Влияние элементов режима резания на температуру резания при точении

Методические указания к лабораторному занятию по теория резаниям

(для студентов специальности 5В071200 – Машиностроение)

Алматы 2012

Цель обучения: Ознакомление с методами измерения температуры в зоне резания; приобретение навыков определения температуры в зоне резания, обработки экспериментальных данных и получения эмпирических зависимостей; установление влияния на среднюю контактную температуру зоны резания скорости, подачи и глубины резания.

Методические рекомендации токарно-винторезный станок; заготовка с изоляцией; резцы токарные проходные; приборы для измерения углов резца; приспособление для измерения температуры резания методом естественной термопары; милливольтметр; тахометр; штангенциркуль.

До начала работы следует замерить углы резцов.

Температура в зоне резания определяется методом естественной термопары.

Перед началом проведения опытов следует убедиться в тщательности закрепления заготовки и инструмента, проверить изоляцию резца и детали, правильность подключения милливольтметра.

Рекомендуемая литература:

1 Грановский Г.И., Грановский В.Г. Резание металлов. Учебник для машиностроит. и приборостроит. спец. вузов. –М.: Высш.школа, 1985.

2 Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов. -М: Машиностроение, 1975.

3 Технология обработки конструкционных материалов. [Учебник для машиностроительных специальностей вузов. / П.Г.Петруха, А.И.Марков, П.Д. Беспахотный и др. ]; Под ред. П.Г.Петрухи. –М.: Высшая школа., 1991.

4 Коженкова Т.И., Фельдштейн Е.Э. Лабораторные работы по резанию металлов: [Учебное пособие по специальности 2501 «Технология машиностроения, металлорежущие станки и инструметы»]. -Минск: Высшая школа, 1985.

Лабораторная работа 6

Влияние элементов режима резания на температуру резания при

точении

Цель работы. Ознакомление с методами измерения температуры в зоне резания; приобретение навыков определения температуры в зоне резания, обработки экспериментальных данных и получения эмпирических зависимостей; установление влияния на среднюю контактную температуру зоны резания скорости, подачи и глубины резания.

Вопросы для самоконтроля. 1. Основные источники возникновения теплоты при резании металлов. 2. каков тепловой баланс при резании металлов? 3. Что подразумевается под термином «температура резания»; от чего она зависит? 4. Методы определения температуры при резании металлов. 5. Сущность фотоэлектрического и калориметрического методов, термокрасок и микротвердости. 6. Характеристика методов искусственной и полуискусственной термопары, их достоинства и недостатки. 7. Особенности методов прижимной и бегущей термопар. 8. Метод естественной термопары, его достоинства и недостатки. 9. как проводится тарировка термопары? 10. Факторы, влияющие на величину температуры резания при точении. 11. Как влияет на температуру резания скорость резания; чем можно объяснить такой характер влияния? 12. Как влияют на температуру резания подача и глубина резания; чем можно объяснить такой характер их влияния? 13. Как влияют на температуру резания геометрические параметры резца, свойства обрабатываемого материала, смазывающе-охлождающие жидкости?

К р а т к и е т е о р е т и ч е с к и е с в е д е н и я

Одним из главных факторов, определяющих характер и результаты процесса резания, является теплота, образующаяся в зоне резания. Законы теплообразования объясняют целый ряд явлений, связанных со стойкостью инструмента и качеством обработанной поверхности. Чтобы правильно использовать режущий инструмент, необходимо знать эти законы.

Основными источниками возникновения теплоты при резании металлов являются:

работа, затрачиваемая на деформации в срезаемом слое и в поверхностных слоях детали, А_деф.

работа, затрачиваемая на преодоление трения по передней и задней поверхностям инструмента, А_тр.п.п., А_тр.з.п..

Суммарная работа, затраченная на процесс резания, будет равна А=Адеф+А_тр.п.п.+А тр.з.п. Работа резания, произведенная за одну секунду, равна:

W=P_ZV,

где P_z — сила резания, Н; V — скорость резания, м/с.

Установлено, что практически вся механическая работа резания (99,5 %) переходит в теплоту, следовательно, количество тепла, выделяющееся при обработке резанием за 1 с, равно

q = PzV.

Небольшая часть работы переходит в потенциальную энергию искаженной кристаллической решетки деформированных зерен металла (поглощенная энергия деформации). Это связано с тем, что стружка, обработанная поверхность и трущиеся поверхности инструмента претерпевают наклеп. Поэтому более точно формулу можно выразить так:

W=P_zVα,

где α — коэффициент, учитывающий указанные потери, незначительные по величине. Обычно этими потерями пренебрегают.

