Тепловые процессы в технологических системах

Q_A / Q + Q_B / Q+ Q_C / Q = 1 или А+В+С = 1

А, В, С - безразмерные доли поглощенной, отраженной и пропущенной энергии в общем ее потоке

Поток лучистой энергии, направленный на поверхность тела может:

- полностью поглощаться;

- отражаться от поверхности;

- проходить сквозь поверхность.

1.A=1, B=0,C=0 - это абсолютно черное тело, полностью поглощающее всю энергию, падающую на него.

2.B=1, A=0, C=0 - это зеркальное тело, полностью отражающее тепловой поток.

3.C=1, A=0, B=0 - это абсолютно прозрачное ( проницаемое ) тело для тепловых лучей.

Все эти понятия условны, так как нет абсолютно черных, прозрачных и проницаемых тел.

Сажа - близка к 1, чистый горный воздух - близок к 1, полированный металл имеет коэф. ? 1.

Способность тела поглощать энергию теплового излучения зависит от физических свойств тела, шероховатости поверхностей, и температуры.

Степень черноты тела определяется из отношения плотности Е потока собственного излучения тела к плотности потока Е₀ абсолютно черного тела:

е = Е /Е₀ 0 < е < 1

Например, для стали и чугуна в зависимости от шероховатости поверхности имеем: е = 0,4…0,7,

для алюминия е = 0,06…0,2.

Согласно закону Стефана-Больцмана плотность излучения абсолютно черного тела примерно равна его температуре в 4-й степени:

E=C_0?(и/100)^4,

C₀ = 5,7·10^-4, Вт/ см²· ⁰К⁴

- коэффициент излучения абсолютно черного тела.

Для расчетов и анализа количества излучаемой теплоты, необходимо знать площадь, температуру, время излучения, степень черноты. Следует также учитывать взаимное расположение тел.

Обобщенный алгоритм теплофизического анализа (по А.Н. Резникову):

1. Выясняют число, местоположение источников (стоков) теплоты, мощность, время функционирования источников в системе или подсистеме;

2. Определяют размеры, формы площадок и объемы, где действуют источники (стоки) теплоты; законы распределения плотности потоков для каждого источника, которые могут быть выбраны для различных вариантов (см. табл.)

3. Схематизируют формы и свойства тел, форму источников, действующих в системе.

4. Принимают вид математического описания граничных условий на поверхностях тел, не занятых источниками и стоками теплоты.

5. Разрабатывают структурную схему теплообмена, где в качестве отдельных компонентов фигурируют твердые тела, участвующие в технологической системе. Для каждого компонента схемы показывают как действующие фактические, так и итоговые источники, имитирующие теплообмен между соприкасающимися телами.

6. Кодирует тепловые задачи для каждого из твердых тел, входящих в структурную схему теплообмена.

7. В соответствии с кодом тепловой задачи устанавливаем вид теоретических расчетных формул и поправки, полученные экспериментальным путем.

По этим выражениям составляет расчетные варианты для определения средней температуры на каждой из контактных площадок каждого из твердых тел.

8. Решают совместно выражения для определения средних температур контактных площадок соприкасающихся тел, рассчитывают плотности итоговых потоков теплообмена между твердыми телами.

9. Математически описывают закономерности, соответствующие целям теплофизического анализа.

Кодирование тепловых задач

При решении тепловых задач в технологических системах имеется большое количество вариантов условий однозначности. Запись этих условий весьма громоздка.

Пример: двумерный источник, площадка которого ограничена в двух направлениях;

симметрично нормально распределенный по направлению x_i ;

равномерно распределенный по оси y_i ;

движется с заданной скоростью;

в течение времени длительностью ф;

по поверхности полупространства

с граничными условиями 3-го рода ( теплообменом с окружающей средой пренебречь нельзя, задаются ?⁰ среды, с которой соприкасается тело, коэффициент теплоотдачи ).

При кодировании тепловых задач для каждого источника и стока теплоты используют три группы символов:

первая группа символов содержит информацию о мерности (М), конфигурации зоны тепловыделения (К) и ограничений для источников (О);

вторая группа включает законы распределения плотности тепловыделения по осям координат (Р), скорость движения источника (С) и длительность функционирования (Д);

третья группа состоит из символов, фиксирующих форму тела (Т), на котором действует источник и род граничных условий (У).

