Теплофизический анализ цикла круглого врезного шлифования

Теплофизический анализ цикла круглого врезного шлифования

Ю.А. Сизый*, д-р техн. наук, проф.; А.В. Евтухов**, асист.

*Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт»

**Сумский государственный университет

Введение

Формированию качества поверхностного слоя детали при шлифовании всегда уделялось большое внимание исследователей 1, 2, 3, и предлагаемые методики расчета режимов резания и нормирования операции обычно учитывают ограничения по величине дефектного поверхностного слоя 4, 5.

Расчет характера и глубины структурных изменений в поверхностном слое шлифуемой детали требует глубоких теоретических и экспериментальных исследований. Наиболее глубокие теоретические исследования теплофизики шлифования выполнены в работах В.А. Сипайлова_ и А.В. Якимова. Однако их решения не учитывают различного характера теплоотвода охлаждением в зоне контакта и вне ее.

Формирование структуры поверхностного слоя детали при тепловом воздействии шлифованием наиболее глубоко исследовано в работе Евсеева 2. Она базируется на работах В.А. Сипайлова и ограничена экспериментальными исследованиями для узкого набора обрабатываемых шлифованием материалов.

Постановка задачи

В настоящей статье делается попытка получить общие рекомендации по управлению циклом круглого врезного шлифования исходя из структурных превращений в поверхностном слое детали.

Выполненные нами ранее исследования динамики процесса врезного шлифования 6 показали, что для достижения высокой точности шлифования желательно на этапе врезания, после того как прерывистый контакт круга с заготовкой перейдет в сплошной, уменьшить частоту вращения заготовки в (2,5-3) раза.

В практике назначения режимов шлифования определились достаточно устойчивые рекомендации по выбору скорости вращения заготовки - S. Если проанализировать рекомендации 7, то S, в зависимости от обрабатываемого диаметра заготовки, материала и скорости шлифования, находится в диапазоне (10-70) м/мин. При уменьшении S, выбранной по 7, после образования сплошного контакта в (2,5-3) раза есть опасения, что нагрев детали сильно возрастет в результате увеличения времени контакта обрабатываемой поверхности с кругом. Возникает альтернативное решение - назначить в начале цикла врезания S больше рекомендуемой в 7, а затем уменьшить ее. Такое решение требует теплофизического анализа.

Кроме этого, желательно цикл шлифования вести так, чтобы на чистовом этапе, при шлифовании на «медленной» врезной подаче снимать только слой с измененной структурой и не больше. Поэтому необходимо иметь достаточно надежную методику расчета глубины слоя с измененной структурой, которая также должна быть основана на теплофизическом анализе.

В настоящей статье предлагается методика теплофизического анализа процесса врезного шлифования для решения указанных выше задач.

В работе Ю.А. Сизого и М.С. Степанова 8 получено решение задачи описания температурного поля в заготовке при круглом врезном шлифовании с учетом характера и величины теплоотвода при помощи СОЖ, а в работе 9 решена задача теплового баланса. Основываясь на этих решениях, выполним анализ цикла врезного шлифования с точки зрения структурных превращений в поверхностном слое детали.

Температурное поле в заготовке согласно 8 описывается следующим выражением:

, (1)

где , (2)

, a - коэффициенты тепло- и температуропроводности;

q - плотность теплового потока;

- время наблюдения за температурным полем;

х - координата от поверхности заготовки перпендикулярно к ней в глубину заготовки;

h - высота шлифовального круга;

- коэффициент теплоотдачи.

Верхний предел интегрирования в необходимо программировать:

if(₁, - , ₁),

где ₁ - время действия источника тепла (время контакта).

Для учета различия условий: «в» и «вне» зоны контакта, а также характера теплоотвода при помощи СОЖ коэффициент теплоотдачи также следует программировать:

if(₁, ₁, ),

где ₁ - коэффициент теплоотдачи в зоне контакта;

- коэффициент теплоотдачи вне зоны контакта;

₂ - время оборота детали.

Такое программирование учитывает максимум теплоотвода на выходе заготовки из зоны контакта и ее уменьшение до нуля при входе в контакт 8.

Для вычисления по (1) необходимо знать q - интенсивность теплового потока в заготовке. В 9 решена задача теплового баланса. Общее количество тепла, выделяемое в зоне контакта в единицу времени:

, Дж/с (3)

где Pz - окружная составляющая силы резания;

V - скорость резания.

На основании анализа, выполненного В.А. Сипайловым, принимаем, что все тепло резания Q переходит в заготовку и стружку Qз.с.

В 9 решена задача распределения тепла между стружкой и заготовкой вычислением . Для условий круглого врезного шлифования это отношение вычисляется из следующего выражения:

, (4)

где ,

k - глубина шлифования;

S - скорость вращения заготовки;

D - диаметр заготовки.

Зная Q и С, интенсивность теплового потока в заготовку q находится следующим образом:

, (5)

где - длина дуги контакта.

При расчете Q по (3) воспользуемся эмпирической формулой М.С. Степанова_ и Л.В. Ходакова_ вычисления Pz, приходящейся на 1 мм высоты шлифовального круга с характеристикой 24А16НСМ1К при скорости шлифования 50 м/с:

, Н (6)

где _t - предел прочности материала заготовки при высоких температурах (600С), кгс/мм²;

Н - звуковой индекс (1,38 для твердости СМ1);

Z - зернистость (Z=16);

V_p - скорость врезной подачи, мм/мин;

S - окружная скорость вращения заготовки, м/мин;

S_pr - продольная скорость правки (150 мм/мин);

t_pr - глубина правки (0,01 мм).