Следовательно, общее количество тепла, выделившееся при резании, зависит от деформации срезаемого слоя и трения на контактных площадках передней и задней поверхностей инструмента.

Образовавшаяся в процессе резания теплота уносится стружкой, распространяется в деталь, резец и окружающую среду. Уравнение теплового баланса при резании будет иметь следующий вид:

Q= Q +Q +Q =Q +Q +Q +Q

где (Qдеф, Qтp.п.п, Qтр.з.п. — соответственно теплота, выделившаяся в результате работы деформации, трения по передней поверхности инструмента, трения по задней поверхности инструмента; Q_c, Q_Д, Q_ин, Q_ocр — соответственно теплота, распространяющаяся в стружку, деталь, инструмент, окружающую среду.

Опытным путем установлено, что Qдеф составляет примерно 55 %, Qтр.п.п —- 35%, Qтp.з.n— 10 %• При невысоких скоростях резания (30...40 м/мин) Q_c составляет примерно 60...70 %, Q_a— 30...40%, Q_ин — 3 %.

Если скорость резания значительно повышается, то тепло, образовавшееся в зоне резания, не успевает распространиться в деталь и инструмент, а уносится стружкой. Например, при V == 400...500 м/мин, Q_c составляет 97...98%, Q_ин 1 %.

На распределение тепла значительно влияет теплопроводность обрабатываемого металла. Например, при обработке титановых сплавов Q_ин=10...20%.

Степень концентрации теплоты в различных участках изделия, стружки и инструмента различна. Большое количество тепла концентрируется в определенных зонах, сильно повышает их температуру. Поэтому различные точки рабочих поверхностей инструмента, стружки и детали имеют различную температуру, доходящую до нескольких сотен градусов. Образуются температурные поля. Высокая температура изменяет свойства металла и определяет фактическую износостойкость инструментального материала. Температурные деформации детали снижают точность обработки. Поэтому важно знать, какие возникают температуры в разных условиях резания и каков характер их распределения при изменении условий работы.

Зависимости для расчета температуры резания выводятся двумя путями: а) определяются теоретически на основе теории теплопередачи; б) находятся эмпирические формулы путем непосредственного измерения температуры при изменении условий резания.

Таким образом, на основе теоретических и экспериментальных исследований можно показать зависимость температуры резания, а также температуры режущего инструмента и обрабатываемой детали от различных факторов.

Для определения температуры резания и температуры нагрева резца, стружки и заготовки применяют следующие методы: термопар (искусственной, полуискусственной, естественной); фотоэлектрический; термочувствительных красок; метод измерения микротвердости; калориметрический; цветов побежалости.

Наиболее широко применяются методы измерения температуры при помощи термопар. Известно, что если нагреть место спая различных металлов, оставляя при этом свободные концы при более низкой температуре, на концах проводников возникает термоЭДС, величина которой зависит от разности температур спая и более холодных концов. Замыкая цепь через милливольтметр, можно измерить величину термоЭДС. Такая цепь называется термоэлектрической.

Метод искусственной термопары заключается в том, что в резце просверливается отверстие малого диаметра, не доходящее до какой-либо точки передней или задней поверхности резца примерно на 0,2...0,5 мм, в которое вставляется изолированная термопара (часто медь — константан).

Температура в точке соприкосновения термопары и резца регистрируется включенным в цепь термопары гальванометром. Этот метод дает возможность определить температуру различных точек на передней и задней поверхностях резца, на поверхности стружки (Рисунок 55), т. е. найти температурное поле.

Недостатком его является сложность устройства и невозможность определить наивысшую температуру, так как измерение температуры фактически производится не на поверхностях контакта резца и стружки, а на некотором удалении от них.

Недостатком его является сложность устройства и невозможность определить наивысшую температуру, так как измерение температуры фактически производится не на поверхностях контакта резца и стружки, а на некотором удалении от них.

В методе полуискусственной термопары одним из элементов служит сам резец, а другим — является константановая проволочка, протянутая через сквозное отверстие в резце и изолированная от стенок отверстия. Такая проволочка выводится через отверстие на переднюю или заднюю грань инструмента, где и расклепывается (Рисунок 56).

Метод полуискусственной термопары дает более точные результаты, но, обеспечивая измерение температур в данных точках поверхности, не дает возможности изучить закономерности влияния элементов режима резания на наивысшую температуру процесса резания. Резец допускает малое количество переточек. При использовании метода полуискусственной термопары элементом термопары может служить также деталь. При обработке детали проволочка перерезается и получается нагретый контакт ее с деталью. Можно также использовать термопару, состоящую из изолированной от детали, заложенной в разъем детали проволочки и инструмента.

