автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Методика расчета температуры при точении и ее влияние на качество деталей

^ ^¿ШнШэНИЙ ТЕХН1ЧНИЙ УН1ВЕРС1ТЕТ УКРА!НИ "КИУВСЬКИЙ П0Л1ТЕХН1ЧНИЙ ИНСТИТУТ"

На правах рукопису УДК 621.91

ОСТАФ'бВ СЕРПЙ ВОЛОДИМИРОВИЧ

РОЗРАХУНОК ТЕМПЕРАТУРИ ПРОЦЕСА ТОЧ1ННЯ ТА ÏÏ ВПЛИВ НА

ЯКЮТЬ ДЕТАЛЕЙ

СПЕЦ1АЛЬН1СТЬ 05.03.01 "Процеси механ1чно1 обробки, верстати та ¡нструмент"

АВТОРЕФЕРАТ дисертаци на здобуття наукового ступеня кандидат техшчних наук

КиТв -1998

Дисертащею с рукопис

Роботу виконано на кафедр| виробництва прилад1в Нацюнальног технмного ужвератету УкраТни «КиТвський полтехжчний ¡нститут».

Науковий кер1вник: Нацюнальноий техжчний ужвератет УкраТн

«КиТвський пол1техн1чний ¡нститут», дека Приладобудшного факультету доктор техжчних нау професор Румбешта Валентин Олександрович

Науковий консультант: Нацюнальноий техжчний ужвератет УкраТн

«КиТвський полпвхжчний ¡нститут», доктор техжчни наук, Тимчк Григор1й Семенович

Офщшш опоненти: Кримський державний ¡ндустр1ально-педагопчни

¡нстпут, ректор, доктор техжчних наук, професо Якубов Февз1 Якубович

ВО «завод Арсенал», головний технолог, кандидг техжчних наук, Маслов Володимир Петпрович

Провщна установа: ВАТ «УкрНД! ав1ацжних технолопй»,м. КиТ'в, в1дд1

технологи

Захист вщбудеться ¿7.0^1998 року о ^ ~ на засщанж спец1ал1зованн< вченоТ ради Д 01.02.09 в Нацюнальному техжчному ужверател УкраТн «КиТвський полтехжчний ¡нститут»

за адресою: 252056, КиТ'в-56, проспект Перемоги 37, корпус № аудитор1я№ ?[Ч-\.

3 дисертацюю можна ознайомитись в б1бл10тец1 Нацюнального технЫно! ужвератету УкраТни «КиТвський полтехнмний ¡нститут».

Автореферат розюлано" ЛГ* ¿4 _1998 року.

Вчений секретар /1

спекал ¡зованно'Т Ради Д 01.02.09. I д.т.н., професор

И

Равська Н. С.

Актуапьшсть роботи. Ршень промислового виробництва е головним пазником стану розвитку кожноТ держави. Саме виробництво р1зних виробщ безпечуе роботу i добробут наци. Тому поопйне удосконалення i picT омислового виробництва е необхщними умовами кожноТ цив1тзованоТ краТ'ни. юбливютю сучасного виробництва е його широка комп'ютеризацт, яка реводить виробництво на новий ¡нтелектуальний р!вень, а також впровадження сокопродуктивних технолопчних процеав.

Головною метою в TenepiuiHM час е намагання створити заводи-автомати. >раз вже розроблеж елементи заводт-автомат1в таю як: САПР, роботи, томатизоваж склади та транспорты засоби, станки з системами CNC, мфювальж машини, обладнання з адаптивним управлЫням. I хоча ще немае водiв-автомaTiв, яю повнютю синтезують BCi ц1 елементи, першими i'x казниками е гнучю виробнич1 системи (ГВС), яю устшно працюють вже роки на робництвах багатьох краТн св|'ту.

Досвщ експлуатацм ГВС показуе, що комп'ютеризацт дае можливють томатизувати переробку потоюв ¡нформацп i суттево зменшити час на (готовку виробництва. Однак продуктивнють ГВС багато в чому залежить вщ 3CTi реального ¡нструменту, його спйкосп, режимш та температури р1зання.

Природньо, що зусилля технолопв р1зних краш вже не одне стол1ття рямоваж на дослщження та виршення цих проблем. Але до цих nip зперервний розвиток ¡нструментальних матершлт, що оброблюються, ставить здання по визначенню оптимальних режим1в рЬання та отримання сокоякюних виро®в.

Технологи вже давно прийшли до висновку, що температура р1зання е одним оловних параметр^, яю визначають продуктивнють процесу рйання та яюсть eepxHi виробш. В зв'яку з цим дослщженню температури ркзання було исвячено багато po6iT та представлено багато ршень, однак точнють алпгичних pimeHb достатньо мала, експерименти мають вузький д1апазон користання i потребують великих затрат часу. Hoei досягнення комп'ютерноТ кнологм та лазерноТ техжки дають змогу по новому пщмти до температурноТ дач1 та знайти б'тьш ефективж ршення для тдвищення продуктивное^ эцесу точЫня, а також якосл обробки поверхонь деталей. Тому в дажй робот1 з ного боку розроблюеться новий чисельний метод розрахунку температур, який зволяе на 6a3i нових фундаментальних po6iT врахувати цтий ряд допом1жних раметр1в процесу точшня та отримати розраховаж значения розподту иператур, яю добре узгоджуються з експериментальними данними. 3 ¡ншого ку, використовуючи досягнення лазерноТ техжки, на 6a3i розроблено! ипературноТ модел'| даються HOBi р'шення для визначення CTinKOCTi резального трумента та виробництва яюсних деталей.