Каждому символу соответствует 1…3 цифры. Разработана специальная таблица кодирования.

символ	признак источника и тела	код
М	точеный, 1,2,3-х мерный	0,1,2,3
К	прямой, плоский, призматический, кольцевой, призматический шар	1,2,3

Методы исследования температур в технологических системах

Известно, что наибольшее количество тепла выделяется в технологических подсистемах

1-го и 2-го уровня, где обрабатываются поверхности заготовок и получаем деталь. В этом процессе участвуют деталь, станок, инструмент, которые подвержены воздействию температуры, что в конечном итоге сказывается на качестве обработанных поверхностей, производительности и себестоимости изделий.

В связи с этим в теплофизическом процессе необходимо решать целый комплекс задач, среди которых

определение мощности источников тепловыделения,

определение закона распределения плотности теплового потока, общего количества выделяемой теплоты,

определение средней и локальной температур,

выявление законов распределения тепловых потоков на отдельных участках поверхности, внутри тела и т.д.

В зависимости от задачи выбирается метод измерения температур, что связано с

а) областью определения температур;

б) чувствительностью и мощностью термопреобразователей,

в) инерционностью датчиков,

г) внешними условиями проведения измерения и другими условиями.

Типы термопреобразователей:

Наибольшее распространение получили следующие типы термопреобразованелей:

1. Термопреобразователи, основанные на тепловом расширении жидкости, газа, твердого тела.

2. Термоэлектрические термопреобразователи ( термопары различных типов ).

3. Металлические термопары сопротивлений.

4. Полупроводниковые термопреобразователи сопротивлений.

5. Термочувствительные кварцевые резисторы.

6. Бесконтактные датчики измерения температур.

Методы измерений

1. Контактные.

2. Бесконтактные.

3. Колориметрические.

Контактные методы включают: термопары, термоиндикаторы, термометры.

Термопары: естественные, полуискусственные, искусственные.

Термоиндикаторы: химические, плавления, жидкометаллические, люминисцентные.

Термометры: ртутные, спиртовые, эфирные, керосиновые.

Бесконтактные методы: радиационные - фотоэлектрические, тепловизоры ( используют инфракрасное излучение, люминесцентные краски ); акустические ( длина волны зависит от температуры ), пневматические.

Калориметрические методы применяются для измерения количества теплоты; плотности теплового потока.

Классификация методов определения тепловых потоков и температур



Грановский Г.И. 8.8. Искусственная термопара. 8.10. Естественная термопара.

естественная термопара.

В.Ф. Бобров. Основы теории резания металлов. Машиностроение.1975.



Температурные шкалы

Под температурной шкалой понимают непрерывную совокупность чисел, линейно связанных с числовым значением какого-либо удобно и достаточно точно измеряемого физического свойства, представляющего собой однозначную и монотонную функцию температуры.

Для построения температурной шкалы выбирают две опорные точки - реперы. Расстояние между реперами носит название основного температурного интервала, который разбивается на N частей, 1/n часть основного интервала называется градусом.

Известны различные температурные шкалы. Например, Форенгейт в1723 году использовал в качестве термометрического вещества спирт и ртуть. Начальная точка шкалы, опорная - температура смеси снега с нашатырем или поваренной солью.

Международная практическая температурная шкала

В основу положены точные значения 6-ти постоянных точек температур (температур равновесных фазовых переходов некоторых чистых веществ), а также формулы, устанавливающие соотношение между температурой и показаниями приборов по 6-ти первичным постоянным точкам.

т.1. жидкий кислород и его пар -187,97^оС

т.2. лед и жидкой водой и водяным паром +0,01 ^оС

т.3. жидкая вода и ее пар +100 ^оС

т.4. жидкая сера и ее пар +444,6 ^оС

т.5 твердое и жидкое серебро +960,8 ^оС

т.6. твердое и жидкое золото 1063 ^оС

Технические характеристики термопар, используемых при исследовании процесса резания

1. Медь-константан.

Медь: 100%.

Константан: 58%-медь, 42%-никеля,

Верхний температурный предел 400 ⁰С.

2. Хромель-копель.

Хромель 89%-Ni, 9,8%-Cr, 1%-Fe, 0,2%-Mn,

копель 55%-Cu, 45%-Ni.

Температурные пределы 600-800 ⁰С.

