3. Лабораторная работа

ТЕПЛОФИЗИКА РЕЗАНИЯ. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ТЕМПЕРАТУРЫ ОТ РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ

Цель. Экспериментальное исследование зависимости температуры резания от глубины, подачи и скорости резания при токарной обработке

Содержание

1.Ознакомление с основными источниками тепла и его распределением при резании.

2.Установление физико-механических свойств обрабатываемого материала и геометрии режущей части инструмента.

3.Ознакомление о основными методами определения температуры в зоне резания.

4.Изучение графо-аналитического метода обработки экспериментальных данных при исследовании влияния режимов резания на температуру.

5.Экспериментальное определение зависимости температуры резания от глубины, подачи и скорости резания.

6.Обработка экспериментальных данных построение графиков зависимости температуры от исследуемых факторов и вывод уравнений исследуемых зависимостей.

7. Анализ полученных зависимостей и выводы.

3.1. Тепловые явления при резании

В зоне стружкообразования можно выделить зоны, в которых в результате контактного взаимодействия и деформаций обрабатываемого материала происходит генерирование теплоты.

В результате силового воздействия лезвия резца металл срезаемого слоя при пересечении плоскости скалывания подвергается пластической деформации и разрушению, характерным для металлов, образующих сливную стружку или стружку скалывания, или хрупкому разрушению, характерному для металлов, образующих стружку надлома. Почти вся механическая работа, затраченная на пластическую деформацию и разрушение металла в процессе стружкообразования, составляет первый источник выделения теплоты Q_l. Область генерирования этой теплоты охватывает зону наибольших пластических деформаций, т. е. плоскость скалывания.

Работа сил трения на передней поверхности лезвия резца является вторым источником выделения теплоты Q₂. Область генерирования этой теплоты — контактирующие друг с другом прирез-цовая поверхность стружки и передняя поверхность лезвия инструмента.

Задняя поверхность лезвия резца, в процессе резания скользит по воспроизводимой лезвием поверхности резания, преодолевая силу трения. Работа сил трения осуществляется по задней поверхности лезвия, находящейся в контакте с поверхностью резания. Работа сил трения по задней поверхности лезвия инструмента является третьим источником теплоты Q₃ выделяющейся при резании.

Непосредственными измерениями установлено повышение микротвердости в металле, прилегающем к плоскости скалывания. Повышение микротвердости указывает на то, что силовое поле, действующее в плоскости скалывания, распространяется также на некоторый, прилегающий к ней объем металла и вызывает в нем пластическую деформацию, приводящую к росту внутренних остаточных напряжений. Работа, затраченная на пластическую деформацию металла перед плоскостью скалывания, является четвертым источником теплоты О₄.

Так как процесс резания обычно является достаточно продолжительным и устойчивым, то непрерывно выделяющаяся за время работы теплота также непрерывно отводится из зоны резания. Большая часть выделяющейся теплоты Q₂ идет на нагрев стружки и уносится ею из зоны резания. Эта часть отводимой теплоты обозначается q₁.

Часть выделяющейся теплоты Q₂ и часть выделяющейся теплоты Q₃ нагревают металл режущей части резца и постепенно распространяются по всей массе его корпуса. Металл резца является проводником второго потока отводимой теплоты q₂.

Часть выделяющейся теплоты проникают в металл обрабатываемой заготовки и нагревают ее. Эта отводимая теплота обозначается q_3.

Часть общего количества выделяющейся теплоты отводится из зоны резания в окружающую среду. При резании всухую эта теплота q₄ отводится в окружающую воздушную среду излучением. Если работа ведется с поливом зоны резания струей жидкости, то кроме излучения часть теплоты q₄ отводится за счет нагрева и парообразования охлаждающей жидкости.

Часть выделившейся теплоты накапливается в тонком приграничном слое материала инструмента, прилегающем к указанным плоскостям. Эта часть теплоты q₅ вызывает повышение температуры на режущем лезвии.