Расчет выполняем для условий шлифования заготовки из закаленной стали 45 диаметром 50 мм, длиной 60 мм. Частоту вращения заготовки n назначаем согласно 7, равной 190 об/мин, скорость врезной подачи - V_p=1,2 мм/мин. Теплофизические характеристики материала заготовки следующие 10: a=8 мм²/с, =0,0402 Дж/(ммсС). Принимаем, что в зоне контакта теплоотвода охлаждением СОЖ нет, т.е. ₁=0, а коэффициент теплоотдачи вне зоны контакта = 0,0146_Дж/(мм²сС).

Результаты расчета представлены на рис. 1.

Каждая из кривых на приведенном рисунке соответствует глубине х с шагом 0,03 мм начиная с х=0. Таким образом, температура на поверхности заготовки достигает значения в 938С, а на глубине
0,15 мм составляет 260С.

Если в процессе шлифования перейти на частоту вращения заготовки n=70_об/мин, т.е. уменьшить ее в 2,7 раза, то нагрев ее значительно увеличится, что видно из графика на рис. 2.

Если же шлифование проводить при таких же условиях, но при n=500_об/мин, то нагрев будет значительно меньше в сравнении с двумя предыдущими вариантами, что видно из рис. 3.

Анализируя полученные результаты расчетов, можно сделать вывод, что желаемое уменьшение частоты вращения заготовки надо осуществлять, переходя от частоты больше в (2,5-3) раза по сравнению с рекомендуемой 7. В этом случае основной съем припуска будет происходить на рекомендуемой частоте - повышенного нагрева не будет.

Рассмотрим возможность назначения припуска для чистовой ступени цикла шлифования. На этой ступени формируется окончательная точность детали. При этом допустимая погрешность (некруглость) детали, формируемая самим процессом шлифования, не должна превышать подачу на оборот (глубину шлифования в установившемся режиме).

Предположим, допустимая подача на оборот не должна превышать значения So=0,001 мм, что соответствует V_p=(So60)/to, где to - время оборота. При n=190_об/мин для рассматриваемых выше условий to=0,316_с. Таким образом, V_p=(0,00160)/0,316=0,19 мм/мин.

Результаты расчета нагрева заготовки при V_p=0,19_мм/мин и n=190_об/мин при прочих равных условиях предыдущих расчетов приведены на рис. 4.

Из рис. 4 видно, что максимальная температура при таких условиях шлифования достигает на поверхности значения 198С. Если считать температуру в 200С максимально допустимой из условия образования дефектного слоя, то выбранный режим шлифования можно считать приемлемым.

Результаты

Припуск для выбранного чистового режима можно определить исходя из рис. 1 - он равен глубине слоя заготовки, который прогревается до температуры от 200С и выше на черновом этапе цикла шлифования.

Распределение температуры по глубине на черновом этапе цикла показано на рис. 1. Прогрев до температуры от 200С и выше происходит до глубины 0,16 мм.

Выводы

Таким образом, припуск на чистовое шлифование для рассмотренных выше условий составляет 0,16 мм. Так, используя теплофизический анализ процесса шлифования, можно физически обоснованно подойти к проектированию цикла врезного шлифования.

Summary

In article the technique of realization heat-physical the analysis of a cycle cylindrical infeed grinding is described. The submitted mathematical model allows to receive optimum, from the point of view of a temperature mode of processing, value of allowances for corresponding stages of a cycle of grinding.

Список литературы

1. Сипайлов В.А. Тепловые процессы при шлифовании и управление качеством поверхности. - М.: Машиностроение, 1978. - 168 с.

2. Евсеев Д.Г., Сальников А.Н. Физические основы процесса шлифования. - Саратов: Изд-во Саратовского ун-та, 1978. - 129 с.

3. Лурье Г.Б. Шлифование металлов. - М.: Изд-во «Машиностроение», 1969. - 172_с.

4. Мухортов В.Н. Выбор режимов обработки при шлифовании резьбы ходовых винтов по целому // Станки инструмент. - 1991. - № 3 - С. 36-37.

5. Якимов А.В. и др. Тепловые процессы при обычном и прерывистом шлифовании. Одесса: ОГПУ, 1998. - 274 с.

6. Сизый Ю.А., Евтухов А.В. Моделирование и управление качеством поверхности при врезном шлифовании // Резание и инструмент в технологических системах: Межд. научн.-техн. сборник. - Харьков: НТУ «ХПИ». - 2002. - Вып. 61. - С. 194 - 201.

7. Общемашиностроительные нормативы времени и режимов резания для нормирования работ, выполняемых на универсальных и многоцелевых станках с числовым программным управлением. - М.: Экономика. - 1990. - Ч. II. - Нормативы режимов резания. - 473 с.

8. Сизый Ю.А., Степанов М.С. Математическое моделирование температурного поля в шлифуемой заготовке периферией круга // Восточно-европейский журнал передовых технологий. - №2. - 2004.

9. Сизый Ю.А., Степанов М.С. Тепловой баланс процесса шлифования. Резание и инструмент в технологических системах. - Вып._66. - 2004.

10. Резников А.Н. Теплофизика резания - М.: Машиностроение, 1969. - 288 с.