3. Хромель-алюмель.

Хромель -

Алюмель 94%-Ni. 2%-Al, 2,5%-Mn, 1%-Si, 0,5%-Fe.

Tемпературные пределы 1000-1300 ⁰С.

Основные способы управления тепловыми процессами при резании лезвийным инструментом

В зависимости от конкретных задач регулирования термического режима в технологической подсистеме возможно

а) общее изменение температуры в зоне обработки и

б) изменение температуры отдельных участков инструмента, заготовки, т.е. направленное изменение температуры.

Общее изменение температуры:

- регулирование мощности теплообразования, за счет изменения сечения среза, уменьшения

толщины среза, увеличения скорости резания (>300 м/мин), направить тепло в стружку…

- регулирование длительности контакта инструмента с обрабатываемым материалом материалом;

- применение ротационного способа обработки

- применение СОЖ,СОС, СОТС: СОЖ- смазочно-охлаждающие жидкости, СОС- смазочно-охлаждающие среды, СОТС- смазочно-охлаждающие технические смазки; жидкости, газы, твердые смазки

- комбинированный подвод энергии в зону резания (подогрев, колебания)

Направленное изменение температуры:

- изменение площадей контакта между инструментом и изделием,

- рациональное расположение и параметры режущих пластин…

- применение дополнительных режущих кромок,

- учет теплопроводности режущего инструмента…

Смазывающие и охлаждающие среды

СОЖ предназначены для: уменьшения трения в зоне резания, охлаждения режущего инструмента и заготовки, облегчения процесса деформации металла, удаления стружки из зоны резания и уменьшения износа инструмента, временной защиты изделий и оборудования от коррозии. Все это увеличивает стойкость инструмента, улучшает качество изделий, снижает силы резания и потребляемую мощность.

По Гольдхану, Германия:

СОС можно подразделить на 4 основные группы:

1. Газообразные СОС.

2. Пластичные СОС.

3. Твердые СОС.

4. Жидкие СОС.

Газообразные: азот, аргон, гелий, кислородосодержащий воздух.

Пластичные: парафин, воск, пудра Al, Pb, используются в мелкосерийном производстве при резьбонарезании, протягивании, развертывании, полировании.

Недостаток: трудность нанесения, невозможность повторного использования.

Твердые:

а) неорганические (графит, молибден),

б) органические (воск, мыло, твердые жиры),

в) мягкие металлы (олово, свинец).

Жидкие:

1 класс: маслянистые,

2 класс: водосмешиваемые,

3 класс: быстроиспаряющиеся.

4 класс: расплавы некоторых металлов.

Не смешиваемые с водой обеспечивают смазку и охлаждение режущего инструмента.

Минеральные масла с присадками (сера и фтор).

Высоколегированные минеральные масла с присадками серы для операций глубокого сверления и фрезерования.

Водосмешиваемые. СОЖ: эмульсолы, полусинтетические (50%-H₂O, эмульгаторы 40%) обязывают присутствие нефтяного масла (1-5%).

Синтетические:

смесь полурастворимых полимеров, ингибиторов коррозии, биотинов, антипенных, противоизносных и др. присадок.

Растворы электролитов.

Основные требования к СОЖ в металлообработке

Уменьшение трения между инструментом, изделием и стружкой. Следовательно, это приведет к уменьшению износа инструмента, улучшению качества обрабатываемой поверхности, уменьшению изменений в структуре, уменьшению износа трущихся поверхностей в станке. Поглощение возникающей теплоты трения, что через охлаждение заготовки, узлов станка уменьшит отклонение в размерах деталей вследствие теплового расширения.

Транспортирование стружки из зоны резания.

Защита системы СПИД от возможного коррозионного воздействия.

Вспомогательные требования:

1.Выполнение требований и предписаний по защите здоровья и гигиены рабочего места.

2.Уменьшение вредного воздействия на окружающую среду (хранение и повторное применение).

3.Стабильность водосмешиваемых сред.

4.Нейтральное отношение плотности материала к лакировке, клеям и др.

Теплофизический анализ как средство повышения эффективности процессов механической обработки материалов и качества изделий

теплообмен технологический теплофизический материал

Согласно Резникову А.Н. при механической обработке материалов для анализа операций имеем следующую классификацию их признаков:

1. Вид инструмента:

- однолезвийный,

- многолезвийный,

- со стохастическим расположением лезвий.