Под тепловым балансом резания понимается равенство теплоты, выделяющейся в зоне резания, и теплоты, удаляемой из нее за тот же промежуток времени. Таким образом, в каждое мгновение при резании должно иметь место равенство приходной и расходной частей:

Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ = q₁ + q₂ + q₃ + q₄ + q₅ (3.1)

Выражение (3.1) называется уравнением теплового баланса. Изменение условий резания приводит к изменению соотношения составляющих приходной и расходной частей уравнения теплового баланса.

3. 2. Методы определения температуры в зоне резания.

Количество тепла, переходящего в инструмент деталь и стружку, устанавливают калориметрическим методом. Стружка попадает в калориметр и количество выделенного при резании тепла вычисляют по изменению температуры воды в нем и массе собранной стружки.

Температуру в различных точках режущего инструмента измеряют с помощью искусственной термопары, которую вставляет в отверстие в инструменте, так что ее спай касается исследуемой точки инструмента. Термоэлектродвижущую силу, а следовательно, и пропорциональную ей величину температуры резания определяют по регистрирующему прибору.

Рисунок 3.1 – Источники тепла

Метод естественной термопары основан на использовании термопары, горячее соединение которой представляет собой контакт разнородных материалов инструмента и обрабатываемой детали /рис.3.2/.Замкнутая электрическая цепь образуется режущим инструментом 1, обрабатываемой деталью 2,гибким валом и ртутным токосъемником 3, милливольтметром 4, проводами. Во избежание влияния паразитных термопар цепь изолируют от станка. Так как термоэлектродвижущая сила зависит от химического состава,структуры и других свойств обрабатываемого и инструментального материалов, то для перевода показаний милливольтметра в соответствующие величины температуры резания необходима тарировка термопары.

Рисунок 3.2 – Схема измерения температуры резания методом естественной термопары

Фотоэлектрический метод исследования температуры в зоне резания основан на принципе оценки температуры по интенсивности инфракрасного излучения из исследуемой точки.

Метод микроструктурного анализа основан на определении температуры по остаточным изменениям твердости и микроструктуры материала инструмента и стружки.

3.3.Графо-аналитический метод обработки экспериментальных данных

Экспериментально установлено, что влияние режимов резания на температуру резания  выражается зависимостью

(3.2)

где С_ - коэффициент, зависящий от свойств обрабатываемого и инструментального материалов, применяемой смазочно-охлаждающий среды, геометрических параметров инструментов и других условий обработки;

x_, y_, z_ - показатели степеней, учитывающие влияние тех факторов, при которых они стоят;

Значения коэффициента С_ и показателей степеней x_, y_, z_ в выражении (3.2) для конкретных условий резания могут быть определены по методике однофакторного или многофакторного /планируемого/ эксперимента, суть которых состоит в поочередном или одновременном изменении условий обработки. При изменении только одного из режимов резания выражение /3.2/ имеет вид;

(3.3)

Характер влияния режимов резания на температуру резания показан на рис.3.3

Нахождение коэффициентов С_ и показателей степеней функций 3.3, при экспериментальном исследовании упрощается после логарифмирования

(3.4)

Выражения /3.4/ в двойной логарифмической системе координат, т.е. когда по осям откладываются не сами величины,a их логарифмы, изобразятся в виде прямых /рис.3.4/. При этом показатели степеней x_, y_, z_ численно равны тангенсам углов наклона линий функций /3.4/ к горизонтальной оси:

x_ = tg₁, y_ = tg₂, z_ = tg₃ (3.5)

C_ C_ C_ численно равны температуре  при единичных значениях v, s, t.

Методика выполнения работы

Экспериментальное определение зависимости температуры резания от режимов резания проводится при точении заготовки из конструкционной стали проходными резцами на токарном станке с использованием естественной термопары /рис.3.2/.

Тарировка естественной термопары состоит в нагреве и охлаждений расплавленного металла, в который опускают стержни

из обрабатываемого и инструментального материалов, присоединенные к милливольтметру и образующие естественную термопару. В расплав опускают также контрольную термопару, соединенную о контрольным милливольтметром; результатом «тарировки является тарировочный график в координатах "показание милливольтметра - температура резания".