Об'ект досл'/дження. Методи фюичного моделювання процесу р1зання, эбливооп З-MipHoro моделювання теплообмшу та теплопередач1 в р1зальному труменл, методи автоматизованоТ компенсаций похибки при токарнм обробц1 станках CNC, методи адаптивного управлЫня. При проведен! дослщжень були зйдеж взаемозв'язки мЬк температурою р1зання та основними параметрами эцесу точтня, яю забезпечують його продуктивнють, а також яюсть обробки 1 застосуванж лазерноТ техжки.

Головна увага придтялась розробф методики чисельного ¡терацшно розрахунку температурних пол1в в р^альний частиы р1зця, яка забезпечуе ВИСОКУ T04HiCTb.

Мета ооботи. - розробити ефективну ¡нженерну методику розрахунку : середньо'1 температури р1зання, так i об'емне ïï розподтення в р1зальш'й части р13ця.

На основ! застосованних нових лазерних пристро!'в та отримаш температурних залежностей розробити методи пщвищення якост! вироб1в.

Завдання достдження визначалися поставленою метою та розподтялис на слщуюч! напрямки:

1. Провести анал1з та дослщження аналп-ичних, чисельних та емтричних метод розрахунку в npoqeci р1зання для визначення основних причин, яю знижую-T04HiCTb розрахунку та д1апазон його використання.

2. Створити ¡нженерну методику чисельного ¡терацмного розрахунку температу{ контактних поверхонь ¡нструмента та ïï розподтення в рЬальнм части ¡нструмента.

3. Провести експериментальну оцжку похибок розробленоТ методики : допомогою бтьш точних засоб1в вим1рювання температурних пол1в при точшн

4. Встанозити роль температури у визначенж режим1в р1зання i провес-системний анал1з впливу на нет х1м1чного складу важкооброблюваюч! MaTepianiB та сплав1в.

5. Визначити залежн'ють м1ж температурою р!зання та точнютю процесу tcnîhh а також шорстюстю поверхнк

6. Реал1зувати використання нових лазерних пристроТв для пщвищення якос

BHpo6iB При TOMiHHi.

Методи дослЮжень. Теоритичн1 дослщження проводились на бс сучасних чисельних метода моделювання процесу р1зання, Teopiï теплопередг та теплообмшу на mobî Microsoft Visual Basic 5.0, системного aHani взаемозв'язку р1зних параметр1в за допомогою методу групового урахуван! аргумента.

Експериментальт' достдження проводились за допомогою спец'1алы розроблених лазерних пристро1'в, яю безконтактно вим1рюють з високою точнют геометричн1 розм1ри деталей та шорстюсть и поверхн1; нових тишв термофарб спе^ального засобу ïx нанесення, що дозволило отримати високу точню експериментальних результат! в.

Наукова новизна представлено!' роботи полягае в тому, що: розроблен! новий чисельний ¡терацмний метод для розв'язання З-MipHoï задач1 розподтен! температури у середен! реального ¡нструменту, який складаеться з:

1) розрахунку середньо'1 температури на поверхы контактно'! зони та теплово потоку ¡з застосуванням фактора контакту;

2) розрахунок середньо!' температури i фактора контакту на 6a3i розрахованс теплового потоку;

3) ¡терацмний розрахунок фактора контакту з умовами збЬкносп значен розрахованих обома методами температур;

4) розрахунок 3-MipHoro розподтення температур у середин! р1зальнс ¡нструменту.

Також розроблена методика визначення коефУенлв вщбиття теплових otokîb вщ поверхонь реального ¡нструменту та коефМентю розподтення тепла, ке видтяеться в 30Hi стружкоутворення в результат! тертя на контактних оверхнях. Розроблена ефективна реал1зац1я ц1еТ модел1 на mobî програмування Microsoft Visual Basic 5.0 та зкомпельований з можпивгстю використання ïï пщ nepauinHi системи Windows'95, Windows NT та для гпдключення ïï до систем и !АПР ТП.

Розроблена ефективна реалюацт методики розрахунку температур для ризначення режимю ркзання, пщвищення якосл обробки деталей та визначена элузь ïï ефективного застосування.

Практична шнн1сть роботи полягае у створенж ¡нженерно!' методики озрахунку температурних пол!в, яка дозволяе виршувати таю технолопчж эдач1, як визначення слйкосл ¡нструмента, призначення режим1в р1зання, яю зрантують необхщну якють вироб1в.

Отримаж необхщж рекомендацн по застосуванню лазерних пристро'Гв для южторингу точносл тсч1ння та шорсткосл noBepxHi.

РеалЬашя роботи в nooMucnoeocmi. Результата дисертацмноТ роботи икористаж при обробц1 деталей на то кар них верстатах таких заводт: ВО "Завод рсенал", ВО "Артема". Матер1али дослщжень використовуються в учбовому роцеа на кафедр! виробництва прилад1в НТУУ "КПГ при читаиж курав: Эбробка MaiepiariB" та "Технолопя приладобудування".

На захист виноситься: . Новий чисельний ¡терацмний метод для розв'язання З-MipHoï задач! розподтення температур! на контактних поверхнях, обчислення середньоТ температури контакту та температури всередиж реального ¡нструменту. . Математичний аппарат ¡терацшного розрахунку фактора теплопередач1 на умовах збмносл значень середжх температур, одержаних за двома ргёними алгоритмами.

