Теплообразование и температура в зоне резания при высокоскростной обработке сталей режущим диском

УДК 625.9.022

ТЕПЛООБРАЗОВАНИЕ И ТЕМПЕРАТУРА В ЗОНЕ РЕЗАНИЯ ПРИ ВЫСОКОСКРОСТНОЙ ОБРАБОТКЕ СТАЛЕЙ РЕЖУЩИМ

ДИСКОМ

Н.И. Покинтелица, Е.А. Левченко, О.С. Кравченко

Изучено влияние температуры резания на изменение основных механических характеристик сталей. Доказана целесообразность использования математических моделей для достоверного количественного определения температуры в зоне контакта инструмента и заготовки. Установлено, что процесс пластического деформирования и стружкообразования при термофрикционной обработке металлов резанием характеризуется высокотемпературным нагревом контактного участка зоны струж-кообразования и неразрывно связанным с ним термическим разупрочнением обрабатываемого материала.

Ключевые слова: резание, процесс, температура, термофрикционная обработка, инструмент, режущий диск, прочность, теплопроводность.

Резание металлов является сложным процессом, который сопровождается рядом физических, иногда и химических, явлений. Изучение физической сущности процесса резания дает возможность эффективно управлять этим процессом, повышая производительность обработки и качество обработанных поверхностей.

Любой процесс резания характеризуется выделением тепла, которое идет в стружку, инструмент, обрабатываемую деталь и в окружающую среду. Температура резания - это не что иное, как максимальная температура при обработке пластичных металлов, которая находится в зоне контакта режущей кромки с обрабатываемой деталью.

При термофрикционной обработке (ТФО) температура резания оказывает решающие воздействие на процесс обработки в целом, а в частности, и на качество обрабатываемой поверхности. Силы трения, создаваемые в зоне контакта быстро вращающегося режущего диска (РД) с движущейся навстречу заготовкой, позволяют получить необходимую температуру. А это, в свою очередь, обеспечивает снижение прочностных характеристик обрабатываемого металла, уменьшаются напряженность процесса стружкообразования и удельная нагрузка на инструмент [1].

Высокая температура резания разогревает металл в зоне контакта, влияет на условия и режимы резания. Выбор оптимальных режимов резания затрудняет проектирование технологии ТФО. Путем изменения температуры трения можно влиять на степень пластической деформации, износ инструмента и на другие параметры резания [2, 3].

При обработке стали снимаемый слой испытывает упругую деформацию, которая быстро переходит в пластическую. Доля упругой деформации по сравнению с пластической невелика. Чем предел текучести от

ниже предела прочности ов, тем большей будет пластическая деформация. Также температура зависит от теплопроводности заготовки и инструмента [4].

Как известно, параметры качества поверхностного слоя (глубина и степень наклепа, величина и знак остаточных напряжений) в значительной степени зависят от теплового фактора. Если режимы резания и другие условия обработки изменяются таким образом, что количество теплоты, генерируемой в зоне резания, возрастает, то следует ожидать уменьшения степени и глубины наклепанного слоя [5]. Поэтому определение температуры в зоне резания при ТФО представляет научный интерес и требует более глубоко изучения. Необходимо изучить изменение основных механических характеристик сталей под действием высоких температур с целью дальнейшей разработки рекомендаций для применения ТФО в промышленном производстве.

Для рассмотрения выбраны материалы:

- конструкционная углеродистая сталь 45;

- конструкционная криогенная сталь 12Х18Н10Т. Состав: углерод (С) менее 0,12 %, хром (Сг) 17...19 %, никель (N1) 9...11 % и др.;

- сплав жаропрочный ХН70ВМТЮ (ЭИ617). Основой сплава является никель (N1) 61,5.76,4 %, также в состав входит хром (Сг) 13.16 %, вольфрам (Ш) 5.7 %, молибден (Мо) 2 %, титан (Л) 1,8.2,3 %, углерод (С) менее 0,12 % и др.

Предел прочности стали 45 при нагреве повышается и имеет наибольшее значение в области температур 200.300 °С (табл. 1). При нагреве от 300 °С предел прочности постепенно понижается у всех материалов. При температуре выше 500 °С предел прочности резко снижается, принимая при 600°С весьма низкие значения по сравнению с прочностью при обычных температурах. Для 12Х18Н10Т и ХН70ВМТЮ резкое снижение прочности наступает при 600 °С, низкие значения наблюдается при 800.900 °С (рис. 1) [4, 5].