2. Режим резания:

- стабильный,

- нестабильный.

3. Наличие или отсутствие внешних источников тепла.

4. Наличие или отсутствие активного теплообмена с технологической средой.

5. Работа инструмента в комплекте с другими инструментами или самостоятельно.

Основа анализа при обработке резанием - это использование режущего клина как элемента, присущего всем этим инструментам.

ТОЧЕНИЕ

Принятые допущения.

Все источники тепла, действующие в зоне резания, можно считать быстродействующими и плоскими.

В плоскости сдвига ОВ принимаем закон распределения тепловых потоков равномерно распределенными.

В зоне контакта стружки с передней поверхностью обычно принимаем комбинированный закон для пары стружка-резец, которая складывается из несимметричного нормального и равномерно распределенного.

Сама стружка рассматривается в виде однородного стержня бесконечной длины. Поскольку процесс быстродействующий, то теплота в зоне резания не распространяется впереди инструмента. Теплообменом с воздухом (конвекция) пренебрегаем. Заготовка - полуограниченное пространство.

Резец (инструмент) - неограниченный клин с углом раствора в. Процессом наростообразования пренебрегаем.

Искусственного охлаждения в зоне резания нет.

Теплообменом между компонентами подсистемы пренебрегаем.

Скорость перемещения стружки превосходит скорость распространения теплоты. В связи с этим



влиянием источника эквивалентной теплоте трения на площадке резец-стружка и инструмент - на деталь не распространяется за пределы плоскости ОВ.

Принятые допущения для воображаемой модели зоны резания на реальный процесс при теплофизическом анализе практически не влияют.

Итоговые потоки теплообмена при точении

Наиболее важен тепловой поток q_3, его плотность в 2,0…5,0 раз больше, чем потоков q₁ и q₂. Тепловые потоки, как показывают расчеты, изменяются во времени.

1. Начальный период - десятые доли секунды контакта инструмента с заготовкой. Тепловые потоки направлены в тело инструмента, так как резец холодный, а поверхности стружки и резания мгновенно нагреваются.

2. Прогревается режущий клин, через время ф тепловой поток q₂ меняет свое направление в сторону заготовки, которая становится своеобразным охладителем инструмента, оттягивая своей массой часть тепла через контактные площадки.

3. За период ф₂ - ф₃ тепловые потоки почти не меняются.

4. Затем, когда увеличивается износ инструмента, возрастает температура на задней поверхности, снижается абсолютное значение q₂, так как в режущем клине накопилось достаточное количество теплоты.

5. В зоне ф₄ потоки теплоты к заготовке и резцу уравновешиваются, q₂ = 0

6. При ф > ф₄ поток тепла в резец возрастает и создаются условия для полного затупления инструмента.

Практические рекомендации

1.Увеличение начального периода 0 ? ф ?ф, когда потоки тепла направлены в тело инструмента, но температура на контактных площадках сравнительно низкая.

2. При износе по передней поверхности инструмента интенсифицировать поток q_1, поскольку температура на контактных площадках снижается.

3. При износе по задней поверхности - уменьшать абсолютное значение плотности q2, что снижает температуры на контактных площадках инструмент-деталь.

4.Использовать заготовку в качестве охладителя через площадку bЧй2.

Многолезвийный инструмент

Общие закономерности по тепловым процессам, полученные для резца, могут быть использованы для расчета температур и тепловых потоков при резании любым зубом многолезвийного инструмента. Однако процесс распространения теплоты в зоне резания для многолезвийного инструмента имеет свои особенности:

1.Каждый резец многолезвийного инструмента включается в процесс обработки после того, как до него прошли другие резцы, внесшие в изделие определенные порции теплоты.

2.Для этих инструментов распределение интенсивности тепловых потоков может меняться во времени и вдоль режущих лезвий (пример, цилиндрическая фреза, сверло).

3.Многие инструменты имеют ограниченные габариты, определяемые формой и размерами обрабатываемых изделий.

4.В ряде инструментов стружка не отводится свободно (как при точении), а длительное время остается между зубьями инструмента, что вызывает вторичный теплообмен.

СВЕРЛЕНИЕ

Сверло относится к многолезвийным инструментам. Особенностью процесса сверления является неодинаковое тепловыделение в различных точках режущих лезвий инструмента.

