Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы и постановка задач исследования 12
1.1. Влияние тепловых явлений при резании материалов на выходные показатели процесса .12
1.2. Методы исследования теплофизических явлений 14
1.3. Особенности протекания тепловых явлений при работе сборными резцами 16
1.4. Способы влияния на теплофизические процессы 23
1.5. Традиционные методы охлаждения резцов 26
1.6. Нетрадиционные методы охлаждения сборных резцов .31
1.6.1. Технология «сухого» электростатического охлаждения (СЭО) режущего инструмента и охлаждение ионизированными распыленными жидкостя ми 31
1.6.2. Испарительное охлаждение. Использование эффекта фазовых переходов первого рода в системах снижения температуры 33
1.7.Выводы по 1-й главе .39
Глава 2. Испарительное охлаждение открытого типа 41
2.1. О возможности охлаждения зоны резания с помощью испарения жидкости 41
2.2. Расчет количества воды, расходуемой при испарительном охлаждении открытого типа 44
2.3.Конструкции сборных резцов, оснащенных системой испарительного охлаждения открытого типа 47
2.4 Экспериментальное исследование эффективности испарительного охлаждения сборных резцов .49
2.5 Выводы по 2-й главе 57
Глава 3. Испарительное охлаждение закрытого типа ( при помощи тепловых труб) .59
3.1. Определение геометрии тепловой трубы 59
3.2. Конструкции сборных резцов, оснащённых автономной системой испари тельного охлаждения закрытого типа 65
3.3. Исследование влияния тепловой трубы на износ резцов .70
3.4. Выводы по 3-й главе .76
Глава 4. Двухфазная комплексная система охлаждения (КСО) сборных резцов .77
4.1. Снижение термического сопротивления сборных резцов с помощью легко плавких веществ 77
4.2. Сборный резец, оснащенный автономной комплексной системой охлажде-ния 82
4.3. Методика измерения температуры в различных точках державки сборного резца 97
4.4. Экспериментальные исследования распределения температуры в различных точках державки сборного резца, оснащенного КСО 98
4.4.1.Распределение температуры по длине державки резца при обработке стали 110Г13Л 99
4.4.2.Распределение температуры по длине державки резца при обработке титанового сплава ВТ1-0 101
4.4.3.Распределение температуры по длине державки резца при обработке титанового сплава ВТ3-1 104
4.5. Влияние КСО на температуру и усадку стружки 109
4.6.Экспериментальные исследования износа сборных резцов, оснащенных КСО 112
4.6.1. Обработка стали 110Г13Л .112
4.6.2. Обработка титанового сплава ВТ3-1 117
4.6.3. Влияние КСО на размерный износ и шероховатость обработанной поверх
ности. 123
4.5.7. Статистическая обработка результатов стойкостных испытаний. 129
4.6. Выводы по 4-й главе 131
Заключение.
Основные результаты и выводы. 133
Список литературы
- Методы исследования теплофизических явлений
- Расчет количества воды, расходуемой при испарительном охлаждении открытого типа
- Конструкции сборных резцов, оснащённых автономной системой испари тельного охлаждения закрытого типа
- Экспериментальные исследования распределения температуры в различных точках державки сборного резца, оснащенного КСО
Методы исследования теплофизических явлений
Одним из важнейших факторов, влияющих на выходные показатели процесса резания, является качество инструмента. ГОСТ 25751-83 определяет работоспособное и неработоспособное состояние режущего инструмента.
Установлено, что процесс изнашивания рабочих поверхностей инструмента является результатом комплекса целого ряда физико-химических явлений, происходящих в контактных зонах «инструмент-заготовка» [20,64,67,103].