Искусственные и полуискусственные термопары могут быть прижимными, защемленными, перерезаемыми и бегущими.

Примером прижимной термопары является скользящая термопара хромель—алюмель или платина—платинородий, закрепленная на подставке из твердого сплава, подведенная до касания со стружкой (Рисунок 57).

1 - твердосплавная подставка, 2 - платина, 3 - платинородий, 4 - резец Рисунок 57. Измерение температуры резания методом скользящей термопары

Защемленные термопары закладываются в канавки, изготовленные в разъеме инструмента или детали, после чего половинки инструмента или детали скрепляют до одного соприкосновения. Проводники термопары дополнительно изолируют.

Перерезаемые и бегущие термопары используются для изучения законов распределения температур на кромках и контактных поверхностях инструмента. Примером использования перерезаемых термопар являются устройства, показанные на рисунке 58 и 59.

Рисунок 58. Схема установки Рисунок 59. Схема устройства с

защемленной термопары в резце перерезаемой (1) и искусственной (2)

термопарами при исследовании тем-

пературы в процессе сверления

Две половины изделия тщательно обрабатываются по плоскости разъема I-I. В канавки одной из половин закладываются изолированные проводники 1 и искусственные термопары 2. Тщательная подготовка плоскостей разъёма обеспечивает защемление проводников, безударную работу инструмента и плавное перерезание проводника. При перерезании проводников они контактируют с изделием и инструментом, образуя полуискусственные термопары, регистрирующие температуры разных точек режущей кромки инструмента. Искусственные термопары регистрируют температуру разных точек изделия.

Принципиальная схема бегущей термопары представлена на рисунке 60. Деталь имеет гребни в форме спирали. В них сверлят отверстия диаметром 0,5...0,7 мм, в которые вставляют защитные трубки с двумя изолированными проводниками термопары. Трубка из обрабатываемого или близкого к нему по свойствам материала защищает проводники от преждевременного замыкания. При перерезании резцом трубки проводники замыкаются, и на поверхности резания образуется точечная термопара, которая движется вместе с прирезцовым слоем стружки по передней поверхности, что позволяет записать распределение температуры по длине контакта. Участки проводников, оставшиеся в заготовке, позволяют определить распределение температуры вначале по задней грани, а затем температуру поверхности резания.

K 1 1 3

1,2- 1, 2 - электроды термопары; 3 - защитная

трубка; 4 - деталь; К₁К2,Кз,К₄ - контакты

термопар

Рисунок 60. Схема измерения температуры бегущей термопарой

В методе естественной термопары элементами термопары служат деталь и резец, которые, будучи разнородными металлами, в процессе резания имеют сильно нагретый контакт, являющийся спаем этой термопары. Концы резца и детали имеют значительно более низкую температуру. Одна из распространенных схем естественной термопары приведена на рисунке 61. Заготовка 1 изолируется от станка при помощи диэлектрических прокладок и текстолитовой вставки 2 в деталь, на которую опирается задний центр станка. Резец 3 изолируется от резцедержателя станка при помощи прессшпановых и текстолитовых прокладок 4. Для замыкания контакта с деталью в заготовку ввертывается стержень 6, диаметр которого меньше, чем отверстие в шпинделе. Этот стержень при выходе из шпинделя проходит через текстолитовую втулку 8, чтобы избежать соприкосновения со шпинделем. На конце стержня установлен токосъемник 7, который обеспечивает надежное замыкание вращающегося и неподвижного участков цепи. Возникающая в процессе резания термо ЭДС регистрируется гальванометром 5.

Рисунок 61. Схема измерения температуры резания методом естественной термопары

Для устранения дополнительных паразитных термопар, возникающих, в местах стыка деталей станка с заготовкой резец и заготовку изолируют от станка. При исследованиях, не требующих высокой точности, установка может быть значительно упрощена. Деталь не изолируют от станка, считая, что роль возникающей дополнительно термопары ничтожна из-за слабого разогревания заднего центра по сравнению с резцом. В связи с этим провод, ранее присоединяемый к детали, можно присоединить к любой точке станка.

Метод естественной термопары простой. Его недостатком является сложность и необходимость тарирования при каждом изменении материала детали или инструмента.

Естественная термопара измеряет некоторую среднюю температуру, тогда как на площадке контакта стружки и передней грани инструмента в процессе резания развивается различная температура в разных точках контакта. Отношение этой средней температуры к наивысшей непостоянно.

