Теоретическое обоснование, исследование и разработка технологии резания с нагревом и пластическим деформированием обрабатываемого металла
Скачать 493.16 Kb.
|
Исследования проведены на лабораторном оборудовании НВВИКУ на ступенчатых валах, зажимавшихся в патроне токарного станка 16К20. Деформирование поверхности шариковой накаткой проводилось с целью исследования результатов силового воздействия на холодный и нагретый до температур разупрочнения металл.При накатывании роликом нагретой поверхности детали длина дуги, контактирующей с вершинами шероховатости, может быть найдена по формуле: L  = , (14)где: R-радиус давящего ролика, мм; Rz – шероховатость поверхности детали, мм; сosα =  .Усилие давления ролика рассчитывалось по формуле, учитывающей смятие материала  , где: σ - предел текучести материала обрабатываемой детали, кг/мм ; F- площадь контакта ролика с нагретой поверхностью детали, мм; Е - модули упругости разогретого и холодного металла соответственно. В расчете усилия давления принято для давящего водоохлаждаемого материала ролика с Т = 20ºC и Е 10 = 215, а для нагретого материала детали до Т= 750ºC и Е 10= 130 соответственно. Тогда усилие, приложенное к ролику, будет равно  кг, (516 Н)При накатывании холодного металла с целью смятия вершин шероховатости и закатывания их во впадины потребуется величина усилия  кг, (1491,9 Н) т.е. почти в три раза больше чем при накатывании нагретого металла.С целью исключения тепловых потерь детали теплопередачей станку были изготовлены и запатентованы кулачки токарного патрона из бетона с малой теплопроводностью (см. Патент на полезную модель РФ №68391). Нагрев цилиндрических деталей в промышленных условиях целесообразно производить токами высокой частоты. Технология нагрева на заводах отработана и широко применяется. Для нагрева деталей сложной ступенчатой и конусной формы был сконструирован раздвижной двух витковый индуктор (см. Патент на полезную модель РФ №77867). Режущий инструмент с внутренним водяным охлаждением решает проблему стойкости при резании с нагревом. Именно поэтому нами были разработаны несколько конструкций режущего инструмента с внутренним водяным каналом, подводящим охлаждающую среду непосредственно к режущей грани резца. На один из резцов было получено Свидетельство на полезную модель РФ № 24131. В четвертой главе приведены расчетные и экспериментальные данные эффективности применения комплексного метода обработки металла. Для решения задачи отвода тепла при вращении детали был сделан расчет по формулам теории теплопроводности. При этом для упрощения сложности расчета были сделаны следующие допущения: 1.Температура пламени газовой горелки в месте касания с цилиндрической заготовкой постоянна и равна 10000С. 2.Вращение заготовки при нагреве детали идет с частотой вращения при обработке металла. 3.Резец находится с противоположной стороны от пламени газовой горелки и пламенем не нагревается. 4.Весь тепловой поток от пламени горелки усваивается заготовкой. Поскольку нагрев заготовки пламенем газовой горелки производится с достаточно большой частотой вращения шпинделя, то заготовка постоянно обдувается воздухом. Известно, что потеря тепла при обдуве детали воздухом можно определить из выражения: ΔΘ=α (Т-Т0) Fτ. (15) где: α – коэффициент теплоотдачи, кал/см² с град.; Т и Т0 – соответственно температура детали и окружающего воздуха; F – площадь охлаждаемой по-верхности, см2 ; τ – время охлаждения, с. Падение температуры на поверхности тела ΔТ ≈  , (16) где c- удельная теплоемкость  ρ- плотность материала,  ; V– объем тела, см³Коэффициент α, входящий в формулы складывается из коэффициентов теплоотдачи при конвективном теплообмене и при лучеиспускании. Значение α в первом приближении можно рассчитывать по формулам для определения коэффициентов теплоотдачи в воздух. Приведенным к