Значительный вклад в изучение сложных явлений при механической и физико-технической обработке материалов внесли и отечественные, и зарубежные ученые. Наиболее интенсивно эти исследования проводились в ХХ столетии. В числе выдающихся ученых, внесших свой вклад в решение данной проблемы, особые заслуги принадлежат таким ученым как А.А. Аваков, В.И. Аверченков, А.П. Бабичев, В.Ф. Безъязычный, В.Ф. Бобров, А.И. Болдырев, С.А. Васин, А.С. Верещака, А.М. Вульф, О.И. Горленко, Г.И. Грановский, В.Г. Грановский, С.Н. Григорьев, О.И. Драчев, В.Л. Заковоротный, Ю.Г. Кабалдин, В.М. Ким, А.В. Ки-ричек, М.Н. Клушин, А.М. Козлов, Н.С. Колев, В.И. Колесников, М.Н. Ларин, Т.Н. Лоладзе, М.П. Левицкий, А.Д. Макаров, В.И. Малышев, В.А. Остафьев, А.В. Панкин, С.И. Петрушин, В.Н. Подураев, М.Ф. Полетика, Ю.Н. Полянчиков, А.Л. Плотников, Н.Н. Рыкалин, Н.И. Резников, А.Н. Резников, А.А. Рыжкин, С.С. Силин, В.А. Синопальников, В.К. Старков, В.П. Смоленцев, В.Н.Старов, А.Г.Суслов, Н.В. Талантов, С.Я. Хлудов, А.Н. Чукарин, Э.И. Фельдштейн, П.И. Ящерицын и др. Результаты многочисленных исследований, выполненных за всю историю развития науки о резании материалов, показали недостаточную эффективность попыток создать теорию изнашивания на макроуровне. На основании ряда дальнейших работ было установлено, что процесс резания представляет собой сложный комплекс взаимодействующих физико-механических и химических явлений, протекающих в контактных зонах обрабатываемого и инструментального материалов, в результате чего происходит износ инструмента [12].
В условиях развития автоматизированного машиностроения необходимо обеспечивать работу режущего инструмента с гарантированным гамма– процентным ресурсом стойкости – временем резания, в течение которого инструмент не достигнет отказа с заданной вероятностью , выраженной в процентах [14,85].
Тепловые явления, происходящие при резании материалов, играют немаловажную роль в процессе производства. Зачастую только они ограничивают возможность повышения производительности и сохранения требуемого качества получаемых изделий. Когда температура инструмента переходит за режим красностойкости инструментального материала, это приводит к разрушению его режущей части [18,53,110,127]. Кроме того, при повышенных температурах изменяются и характеристики поверхностного слоя обработанной детали. Тепловые явления также влияют на другие параметры процесса обработки, в частности, на температурное удлинение инструмента, обусловленное физическими свойствами инструментального материала [18,63,75,115]. Это особенно важно при чистовых режимах обработки деталей. Из-за температурного удлинения рабочей части инструмента возникают существенные погрешности размеров, эквивалентные величине этого удлинения. Снижение температуры резания, таким образом, способствует уменьшению одной из составляющих суммарной погрешности обработки [40,84].
Возможность более полного использования ресурса режущего инструмента может быть достигнута также за счет стабилизации температуры, возрастающей по мере износа инструмента. Именно поэтому задача оперативного управления процессом резания в зависимости от температуры является актуальной в работах ряда исследователей [16,18,20,23,24,49,123].
По мнению многих авторов [103,105,106,110,122,140] тепловые процессы, происходящие при резании материалов, являются превалирующими и, таким образом, решение задачи снижения температуры в зоне резания необходимо для обеспечения повышения стойкости режущего инструмента, требуемого качества продукции при высокой производительности обработки и снижения материальных затрат.
Расчет количества воды, расходуемой при испарительном охлаждении открытого типа
В работе использовались четырехгранные СМП марки ВК6 с геометрией =100 , 1=40, ф= -100, =100, =1=450, =00, r=1 мм, отобранные по эквивалентным ТЭДС-характеристикам. Обрабатывалась сталь 110Г13Л и титановый сплав ВТ3-1 на станке с ЧПУ 16К20Ф3. Эксперименты выполнялись на режимах чистового точения (t=0,5мм; s=0,1мм/об; v=30…100 м/мин). Критерий износа был выбран hз=0,4 мм.
Сталь 110Г13Л относится к классу высокомарганцовистых сталей и обладает высокой износостойкостью [126]. Эта сталь характеризуется антикавитационны 50 ми свойствами, а также имеет высокое сопротивление износу при одновременном воздействии больших давлений, температур и динамических ударных нагрузок.