Естественные термопары могут также применяться и для измерения средних температур на каждой из контактных площадок в отдельности и для изучения закона распределения температур на поверхности соприкосновения стружки с резцом. Примером такого устройства является разрезной резец (Рисунок 62). Он состоит из пластин 1 и 2. закрепленных в державке. Одна из пластин — из диэлектрика (минералокерамика), вторая — из токопроводящего материала. Меняя пластины местами при f0, в процессе резания можно измерить средние температуры на каждой из контактных поверхностей в отдельности. Применяя резцы с разными размерами фаски f на пластине из диэлектрика, можно измерить средние температуры на отдельных участках передней поверхности инструмента со стружкой и составить представление о законе распределения температур на этой контактной площадке. Но при этом допускается ряд погрешностей по сравнению с реальным процессом резания, в частности, изменяются условия трения на передней поверхности, интенсивность и направление тепловых потоков из-за различий в свойствах используемых инструментальных материалов.

 

Рисунок 62. Разрезной резец Рисунок 63. Схема фотоэлектри-

ческого пирометра для измерения

температуры инструмента, детали и

стружки

Фотоэлектрический метод измерения температур в зоне резания (Рисунок 63) основан на принципе собирания лучеиспускаемого тепла с участка нагретой поверхности 1 с помощью линз 2 и направления его на фотосопротивление 3. Под действием теплового излучения в фотоэлементе возникает ток, который усиливается усилителем 4 и регистрируется измерительным устройством 5. Фотоэлектрический метод позволяет измерять температуру различных участков зоны резания и определять температурные поля на передней и задней поверхности резца.

Недостатками метода являются сложность конструкции устройства и влияние окисных пленок, появляющихся в процессе резания на исследуемых поверхностях, на точность показаний.

Методом измерения микротвердости можно получить приближенное температурное поле поверхностей инструмента. Этот метод основан на том, что нагрев инструментальных материалов (быстрорежущей стали выше 550°С, твердого сплава выше 900°С) ведет к снижению их микротвердости, а величина снижения при одинаковом времени пропорциональна температуре. Метод дает значительные погрешности.

Калориметрический метод используют для определения всего количества тепла, выделяющегося в процессе обработки резанием, а также для определения тепла, переходящего в стружку или инструмент.

Улавливая в калориметр горячую стружку, зная массу стружки и воды в калориметре и изменение температуры воды, можно определить среднюю температуру стружки (Рисунок 64). Есть также, калориметры, в которые погружают деталь и инструмент.

Методом термочувствительных красок можно определять максимальные значения температур сходящей стружки на ее поверхностях, не соприкасающихся с резцом. Метод прост, но не позволяет определять температуру сильно нагретых поверхностей.

Можно приближенно регистрировать уровень температуры на резце, фиксируя момент плавления проволок диаметром 0,5...1 мм из олова (238С), свинца (327°С), цинка (419°С), алюминия (660°С), меди (1083°С), плотно вставленных в радиально просверленные отверстия обрабатываемой заготовки.

а) для определения средней температуры стружки; б) для определения

общего количества выделившегося при резании тепла

Рисунок 64. Схемы калориметров

Тарирование термопар. Большинство методов, используемых в настоящее время для измерения температуры резания, фиксируют не непосредственные значения температур, а параметры электрической цепи, например, напряжение (мВ).

Для того, чтобы перейти от показаний в милливольтах к градусам, каждое устройство должно быть протарировано с тем прибором, который будет включен в его цепь при замерах температуры.

Тарирование термопары заключается в том, что определяется соответствие значений температуры показаниям милливольтметра, включенного в цепь термопары. Для этого помещают спай термопары в среду, температура которой известна, и фиксируют показания милливольтметра, соответствующие разным температурам. Затем строится тарировочный график, по которому расшифровываются показания милливольтметра термопары после проведения опытов. Температура холодных концов при тарировке должна быть такой же, как в процессе работы.

Правильная методика тарирования обеспечивает достоверность результатов экспериментов. В настоящее время наиболее распространены два метода тарировки термопары.

При тарировании естественной термопары первым методом в металлическую ванну (из свинца, олова, сурьмы), подогреваемую каким-либо источником тепла, вставляются применяемый при опытах резец и стружка от обрабатываемой заготовки или стержень из материала заготовки. Они не спаиваются, но являются как бы термопарой. В эту же ванну в непосредственной близости от указанной термопары вводится так называемая "контрольная" термопара с проградуированным ранее гальванометром (Рисунок 65).