. Методика визначення коефМенлв вщбиття теплових потоюв вщ поверхонь реального ¡нструменту та коефМенлв розподтення тепла, яке видтяется в зож стружкоутворення та в наслщок тертя на контактних поверхнях. . Реал1зац!я чисельного ¡терацмнийного метода на mobî програмування Microsoft Visual Basic 5.0 та зкомпельований з можливюттю викорестання и ¡нженерно-техжчними робп»иками пщ операцшними системами Windows'95 та Windows NT для пщключення м до системи САПР ТП. . Реалйаиия методики розрахунку температур для призначення режим1в р1зання при TOMiHHi, визначений вплив на температуру рйання за допомогою МГУА xiMi4HHX компоненлв важкооброблюваемих сплав1в. . Реал!заф методики компенсаци теплових, деформацмних та ¡нших похибок при точЫж деталей за допомогою нового лазерного вимфювача, що пщвищуе точнють вщ 2 до 10 pa3iB.

РеалЬа^я методики одерження низько'1 шорсткосл поверхонь детал1 за допомогою розрахунюв температури.

Апробашя роботи. Результати роботи докладались та обговорювались на ¡жнароджй конференцн "Лазерна метролопя на виробництвГ (Нюренберг, Э95), на мЬкнароджй конференци "Сучасн! виробнич! системи" (Гонконг, 1996),

на мокнароднм науковм конференци "Перспективи технологи' та оснащения 95 (КиТв, 1996).

В цтому робота докпадалась, обговорювалась та отримала позитивни вщгук на розширеному засщанж кафедри виробництва приладт НТУУ "КП (очень 1998).

Публшаии. На тему дисертацм' опубликовано 5 друкованих роб1т. Структура та обсяг роботи. Дисертацшна робота складаеться введения, 4 роздт1в та висновюв, змют яких викладено на 102 стормка машинописного тексту, 90 малюнках, 12 таблицях, додатка на 14 сторЫка: списку Л1'тератури (118 найменувань).

Основний змпст роботи В робот! обгрунтовуеться П" актуальнють та сформульован1 основ| положения, що виносяться на захист, приведена наукова новизна та практичн цЫжсть роботи.

Анал1з ¡снуючих метод ¡в розрахунив, експериментального вим1рюванн температур при р1занж металлов, П впливу на яюсть обробки деталей показуе, ш в ц(й облает! ¡суне ще багато нерозв'язаних проблем, вирешення яких вимага сучасний р1вень технолопй.

У вщповщносл с цим для досягнення поставлено"! мети в робот'| необхщн розв'язати слщуюч1 задачк

1. Створити нову ¡нженерну метод¡ку чисельного ¡терацтного розрахун! температури контактних поверхонь ¡нструменту та и розподтення в об'ег р1зальноТ пластини ¡нструмента з потр1бною точжстю.

2. Провести експериментальну оцжку похибок розробленноТ метод¡ки г допомогою нових точних засоб1в вим1рювання температурних пол!в пр точЫж.

3. Встановити роль температури у визначенж режим1в р1зання та провес1 системний анал1'з впливу на не)' х1м|'чного складу важкооброблюваш. матер1ал1в та сплав1в.

4. Визначити залежнють м1ж температурою ркзання та точнютю процеса точЫн а також шорхости поверхж.

5. Реал1зувати використання нових лазерних пристрою для збтьшення якос вироб1в при точЫж.

Температура та и розподтення в процеа р1зання справляють великий впл1 на зное р1зального ¡нструмента та якють обробки. В зв'язку з цим велика ува1 прид'тяется вивченню та моделюванню теплових процес'ю при рйанж. 1сную-два способи моделювання теплових процеав: аналп"ичний та чисельний. Хо1 чисельж методи, яю використовуються при моделюванж процесу р'1занн посгпйно вдосконалюються, все ж велика увага придтяеться своренн анал1тичних моделей, яю описують вплив р1зних фактор1в процесу рйаш (режим!в р1зання, геометри р!зця, теполф1зичних властивостей матер'1ала р1зця ■ детал1 та ¡н.) на розподтення температур.

В дажй робот1 головна увага придтяеться створенню метода, яю тдвищить точнють визначення теплових потоюв \ температурних пол1в р1зальному ¡нструменл.

Для перев1р«1 точносп' розрахунку теплових пол1'в необхщно використати спериментальы дан! та порюняти ц1 даж з тими, яю

римаж зпдно запропонованого нового метода розрахунку. Отримання стов1рно'| ¡нформаци за допомогою експеримента являе собою дуже важке вдання в зв'язку з тим, що найбтьш поширеж методи визначення мпературних полю (вилфи за допомогою термопар, ¡нфрачервоноТ камери) не ¡зволяють визначити розподтення температури в зож контакта р1зального ггрументу з деталлю тэ потребують спец1ального калЮрування.

Вимфи температур, особливо з використанням термофарб та металевих кригпв дають можливють бтьш достов1рно визначити температури в зож нтакту реального ¡нструменту з деталлю, але потребують подалыиого розвитку 1я визначення температур усереденж р1зця, не порушуючи його плопроводностк

При розгляд1 задач|' 3-м1рного розподтення тепла в об'ем1 резального ггрумента прирют температури Ав1 в!д енергм' стружкоутоворення на переджй верхж реального ¡нструмента може бути представлений як:

яку

де: Ь - ширина зрЬаемого шару; - поверхневий фактор; Кт -плопровщнють матер1алу р1зця; % - тепловий полк у зож стружкоутворення, ий визначается:

Л0,с (2)

ЬР, 4у[Ре

—А +--

пк т рсч

де: Л9В1 ружки; vc -

• - температура стружки; р та с - густина та теплоемюсть матерюла швидюсть руху стружки; Ре - число Пекле.

