Изучение технологических параметров процесса резания (Исследовательская часть дипломной работы)

7 Исследовательская часть

          При выборе технологических параметров (скорости резания, времени непрерывной работы и др.) важно знать стойкость инструмента. Она зависит от температуры нагрева его рабочей части, которая в свою очередь определяется режимом резания, материалами инструмента и заготовки, условиями охлаждения и т.п.

          В публикациях[1и2] по исследованию тепловых явлений при сверлении без применения СОЖ температуру режущей части сверла определяют по зависимостям, не учитывающим время работы (нагрева), длину сверла, условия обработки (глубину сверления, вязкость материала заготовки и др.). В настоящей работе предложена более совершенная методика расчета температурного поля в теле инструмента. В её основе лежит комплексный экспериментально-аналитический подход к определению температуры.

          Целью экспериментов было измерение действительных тепловых потоков Ф, поступающих в рабочую часть сверла. Отверстия выполняли в образцах из сталей – углеродистой Ст3 и коррозионно-стойкой 12Х18Н9Т, вырезанных из листового материала разной толщины. Сверло диаметром Æ10 и длиной 100мм, изготовленное из стали Р18, после 3-4 опытов перетачивали для восстановления первоначальной геометрии.

          Количество теплоты Q , поступившей в сверло, измеряли с помощью калориметра и ртутного термометра с ценой деления шкалы 0.1 ⁰С. Среднюю за время величину теплового потока, поступающего в инструмент, находим из уравнения теплового баланса

где: c, c_Т, c_К, c_В—удельные теплоёмкости материала сверла, термометра,                                                           калориметра; m, m_Т, m_К, m_В—массы указанных тел;--изменение температуры воды в калориметре;

          Опыты проводили при постоянной подаче S=0.084 мм/об для стали Ст3 и S=0,042 мм/об для стали 12Х18Н9Т.

          Как и ожидалось, тепловой поток оказался выше при обработке коррозионно-стойкой стали, чем углеродистой стали. При увеличении  толщины заготовки для стали Ст3 падение величины теплового потока объясняется быстрым теплонасыщением рабочей части сверла после начала сверления и отводом части теплоты в заготовку. В дальнейшем, при величина теплового потока растёт, что вызвано увеличением трения сверла о стенки поверхности отверстия, а также нагревом образца. Сверление образцов из стали 12Х18Н9Т с оказалось невозможным из-за выхода режущей части сверла из строя.

          Результаты измерения тепловых потоков использовали при расчёте распределения температуры в теле сверла. Зависимости были получены с помощью аналитической модели, основанной на следующих предположениях: поперечное сечение имеет форму прямоугольника площадью b₁*b₂; температура по сечению распределена равномерно; теплоотвод с торцов сверла и с боковой поверхности подчиняется закону Ньютона—Рихмана; теплофизические свойства материала сверла не зависят от температуры. При этом уравнение теплопроводности, а также граничные и начальное условия имеют вид:

          В этих выражениях –разность между температурой инструмента и температурой окружающей среды; --текущая координата по длине  сверла;                                            --коєффициент  температуропроводности;  и –приведенные коэффициенты теплопередачи режущей кромки сверла (при X=0) и торца его хвостовой части (при Х=) соответственно

где: -- коэффициенты теплоотдачи; -- коэффициент теплопроводности;

          Функция  характеризует тепловой поток, отведённый с боковой поверхности сверла в результате конвекции:

где: --плотность материала сверла; --коэффициент теплоотдачи боковой поверхности сверла;

          Функция  имитирует тепловой поток, поступающий в тело инструмента из зоны резания:

где: --мощность внутренних объёмных источников тепла; Х--большое положительное число;

          Уравнение решают методом Фурье. Находим выражения, описывающее температурное поле в теле инструмента:

          Здесь --корни характеристического уравнения

          Расчёт температуры был проведён при следующих данных: Значения коэффициентов принято для естественного охлаждения инструмента в воздухе.

          Величина теплового потока Ф, взятая из опытов, играет главную роль в формировании температурного поля  в теле инструмента. На рис. 2 приведены результаты расчёта при Ф=24 Вт, соответствующему режиму сверления образца из стали Ст3 при частоте вращения сверла n=710 об/мин; s=0.084мм/об и =10 мм . Видно, что при 20 с. температура на рабочем торце сверла столь значительна, что должна вызвать падение твёрдости и износостойкости его материала. Это наблюдалось при обработке образцов из углеродистой стали толщиной 20 мм. и более и проявлялось изменение цвета рабочей части сверла и резком ухудшении его режущих свойств.

           Значение теплового потока Ф при других режимах обработки и для другого материала (стали 12Х18Н9Т) позволяет найти границы использования инструмента без применения СОЖ.

Выводы

1.  С помощью предлагаемой аналитической модели можно рассчитать температурное поле в теле сверла для любого момента времени и сечения с учётом теплофизических свойств инструментального материала.

2.  Экспериментальная часть методики учитывает не только технологические параметры процесса резания, но и особенности обрабатываемой заготовки, ее материал и другие факторы.

3.  Разработанная методика позволяет установить область режимов, при которых возможна надёжная эксплуатация режущего инструмента.

Рисунок 7—График зависимости теплового потока от скорости резания

Рисунок 8—График зависимости теплового потока от толщины пластины

Рисунок 9—График распределения температры по длине тела сверла