CC BY
15
1. Температура на поверхности и в объёме тела в зависимости от плотности
мощности теплового источника
Координата ---——--------2............. Плотность мощности кВт/см
г, мкм 25 30' 35 40
Температура, °С
0 891 1019 1138 1256
5 887 1016 1136 1252
10 882 1009 1131 1248
20 877 1002 1124 1241
50 753 873 1003 1113
100 264 329 408 481
2. Зависимость глубины зоны закалки от плотности мощности теплового
.А ли • •
источника
Плотность Глубина зоны закалки 1гп, мкм
• мощности, \ Расчётное Экспериментальное
<7, кВт/см значение значение
30 55 61
35 73 79
40 86 88
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лыков А. В. Теория теплопроводности. М.: Машиностроение, 1967.
389 с.
2. Артюхин Ю. И., Семёнов Ю. К., Плохотник В. А. Определение температурных полей решением обратных задач теплопроводности с использованием теории подобия // Инженерно-физический журнал. 1990. № 2. С. 132 — 134.
Табаков Владимир Петрович, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Металлореэ/сугцие станки и инструменты» УлГТУ, окончил Ульяновский политехнический институт. Имеет монографии и статьи в области упрочняющих технологий.
Власов Станислав Николаевичу кандидат технических наук, доцент кафедры «Машины и аппараты» Димитровградского института технологии, управления и дизайна, окончил Ул/ТУ. Работает в области технологий
I
упрочнения режущих инструментов.
УДК 621.923.4
А. III. ХУСАИНОВ
ВЛИЯНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ РЕЖИМА ШЛИФОВАНИЯ НА ГЛУБИНУ ПРОНИКНОВЕНИЯ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА В ПОВЕРХНОСТНЫЙ СЛОЙ ЗАГОТОВКИ
Компьютерным моделированием установлена значимость влияния отдельных элементов режима шлифования на теплонапряэюённость обработки. Обеспечена возможность выбора путей снижения теплоиапряжённости шлифования заготовок без ущерба качеству и производительности обработки.
Как известно, процесс шлифования отличается высокой теплонапря-жённостью. Для уменьшения глубины проникновения теплового потока в поверхностный слой (ПС) заготовки рекомендуется повышать её скорость и снижать глубину шлифования [1-3]. Немаловажную роль играет и схема шлифования (встречная или попутная), что связано с различными условиями работы абразивных зёрен (а.з.) и направлением движения стружки - в сторону ещё не обработанной или уже обработанной поверхности.
Компьютерное моделирование тепловых процессов при шлифовании заготовок, в отличие от экспериментальных исследований, позволяет оценить влияние на теплонапряжённость обработки каждого фактора отдельно - поверхностной плотности теплового потока в заготовку и её распределения по дуге контакта шлифовальный круг (ШК) - заготовка, скорости заготовки, длины дуги контакта ШК - заготовка, теплопроводности и коэффициента температуропроводности материала заготовки и др. Дело в том, что при экспериментальном исследовании варьирование, например, только скоростью заготовки приводит к изменению глубины резания каждым а.з., изменению скорости съёма металла и , в итоге, изменению поверхностной плотности теплового потока. Это обстоятельство не позволяет экспериментально выявить взаимосвязь теплонапряжённости процесса шлифования и скорости движения теплового источника. Вместе с тем для понимания сути тепловых процессов при шлифовании необходимо чётко представлять значимость влияния каждого фактора на теплонапряжённость обработки, что позволит оптимизировать режим шлифования, сохраняя заданную производительность обработки. Например, с уменьшением толщины заготовки следует увеличить её скорость и пропорционально уменьшить глубину шлифования.