= (Р,~Р,)В1 (3)

РСУС13Ь

де: Рь - потужжсть процеса р1зання, яка конвертуеться в тепло; Рг -тужн|'сть, яка затрачуеться та тертя стружки; В1 - частина тепла,яка поступав в ружку ¡з зони зсуву; /5 - довжина площини зсуву. Прирют температури Л02 вщ процесу тертя може бути представлений як:

4Я,2ЬР; (4)

АО 2 =-

пкт

де: - тепловии потт, 'Зраховуеться як:

що входить в р1зальний ¡нструмент ¡з зони тертя \

(5)

Ыг

1 - -

1

4хРёкт

+ 1

рмсЗЬР5

Тод1 середня температура вс на контактжй поверхж переджй граж:

9С = л 91 + лв2 + в0

де: в0 - начальна температура р1зця.

Тобто загальний полк, який входить в ряальний ¡нструмент ф, визначаетьа

Я, = Яч + Я,2 (?)

Необхщы для розрахунку величини теплового потоку дг, що входить р/зальний ¡нструмент по переджй поверхж, параметри (усадка стружки, сш рЬання, розм1ри контактноТ' зони, умови рюання та теполф1зичж властивос матергалу) можуть бути вщносно легко визначеж за допомогою експерименлв.

Запрпоноваый метод розрахунку об'емноТ тепературноТ задач!' розгляд; поверхн! р1зального ¡нструмента якдв1 координаты площиниХ02таХОУ(рис. ' яю розбиваються на /' одиничних прямокутних елементш з1 стороною Лу=Ь Кожний одиничний елемент являе собою площину з р1вном1рним розподтенн? теплового потоку. В любш точц1 А(х', у\ г'), яка знаходиться усередеы реально ¡нструмента, виходячи з елементарних джерел тепла, температуру мож1 порахувати, ¡нтегруючи ршняння Кельвша по довжеж Ь елементарного джepeJ тепла:

ЦЛу 1п°-5Ь + х' + М5Ь + х')г +У'2 +г'2 (8)

2якт х' -0.5Ь + ^1(х'-0.5Ь)2 +у'2 + г'2 для х' > 0.5Ь

0(х',у', г') = —--\п (о.5Ь + х' + ^(0.5Ь + х')2 + у'2 + г'2 )х (0.5Ь - ^

- х'+^О.бЬ-х')2 + у'2 +г'2\- 1п{у'2 + г'2)] для 0<х'<0.5Ь

де: q - незалежний вщ часу тепловий пош, який входить в ¡нтрумент е елементарного джерела.

Ц1 формули можуть бути використаж не тшьки для розрахунку температури, I викликана джерелами тепла на переджй поверхж, але й для температур заджй поверхж. Для високоТ" точност! розрахунюв в формулах (8) та (9) необхщ врахувати вщбиття теплових потош в'щ граней р!зальноТ' пластинки. Для цьс вводяться коефщ1енти вщбиття Я?с та /?5 з метою урахування вщбиття ! передньоТ, здньоТ' та бмних граней вщповщно.

Також необхщно врахувати вплив температури на теплоф1зичж властиво р)зця. Ця залежнють може бути представлена у виглядг

/ст=/со + /с,0 (10)

Тепер температура точц1 А(х', у', г'), що розрахована за формулами (8) та ( являе собою фунщю теплових властивостей, яю не е температурою, як таково

тг (11)

<Р(х,у,г) = \ктбв о

Використовуючи перетворення Лапласа, а також р1вняння (10), формулу (■ можна записати як:

вк0 +0,5вгк1 =д>(х,у,г) (12)

звщки:

{ )-Джерела тепла, в^дбгт вщ задньсн гра!п

Рис. 1. Геометрт реально!' пластини та схема розрахунку температури з врахуванням вщбиття теплових потоюв.

в=

+ к>0

^ п

1

к0)2+ 2ф,у,z) к1<0 ¡4

Для означеного розподтення ç(x, у, z) розподтення температур з р1внян1-(13) чисельно диференц1юеться по нормал1 до розглядаемоТ поверхн1, пюля 40i похщна множиться на теплопровщнють з р1вняння (10). Тобто, розрахун< температур ведеться нелен'мно через визначення функцм ср(х, у, z) з урахування залежноси теплоровщносл матер1ала р1зця та вщбиття теплових потоюв в граней р1зця.

Результати розрахунюв були пор1вняы з результатами експер!мента, i дт корекцн модели що представлена ртняннями (1) - (7), був введений факте теплопередача

(Лв1 +Лв2)жкт (14)

W" 4qrb ■ Fs

За допомогою цього фактора корещя модел1 може бути здмснена чер« звичайну замЫу попереднього Fs на нове значения Fht.

Дана модель розпросторювання теплових потоки в р1зальному ¡нструмен була реалшвана на язику програмування Microsoft Visual Basic 5.0. Цей яз1 програмування був вибраний завдяки його актуальное^, тому що bîh дозвол? створювати програмне забезпечення для операцмних систем Windows'95 л Windows NT, та ¡з м1ркувань ш вид код i l Microsoft Visual Basic 5.0 е 32 6îthh продуктом, що дозволяе використовувати майже bcî апаратн1 засоби дг розв'язування завдвнь.

Представлена модель розв'язуеться ¡терацшним методом. Визначенн фактору теплопередач1 Fht зводиться до послщовност1 ¡терацм, i при досягнен сшвпадання розрахованих середнк температур в двох вар1антах ¡з задовтьно точнютю проводиться розрахунок температурного поля усередеы р1зальн пластини.

Для вим1рювання температури термофарбами був використаний hobi орипнальний метод.

