Технические науки: Отраслевое машиностроение

Маршуба В.П., Маршуба О.В.

Украинская инженерно-педагогическая академия, г. Харьков

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ В ДЕТАЛИ ПРИ ГЛУБОКОМ СВЕРЛЕНИИ ЛИТЕЙНЫХ АЛЮМИНИЕВ

Рис. 1 - Схема измерения температуры в детали при ГБС отверстий. 1) хромель-алюмелевая термопара; 2) сверло; 3) образец из ЛАС; 4) срезаемая хромель-алюмелевая термопара.

Для определения потоков и стоков теплоты в детали при глубоком безвыводном сверлении (10…15d) в литейных алюминиевых сплавах (ЛАС) использовали метод измерения температуры встроенными и перерезаемыми хромель-алюмелевыми термопарами. Для расчета температуры, регистрируемой на встроенных термопарах, использовали методику определения количества теплоты на расстоянии 0,5 мм от зоны резания, предложенную проф. В.И. Дрожжиным [1].

Для проведения серии опытов по определению температурных полей в обрабатываемой детали изготовили образцы из литейных алюминиев (рис. 1). В o6paзце предварительно сверлили отверстия Æ2 мм в шахматном порядке с интервалом в один диаметр используемого сверла с одной стороны, а с другой со смещением относительно первой группы отверстий на половину диаметра сверла. В эти отверстия зачеканивали термопары, при этом припаивали горячий спай ко дну отверстия. Одна половина термопар устанавливалась таким образом, чтобы их горячий спай в процессе резания перерезался, а вторая половина так, чтобы толщина перемычки между обрабатываемой поверхностью Аγ исследуемого отверстия и дном отверстия с припаянным горячим спаем термопары составляла не более 0,5 мм.

Распределение температурных полей в обрабатываемой детали из литейных алюминиев при глубоком безвыводном сверлении зависит от механических свойств алюминиев и от способа подачи СОТС в зону обработки.

Механические свойства обрабатываемого материала (в частности, теплопроводность) влияют на распределение тепловых потоков и стоков, а также на расположение температурных полей прямо пропорционально, так как работа, затрачиваемая на отделение и удаление стружки в зоне резания, зависит от свойств материала заготовки. Кроме этого, механические свойства сильно влияют на рост адгезионного взаимодействия инструментального и обрабатываемого материалов, а следовательно, значительно повышают коэффициент трения при воздействии повышенной температуры.

Распределение потоков и стоков теплоты в детали при глубоким безвыводном сверлении отверстий в алюминиях определяется выражением, являющимся решением дифференциального уравнения теплопроводности и зависит от количества теплоты, полученной в результате работы сил трения по поверхности Аa и работы направленной на деформацию и срез материала.

Определяем температуру на поверхности Аγ в местах контакта ее с поверхностью Аa инструмента по формуле, предложенной в работе Г.И. Грановского и др.[2]: ,

где – удельная сила трения по поверхности Аa, ; – длина контакта поверхности А с поверхностью Ау отверстия, мм; – коэффициент теплопроводности, Дж/см с °С; с – теплоемкость, в Дж/К; g – удельный вес, в кгс/см³.

Определяем температуру резания в детали в момент процесса резания по формуле, предложенной в работах А.Н. Резникова и др. [3]:

где ; Уи – координаты источника, мм; У – координаты точки тела, мм; р – периметр контактной площадки, , мм²; – коэффициент

теплопроводности, кал/(см сек град).

Значение , по данным работ [3] для алюминия, равно Дж/см с °С; кал/см³ град; см²/град. Тогда из уравнений 1 и 2 получаем уравнение распределения температуры в детали от воздействия двух источников в зоне резания:

Для определения количества теплоты, перешедшей в деталь от стружки в зоне обработки, используем формулу, полученную аналитически, т.е. . По данным работы А.Н. Резникова [3], точное количество теплоты, перешедшее в стружку в результате ее деформации (), можно определить по формуле: ,

где k – коэффициент продольной усадки стружки, k=0,2; qd – интенсивность источника теплоты, возникающего под воздействием деформации стружки:

где, b^* – доля теплоты в том теле, по которому перемещается источник, отсюда:

где, Re_d – безразмерный критерий Пекле для источника, эквивалентного теплоте деформации:

Количество теплоты, перешедшее из инструмента в деталь в результате вторичной конвенции потоков теплоты, можно определить по формуле приближенно из-за их значения:

Поэтому распределение количества теплоты в зоне обработки, перешедшее в деталь, можно определить по формуле: .