Структура стали 110Г13Л в литом состоянии включает аустенит и избыточные карбиды (Fe,Мn)3C. Главным достоинством стали является то, что в ней сочетается износостойкость при ударном нагружении с высокой пластичностью и вязкостью, свойственным аустениту. Высокая износостойкость стали объясняется тем, что на работающей поверхности происходит пластическая деформация, вызывая упрочнение поверхности за счет образования мартенсита и выделяющихся из аустенита упрочняющих фаз.
Главным недостатком стали 110Г13Л является плохая обрабатываемость резанием, вызванная, в том числе, низкой теплопроводностью, что приводит к повышению температуры в зоне контакта (резко снижается отвод тепла в стружку) и, следовательно, к активизации явлений адгезии и диффузии, интенсивному схватыванию контактных поверхностей и разрушению режущей части инструмента. Кроме того, карбидные включения действуют на рабочие поверхности инструмента подобно абразиву [86,97].
Титановые сплавы класса ВТ3-1 широко используются в машиностроении благодаря коррозионной стойкости, низкому удельному весу (4.5 г/см3) [18,95] и высоким прочностным характеристикам [131]. Они по удельной прочности превосходят большинство жаропрочных сталей при температуре до 500С, что дает большую экономию в весе. Титановые сплавы обладают низкой теплопроводностью, парамагнитностью, высоким коэффициентом трения, повышенной активностью при нагреве, а также проявляют низкое сопротивление окислению и обладают способностью взаимодействовать с кислородом и азотом воздуха, которая возрастает по мере повышения температуры. Наряду с окислением имеет место диффузия кислорода в титан, что приводит с течением времени к образованию хрупкого слоя. Кроме того, титановые сплавы обладают малой пластичностью, усадка образуемой стружки незначительна и часто бывает даже меньше единицы. Стружка формируется длинной и тонкой, длина контакта между стружкой и резцом значительно меньше, чем при резании сталей – все это приводит к высокой контактной температуре, вызывая повышенный износ инструмента за счет образования нитридов и окисных пленок, обладающих абразивным действием. Это обуславливает повышенный износ инструмента и значительно затрудняет резание [18,95]. По задней поверхности появляются глубокие проточины, по передней -постепенное опускание вершины резца. При этом вследствие повышенной химической активности титановые сплавы вступают во взаимодействие с твердыми сплавами инструментов, режущие кромки которых утрачивают свою прочность. Трущиеся поверхности обрабатываемой детали и сходящей стружки уносят продукты взаимодействия «инструмент-деталь», в первую очередь, цементирующий кобальт. Малая теплопроводность титановых сплавов приводит к высоким температурам, вызывающим явления схватывания и задиров [18,95,110,113]. Вследствие возникающих высоких температур происходит окисление титановой стружки и обрабатываемой детали, что осложняет дальнейшую утилизацию стружки [131]. Окисление обработанной поверхности детали влияет на ее технологическую наследственность и должно быть учтено при проектировании технологических процессов [128].
При проведении экспериментальных исследований износостойкости СМП для качественной оценки топографии износа в работе применялся цифровой микроскоп модели WEBBERS G50s (рисунок 2.5), который предназначен для воспроизведения увеличенного изображения объектов на экране монитора. Обработка результатов измерений производилась через дополнительный интерфейс на персональном компьютере (ПК).
Микроскоп дает прямое и объемное изображение рассматриваемых объектов. Технические характеристики: - Увеличение микроскопа - 7х - 90х; - ZOOM-объектив - 0,7х - 4,5х; - Окуляры широкоугольные - WF 10х/20; WF 20х/10; - Источник проходящего света - галогенная лампа 12В, 15Вт; - Источник отраженного света - галогенная лампа с отражателем 12В, 15Вт; - Камера – цифровая (8mpx); - Визуальная насадка - бинокулярная или тринокулярная. Достоинства цифрового микроскопа: - возможность использования компьютерных методов анализа; - сохранение промежуточных и конечных результатов исследований; - возможность без дополнительных трансформаций микроскопа производить наблюдения как визуально, так и на экране монитора. Таким образом, можно просматривать и записывать видеоизображение размером 640х480 пикселей и частотой до 30 кадров в секунду в форматах BMP и JPEG. Три режима сменных увеличений прибора с возможностью плавной подстройки 10х, 100-200х и 400-600х, перекрывают весь необходимый для практических потребностей диапазон.
