток q0

практически не влияет на температуру резания. В некоторых работах по резанию металлов большое значение придавалось теп­ ловому потоку qc, поскольку априорно было принято, что охла­

жденная стружка уносит из зоны резания больше теплоты, чем неохлажденная, а значит, меньше теплоты остается на долю ин­ струмента, температура последнего должна снижаться. Однако теплофизический анализ не подтверждает этого. Соотношение между скоростью схода стружки и скоростью отвода теплоты при применяемых режимах резания и обрабатываемых материалах таково, что температура контактной площадки резец—стружка не успевает снизиться за счет теплоотдачи от стружки в охлаж­ дающую среду. Только при очень тонких стружках и низких скоростях резания этот фактор может иметь некоторое значение.

Теплофизический анализ показывает, что наибольшую роль играет тепловой поток q\, т. е. отвод теплоты от контактной пло­

щадки резец—стружка через инструмент в охлаждающую среду. Чем интенсивнее теплообмен между свободными поверхностями инструмента и жидкостью, тем выше плотность итогового тепло­ вого потока <7Хи, как следует из формулы (5.35), тем ниже темпе­

ратура контактной площадки на передней поверхности инстру­ мента.

Следовательно, основное правило рационального применения охлаждающих сред состоит в том, что главным объектом охлажде­ ния должен быть сам инструмент, а не стружка или заготовка. При прочих равных условиях предпочтительнее применять ин­ струментальный материал, имеющий большую теплопроводность,

Рис. 5.27. Маршрута охлаждающей жидкости при зенкеровании

поскольку это облегчает перенос теплоты в охлаждающую среду. Маршрут, по которому проводится охлаждающая среда, должен быть построен таким образом, чтобы охлаждающая жидкость прежде всего встречала нагретые поверхности инструмента, а за­ тем уже стружку или заготовку.

Приведем конкретный пример из практики. В условиях под­ шипникового завода при изготовлении колец из труб на станкахавтоматах использовали зенкеры, конструкция которых пред­ ставлена на рис. 5.27, а. В инструменте выполнены внутренний

канал и перпендикулярные к нему отверстия, улучшающие подвод жидкости к режущим частям инструмента при горизонтальном расположении оси зенкера. Для того чтобы охлаждающая жид­ кость не протекала в трубу и шпиндель станка, в заготовку 2 вставляют деревянную пробку 1 , которая перемещается с подачей зенкера 3. Смазочно-охлаждающая жидкость (СОЖ), направляе­

мая по канавкам инструмента, движется навстречу сходящей стружке и в первую очередь охлаждает ее. К режущей части зен­ кера жидкость подходит уже нагретой, эффект охлаждения сни­ жается. С целью повышения эффективности охлаждения была применена другая конструкция зенкера, схема которой показана на рис. 5.27, б. Маршрут охлаждающей жидкости в этой кон­

струкции другой: она подается во внутренний канал и оттуда через радиальные пазы на торце зенкера к зоне резания. Прежде всего охлаждается сам инструмент, а затем уже стружка, сходя­ щая по его канавкам. Стойкость зенкеров второго типа на 25— 30 % выше чем стойкость зенкеров, применявшихся ранее.

Из основного принципа рационального использования техно­ логической жидкости для охлаждения инструмента, а не заготовки или стружки, вытекает перспективность инструментов с внутрен­ ним охлаждением, особенно в тех случаях, когда затруднена отдача теплоты в окружающую среду (например, при сверлении) или по технологическим условиям нежелательно применение жид­ кости (например, при резании с дополнительным нагревом заго­ товки). Перспективным способом внутреннего охлаждения яв­ ляется применение термосифонов и тепловых труб (см. п. 3.2).