Таблица 1

Значения предела прочности ав для различных видов материалов в зависимости от температуры

Марка стали Температу ра,°С

20 200 300 400 500 550 600 700 800 850 900

Сталь 45 600 702 728 573 383 312

12Х18Н10Т 620 — 460 450 450 — 400 280 180 — —

ХН70ВМТЮ 990 900 750 590 490

Предел текучести стали 45 повышается в области температур 50.200 °С (табл. 2), затем постепенно понижается при нагреве до 500 °С.

1200

0 Н-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1

20 200 300 400 500 550 600 700 800 850 900 Температура, °С

Рис. 1. Изменение предела прочности авразличных сталей в зависимости от температуры

Таблица 2

Значения предела текучести ат для различных видов материалов __в зависимости от температуры_

Марка стали Температу] ра,°С

20 200 300 400 500 550 600 700 800 850 900

Сталь 45 340 357 263 229 179 125

12Х18Н10Т 280 — 200 180 180 180 — 160 100 — —

ХН70ВМТЮ 680 650 580 470 380

Для стали 12Х18Н10Т наблюдается плавное снижение до температуры 800 °С. Для жаропрочного сплава ХН70ВМТЮ предел текучести не значителен до температуры 700 °С, после этого резко снижается до 900 °С. Другими словами, при температуре 700 °С и выше материалы находится только в пластическом состоянии, теряя полностью свои упругие свойства (рис. 2) [4, 5].

С изменением температуры теплопроводность сталей и сплавов изменяется (табл. 3).

Таблица 3

Значения теплопроводности 1 (Вт/(мК)) для различных видов _материалов в зависимости от температуры_

Марка стали Температура,°С

20 100 200 300 400 500 600 700 800 900

Сталь 45 — 48 47 44 41 39 36 31 27 26

12Х18Н10Т 15 — — Л9 21 23 25 27 26 26

ХН70ВМТЮ — 10 11 13 15 17 19 22 24 27

Рис. 2. Изменение предела текучести ат сталей в зависимости

от температуры

Из рис. 3 видно, что с повышением температуры величина коэффициента теплопроводности для стали 45 понижается. Для материалов 12Х18Н10Т и ХН70ВМТЮ обратная картина-теплопроводность повышается с повышением температуры. Это объясняется наличием легирующих элементов, таких, как хром и никель [4, 5].

Рис. 3. Изменение теплопроводности Лразличных видов материалов

в зависимости от температуры

Несмотря на то, что характер изменения теплопроводности различен, при температуре 900 °С значения коэффициента у представленных видов материалов отличаются только на одну единицу.

При нагреве легированных и специальных сталей теплопроводность их с повышением температуры изменяется в зависимости от рода и количества легирующих элементов. Исследованиями установлено, что у высоколегированных сталей, содержащих хром и никель, с повышением темпе-

162

ратуры теплопроводность увеличивается. На величину теплопроводности влияет также и способ обработки металла. Ковка, прокатка и вообще всякая обработка стали давлением повышают ее теплопроводность. У литой стали теплопроводность меньше, чем у стали, обработанной давлением (ковкой, прокаткой) [6].

С увеличением температуры нагрева в зоне резания уменьшаются твердость и прочность обрабатываемого материала, возрастают его пластичность, теплопроводность, теплоемкость, снижается склонность к его упрочнению. В то же время возрастают, вязкость, сопротивление хрупкому разрушению твердосплавных инструментов, тогда как твердость и прочность их материалов снижаются в меньшей степени, чем у большинства обрабатываемых материалов [7, 8].

Обработка материалов металлическим РД характеризуется высокотемпературным нагревом (1000 ... 1200 °С) контактного участка зоны стружкообразования и неразрывно связанным с ним термическим разупрочнением обрабатываемого материала, значительным снижением его механических свойств и сил трения на передней поверхности инструмента. Образуемая в таких условиях сливная стружка имеет, как правило, отрицательную усадку, а углы скалывания (сдвига) превышают 45°, что установлено металлографическими исследованиями корней стружек [2]. При термофрикционной обработке металлов приходится иметь дело с подвижным источником теплоты. В данном случае перенос теплоты будет осуществляться не только за счет теплопроводности, но и за счет движения самой нагретой заготовки.

При наличии движения теплового источника необходимо систему координат связать с движущимся источником. При совмещении оси г с направлением движения теплового источника дифференциальное уравнение теплопроводности (1) запишется в виде [9]

Ж Су

г э^е + э^е + э^еЛ

ч Эх2 Эу2 Эг2,

+ vf,

аг

где V - скорость перемещения теплового источника, м/с; С - удельная теплоемкость, Дж/(кгК); у- плотность, кг/м3; 1 - коэффициент теплопроводности, Вт/(мК).