По оригинальной программе «Пластина.ехе» при минимальном шаге расчёта 50 мкм однофакторным планом исследовали влияние скорости теплового источника (скорости заготовки), длины дуги контакта ШК - заготовка (глубины шлифования), а также теплопроводности и коэффициента темпера-
туропроводности материала заготовки на температурное поле в ней при плоском маятншсовом шлифовании. При этом все, кроме одного (варьируемого) фактора, зафиксировали на определённом уровне: теплофизические свойства стали ХВГ (теплопроводность Я = 27,2 Вт/(м • °С); коэффициент теплопроводности а = 5,4 • 10"6 м2/с - подобные свойства имеют стали 2-3 групп шли-фуемости); скорость заготовки У3 = 9 м/мин, глубина шлифования = 0,02 мм/ход (средние по нормативам скорость и глубина плоского маятникового врезного шлифования); равномерное распределение поверхностной плотности теплового потока по зоне контакта (подавляющее большинство исследователей принимали в своих расчётах именно такое распределение) ц = 70 МВт/м2; коэффициент теплоотдачи с обрабатываемой поверхности а = 4 кВт/(м2 • °С) - среднее значение коэффициента при поливе СОЖ на водной основе через щелевое сопло.
Моделирование показало, что увеличение скорости заготовки V, с 3 до 15 м/мин приводит к снижению максимальной температуры на поверхности заготовки с 530 до 289 °С (рис. 1). При этом глубина проникновения теплоты в ПС заготовки уменьшается в два раза - с 0,8 до 0,4 мм. На наш взгляд, это связано с тем, что скорость заготовки, возрастая, превышает скорость распространения теплоты в ПС заготовки перед тепловым источником (тепловой источник по критерию Пекле переходит из класса движущихся в класс быстро-движущихся источников). Кроме того, теплота, выделяемая тепловым источником в единицу времени, с ростом У3 распределяется на большую площадь обрабатываемой поверхности, так как источник проходит большее расстояние за то же время, что снижает плотность теплового потока и, следовательно, те-плонапряжённость обработки.
Варьированием длиной дуги контакта при фиксированной суммарной мощности теплового источника ^¿-установлено, что при увеличении подачи в 3 раза - с 0,01 до 0,03 мм/ход (длина дуги контакта 11Ж - заготовка 1 увеличилась при этом в л/з раз - с 1,58 до 2,74 мм, а поверхностная плотность теплового потока снизилась в л/з раз) - максимальная температура на поверхности заготовки в конце теплового источника снижается обратно пропорционально 1 - с 423 до 277 °С, но глубина проникновения теплоты У остаётся неизменной и равной примерно 0,4 мм (рис. 2). Такое же увеличение подачи, но при постоянной поверхностной плотности теплового потока возрастает и л/з раз), наоборот, приводит к росту температуры с 304 до 380 °С, а глубина проникновения теплового потока в ПС заготовки увеличивается с 0,44 до 0,56 мм. Из вышесказанного следует, что длина дуги контакта ИЖ - заготовка практически не влияет на глубину проникновения теплоты в ПС материал;» заготовки. ■
Теплопроводность А материала заготовки изменяется в зависимости ш марки стали, её состояния (закалённая или отпущенная) и температуры в ПС1
96
Вестник УлГТУ 1/200'
у _^ V?
Рис. 1. Влияние скорости движения теплового источника У3 на распределение температуры Г по глубине ПС массивной заготовки при плоском шлифовании: условия моделирования: материал заготовки - сталь ХВГ (X = 27,2 Вт/(м • °С), а = 5,4 • 10'6 м2/с), = 0,02 мм/ход, равномерное распределение поверхностной плотности теплового потока по зоне контакта, <1 - 70 МВт/м2, а = 4 кВт/(м2 • °С)
1'ие. 2. Влияние величины врезной подачи 5/ (длины дуги контакта ШК - заготовка) на I определение температуры Т по глубине ПС У при плоском шлифовании массивной за-Iтопки (при постоянной мощности шлифования): условия моделирования: К, = 9 м/мин; мощность шлифования <уу = 3,13 кВт (ширина шлифования - 20 мм). Остальные условия 1М и подписи к рис. 1
0,02 мм/ход
и шикУлГТУ 1/2002
97
в диапазоне (15 - 65) Вт/(м • °С) (от сильнолегированных к низкоуглеродистым сталям, от высоких температур к низким).
Теплоёмкость материала заготовки изменяется в основном в зависимости от температуры в пределах (0,4 - 1,0) кДж/(кг • °С) [4].