Конструкции сборных резцов, оснащённых автономной системой испари тельного охлаждения закрытого типа
Применение ТТ при охлаждении режущего инструмента рассматривалось ранее при использовании напайных резцов [108, 109, 110, 133]. Авторы предлагают существенно изменить конструкции резцов, используя специально рассчитанную и индивидуально изготовленную ТТ, помещаемую в тело державки. Это усложняет конструкцию инструмента, затрудняет его применение на станках с ЧПУ и требует использования нестандартного типа державки. Поэтому одной из задач данной работы являлось создание сборных конструкций инструментов, позволяющих без особых дополнительных затрат повысить их стойкость с помощью серийно выпускаемых ТТ, совместимых со стандартной державкой.
Определение геометрии тепловой трубы Общее количество теплоты в зоне резания Qобщ равно: (3.1) где Qзаг - количество теплоты, уходящее в заготовку; 2стр - количество теплоты, уходящее в стружку; Qп.п. - количество теплоты, уходящее в резец через переднюю поверхность; 2з.п. - количество теплоты, уходящее в резец через заднюю поверхность; 2окр - количество теплоты, уходящее в окружающую среду. В случае размещения приемной зоны ТТ (рисунок 3.1) под опорной частью режущей пластины, уравнение теплового баланса примет вид Gобщ = Q заг . ТТ + Q стр.ТТ + Q п.п.ТТ + з .п.ТТ + Q окр.ТТ +Q ТТ , (3.2) где 2ТТ - количество теплоты, уходящее в тепловую трубу и изменяющее распределение теплоты в технологической системе «инструмент-деталь-стружка». Так как износ резца при чистовой обработке определяется, в основном, износом по задней поверхности, то в связи с этим возникает вопрос о температуре на нижней опорной поверхности режущей СМП, находящейся в контакте с ТТ. Исходя из анализа теплового баланса (3.2) видно, что задачей снижения количества теплоты, уходящей в инструмент, является увеличение Qтт. Так как эффективность работы тепловой трубы зависит от её геометрических параметров, то, исходя из режимов резания, необходимо определить геометрию тепловой трубы. Воспользовавшись методикой, изложенной в работах [60,110,104] (рисунок 3.1), определим QТТ - количество теплоты, отбираемое тепловой трубой в единицу времени в зависимости от ее параметров.
Средняя температура внутренней поверхности тепловой трубы в зоне нагрева - esi, С [43] s\ где 6S2 - средняя температура внутренней поверхности тепловой трубы в зоне охлаждения, С; вн - температура насыщения воды, С. Критерии А и В, учитывающие теплофизические свойства теплоносителя и угол наклона тепловой трубы относительно горизонта
Наличие ребер на стенке позволяет увеличить поверхность ее соприкосновения с окружающей средой, тем самым уменьшить внешнее термическое сопротивление и увеличить тепловой поток, а температуру поверхности стенки приблизить к температуре окружающей ее среды [43].
Используя вышеописанную методику расчетов, определяем количество теплоты, отбираемое тепловой трубой в единицу времени, в зависимости от ее параметров. Расчёт выполнен в среде MathCAD. Результат расчёта приведен в таблице 3.1.
Из результатов расчетов следует, что на эффективность тепловой трубы влияют, в основном, два параметра (рисунок 3.2): – внутренний диаметр трубы (пар перемещается от зоны нагрева в зону конденсации по капиллярной системе, которая и составляет внутренний диаметр); –длина зоны конденсации (участок трубы, который снабжен радиатором). Длина зоны конденсации и диаметр трубы лимитируются конструктивными размерами державки и конструктивными особенностями станка.
Количество теплоты, передаваемое тепловой трубой в зависимости от внутреннего диаметра dв (а) и зоны конденсации h2 (б)
Зная количество тепла, уходящего в режущий клин (таблица 2.2), можно сделать вывод о том, что ТТ целесообразно использовать для чистовых операций, особенно при обработке низкотеплопроводных материалов. При черновых видах обработки резцами с ТТ необходимо повышать коэффициент теплоотдачи с поверхности радиатора тепловой трубы. Этого можно достичь либо оптимизацией топологии радиатора, либо применением других способов охлаждения.