Для решения теплофизических задач в процессах ТФО металлов применен метод источников (метод Грина), суть которого заключается в том, что если известен закон изменения температуры 0 (х, у, г, ¿) в точке В (х, у, г) теплопроводящего пространства от источника теплоты, помещенного в точку А (х', у', г'), выделившего количество теплоты Q в момент времени г', то температура в точке В (х, у, г) от системы распределенных в пространстве источников определяется суперпозицией из температурных полей. Решение задачи сводится к определению функции 0 (х, у, г, ¿) от ис-

точника теплоты Q (функция Грина). Для того чтобы решение 0 (х, у, г, являлось единственным решением поставленной задачи, оно должно одновременно удовлетворять некоторым начальным и граничным условиям.

Начальное условие 0 = 0(х, у, г, ?0) определяет распределение температуры внутри исследуемой области в начальный момент времени.

Граничные условия в теории теплопроводности разделяют на четыре вида.

Граничные условия первого рода задают распределение температуры на границе области в любой момент времени, т.е. 0 (хБ, уБ, 2Б, = ф(?,Б).

Граничное условие второго рода задает плотность теплового потока для каждой точки теплового пространства в любой момент времени, т.е. д(хБ, уб, 0.

Граничное условие третьего рода задает теплообмен на границе области с окружающей средой, который может быть задан в форме закона Ньютона - Рихмана:

где 0О - температура поверхности заготовки; 0С - температура окружающей среды; а - коэффициент теплообмена, зависящий от свойств материала заготовки, среды и температуры.

Граничные условия четвертого рода выражают равенство тепловых потоков на границе раздела двух теплопроводящих сред и записываются в виде равенства:

Распределение тепловых источников в пространстве, время их действия и движения учитываются интегрированием. Фундаментальным решением уравнения теплопроводности (1) является функция источника с непрерывно изменяющейся координатой 2 по закону (г'-VI).

Известно, что если в «-мерном пространстве в точке А с координа-

г г

тами х\„ х'2, х3,..., х п в момент времени { выделилось количество теплоты Q, то температура тела в точке В с координатами х1, х2 ,..., хп в момент времени > / п) описывается функцией [7]

Э01 Э02

= Л2^Г~

Эх б Эх б

22

где а1 - коэффициент температуропроводности, м/с; Я - квадрат расстояния между точками А и В, причем

Я2 = (х1 -х1 )2 + (х2 -х2)2 +... + (хп -хП)2.

164

Функция (2) является решением фундаментального уравнения теплопроводности (1). На основании данного решения можно записать функцию Грина для различных условий задачи. На рис. 4 приведена расчетная схема определения температуры в зоне резания при обработке плоскости РД. Движущийся источник теплоты представлен в форме прямого угла ОАВ. 01 (х, у) - тепловое поле, создаваемое отрезком ОА, 02 (х, у) - тепловое поле, создаваемое отрезком АВ.

Рис. 4. Расчетная схема определения температуры при ТФО

Тогда

©1( х, у)=а ¿©1, 00

где а - глубина резания.

На отрезках ОА и АВ должны выполняться граничные условия четвертого рода:

1

Э©

1"

Эх

=-1

2"

Э©1

ОА

Эх

ОА

где 11 - теплопроводность материала заготовки; 12 - теплопроводность материала РД; ©1 - тепловое поле, создаваемое отрезком ОА в инструменте. Аналогично

-1

Э©

2

Эх

= -1

Э©2

ОА

Эх

ОВ

На луче ОХ задан закон конвективного теплообмена между поверхностью заготовки и окружающей средой

а(©О -©с ) + =-д (х, t).

Эу

165

ОХ

Тогда

а ©1 (

--< ехр <----—

Су4ках

• <

ехр

+

+ехр

С 1 Л ^

[ * + V (г - г') ]2 +(у -у)21 ;

2

4а1

аг а

©1 (*, у ) = Ц а©1 + / / (у Уу'+сь

00 0

где /(у') - функция лишь одной переменной; С1 - константа интегрирования.

Обычно задачи с граничными условиями четвертого рода решаются только численными методами. Приведенные формулы позволяют определять температуру в зоне резания, стружке, припуске и в обработанных поверхностях, что позволяет прогнозировать структуру поверхностного слоя после обработки диском и получать поверхности заданного качества. По данным расчетов построены температурные поля (рис. 5-7) для стали 45, 12Х18Н10Т и ХН70ВМТЮ при следующих режимах резания: скорость вращения РД - 50 м/с, скорость подачи заготовки - 160 мм/мин, глубина резания - 2 мм.