условиям Т= 200С и размерностям, относящимся к резанию вращающейся вокруг своей оси цилиндрической заготовки. (103 < Rе ≤ 2,2 • 103) α ≈ 0,3•10-4  (17)где d – эквивалентный диаметр заготовки в мм; W– скорость перемещения воздуха относительно детали соответствует скорости вращения вала в м/мин. Анализируя полученные результаты охлаждения нагретой точечным источником вращающейся детали можно утверждать, что потери в окружающую среду от вращающейся нагретой детали ничтожны за один оборот до следующего мгновенного нагрева. На самых медленных оборотах перепад температур всего  .(см. табл.3).Таблица 3
Следовательно, для упрощения расчетов потерями тепла можно пренебречь и заменить нагрев точечным источником на нагрев постоянной интенсивности по кольцу. Затем было рассчитано время нагрева поверхности вращающейся детали диаметром от 20 до 40 мм источником с температурой пламени в 32000С. В результате потери тепла пламени лучеиспусканием и конвенкцией обдуваемого воздуха средняя температура факела пламени у поверхности заготовки не превысит 1000ºC. Для теплового расчета были использованы зависимости скорости нагрева стальных деталей, от их теплофизических параметров. Расчет произведен на примере нагрева заготовки из ст.40Х диаметром 40 мм. Средняя температура факела пламени у поверхности заготовки Т= 10000С. Расчетное время, необходимое на нагрев поверхности детали пламенем горелки до температур от 100 до 900°C равно 2,1 секунды. При расчете принято для стали 40Х: λ =32,2 кал/м час0С; a =0,027 м2/час; α =80 кал/м2∙час0С. Начальная температура заготовки равна температуре окружающей среды Т0=200С. Температура резания (Тр) складывается при резании с нагревом из двух составляющих: температуры предварительного нагрева заготовки (Тн) и температуры развивающейся в зоне резания от сдвиговых деформаций при стружкообразования и тепла от трения стружки о резец и резца о деталь (Тд) Тр=Тн+Тд (18) Для нахождения температуры, возникающей в зоне резания от сдвиговых деформаций, воспользуемся следующей зависимостью Тд=Gт∙U0.2∙σв0,26 (19) Для стали 40Х при обычном резании резцом Т5К10 оптимальная тем-пература резания составляет 862ºС. Поскольку обработка металла обычная и с нагревом производится с одинаковыми скоростями то температура деформации будет определена как функция изменения σв прочности металла на разрыв. Тогда Тд=кσв0,26 (20) где к = сv0,2. – постоянная величина В соответствии с этой зависимостью σв= f (T) определяем, что нагрев значительно снижает прочность стали на разрыв в интервале от 400 до 7230С. Чтобы обезопасить структуру металла от нежелательных фазовых превращений ограничим верхний предел температур Т=6000С, тогда для ст. 40Х при Тн= 4000С - σв= 50кг/мм2; при Тн= 4500С - σв= 42кг/мм2; при Тн= 5000С. - σв= 30 кг/мм2; при Тн= 6000С - σв= 20кг/мм2. Подставив последовательно полученные значения параметров в известную формулу, получим:  (21)где Тр – оптимальная температура резания металла; σвн – прочность на разрыв нагретого металла; σвх – прочность на разрыв холодного металла. После логарифмирования данного выражения и подстановки данных получим: при 4500 Трез =601,70С; при 5000 - Трез =680,90С; при 6000 Трез =7980С При обычном резании металла без нагрева заготовки пламенном газовой горелки температура резания зависит только от сопротивления металла резанию и является функцией прочности металла на разрыв и пластических параметров при сдвиговых деформациях. При резании с нагревом температура в зоне резания значительно возрастает за счет нагрева металла пламенем горелки именно поэтому для реализации комплексного метода обработки необходимо применение охлаждаемого водой инструмента. Полученные результаты позволяют выбрать оптимальные режимы резания при механической обработке деталей с нагревом. Определение усилия резания нагретого до температур разупрочнения