Механические характеристики обрабатываемого материала определяются следующим образом. Твердость - не прессе Бринеля шариком 10 мм под нагрузкой 3000 кг с выдержкой в течений 15 с . Предел прочности при растяжении _в для стали подсчитывается из выражения

(3.5)

3.5. Порядок выполнения работы

1. Определить физико-механические свойства обрабатываемого материала.

2. Измерить угломером и штангенциркулем конструктивные и геометрические параметры резца, диаметр и длину заготовки.

3. Собрать схему естественной термопары согласно рис.3.2.

4. Произвести тарировку естественной термопары и построить тарировочный график в координатах термоэлектродвижущая сила (ТЭС) мв - температура резания  °С .

5. Определить величину температуры резания при глубине резания t = 2,5; 2,0; 1,5; 0; 0,5 мм и постоянных подаче s = 1,0 мм/об и скорости резания, используя тарировочный график, и полученные данные занести в табл. 3.1.

6. Определить величину температуры резания при подаче s = 0,28; 0,34; 0,43; 0,52 мм/об и постоянных глубине t = 1,0 мм и скорости резания.

Рисунок 3.3 Рисунок 3.4

Зависимости температуры резания  от режимов резания v, s, t в простых (рис. 3.3), и логарифмических (рис. 3.4) координатах

7. Определить величину температуры резания при пяти значениях скорости резания V * 20  200 м/мин и постоянных глубине резания t = 1,0 мм и подаче s = 1,0 мм/об.

8. На основании полученных данных (тавл. 3.1) в логарифмической системе координат строятся графики зависимостей  = f(t),  = f(s),  = f(v).

9. На основании данных табл. 3.1 и построенных графо-аналитическим методом графиков определить коэффициенты С_ и показатели степени x_, y_, z_ частных и обобщенной зависимостей (3.2) и (3.3). При этом показатели степени x_, y_, z_ определяются как tg₁, tg₂, tg₃ (см. рис.3.4) и выражение (3.5), а коэффициенты С_ - подстановкой в выражения (3.2) и (3,3) значений температуры резания  при соответствующих значениях режимов резания t, s, v (табл.3.1), Каждое из значений x_, y_, z_, С_ определяется не менее трех раз и затем находится среднее арифметическое.

10. На основании полученной зависимости  = f(v,s,t) сделать вывод о влиянии режимов резания на температуру резания

Таблица 3.1

№ серии	№ опыта	Режимы резания				ТЭС мВ	 С
		t мм	s мм/об	n мин-1	v м/мин
1	1 2 3 4 5
2	1 2 3 4 5
3	1 2 3 4 5

3.6 . Содержание отчета

Отчет оформляется в специальной тетради грамотно и аккуратно. Все записи должны быть выполнены чернилами, а иллюстративный материал - карандашом. Отчет представляется на проверку и подпись преподавателю по окончании работы и при сдаче зачета.

Отчет должен содержать следующие разделы:

1. Название, цель и содержание работы.

2. Техническая характеристика станка.

3. Физико-механические свойства обрабатываемого материала.

4. Наименование, геометрия и инструментальный материал режущего инструмента.

5. Схема основных источников тепла и распределения тепла при резании.

6. Схема естественной термопары.

7. Тарировочный график естественной термопары.

8. Зависимость температуры резания Q от режимов резания (табл. 3.1).

9. Графики зависимостей  = f(v,s,t) в двойных логарифмических координатах.

10. Расчеты показателей степени x, y, z и коэффициентов С_ в выражениях 3.2 и 3.3.

11. Частные и обобщенные зависимости  = f(v,s,t) с рассчитанными значениями x_, y_, z_, С_

12. Выводы.

Литература

1. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов. М.: Машиностроение, 1975, С 11-52.

2. Вульф A.M. Резание металлов. Л.: Машиностроение, 1973. С. 35-73.

3. Грановский Г.Г., Грановский В.Г. Резание металлов. М., Высш. школа, 1985 .