Рис. 5. Температурное поле в инструменте и заготовке

из стали 45

Рис. 6. Температурное поле в инструменте и заготовке

из стали 12Х18Н10Т

166

Рис. 7. Температурное поле в инструменте и заготовке из стали ХН70ВМТЮ

Изучение температурных полей показывает, что вследствие низкой теплопроводности коррозионностойких сталей в зоне резания и стружке наблюдается локализация теплоты, что увеличивает степень размягчения и разупрочнения металла.

Процесс пластического деформирования и стружкообразования при термофрикционной обработке металлов резанием характеризуется высокотемпературным нагревом контактного участка зоны стружкообразования и неразрывно связанным с ним термическим разупрочнением обрабатываемого материала, значительным снижением его механических свойств и сил трения на передней поверхности режущего диска.

Полученные математические зависимости могут быть использованы для определения выходных данных при проектировании типовой технологии, оборудования и инструмента для термофрикционной обработки.

Список литературы

1. Зарубицкий Е.У. Термофрикционная обработка плоских поверхностей деталей // Пути повышения эффективности использования режущего инструмента. М., 1987. С. 71 - 74.

2. Струтинский В.Б., Покинтелица Н.И. Механизм формирования волнистой поверхности при термофрикционной обработке деталей // Вестник Севастопольского национального технического университета. Маши-ноприборостроение и транспорт. 2014. Вып. 160. С. 161 - 169.

3. Пенкин Н.С., Пенкин А.Н., Сербин В.М. Основы трибологии и триботехники: учеб. пособие. М.: Машиностроение, 2008. 206 с.

4. Зубченко А. С., Колосков М.М., Каширский Ю.В. Марочник сталей и сплавов. 2-е изд., доп. и испр. / под общей ред. А.С. Зубченко. М.: Машиностроение, 2003. 784 с.

5. Талантов Н.В. Физические основы процесса резания, изнашивания и разрушения инструмента. М.: Машиностроение, 1992. 240 с.

167

6. Сорокин В.Г., Гервасьев М.А., Палеев B.C., Гервасьева И.В. Стали и сплавы. Марочник: Справ. изд. / под науч. ред. В.Г. Сорокина, М.А. Гервасьева. М.: Интермет Инжиниринг, 2001. 608 с.

7. Насад Т.Г., Игнатьев А. А. Высокоскоростная обработка труднообрабатываемых материалов с дополнительными потоками энергии в зоне резания. Саратов: СГТУ, 2002. 112 с.

8. Гик Л.А. Ротационное резание металлов. Калининград: Кн. изд-во, 1990. 254 с.

9. Якимов А.В., Ткаченко Б.О., Зимин С.Г., Якимов А.А. и др. Основы теории тепловых явлений при шлифовании деталей машин. Одесса: ОГПУ, 1997. 272 с.

Покинтелица Николай Иванович, д-р. техн. наук, проф., зав. кафедрой, nik.pokintelitsa@,mail.ru, Россия, Севастополь, Севастопольский государственный университет,

Левченко Елена Александровна, канд. техн. наук, доц., ealev@ukr.net, Россия, Севастополь, Севастопольский государственный университет,

Кравченко Ольга Сергеевна, аспирант, olka. bolka20@,gmail. com, Россия, Севастополь, Севастопольский государственный университет

HEA T GENERA TION AND TEMPERA TURE IN THE ZONE CUTTING WITH HIGHSUSPENSION TREA TMENT STEELS CUTTING DISK

N.I. Pokintelitsa, E.A. Levchenko, O.S. Kravchenko

The influence of the cutting temperature on the change in the basic mechanical characteristics of steels was studied. The expediency of using mathematical models for reliable quantitative determination of temperature in the contact zone of the tool and billet was proved. It is established that the process of plastic deformation and chip formation during thermofrictional processing of metals by cutting is characterized by high-temperature heating of the contact zone of the chip formation zone and inextricably related thermal softening of the processed material.

Key words: cutting, process, temperature, thermofrictional processing, tool, cutting disk, strength, thermal conductivity.

Pokintelitsa Nikolai Ivanocich, doctor of technical sciences, professor, heard of chair, nik.pokintelitsaamail. ru, Russia, Sevastopol, Sevastopol State University,

Levchenko Elena Aleksandrovna, candidate of technical sciences, docent, ea-lev@Mkr.net, Russia, Sevastopol, Sevastopol State University,

Kravchenko Olga Sergeevna, postgraduate, olka. bolka20@,gmail.com, Russia, Sevastopol, Sevastopol State University