металла. Проведено сравнительное исследование механической обработки холодным резанием и способом резания с нагревом детали до температур разупрочнения. Исследование проводилось на сталях марок: ст. 45, ст. 40Х и ст.20Х13 на станке 16К20. Материал пластины режущего инструмента Т5К10 Изменялись режимы резания: -глубина резания t- от 0,8 мм до 4,0 мм; -величина продольной подачи S-от 0,28 мм/об до 0,52 мм/об; -частота вращения шпинделя, при n– от 200 мин-1 до 1600 мин-1; и температура на глубине срезаемого слоя Т=400 - 550°С. Исследования составляющих сил резания Рz и Ру при точении с нагревом (Тн=450оС) и без него показали, что происходящее в результате нагрева разупрочнение верхнего слоя металла приводит к снижению сил резания практически для всех режимов обработки в 1,3-2 раза. Такое снижение нагрузки на инструмент является существенным резервом повышения точности размеров на 1-2 квалитета при обработке нежестких валов и увеличения подачи и глубины резания, а значит – производительности обработки в 5-7 раз, особенно на черновых операциях. Из проведенных результатов следует отметить, что при нагреве заготовки до Т = 450-6000С усилие резания в три раза меньше, чем усилие резания холодного металла. Износ режущего инструмента определяется трением скольжения о поверхность обрабатываемой детали режущей и вспомогательной поверхностей инструмента. За величину сравнительной характеристики был выбран относительный износ задней поверхности напаянных режущих пластин из Т15К10 при холодном резани заготовок диаметром 48 мм и длиной 300 мм из стали 45 (S= 0,28 мм/об, t= 0,8мм , n= 1600 об/мин) без охлаждения СОЖ. Величина hз при холодном точении оказалась равной 1,0 мм при l= 250 мм на длине резания L= 134,57м. Величина относительного износа составила 7,431 мкм/м. Резание с нагревом проводилось после разогрева заготовки пламенем горелки до температуры на глубине резания в 4000 -5500С по той же схеме. Величина hз при резании стали 45 с нагревом оказалась равной 180 мкм при l=250 мм на длине резания L=134,57м. при тех же режимах резания и диаметре заготовки. Величина относительного износа составила 1,337 мкм/м. Известно, если отводить тепло от режущей пластины резца, то стойкость инструмента возрастает. Нами были проведены эксперименты с водо- охлаждаемым резцом. Отвод тепла от грани режущего инструмента за счет внутреннего водяного охлаждения дало снижение относительного износа задней поверхности резца, как при холодном резании, так и при резании с нагревом. Средняя величина относительного износа инструмента по задней поверхности сокращается при холодном резании с 6,137 до 2,558 мкм/м, почти в 3 раза. При резании с нагревом средняя величина относительного износа сокращается с 1,129 до 0,947 мкм/м на 20% при глубине резания 0,8 мм и с 1,233 до 0,998 мкм/м на 22% при глубине резания в 4 мм. Обработка результатов экспериментов стойкости режущего инструмента позволила определить основные факторы, влияющие на стойкость. Метод тождества размерностей дал следующую зависимость стойкости режущего инструмента при резании с нагревом до температур разупрочнения в снимаемом слое  , (22)где с – теплоемкость материала режущего инструмента, кал гр /град; Трез –температура резания металла, град; U – постоянная, зависящая от отношения прочности стали инструмента к материалу детали, σинстр /σдет; В - постоянная, зависящая от соотношения твердости режущей кромки инструмента к твердости нагретой детали; α - коэффициент температуропроводности через площадку контакта детали с режущим инструментом, в кал/ см² сек град; Тдет - температура срезаемого слоя детали, в град; ∆F- нарастание площадки износа по задней поверхности инструмента за период резания нагретой детали, в см²; ρ - удельный вес снимаемого резанием металла, в гр/см³; n-частота вращения шпинделя при резании