А.Н. Резников и П.А. Юдковский предложили зависимость для практических расчетов интенсивности тепловыделения на периферийном участке сверла:

q = 3,74· 0,001· n ·M / D кал / ( см·сек ).

Погрешность расчетов составляет 5…14%. Для расчета температуры точек обрабатываемого материала, расположенного вблизи режущих лезвий сверла, получена следующая формула:

и ( ш ) = 0, 03 n· M / л ·D· K ( ш, v, s ),

л - безразмерная функция;

K ( ш, v, s ) - безразмерная функция, значения которой выбираются по таблицам.

Точки с максимальными температурами расположены на некотором расстоянии от режущих лезвий сверла по направлению схода стружки.

Тепловые потоки перемещаются от наиболее нагретой зоны в сторону

а) площадки контакта главной задней поверхности сверла с деталью,

б) в тело инструмента,

в) ленточек, которые играют существенную роль в теплообмене между ними и стенками отверстия.

Основные факторы, влияющие на температуру резания ир при сверлении:

режимы резания - скорость резания, подача;

глубина отверстия ( глубина сверления );

диаметр сверла (данные противоречивы, в некоторых формулах для d > 12 мм диаметр не учитывается);

применение и способ подачи СОЖ.

0,56 0,5

По Даниеляну: и = 106 · v · s · k



Практические рекомендации. Для улучшения теплоотвода возможно в ряде случаев увеличение количества ленточек и их ширины, изменение формы поперечного сечения сверл, увеличение толщины сердцевины, обеспечение дробления стружки и ее стабильного отвода из зоны резания.

Варианты поперечного сечения сверл: а) стандартное; б) четырехленточное; в) с утолщенной сердцевиной, НПИЛ-1, Тольятти; г) с увеличенным объемом канавок для сверления легких сплавов, НПИЛ-2, Тольятти.

При увеличении площади поперечного сечения сверла необходимо кроме улучшения теплоотвода учитывать размещение стружки и ее отвод из зоны резания. В спиральных сверлах для глубокого сверления предусматривается также увеличение угла щ до 45…60 градусов и специальная заточка передних поверхностей для дробления стружки. Дробленая стружка полнее заполняет стружечные канавки, не пакетируеся в них, увеличивает вторичный теплообмен между сверлом и стружкой за пределами зоны резания.

Увеличение ширины и количества ленточек сверла целесообразно, если суммарный теплоотвод в деталь улучшится, а в инструмент - уменьшится. При сверлении материалов с низкой теплопроводностью желательно увеличение диаметра сердцевины сверла до 0,35…0,5d и введение дополнительных ленточек.

Для специальных спиральных сверл используется разделение их рабочей части на режущую и транспортирующую. Режущая часть за счет специальной заточки должна обеспечивать дробление стружки, а увеличенный угол щ - стабильный овод стружки.

Одна и та же форма и параметры сверла не могут быть одинаковыми для различных материалов: чугунов, сталей, труднообрабатываемых материалов, цветных металлов.

Таким образом, при конструировании сверл следует учитывать требования по прочности, жесткости сверл, стружкоотводу, теплофизические условия, производительность процесса.

ФРЕЗЕРОВАНИЕ

Особенности процесса фрезерования:

1) изменение толщины среза при движении зуба вдоль дуги контакта с заготовкой;

2) изменение сил резания при повороте фрезы;

3) переменная усадка стружки;

4) переменная форма стружки;

5) колебания температур на рабочих поверхностях зуба;

6) периодичность контакта зубьев с заготовкой, зависящая от количества зубьев, шага между ними и скорости резания.

Для математического описания законов распространения теплоты при фрезеровании, расчета температур контактных поверхностей инструмента необходимо схематизировать процесс обработки, участвующие в нем тела, установить характер распределения источников и стоков теплоты, действующих в зоне резания. В этом случае, как и при точении, фреза отодвигается от изделия и стружки.

Согласно А.Н. Резникову в каждом из положений зуба, определяемом углами м1, м2, м3, показаны следующие источники теплообразования:

а) теплота деформации - источник qд,

б) теплота трения стружки о переднюю поверхность зуба - источник qтп,

в) теплота трения зуба об изделие - источник qтз.

Интенсивность источника q3 принимается неизменной во времени, так как в первом приближении изменением силы трения Fтр при повороте зуба можно пренебречь.