Рис. 5.28. Варианты комбинирования механической и тепловой энергий в зоне резания

Комбинирование различных видов энергии. Одним из современ­ ных высокоэффективных методов управления тепловыми процес­ сами является комбинирование в технологической подсистеме раз­ личных видов энергии. При комбинировании кроме основной (ме­ ханической) энергии, расходуемой непосредственно на резание, в технологическую подсистему вводят еще какую-либо энергию (тепловую, электрическую и др.). Дополнительная энергия влияет на свойства материала заготовки, на трение в зоне резания и дру­ гие стороны процесса обработки, в связи с чем меняются тепло­ физическая обстановка в подсистеме и температуры на контактных поверхностях инструмента. Дозируя дополнительную энергию и вводя ее в различные места технологической подсистемы, можно управлять теплофизической обстановкой в зоне резания, доби­ ваясь оптимальных значений температур. Это особенно эффек­ тивно при изготовлении деталей из труднообрабатываемых и жа­ ропрочных материалов, когда трудно добиться оптимизации теп­ лового режима (а следовательно, повышения стойкости инстру­ мента и производительности процесса) другими средствами, кроме комбинирования в технологической подсистеме разных видов энергии.

Наибольшее распространение в производстве получило ком­ бинирование в технологической зоне механической и тепловой энергии. Варианты комбинирования этих видов энергии для не­

в зоне резания частично в области, где происходит пластическое деформирование материала заготовки, а частично — на контакт­ ных поверхностях инструмента. Дополнительная энергия может подводиться либо непосредственно в зону резания, либо в заго­ товку на некотором удалении от зоны резания.

Примером процесса, в котором тепловая энергия подводится непосредственно в зону резания, является обработка материалов

с электроконтактным нагревом (ЭКН). В этом процессе заготовку и инструмент включают в цепь тока низкого напряжения и боль­ шой силы. Заготовка и инструмент имеют достаточно большие размеры, их электрическое сопротивление весьма мало, поэтому

В связи с этим в дополнение к основным источникам теплоты Jlt J2

и<fo, естественно возникающим в зоне резания (см. рис. 5.15), при ЭКН появляются источники плотностью qu и q23> располо­ женные на контактных площадках Ыг и Ы2. Поскольку давления

на рабочих участках инструмента достаточно велики, можно в первом приближении полагать, что теплота, выделяющаяся при прохождении тока, распределена равномерно по всей контактной

верхностях резца. Косвенное влияние состоит в изменении проч­ ности приконтактных слоев материала заготовки, изменении коэффициентов трения, а с ними и плотности теплообразующих источников Jx и J2. Расчеты показывают, что основную роль при резании с ЭКН играет непосредственное влияние источников q13 и q23 на теплофизическую обстановку у контактных поверхностей

резца.

в стружке, инструменте и заготовке при введении в зону обработки электрического тока, причем температура, возникающая от са­ мого процесса резания, не учитывалась. Площадка контакта на передней поверхности инструмента нагревается сильнее, чем пло­ щадка контакта между резцом и заготовкой. Следовательно, основной эффект от введения тока в зону резания состоит в изме­ нении температуры передней поверхности инструмента. Теп­ лота qa влияет главным образом на температуру прирезцовых

слоев стружки и заготовки, не оказывая воздействия на область, в которой происходит основное деформирование материала заго­ товки.

Этим объясняется тот факт, что при обработке с ЭКН силы резания мало отличаются от сил, возникающих при резании

пользуясь выражением (5.37)', при работе без нагрева получаем

<7i л* 0?р/Сц

0ip « A3qlT + 0зр - А4е?/Си.

Если принять, что ЭКН незначительно влияет на силы реза­ ния и коэффициент укорочения стружки, то при обработке заго­ товки о нагревом получаем аналогичное выражение

01н. Ор ^ Лз<71т -J- 03Р — А^Хв/Сц -)- Л4^э,

где 0Хн. ор и qiB —- соответственно температура на передней по­

верхности резца и плотность итогового потока при работе с на­ гревом. Последнее выражение можно представить в виде

01н. ср = 01Р (1 4" А 4 /С 1 1 ) — A tf iJ C n Ч~ Ai<ja.

