К.т.н. Милованова Л.Р., к.т.н. Стекольников М.В.

Энгельсский технологический институт (филиал) Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А., Россия

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ ГЛУБОКИХ ОТВЕРСТИЙ

Технологии сверления глубоких отверстий, у которых отношение длины к диаметру более 10, отличаются от обработки обычных отверстий и требуют применения специфического оборудования и технологического оснащения, а именно, специальных режущего, вспомогательного, измерительного инструментов и приспособлений [1].

При сверлении отверстий возникает осесимметричная теплофизическая задача, связанная с расчетом температурного поля в обрабатываемой детали от действия источника теплоты в форме кольца с равномерным распределением интенсивности тепловыделения. Соотношение для расчета температурного поля в неограниченном теле с мгновенным источником мощностью q Дж/м в виде окружности радиусом r’, действующего в плоскости z’=0 в момент времени t=0 [2] имеет вид:

, (1)

где _, - функция Бесселя нулевого порядка от мнимого аргумента, - объемная теплоемкость, - коэффициент температуропроводности.

В соответствии с принципом местного влияния [3] допустимо рассматривать температурное поле в детали как сумму двух полей: общего поля вдали от источника и местного поля непосредственно в пространстве источника. В связи с этим, рассчитывая местное температурное поле в детали, можно обрабатываемую деталь условно представить неограниченным телом с цилиндрическим отверстием радиуса r_0. Учитывая, что окружная скорость источника на несколько порядков больше скорости движения подачи, то по значению критерия Пекле , такой быстродвижущийся местный источник в пределах одного оборота детали можно считать пространственным мгновенным кольцевым [4] с распределением интенсивности в направлении радиуса r и координаты z по нормальному закону Гаусса:

. (2)

В соответствии с принципом пространственно-временного соответствия [5], чтобы перейти от решения, описывающего температурное поле в неограниченном теле с мгновенным кольцевым источником (1) к соответствующему решению с нормально-тороидальным источником (2) достаточно в соотношении (1) к временной координате t добавить постоянную времени .

Известно, что для малых промежутков времени, т.е. для больших значений аргумента функции Бесселя, в соотношении (1) допустима замена

.

Рис.1. Зависимость температуры на поверхности отверстия от времени при сверлении стали 45 (

)

После преобразования решения описывающего тепловой режим в неограниченном теле с отверстием радиуса r₀ с нормально-тороидальным источником, при , получим соотношение

. (3)

Результаты расчётов по соотношению (3) представлены на рис.1., при этом влияние СОЖ на температуру в зоне контакта инструмента с деталью учитывается через снижение механических составляющих процесса резания, в частности осевой составляющей силы резания на 30-35%.

В рамках выполнения научной работы проводилось сверление глубоких отверстий диаметрами 10 и 20 мм специальными свёрлами для глубокого сверления. Во время обработки проводилось экспериментальное исследование температуры в зоне контакта инструмент-деталь, а также распределения тепла в обрабатываемой детали с помощью стандартной термопары типа хромель-алюмель. В результате экспериментальных исследований была доказана адекватность теоретической математической модели.

Литература:

1. Подураев В.Н. Резание труднообрабатываемых материалов. М.: Высш. школа, 1974.- 590 с.

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

3. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел.- М.: Наука, 1964.- 488с.

4. Рыкалин Н.Н. Теория нагрева металла местными источниками теплоты // Тепловые явления при обработке металлов резанием: Сб. науч. тр.- М.: НТО Машпром, 1959.-С.14-45.

5. Барац Я.И., Милованова Л.Р.Двумерные теплофизические задачи при обработке металлов методами поверхностного пластического деформирования// Физика и химия обработки материалов.-2004.-№3.-С.42-45.