В каждом из рассматриваемых положений фрезы конкретная форма стружки заменяется комбинацией из частей с постоянным сечением. Это практически не влияет на результаты расчета, так как источники qтп и qд быстродвижущиеся, и теплота впереди них не распространяется.

При отыскании закономерностей для контактных температур стружки в каком-либо положении м зуба можно не учитывать форму предыдущих участков. В первом приближении это позволяет при описании температурных зависимостей, относящихся к данному участку стружки, рассматривать ее как стержень постоянного сечения, на который действуют два источника интенсивностью qтпi и qдi.

На заготовке пренебрегаем криволинейной формой поверхности резания и рассматриваем ее, как полуограниченное тело, так как размеры источников теплоты qд и qдз малы по сравнению с длиной дуги контакта.

Зуб фрезы - плоский бесконечный клин, который работает при непрерывно меняющейся величине йп, что приводит к более длительному воздействию тепла на участки, расположенные ближе к кромке.

При расчете температуры контактных площадок со стороны зуба необходимо

а) определить средние температуры на поверхностях зуба, возникающие под действием источника, интенсивность которого распределена неравномерно, а длина йп непрерывно меняется;

б) определить средние температуры на этих же поверхностях, возникающие под действием равномерно распределенного источника постоянной длины.

Процесс нагрева режущего клина краток и теплообмен не успевает установиться.

При фрезеровании, при прохождении зубьями зоны контакта меняются сечение среза и, соответственно, площади контакта стружки с передней поверхностью зуба.

a_z = s_z · Sin м, м = 0…ф.

a - толщина среза;

м - угол поворота зуба.

При работе, например, цилиндрической фрезы конкретная форма стружки может быть заменена ступенчатым стержнем. Это не вносит существенного изменения в расчеты, поскольку имеем быстродвижущийся источник, т.е. теплота впереди лезвия не распространяется.

Для стружки применяется полуограниченное пространство, учитывается положение зуба (толщина среза) и усадка стружки. Зуб принимается бесконечным клином. Зона максимальных температур, в отличие от резца, расположена ближе к режущей кромке.

В некоторых случаях рассматривается вариант, где источник теплоты переменный во времени, а сам процесс нагрева является нестационарным.

Изделие, несмотря на криволинейную форму поверхности резания, целесообразно рассматривать как полуограниченное тело, поскольку размеры источников теплоты q_д, q_тз по сравнению с длиной дуги контакта невелики.

Окружная Р_z и нормальная P_N силы резания также зависят от угла поворота зуба:

P_z (м) = c_p B s_z^y Sin м;

P_N (м) = m(м) B(м).

Коэффициент m определяет соотношение между силами Р_z и Р_N. Силы на задней поверхности F_тр и N_з принимаются, в первом приближении, независимыми от угла поворота зуба. Коэффициенты усадки стружки в зависимости от угла поворота изменяются в пределах ж = 2…6, большие значения соответствуют меньшим углам поворота зуба.

Средние значения температур на контактных площадках зуба фрезы при повороте на угол м возможно рассчитать по следующим формулам:

И_{п ср} = (q_п · ?_п / л_р)· M₁ + (q_з · ?_з / л_р) · N₂ ;

И_{з ср} = (q_п · ?_п / л_р ) · N₁ + (q_з · ?_з / л_р)· M_2.

Функции М и N рассчитываются на ЭВМ и зависят от угла поворота м.

Порции теплоты, периодически поступающие в зуб фрезы, нагревают его, и он к концу холостого хода и началу рабочего имеет температуру, отличающуюся от температуры окружающей среды. На это влияют конструкция фрезы, ее размеры, шаг между зубьями, формы канавок, тип стружки, применение СОЖ и другие факторы.

ШЛИФОВАНИЕ

Необходимость теплового расчета обусловлена следующими факторами:

-- высокотемпературная тепловая нагрузка приводит к а) перераспределению остаточных напряжений; б) структурным изменениям; в) прижегам поверхностных слоев обрабатываемых деталей;

-- тепловые деформации системы СПИД оказывают влияние на качество и точность размеров деталей. Шлифование - финишная операция, обеспечивающая точность по 1…2-му кл. и шероховатость обработанной поверхности 7…10 классов.