Реальна пластина була розр1зана на дв1 частини, яю були ретельн вщшлифован1 та притерта На внутришнм поверхн1 реально!' пластини бу/ виконан! електроюкровим методом tohkî канавки - 0,05 мм, на однаковм вщета одна вд одно'!", причому на однш поверхн1 пластини канавки виконувалис горизонтально, а на друпй половит - вертикально. В канавки була нанесен тонким шаром термофарба. Пот1м обидв1 частини з'еднувались в одне цт пластина кртилася мехаычним шляхом на р1зець. Кртлення проводилось : допомогою спец1ально"! накладки, яка стискувала пластину по фасках i одночасн притискувала обидв1 частини пластини одна до одно! Експерименти г вим1рюванню температури р1зання проводилися при рюних режимах рюанн Температура р1зання вим1рювалась в деюлькох площинах пластини.

Був проанал1'зований вплив змжи розподтення теплового потоку, вщбиття ; граней реального ¡нструменту, температури заготовки, нелЫейжсть плофшчних властивостей материалу реального ¡нструменту. Вплив змжи ¡зподтення теплового потоку вздовж довжини контактно'! зони на розподтення мператур усередиж реального ¡нструменту виявились незначними та найбтьш довтьним виявилося piBHOMipHe розподтення теплового потоку вздовж |вжини контакту.

Змжа величини теплового потоку qh, яке входить в ¡нструмент по заджй 3hi, не привело до ствпадання ycix розрахованих ¡зотерм з спериментальними та справило вплив лише на положения максимума мператур.

Результати розрахунюв показують, що змша ттьки величин теплових itokîb, яю входять в ¡нструмент по передней i заджй поверхнях та ïx яподтення вздовж довжини контакту, не приводить до бажаного результату ис. 2(в)).

Параметри, що впливають на розподтення температур, це - коефМенти *биття теплових noTOKie вщ граней ¡нструменту. Bei попередж розрахунки юводилися при Rr=Rc, Rs=0, але як ттьки були прийнял до уваги коефМенти дбиття тепла вщ бокових граней (Rcs=Rrs-Rs=0,S), cryniHb сгпвпадання (зрахованих температурнихх noniB з експериментальними одразу виросла (мал. а)), та виникло зменшення величини теплового потока, який входить в :трумент по заджй noBepxHi. Невеличке нествпадання ¡зотерм при низьких мпературах може бути пояснено охолоджуючим впливом державки.

Для досягнення найкращого а-пвпадання розрахованих та спериментальних температурних полю в модель були включеж змти плоф(зичних параметр(в матер1алу р|'зальноУ пластини з пщвищенням мператури (мал. 2(6)). Введения HeniHiüHCCTi теплоф!зичних параметр!в не пьки збшьшило точнють розрахунюв, але й привело до зниження температури i noBepxHi контакту до цтком прийнятих меж (6с=1171°С, Qmax=1300°C).

Результати розрахунку температури в pi3i4i в З-мфному координатному >ocTopi представлен! на мал. 2(г).

Для досягнення найбтьш повного представления теплоф1зичних процеав, :i виннкають при обробц! г.»етал1'в ркзанням в данм модел1 був введений ще один ¡раметр - температура п!дirpiBy заголвки 0аМ. Цей параметр може справляти грьйозний вплив на шцевий результат розрахунив, тому що материал заголвки е до проходження зони зеуву, вже niAirpiTHîi до певноТ температури повпря в0, о збтьшуе середню температуру в зож зеуву, тепловий потж, який входить в ружку, а вщповщно i тепловий полк, що входить до ¡нструменту.

Використання цього методу для розрахунку температурних noniB можна жазати при pi3aHHi твердосплавною (Ti-Wc-Co) реальною пластиною та нералокерамЫною (А1203) р!зальною пластиною (мал. 3(а)).

Пор|'вняння контактних температур на переджй та заджй поверхнях для двох зних матер!алю представлено на рис. 3(6). Значения фактору теплопередач'| ¡ердосплавно'! та мжералокераммноТ реально'! пластини дор1внюе 0,818 та 086 вщповщно.

g

Ц1 результати показують задовтьну стугпнь сшвпадання розрахованих ■ експериментальних температурних пол1в, однак спостер1гаеться деж неспшпадання ¡зотерм бтя контактно!" поверхнк Це пояснюеться тим, що реальних умовах тепловий пош не е стабтьним та стацюнарним, а також ти! що в процеа р1зання вщбуваеться зное р1зального ¡нструменту. Але не дивлячис на це точнгсть запропонованого методу лежить у межах 1-3%.

7 О 4 / ?

/V Г к у У ? / •

В / / Р

4 /

/

Е

/?„ = я,. = = 0,9

(а)

.. - ь Л 5 / / /. Т. г;

' 7 ■ А / / г / / / /

в / / У /

- С V /

____ п , 2' /

1 "' ' ' П

К, = 0,0054 Вт/м'С (б)

(в)

(Г)

Рис. 2. Порщняння результате розрахунку з експериментальними даними.

УС 1 ЮО»С

ШО'С 938'С

9, Г938-С/ V! /

^631 У ' / У ) / /

'ЛуУ С у' / /

__— / V

\ \

1 272®С 1 -и

6Э1®С —Т* У У „ // ) ' /

У /

1 7

к 272'С ~

1

ТЮ -1Л/С-Со

А1г03

(а)

*с

........... / .....

Твврд^лй сягеш Т15КВ

/ Ч

Шиерзпяяграм* ка ЦМ 322

¡>сг «« «з« з»«« «и

ска

*С

Таераый сялза Т15К6 .. /

»Лянерзлоквргмйм ЦМ 332

/

о.« ш ае а»

»г тега

Передня поверхня

Задня поверхня

(б)

С»!