При подогреве и охлаждении ванны через определенные промежутки времени регистрируется ее температура, указываемая «контрольной» термопарой, и показания гальвонометра тарируемой термопары. По полученным результатам строится график, показывающий значения температуры, соответствующие различным показаниям гальванометра тарируемой термопары.

Этот метод тарирования не воспроизводит действительных условий работы резца, так как не обеспечивает одинаковые площади контакта обрабатываемого металла с резцом. При тарировании температура контактной поверхности постоянная, между тем как на площади контакта стружки и передней поверхности инструмента в процессе резания развивается различная температура. Таким образом, измеряемая при тарировании термопар температура является усредненной.

При втором методе (Рисунок 66) пластинка 1 из материала инструмента приводится в плотный контакт с нагревателем 3 в виде нихромовой пластинки. С другой стороны к нагревателю прижимается стержень из обрабатываемого металла 2. К нагревателю приварены две тонкие пластинки, представляющие собой расплющенные концы проводов из меди и константана. Они обазуют контрольную термопару 8. Нагрев нихромовой пластинки 3 осуществляется переменным током через трансформатор 4. Для регулирования температуры нагрева служит реостат 5. Температуру пластины нагревателя регистрируют контрольным гальванометром 7. Соответствующие определенным температурам нагревателя и торцов тарируемой термопары термоЭДС регистрируются милливольтметром 6. По полученным данным строится тарировачный график.

В процессе экспериментального исследования температур можно найти эмпирические расчетные зависимости вида

Θ =f(V,a,b, k ,k ,γ,α,φ,h, k ),

где b — ширина, а — толщина срезаемого слоя; V — скорость резания; k — коэффициент, учитывающий свойства обрабатываемого материала; k_ин — коэффициент, учитывающий свойства инструментального материала; γ,α,φ — геометрические параметры инструмента; h — износ инструмента; k_охл — коэффициент, учитывающий условие охлаждения.

Рисунок 66. Схема контактного способа тарировки термопар

Оценивая влияние разных факторов на температуру резания, нужно исходить из того, как этот фактор с одной стороны влияет на количество выделяющегося тепла, а с другой — на отвод тепла из зоны резания.

Количество тепла (Вт), выделяющегося при резании за единицу времени зависит от работы резания: Q=P_ZV.

Изменение скорости резания влияет на температуру резания более всех других факторов. Если бы с изменением скорости сила резания не изменялась, то работа резания и количество выделяющегося тепла возрастали бы прямо пропорционально. Но с увеличением скорости сила резания немного уменьшается. Поэтому с увеличением скорости резания работа резания и зависящее от нее количество выделяющегося тепла увеличиваются, но их рост отстает от роста скорости резания.

С другой стороны, чем выше скорость резания, тем большая доля тепла уносится стружкой, не успевая распространяться в инструмент и деталь. В результате, чем выше скорость резания, тем в меньшей степени возрастает температура резания. Кривая зависимости Θ=f(V) асимптотически приближается к линии температуры плавления. При точении сталей:

Θ=C_VV^ZΘ,Z_Θ=O,3...O,5.

С увеличением ширины срезаемого слоя прямо пропорционально растет сила резания, а также работа резания и количество выделяющегося тепла Но в такой же мере растет ширина контакта инструмента со стружкой и деталью, т.е. нагрузка на единицу длины режущей кромки не увеличивается. Условия теплоотвода улучшаются. В связи с этим температура резания с увеличением ширины срезаемого слоя растет незначительно. Для сталей

Θ = P_bb^XΘ, X_Θ = 0,1.

С увеличением толщины среаемого слоя сила резания (при условии b/a>1) растет в степени меньше 1. Следовательно, увеличение работы резания и количества выделяющегося тепла отстает от увеличения толщины среза.

С другой стороны, с увеличением толщины срезаемого слоя сдвигается центр давления стружки на резец, несколько увеличивается площадь контакта стружки с передней поверхностью резца, что способствует некоторому улучшению теплоотвода. В связи с этим при увеличении толщины срезаемого слоя рост температуры резания значительно отстает от роста толщины среза. Но нагрузка на единицу длины режущей кромки увеличивается. Теплоотвод улучшается в меньшей мере, чем при увеличении ширины среза. Поэтому, несмотря на то что количество тепла при увеличении толщины среза растет меньше, чем при увеличении ширины срза, из=за условй теплоотвода толщина среза влияет на температуру резания в значительно большей степени, чем ширина среза (Рисунок 67). Для сталей:

Θ = P_aa^YΘ, Y_Θ = 0,2...0,3.