Особенности процесса шлифования:

1. Инструмент имеет стохастическое (беспорядочное) расположение зерен.

2. Скорости резания 35-90 м/с.

3. Высокие скорости деформации срезаемого слоя металла.

4. Отрицательные передние узлы на режущих участках зерна.

5. Толщина среза мм.

6. В единицу времени снимается несколько тысяч стружек.

7. Мгновенный контакт абразивного зерна и детали.

8. До 10% контактирующих зерен срезают стружку, а остальные выполняют работу трения; упругой и пластичной деформации, что приводит к пульсирующему высокотемпературному полю и разупрочнению металла.

9. Значительное уменьшение угла в - скалывания, если б > с оттеснение, с << б возможно царапание.

В принципе имеется подобие процессов резания лезвийным инструментом и зерном. Однако следует учитывать различия, вызванные большими отрицательными передними углами зерен в круге, значительными длинами площадок контакта задней поверхности зерен с изделием по сравнению с длинами контакта зерна со стружкой, совместную работу и взаимовлияние зерен и связки в круге.

Резание единичным зерном не полностью отражает реальные процессы в зоне резания. Таким образом, при теплофизическом анализе процесса шлифования необходимо учитывать не только локальную температуру, возникающую в месте действия данного зерна, но и общее повышение температуры обрабатываемого материала под влиянием других зерен, прошедших через площадку контакта ранее.

Рассчитывая температуру со стороны зерна, следует учитывать следующее:

1) зерно работает не всем выступом, а только режущей частью;

2) размеры зерен конечны;

3) процесс теплообмена нестационарный;

4) зерно удерживается связкой, поэтому часть его тепла передается в тело круга;

Теплота, образующаяся при шлифовании, поглощается в основном обрабатываемой деталью - 69…84%, абразивным кругом - 11…13%, стружкой - до 8%.

По А.И. Исаеву, С.С. Силину, П.И. Ящерицыну:

Q_kp = 0,885и_max · B·( л_kp · c_kp · с_kp · v_д · L_k )^0,5 ;

Q_д = 0,885и_max · B·( л_д · c_д · с_д · v_д · L_k )^0,5;

Q_c = m_c · c_c ·и_c,

В - ширина круга; л - коэффициент теплопроводности; с - удельная теплоемкость;

с - плотность материала; и_max - максимальная температура; m - масса стружки;

и_с - температура стружки в момент резания.

Изменение температуры шлифования по В.Н. Подураеву:



нагревание охлаждение

и_имп - импульсная температура наибольшего подъема (1000…1500 ⁰С);

и_{ср конт} - средняя контактная температура, определяется как огибающая к основаниям импульсов (200…1100 ⁰С);

иср.дет. - средняя температура детали (20…350 ⁰С).

В момент прохождения рабочего зерна температура в отдельных точках достигает температуры плавления, что вызывает необратимые структурные изменения.

Схематизация процесса теплообмена при шлифовании

При резании абразивным зерном, как и при работе лезвийного инструмента, рассматриваются три источника теплоты: деформации - q_д ; трение по передней поверхности зерна - q_тп ; трение на задней поверхности - q_тз.

Известна окружная сила шлифования Р_z и номинальная площадь контакта круга с деталью F_к..На одно активное зерно в среднем приходится:

P_z = m_z · P_z / F_k · n_p,

где n - средневероятное количество активных ( работающих) зерен на единице поверхности контакта круга с деталью;

m_z < 1 - коэффициент, учитывающий расход энергии на трение связки.

Тепловыделение Q в зоне работы каждого активного зерна составит:

Q = 2,34 P_z · v, кал /с.

Тепловые процессы и давление приводят к изменению физического состояния металла на определенной глубине, появлению текстуры, к фазовым структурным превращениям в тончайшем поверхностном слое обрабатываемой детали.

Считается, что локализованный нагрев при шлифовании является главной причиной остаточных напряжений, которые могут быть как сжимающие, так и растягивающие. Следовательно, они могут способствовать повышению долговечности деталей машин или, наоборот, сокращать срок их службы, что важно учитывать, поскольку шлифование - это одна из наиболее распространенных финишных операций.

На состояние поверхностей влияет много факторов, среди которых скорость резания, структура круга, подбор и заправка круга, смазочно-охлаждающие жидкости и их состав и др.

Размещено на Allbest.ru

...