Рис. 3. Пор1вняння результата розрахунку з експериментальними даними для твердосплавного та мЫералокерамнного р1зального ¡нструменту.

и

Вплив температурних та мехажчних властивостей оброблюваного матер1ал^ були вивчеж в багатьох роботах. В результат! встановлеж складж не монотонн залежноси, так як практично ва' властивосп' матер|'ал|'в нелЫейно змЫюються г ростом температури. Однак, практично вщсутж дослщження, яю показують вплие х|'м1чного склад у оброблюваних матерев на температуру. Така ¡нформацш дуже важпива особливо для жаромщних та важкооброблюваних сталей I сплав1в хМчний склад яких мае багато компонента. Кр1м того, маючи таю залежносл можна заздалегщь судити про температуру р1зання \ не ттьки для ¡снуючи> сплавю, але й прогнозувати п величину у новостворюваннях.

Аналй промислових даних по точшню бтьш як 60 найбтьш поширени) сталей та сплав1в за допомогою МГУА дав можливють встановити, що ва сплавк можуть бути розбит! на чотири групи для оц1нки впливу х1М1чнога складу.

В периш грут найбтьш ¡нтенсивно пщвищують температуру А1, Мо, 1Л/ Зниженню температури сприяе збтьшення в склад1 сплав1в Яе, Сг, а при чистови обробц1 - Л//' та V.

В друпй груп1 головними параметрами, яю пщвищують температуру е Сг, М Мп, V, №. Зниженню температури сприяе пщвиицення Б, С; а для чистово обробки - Мп.

В третш груш' пщвищенню температури сприяе збтьшення Сг та Мо, < зниженню П - 02.

В четверти груп! пщвищенню температури сприяе збтьшення Г/, А1, < зниженню - Л//', Б, С, А1.

Таким чином, на баз1 отриманих результата по х1м1чному складу нови: сталей та сплав1в можна прогнозувати величину змжи температури р!занн! вщносно температур для юнуючих матерев.

Огляд лтератури показав, що багато дослщниюв процесу р1зання вщм1чают лсний взаемозв'язок м1ж температурою р1зання '1 стмюстю ¡нструменту швидкгстю та температурою рйання. Згщно з цими тарировочним! залежностями, для дано!' пари матер1ал1в визначаеться температура р1зання, як вщповщае спйкосгп ¡нструменту. ЗмЫюючи режим р1зання - швидкють, подачу глибину р1зання, проводили розрахунок температури, теля чого п експериментальжй залежносл знаходили вщповщну ш спйюсть рйання.

Згщно з експериментальними даними для д1апазону температур 740-810° пр точшж стал1 45 рйцем Т15К6 та 570-715°С при точшж р1зцем Т15К6 з покриття! (ТЮ-ТЮЫ-Т1ЫСМ) маються однозначж залежносл мЬк температурою р1зання т спйюстю ¡нструменту. Аналопчж результати були отримаж для вах дослщжени сталей та сплав1в.

Анал1з результата, яю представлен! в табл. 3.3, вказуе на те, що з допомогою дано! методики можна розрахувати стюсть ¡нструменту досить точн для будь-якоТ ново! комбЫацм швидкост'|, подач1, глибини ршння на основ1 лиш оджеТ експериментальноТ залежностк

Для бтьш глибокого пщтвердження ц!вТ методики був проведений ря експерименлв для самих р1зних пар ¡нструментальних та оброблювану матерев, яю показали аналогичж результати.

Одним з головних показниюв процесу точшня е яюсть оброблених дeтaлe¡ яка характеризуемся в першу чергу точнютю /х геометричних розмрв 1

юрстюстю поверхж. Температура р1зання, впливаючи на багато параметр1в роцесу точжня, дуже сильно визначае 1 яюсть деталей. Для тонких вим!р1в юметричних розмрв деталей та позицюнування ¡нструменту був встановлений езпосередньо на станку безконтактний лазерний вим1рювач. Цей дифракцшний лмфювач був створений на кафедр1 виробництва прилад1в \ дозволяв проводи™ /1Мфи з точжстю до 1 мкм. Застосування цього вим1рювача в першу чергу эзволило вим1рювати температурж змщення рЬальноТ кромки при нагр1в1 та холодженж р|'зального ¡нструменту. Дослщження показали, що ц1 змщення ожуть сягати 30-40 мкм I вносити суттеву похибку при точшж прецезмних эталей. Використання вим1рювача на станку з ЧПУ дозволяе проводити зам1ри эталей при попереджй обробц1 \ вносити корекц1ю в програму обробки для )мпенсацн як теплових, так деформацмних та ¡нших вид1в похибок. Так при эч1нж гладкого цилщричного валу, закртленого мЬк центрами, похибка його аметру АО розраховуеться:

де Ру - рад1альна складова сили ршння; уь у2, уз - вщповщно жорсткють торта, передньоТ та задньоТ бабок; - довжина детали £ - модуль пружносп и атерюлу; I - момент ¡нерцм валу; х - поточна координата вздовж оа детали

Анал1з р1зних титв деталей I метод1в Тх кртлення на станку показав, що в агальному випадку похибка диметру може бути представлена у вигляд'| элЫома:

Коефщенти полшома /с,-/с5 можуть бути розрахован! по даним про сили зання та жорсткосп елементт. Однак, для отримання високоТ точностч краще эоводити зам1ри д1аметр1в деталей як мУмум в 5 перетинах. I маючи для 5 очень х 5 значень Лй, отримувати систему з 5 р1внянь з 5 невщомими. эзв'язання Ц1е"1" системи \ визначае коефщгёнти полшома, який дае можливють ■римати траектор1ю руху р1зального ¡нструмента, що компенсуе похибки зробки. Застосування цього методу дозволяе пщвищити точнють при точшж эталей вщ 2 до 8 разт.