металла, в об\мин,; S –подача инструмента, в мм\об; t -глубина резания, в мм; L –длина резания, в мм. Компьютерное моделирование позволило представить результаты расчетов износа режущего инструмента при резании стали с нагревом от режимов резания в виде трехмерных графика. Например, для износа пластины Т5К10 при резании ст. 45 график выглядит так (см. рис.4):  Р V ис.4. Значения h мм при: V = 18 – 150м/мин ; S = 0,28 – 0,52 мм/об; t = 4мм; Tдет = 400°С. С целью сравнения износостойкости обычного режущего инструмента при резании с нагревом с инструментом, применяемым для точения с пластинами из СТМ, было проведено сравнение стойкости, полученной в результате экспериментов резания с нагревом со стойкостью пластин СТМ по данным рекламных проспектов фирм – изготовителей этого инструмента. В результате был построен график, который наглядно демонстрирует преимущество резания с нагревом резцами из обычных инструментальных материалов см. рис.5. h,мм МВ 8025 ВК6 при Т=5000 С 0,10 0,05 0 25 50 Т,мин         Р D, мм МВ 8025 ВК6 при Т=5000 С 0,10 МВ 0,05 0 5 10 Т,мин ис.5. График изменения величины износа пластины из СТМ марки МВ 8025 при холод-ном резании с использованием СОЖ и пластины из ВК6 отечественного производства, полученный по результатам замеров величины износа при резании с нагревом В случае резания с нагревом охлаждение СОЖ не применялось. Верхняя кривая взята из рекламного проспекта фирмы, а вторая - построена по результатам замеров износа задней поверхности резца после резания с нагревом закаленной стали 40Х |
Похожие:
 | Урок по технологии на тему «Основные приёмы резания тонколистового металла и проволоки» Блок первый: Генезис феодализма у восточных славян и образование раннефеодального Древнерусского государства | | Кузнецова Елена Сергеевна г. Сергиев Посад 2009 г. Содержание Введение... I. теоретическое исследование инфантильности и конфликтности у подростков 14-15 лет в условиях семьи |
| Теоретическое обоснование и совершенствование технологии красных... ... | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Лекция на 3 курсе дневного обучения специальности «Машины и аппараты химических производств» состоялась 23 ноября 2009 года в аудитории... |
| Содержание введение 3 Общая характеристика бак «Экогель» 4 ... | | Автореферат Магистерской диссертации Самара 2010 Работа выполнена... Исследование Напряженно – деформированного состояния свёрл с смп, разработка практических рекомендаций по режимам резания и условиям... |
| С. В. Карвегина, магистрант; М. В. Ключко, магистрант Панова М. Б ... | | Разработка технологии соединения элементов титановых слоистых конструкций... Защита состоится 19 января 2011 г в 1400 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета д 212. 037. 04 Гоувпо «Воронежский... |
| Теоретическое обоснование проблемы индивидуализации обучения на уроке английского языка | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Теоретическое обоснование |
| Пластун Инна Львовна Саратов 2009 Обоснование выбора темы. Нелинейная... «Разработка численной модели распространения лазерного излучения в нелинейно-оптических средах» | | Теоретическое обоснование проекта Постановка проблемы ... |
| «Влияние музыкотерапии на психо-эмоциональное состояние детей» Теоретическое обоснование необходимости и значимости применения музыкотерапии в образовательном учреждении |  | Отремонтировать старость I. теоретическое исследование инфантильности и конфликтности у подростков 14-15 лет в условиях семьи |
| I. Пояснительная записка Теоретическое обоснование Дополнительная общеобразовательная программа «Бисероплетение» по направлению художественно-эстетическое искусство разработана по... | | Содержание Тюленёва А. Н., Осипенко М. А., Няшин Ю. И. экспериментальное и теоретическое исследование процесса иммобилизации микроорганизмов... |