Предварительным экспериментом установлено, что влияние теплопроводности материала заготовки на температуру её поверхности более выражено при низких Л (нержавеющие и быстрорежущие стали): изменение теплопроводности с 65 до 25 Вт/(м ' °С) приводит к росту температуры на 222 °С, а изменение Я только на 10 Вт/(м • °С) в диапазоне (25 - 15) Вт/(м • °С) - на 239 °С. Такая нелинейность объясняет высокую теплонапряжённость обработки заготовок из высоколегированных сталей, при этом глубина проникновения теплоты в ПС от теплопроводности материала не зависит, но существенно зависит от его теплоёмкости.
Теплофизические свойства некоторых материалов существенно зависят от их структуры и от температуры. Но учесть влияние изменения теплопроводности и коэффициента температуропроводности материала, вызванного структурно-фазовыми превращениями, изменениями температуры ПС как во времени, так Щпо координатам, не представляется возможным из-за чрезвычайной сложности и неопределённости задачи.
Варьирование законом распределения поверхностной плотности теплового потока по дуге контакта ШК - заготовка подтвердило большую значимость этого фактора (рис. 3). Во-первых, при треугольном законе температурный экстремум размещён в первой половине теплового источника, тогда как при равномерном - вблизи его конца. Это обстоятельство изменяет скорости нагрева и охлаждения ПС заготовки: при треугольном распределении нагрев ПС происходит быстрее, а охлаждение медленнее, чем при равномерном, что может существенно сказаться на прогнозируемых показателях качества ПС заготовки (если бы математическая модель позволяла их прогнозировать). Во-вторых, в конце теплового источника при треугольном распределении температура поверхности заготовки ниже на 30 % (258 °С против 350 °С при равномерном распределении). В-третьих, глубина проникновения теплоты при треугольном законе распределения поверхностной плотности теплово-го потока в сечении по глубине заготовки, совпадающем с температурным экстремумом на поверхности, на (15 - 20) % меньше, чем при равномерном. Справедливости ради следует заметить, что температурный экстремум при треугольном распределении выше на 3,4 %, чем при равномерном (362 °С против 350 °С). Однако, несмотря на последнее замечание, можно сделать вывод, что при треугольном распределении поверхностной плотности теплового потока по дуге контакта ШК - заготовка формируется более благоприятное для качества ПС детали температурное поле, чем при равномерном распределении. Учитывая, что реальные распределения поверхностной плотности теплового потока скорее треугольные, чем равномерные, моделирование температурных полей с равномерным распределением приводит к существенному
400 °С 300 250 ! 200 150 100 Т 50
0
Рис. 3. Температура поверхности (1,3) заготовки и на глубине 0,2 мм в ПС (2, 4) при треугольном (1, 2) и равномерном (3, 4) распределениях поверхностной плотности теплового потока по длине дуги контакта ШК - заготовка при плоском шлифовании: условия моде- • лирования см. в подписи к рис. 1
завышению уровня температур и к занижению производительности обработки.
Таким образом, анализ влияния элементов режима шлифования заготовок на теплонапряжённость обработки показал, что наиболее значимыми являются скорость движения теплового источника (скорость заготовки), поверхностная плотность теплового потока в зоне контакта ШК - заготовка, её закон распределения и теплопроводность материала заготовки. Длина дуги контакта ШК - заготовка (врезная подача) менее значима.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сипайлов В. А. Тепловые процессы при шлифовании и управление качеством поверхности. М.: Машиностроение, 1978. 167 с.
2. Ящерицын П. И., Цокур А. К., Ерёменко М. Л. Тепловые явления при шлифовании и свойства обработанных поверхностей. Минск: Наука и техника, 1973. 184 с.
3. Хусаинов А. Ш. Повышение эффективности операций шлифования заготовок тонкостенных деталей путём снижения теплонапряжённости процесса обработки: Дисс. ... канд. техн. наук. Ульяновск: УлГТУ, 1996. 161с.
Хусаинов Альберт Шамилевич, кандидат технических науку доцент кафедры «Автомобили» УлГТУ, окончил Ульяновский политехнический институт. Ведёт исследования технологии абразивной обработки тонкостенных и клиновидных заготовок.
0
мм
X