Другий показник якосл деталей - шорстюсть поверхж, також тюно зв'язаний з ¡мпературою ргёання.

Вимфювання шорсткосл поверхж проводилось також новим лазерним этодом, який базуеться на анал1з1 дифракцмних просторово-частотних спектрв тромшювання, що розаюеться контролюемою поверхнею.

Практично повна ¡нформацт про розм1ри та форму мжронер1вностей, яю ворюються на поверхж при и обробц1, може бути отримана на основ1 анал^у юсторово-частотного розподтення ¡нтенсивност вщбитого поверхнею тромшювання.

Розроблена апаратура дозволила проводити вим1рювання шорсткосп за |итер1ем /?п з високою ефективнютю, швидюстю та точнютю до 0,03 мкм.

Одним з основних фактора суттево попршуючих чистоту поверхж е нарют, :ий утворюеться на р1зальнш площУ при визначених режимах р1зання. Анал1з жазуе, що для дано!' пари матер1ал1в р1зального ¡нструмента та оброблювальноТ

Лй = к1 + к2х + к3х2 + к4х3 + к5х

детал1 поява наросту визначаеться температурою р!зання. Тому необхщнс провести дослщження, щоб визначити максимальж величини температур, npi яких нарют зникае з р1зальноТ кромки для кожноТ пари матер!ал1в ¡нструмент запупвка.

На рис. 4. представлен! залежностч температури, величини наросту тг шорсткосп поверхж при точшж стал1 45 ¡нструментом з р1зальною пластинок Т15К6 без покриття та з багатошаровим покриттям (TiC-TiCN-TiNCrM).

Як видно з результата, чистота поверхн1 суттево полтшуеться при збтьшенн температури р1зання вище 800°С для pi3L(iB з багатошаровим покриттям Головною причиною полтшення шорсткост! поверхж е зниження наросту при ци: температурах.

Режима р1зання, при яких, зпдно розрахункам, температури р'1зання бул! вище вказаних, показали високу яюсть поверхн1, так як гарантували вщсутнют! наросту.

Аналопчж дослщження були поведеж при T04iHHi цтого ряду ¡нших матергали та були визначеж температури зниження наросту. При точены жаропрочногс сплаву ЭИ598 р1зцем ВК8 без покриття така температура дор1внюе 750 С, а : покриттям (7/ - Сл)Л/КИБ вона мае величину 700 С. При точшж стал1 12X18Н91 р1зцем ВК8 температура зникнення наросту - 690 С, а при точенж CTani P6Mi р1зцем Т15К6 вона сягае величини 730 С.

Зм1на величин подач, глибин або швидкостей р1зання, яю дають при точшн температуру рЬання вищу за вказану для даних матер1ал1в, дозволяють получит! детал'| з бшьш низькою шорюстю поверхн1. Таким чином, проводячи розрахуно температури р1зання, можна визначити режими рюання, за яких значенж LuopcTKOCTi невелию в зв'язку з тим, що зникае нарют на р1зальжй кромцк

Загальш висковки

1. Розроблений чисельний ¡терацжний метод для розв'язання 3-MipHo! зада1-розподтення температури на контактних поверхнях i усередеж рЬальнс частини ¡нструмента. Запропонована методжа базуеться на ¡терацмном; визначеж нового фактора теплопередачу який дозволяе суттево полтшит! точн1сть розрахунюв, що пщтвержуеться експериментами, проведеими з; допомогою спец1альних термофарб, яю наносяться на внутршж поверхн р!зця засобом, який cöepirae його теплопровщнють.

2. Розроблена методка компенсацм теплових, деформацмних та ¡нших похибо при точшж деталей за допомогою нового лазерного безконтактноп вим'|рювача, яка збтьшуе точжсть обробки вщ 2 до 10 pa3iB.

3. За допомогою розрахунку температур даж рекомендацм для визначенн: режима ргёання, що забезпечують низку шорсткють noBepxHi, величина яке вим1рюеться в реальному масштаб! часу новим лазерним безконтактниг рефлектометричним методом.

4. Розроблена ефективна реалюацш методики розрахунку температур! дляпризначення режимю рюання на язику програмування Microsoft Visui Basic 5.0 та скомпельованоТ для використання п пщ операцмними системам! Windows'95, Windows NT та систем САПР ТП.

Сталь45 (s=0,21 мм/об, t=1 мм): О - Т15К6

А - Т15К6 з покриттям (T¡C-TiCN-TiNGM)

350 V, М.ЫИК

1.

!__

< .—-1

у

к

/ > \

—/ \

i ! ¡

Г

(а)

36 12 10Ъ 18 216 2Í2 V.

Жаром!цний сплав ЭИ598 (S=0,064 мм/ot t=1 мм,). оВК8.

А ВК8 з покриттям {Ti-Cr)NKк

(б)

Рис. 4. Взаемозв'язок температурю ршння з стшюстью, шорсткостью поверхы та наростоутворенням.

Т15К6 - Сталь45

Таблиця 1

№ п/п V м/мин. S мм/об Т мм е°с Трмин. Тэте. МИН.