В процессе работы был создан ряд конструкций сборных резцов на базе стандартных державок, оснащенных стандартными ТТ (применяемыми для охлаждения радиоэлектронной аппаратуры) и кольцевыми ТТ с различными топологическими параметрами, для СМП разных типов [30,31,37]. Возможность ис 66 пользования стандартных серийно изготавливаемых ТТ обосновывается данными, приведенными в таблице 3.1.
Для обеспечения большей надёжности тепловая труба может быть помещена в паз, сделанный в теле державки, что позволит защитить ТТ от сходящей сливной стружки. В ряде случаев при обработке на повышенных режимах резания, когда возрастает количество теплоты, поступающей в режущий клин, целесообразно применение сборного резца, оснащенного двумя тепловыми трубами (рисунок 3.6) [28].
Экспериментальные исследования распределения температуры в различных точках державки сборного резца, оснащенного КСО
На графиках (рисунки 4.14…4.27) приведены значения температуры в различных точках державки сборного резца (в соответствии со схемой на рисунке 4.13). На основе анализа полученных результатов можно сделать вывод, что наиболее характерными являются кривые под № 1, характеризующие температуру под опорной поверхностью режущей пластины. Это максимальные температуры, зависящие в первую очередь от контактных температур на рабочих поверхностях резца. Значительно ниже температуры в точках кривых 2–6 , показывающие распределение температуры по длине стержня державки резца. Поэтому при дальнейшем анализе значения, приведенные на кривых 2..6 (рисунки 4.14…4.27) можно не рассматривать. Необходимо отметить следующие особенности зафиксированных значений температур: а) при работе с пустым контейнером температура на нижней части опорной по верхности режущей пластины (кривая 1) по мере продолжения резания возраста ет, доходя до температуры, приводящей к разрушению резца (рисунки 4.14;4.16;4.18;4.20;4.22;4.24;4.26;) для различных обрабатываемых материалов. б) при работе резцом с ТТ и с контейнером, заполненным сплавом Розе: кривая изменения температуры от начала процесса резания растет до определенного пре 107 дела, что можно объяснить возрастанием температуры на первом этапе резания, являющимся причиной роста температуры вершины резца до определённого значения, затем снижается и стабилизируется. В дальнейшем тепловая энергия расходуется на образование жидкой фазы сплава Розе. При этом не происходит роста температуры вершины резца. Этот процесс температурной стабилизации происходит пока в контейнере одновременно существуют две фазы рабочего вещества (твердая и жидкая). Очевидна необходимость поддержания подобного рабочего состояния вещества в контейнере как можно дольше, что достигается с помощью применения тепловых труб, как охлаждающей системы для контейнера с рабочим веществом. Это убедительно доказывается величинами температур, приведенных на рисунках 4-15;4.17;4.19;4.21;4.23;4.25;4.27. В таблице 4.1 приведены обобщенные данные значений температур в точке 1 (под режущей пластиной) для резцов без охлаждения и с КСО. Полученные данные согласуются с результатами компьютерного моделирования в среде SolidWorks , приведенными на рисунке 4.8 в соответствии с допущениями [152].
Следует отметить, что при работе с резцами с КСО возникает возможность управления процессом резания за счет температурной стабилизации или даже снижения температуры (рисунки 4-15;4.17;4.19;4.21;4.23;4.25;4.27). При использовании станков с ЧПУ, оснащенных стандартным инструментом, возможность оперативно управлять скоростью резания и тем самым влиять на стабилизацию температурных значений, не допуская катастрофического износа резца, была показана в работе [24]. В случае резца с КСО появляется возможность повышения скорости резания на участках снижения и стабилизации температуры, тем самым влияя на производительность и экономичность процесса. Кроме того, при наличии динамической системы мониторинга [49] можно управлять и качеством обрабатываемой поверхности.