Теоретический анализ тепловых явлений при ГБС не позволяет учитывать

некоторые конкретные условия, имеющие место в процессе резания материала. К ним можно отнести особенности конструкции и заточки сверла, изменение состояния поверхностей и кромок сверла в результате износа, допущенная систематизация процесса и т.д. Поэтому аналитические данные должны быть дополнены результатами непосредственных измерений температуры, как в зоне резания, так и в зоне обработки.

Рис. 2 - Распределение температуры в теле детали в зависимости от глубины сверления. 1) перерезаемая термопара; 2) встроенная термопара.

На основе полученных значений распределения температуры на поверхностях и кромках сверла, можно представить распределение температурных полей в теле детали и стружке. Исходя из этого, можно получить картину адгезионного взаимодействия инструментального и обрабатываемого материала в процессе обработки отверстий. На связь тепловых явлений со степенью увеличения либо уменьшения адгезионного взаимодействия указывал в своей работе А.М. Даниелян [4].

Анализ опытных и теоретических данных о направлении потоков и стоков теплоты в детали при обработке отверстий в алюминиях показал, что распределение температурных полей зависит от конфигурации заготовки и расположения канала отверстия относительно внешнего и внутреннего контура детали, свойств обрабатываемого материала (теплопроводность) и т.д. Кроме этого, на расположение температурных полей в детали большое влияние оказывает вторичное перераспределение потоков и стоков теплоты в системе деталь - сверло - стружка (рис. 2 и табл.).

Из рисунка 2 и табл. видно распределение температуры обработанной поверхности заготовки, измеренной автором в ходе проведения экспериментов встроенными и перерезаемыми хромель-алюмелевыми термопарами в зоне резания и зоне обработки.

Таблица - Распределение температуры в теле детали в зависимости от глубины сверления, измеренная перерезаемыми и встроенными термопарами.

	Глубина сверления отверстия, L/d
	0d	2,5d	5d	7,5d	10d
Перерезаемые термопары	250	50	140	50	20
Встроенные термопары	200	40	130	40	20

Рис. 3 – Распределение температурных полей в детали в зависимости от глубины сверления измеренное автором.

Из рисунка 2 и табл. видно распределение температуры обработанной поверхности заготовки, измеренной автором в ходе проведения экспериментов встроенными и перерезаемыми хромель-алюмелевыми термопарами в зоне резания и зоне обработки.

В интервале глубины сверления от 0d до 2,5d происходит уменьшение температуры с 250° до 40° С, связанное с теплопроводностью алюминия (конвенцией в тело детали потоков теплоты) и стоком теплоты из зоны обработки за счёт воздействия СОТС рассеиванием в окружающую среду, т.е. условия обработки соответствуют неглубокому сверлению.

В интервале сверления отверстия от 2…5d до 5d происходит рост температуры с 40° до 140° С связанный с пакетированием стружки в стружечных канавках, т.е. вторичным перераспределением теплоты от стружки в деталь в связи с увеличением точек контакта стружки с поверхностью Ау в зоне обработки В интервале глубины сверления от 5d до 10d происходит снижение температуры до 20° С, вызванное теплопроводностью алюминия, т.е. рассеиванием теплоты полученной от вторичного источника в зоне обработки и удалением теплоты под воздействием СОТС.

Следовательно, делаем вывод, что закономерность распределения теплоты в детали зависит от тепловой конвенции и теплопроводности алюминия.

Распределение температурных полей (рис. 3) в детали, полученное автором в процессе обработки глубоких отверстий.

Исходя из полученных экспериментальных значений о распределении температуры в зоне резания и зоне обработки, температурных полей на поверхности Ау, в зависимости от глубины сверления, делаем вывод о подтверждении гипотезы о наличии вторичного перераспределения потоков и стоков теплоты (рис. 3) в детали в процессе обработки глубоких отверстий.

Список литературы:

1. Дрожжин В.И. Влияние размера, формы и удаления горячего спая искусственной термопары на регистрируемую температуру. // Резание и инструмент. Респуб. межвед. темат. науч.-техн. сборник: -Х.: Виша школа. Изд-во при Харьк. ун-те, 1976.-Вып. 16-С.30-33.

2. Грановский Г.И., Грановский В.Г. Резание материалов. -М.: Высшая школа, 1985.-304 с.

3. Резников А.Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов. -М.: Машиностроение, 1981,-279 с.

4. Даниелян А.М. Теплота и износ инструмента при резании металлов. -М.: Машгиз, 1954,-276 с.