Так как qw « 01а. ср/С11( то

01н. ср (1 4- А4/С11) = 0IP (1 + А4/С11) 4- Л4^э.

Полагая, что при работе с нагревом температура 0Хя. 0р должна быть равной 0Опт, а при резании без нагрева 0£р я* 0, пользуясь формулой (5.46), получаем

ческих подсистем первого уровня, в которых используется допол­ нительная энергия, введенная в заготовку за пределами зоны реза­ ния. Прежде всего упомянем способ резания с опережающим пла­ стическим деформированием (ОПД), разработанный в МГТУ им. Баумана. Опережающее пластическое деформирование обраба­ тываемого материала выполняется роликом 1 (рис. 5.31), который прижат к поверхности резания 2 , вращается вокруг своей оси и перемещается в направлении подачи одновременно с резцом 3.

В способе ОПД механическая энергия процесса резания комбини­ руется с механической энергией дополнительного деформирования материала. Часть работы, которая при обычном резании затрачи­ вается на пластическое деформирование металла в зоне резания, при ОПД выполняется роликом еще до того, как начался процесс стружкообразования. Поэтому в зоне резания выполняется не вся работа деформирования, а только часть ее. Это обеспечивает сни­ жение силы и температуры резания, что, в свою очередь, повышает стойкость инструмента и эффективность операции, особенно при обработке заготовок из вязких, коррозионно-стойких и жаропроч­ ных материалов.

Если ОПД имеет целью выполнить часть работы деформирова­ ния металла за пределами зоны резания, то введение в заготовку

Рис. 5.31. Точение с опережающим пластическим дефор­ мированием

дополнительной тепловой энергии имеет целью: временно снизить прочность материала заго­ товки, с тем чтобы облегчить его деформирова­ ние и обеспечить получен ие оптимальных температур на контактных поверхностях ин­ струмента.

Снижение прочности материала заготовки при дополнительном нагреве позволяет повы­ сить режимы резания и производительность

операций, обрабатывать заготовки из таких материалов и сплавов, резание которых в обычных условиях весьма затруднено.

Повышение температуры заготовки при дополнительном нагреве влияет не только на прочность материала, но и на трение между заготовкой и инструментом. Известно, что с увеличением темпер а- туры контакта коэффициент трения вначале возрастает, а затем снижается, причем его значение достигает максимального при обра­ ботке заготовок из сталей твердосплавными резцами при темпера­ туре 400—600 °С. Если при обычном резании температура контакт­ ных площадок инструмента (особенно на задней поверхности) часто оказывается близкой к упомянутому выше диапазону, то при допол­ нительном нагреве температура обеих контактных поверхностей резца, как правило, выше 600 °С. Это приводит к уменьшению коэффициента трения материала заготовки по материалу инстру­ мента, что наряду с другими факторами, благоприятно влияющими на процесс резания при дополнительном нагреве* ведет к повыше­ нию стойкости инструмента.

На практике используют в основном два способа дополнитель­ ного нагревания заготовки при резании: токами высокой частоты (ТВЧ) и плазменной дугой или струей низкотемпературной плазмы (этот вид нагрева будем в дальнейшем обозначать ПН). В последнее время успешно применен лазерный нагрев (ЛН), который исполь­ зуется при чистовой обработке заготовок из весьма прочных и вязких материалов [17].

Нагревание металла ТВЧ производят с помощью петлевых ин­ дукторов, охватывающих обрабатываемую поверхность впереди резца (см. рис. 3.13), или индукторов специальной конструкции, позволяющих повышать температуру срезаемого слоя непосред­ ственно у поверхности резания (рис. 5.32). Источник теплоты, возникающий в процессе нагрева заготовки ТВЧ, можно предста­ вить в виде полосового шириной В, равной ширине индуктора.

Поскольку нагреваются только поверхностные слои заготовки, осесимметричную задачу можно заменить плоской. Выделение теплоты под действием ТВЧ происходит в некотором. объеме. Следовательно, источник тепловыделения является трехмерным.