Как уже установлено, использование КСО позволяет снизить и стабили зировать температуру резания. По данным ряда исследователей [27,59,64,66,71,89,114] количество теплоты, уходящей в инструмент независимо от обрабатываемых материалов и режимов резания, намного меньше количества теплоты, уходящей в стружку и деталь. Исследование физических параметров стружки (ее средней температуры, формы, цвета и усадки) позволяет судить о протекании процесса резания в целом и может служить косвенным доказатель ством изменения тепловой обстановки в зоне резания. Обоснованность таких ис следований показана в отечественных и зарубежных работах [18,59,97]. Количество теплоты Qс, уходящей в стружку, характеризуется средней температурой стружки. Для определения средней температуры стружки использован калориметрический метод [89]. Были проведены опыты для следующих условий: сталь 110Г13Л – ВК6; t=1мм; s=0.1мм/об; v=54м/мин; время резания =19,8мин. Средняя температура струж ки Тс определяется из уравнения [89]: где G– вес воды, г; G 1 – вес стружки, г; С – теплоёмкость обрабатываемого wматериала; Cв – теплоемкость воды; tk – температура воды в калориметре после опыта; t0 – температура воды до опыта. Измерения средней температуры стружки были проведены при резании резцом с КСО и резцом без охлаждения. На рисунке 4.28 приведены результаты измерений. Зависимость средней температуры стружки от времени работы при точении стали 110Г13Л – ВК6; 1- без охлаждения;2- с КСО; (t=1мм; s=0,1мм/об; v=54м/мин, =19,8мин) Анализ полученных результатов (рисунок 4.28) показывает, что температура стружки, образованной резцом без охлаждения, по мере износа увеличивается и к концу периода стойкости становится на 100-1100С больше температуры стружки, полученной резцом с КСО.
Следует отметить, что также изменяется цвет сходящих стружек. При точении резцом без охлаждения образуется стружка темносинего цвета (рисунок 4.29 а), в то же время при работе резцом, оснащенным КСО, цвет стружки – светлосерый ( рисунок 4.29 б).
Величина деформации срезаемого слоя [36,79,103], может быть оценена коэффициентом усадки стружки К. Для определения зависимости изменения усадки стружки от времени работы резцов были взяты образцы стружки, полученные при обработке стали 110Г13Л резцом, оснащенным СМП ВК6. В сравнительных опытах геометрия режущего лезвия не менялась. Заготовки предварительно разрезались по оси вала на четыре части, после чего соединялись по торцам. Это давало возможность разделить стружку на отдельные отрезки. Образцы стружек собирались в конце каждого прохода, а затем измерялась длина элемента стружки по прирезцовой стороне, после чего взвешивались на портативных электронных весах КД-100 с ценой деления 0,01 г.
Анализируя полученные данные, можно заметить, что с увеличением скорости, а, следовательно, и температуры стружки, усадка уменьшается. Это можно объяснить тем, что с возрастанием температуры в зоне резания изменяются физико-химические свойства стружки и уменьшается коэффициент трения на контактных поверхностях. Cредняя интенсивность деформации стружки, а, следовательно, и усадка стружки зависит прежде всего от термомеханического режима резания, что подтверждается исследованиями ряда авторов [97,134].
В процессе работы резцом без охлаждения и резцом с КСО (при одинаковых геометрических параметрах резца) наблюдается незначительное увеличение усадки стружки, полученной резцом с КСО, что объясняется более высокой температурой в контакте прирезцового слоя стружки с передней поверхностью инструмента в случае использования резца без охлаждения.
На рисунках 4.31, 4.34, 4.38 приведены значения износа по задней поверхности в зависимости от времени работы в диапазонах скоростей 30…53 м/мин, а на рисунках 4.32,4.33,4.35,4.36,4.37 и 4.39 представлены сравнительные фотографии износа по задней поверхности (обрабатываемый материал – сталь 110Г13Л; твердый сплав – ВК6; t=0,5 мм; s=0,1 мм/об) для резания без охлаждения и с КСО при различных скоростях [33,34], по которым можно проследить динамику износа резца. Сопоставимые фотографии показывают, что для резцов без охлаждения характерны а) признаки катастрофического износа (борозды, канавки), б) адгези