1 300 0,21 1 980 18 20

2 200 0,21 1 870 53 48

3 300 0,3 1 1060 11 14

4 300 0.21 1.5 1010 21 18

Таблиця 2

Т15К6 з покриттям - Сталь 45

№ п/п V м/мин. S мм/об Т мм е°с Тр мин. Тэкс мин.

1 400 0,21 1 850 42 35

2 300 0,21 1 810 50 57

3 300 0,3 1 840 45 38

4 300 0,21 1.5 820 56 52

5. Визначена зона ефективного застосування ц!еТ методки та проведени системний анал1з впливу xiMi4Horo складу важкооброблюваемих сталей сплав1в на температуру р1зання.

6. Результата дисертацмноТ работа реал^оваш у виробництв1 у вигля; алгоритма та програм як для призначення ефективних режим1В р1зання, так для створення самонавчаючих ¡нтелектуальних комп'ютерних виробничи систем.

QcHOBHi положения дисертаим викладеж в слщуючих роботах:

1. Остафьев С. В., Расчет температурных полей на контактных поверхности режущего инструмента И Проблемы трибологии 1997 - №2, с. 119 - 123

2. Румбешта В. А., Остафьев С. В., Глоба А. В. Математические модел обрабатываемости металлов. // Технический научный сборник, Национальны технический университет Украины «Киевский политехнический институт», изд во «Междунар. Фин. Агенство», Киев 1997 г. с. 31 - 36 (Здобувачем виконан розрахунки за допомогою МГЗА впливу xiMi4Hnx компонента на температур р^ання)

3. Ostafiev V., Tymchik G., Ostafiev S. Precision turning monitoring by laser metroloc // Manufacturing Systems, Vol.24, 1995, No.4 p. 343 - 348. (Здобуваче розроблени алгоритми та програми для компенсаци похибок на станках с ЧПУ)

4. Ostafiev V.,Sakhno S., Tymchik G., Ostafiev S. Laser diffraction method of surfac roughness measurement // Journal of Material processing technology No.63 199/ p. 871 - 874. (Здобувачем виконани експеременнти для оцшки T04HicTi т дюпазона вимфювання шорхост!).

5. Остафьев Д. В., Остафьев С. В. Способ контроля качества режуще! инструмента. Патент Украины №94107371 от 11.07.97. с. 8. (Здобуваче розроблен 3aci6 оцЫю якосл р1жучого ¡нструмента по температур! р1зання).

АНОТАЦ1Я

Остаф'ев С.В. Методика розрахунку температури при T04iHHi та П вплив н яюсть деталей. - Рукопис.

Дисертац1я на здобуття ступеню кандидата техжчних наук за спец1альнют! 05.03.01 - "Процеси мехажчноТ обробки, верстати та ¡нструмент". Нацюнальни техннний ужверситет Украши "КиТвський полп-ехжчний жститут". КиТв. 1998.

Захищаеться чисельний ¡терацжний метод для розв'язання З-MipHOi зада1 розподтення температури на контактних поверхнях та усередиж р'1зальн< частини ¡нструмента. 1терацшне введения фактора контакту дозволяе суттев покращити точнють розрахунюв, що пщтверджуеться за допомогою термофар( яю наносяться на внутршж поверхн1 рюця засобом, який дозволяе зберегти йог теплопровщнють.

Розроблена ефективна реал1зац1я методики розрахунку температур дл визначення стмкосл ¡нструмента та пщвищення якосл деталей за допомого безконтактного лазерного вимфювача геометричних po3MipiB т рефлектометричного методу вимфювання шорсткост'к Результати робот пройшли виробничу апробацад.

Ключов1 слова: температура рйання, чисельж ¡терацмж методи, фактор нтакту, стшють, геометрична точнють, шорстюсть noeepxHi, лазерна хнолопя.

АННОТАЦИЯ

Остафьев С.В. Методика расчета температуры при точении и ее влияние на чество деталей. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по ециальности 05.03.01 "Процессы механической обработки, станки и ютрумент". Национальный технический университет Украины "Киевский литехнический институт". Киев. 1998.

Защищается численный итерационный метод для решения 3-хмерной задачи юпределения температуры на контактных поверхностях и внутри режущей !сти инструмента. Иттерационное введение фактора контакта позволяет щественно улучшить точность расчетов, что подтверждается с помощью рмофарб, наносимых на внутренние поверхности резца, способом, охраняющим его теплопроводность.

Разработана эффективная реализация методики расчета температур для [ределения стойкости инструмента и повышения качества деталей с помощью :сконтактного лазерного измерителя геометрических размеров и ¡флектометрического метода измерения шероховатости. Результаты работы юшли производственную апробацию.

Ключевые слова: температура резания, численные иттерационные методы, актор контакта, стойкость, геометрическая точность, шероховатость >верхности, лазерная технология.

SUMMARY

Ostafiev S.V. Temperature calculation method for turning and the workpiece quality ¡pendence on the temperature.

The thesis is presented to the candidate of technical science degree on the field of e speciality 05.03.01. Machining processes, machine and cutting tools. National schnical University of Ukraine". Kiev Polytechnical Institute". Kiev. 1998. The numerical iteration method for 3 dimentional temperature distribution on the »ntact surfaces and into cutting tools is partented. The iterational presentation of the irface factor has significant improved the uccuracy temperature calculation that has :en prooved by thermapaints experiment covered of internal cutting tool surface thout tool thermocondactivity changing.

The developed temperature calculation method is effectively applied to the tool life termination and workpiece quality improvement using the laser measurement ivoice and reflectometric laser system for the surface roughness determination. The esis results have passed the industrial approval.

Key words: cutting temperature, numerical iterational method, surface factor, tool э, dimentional accuracy, surface roughness, laser technology.