Выбор технологических параметров при механической обработке резанием Елистратова Е.С., Елистратов С.М.

Выбор технологических параметров
при механической обработке резанием
Елистратова Е.С., Елистратов С.М.
• Цели:
- определение температурных режимов при резании;
- интенсивности термоупругих напряжений, возникающих от
контактного разогрева при механической обработке
поверхностных слоев полых осесимметричных цилиндрических
металлоизделий;
• Задачи:
разработка методики выбора рациональных параметров
механической обработки из условия предотвращения
пластических деформаций на поверхности детали после
прохождения инструмента,
выявление влияния механических свойств металлов детали и
инструмента на условия резания. При этом в качестве
технологических критериев, должны учитываться
производительность (число обрабатываемых деталей), точность
обработки и фактическая себестоимость.
Этапы механической обработки металлоизделий
Рис. 1. Схема обработки со снятием стружки
ЗАГОТОВКА
Предварительная
обработка
(черновое точение)
Низкий отпуск
(для снятия напряжений)
Чистовая обработка
Обточка, сверление,
фрезерование
Улучшение, закалка,
отпуск
Тонкое точение
Шлифование,
хонингование
Готовая деталь
Рис.2. Схема процесса деформирования материала при резании и основные типы стружек: а- упрощенная
схема стружкообразования; б- схема сил, действующих на режущий клин; в- процесс деформирования при
образовании сливной стружки; г- микроструктура поверхностного слоя детали: 1- пленка окислов; 2- слой
диспергированного материала; 3- пластически деформированный слой; 4- упругодеформированный слой; 5исходная структура; д - распределение микротвердости в поверхностном слое; ; е- типы стружек: 1- сливная; 2суставчатая; 3- элементная; 4- надлома.
Влияние различных технологических факторов на температуру резания
TK  T0 
C v0.4 s 0.24t 0.1(sin  )0.26
k
0.035 0.11 0.056
r
(3)
F
где Тк - зависимость темп-ры контактного слоя при точении
конструкционной стали 40XH быстрорежущим резцом от Т0
–
температура центральных слоев детали; r – радиус закругления вершины
резца; F – площадь поперечного сечения резца; v – скорость резания в
м/мин; s – подача за один оборот в мм/об; t – глубина резания в мм;
φ – главный угол в плане; k=t/s; С – постоянная, зависящая от
обрабатываемого материала и инструмента.
Рис.6. Влияние увеличения скорости резания на среднюю
температуру стружки при точении стали 40X резцом из твердого
сплава Т60К6 (t=1,5 мм; s=0,12 мм/об). (Т в начале интенсивно
возрастает, а после достижения скоростью резания определенного
значения, рост температуры почти прекращается и мало зависит от
дальнейшего увеличения скорости .
Напряженно-деформированное состояние при обработке металлов резанием, вызванное
неравномерным нагревом из-за расширения элементов материала при повышении температуры
r 
Методика учета и определения термоупругих остаточных напряжений для осесимметричных полых
цилиндрических металлоизделий
r
2b
 2

E 1  r  a
Trdr   Trdr ;

2
2
2


1  r  b  a a
a

r
E 1  r 2  a 2 b
2 
 
Trdr

Trdr

Tr
; ( 4)


2
2
2


1  r  b  a a
a


E  2 b
z 
Trdr  T ,

2
2

1    b  a a

где
r
T  T0e
R
,
где температура поверхности детали обозначена
через Т1 = Тк, R =b это внешний радиус цилиндра и из
условия
найден показатель  и получена
температурная функция, соответствующую контактному
разогреву детали в процессе обработки резанием
r

- радиальные,  - окружные,
 z - осевые напряжений за счет разогрева цилиндрического
металлоизделие радиуса b со сквозным круглым отверстием радиуса а;
 – коэффициент линейного расширения материала;
Е – модуль упругости;
 – коэффициент Пуассона; r – текущий радиус, изменяющийся от a до b
Здесь T - температурные функции, зависящие от параметров
технологического процесса, которые описываются экспоненциальной
зависимостью
T / r b  T1
 T1
T  T0 
T
 0
 r/b

(5)
.

Определение интенсивности температурных напряжений с учетом параметров резания
i 
i –
1
( r    ) 2  (    z ) 2  ( z   r ) 2 (7)
2
интенсивность напряжений,
Tk  T0  148,8v 0.4 s 0.24t 0.1 .
Решения предыдущей задачи термоупругости на поверхности детали после прохождения инструмента имеет вид:
r /b 1
 r / r b  0,  / r b   z / r b ,
  / r b
2
2
 2
b
T
abT
b
Tk 0
k
0
k
0

(


2
2
2
ET0  b  a ln Tk 0 ln Tk 0 ln Tk 0


1    b 2T a / b
k0
)  Tk 0
 2
 ln Tk 0



.(8)



Tk
 Tk 0 ;
T0
Интенсивность напряжений определим для полой цилиндрической детали на внешней
после подстановки (8) в (7)

ET0  2
b2Tk 0 abTk 0 b2Tk 0 b2Tk 0a / b
i 
(

 2
 2
)  Tk 0 (9)
2
2

1    b  a ln Tk 0 ln Tk 0 ln Tk 0
ln Tk 0

поверхности
Величина интенсивности напряжений для трубы в зависимости от начальной температуры и
параметров резания
Рис. 7. Зависимость интенсивности напряжений при точении трубной заготовки при b=10 см из ст. 40Х2Н4 от а - скорости, 6 подачи и в – глубины резания при различной То – температуре центральных слоев. Значения колеблются от 450-750 МПа.
Скорость резания значительнее влияет на распределение интенсивности.
Выбор параметров процесса резания с применением критерия удельной энергии формоизменения , с
целью предотвращения пластических деформаций на поверхности детали после прохождения инструмента
i  T
где
T
– пред ел текучести обрабатываемого металла.
Рис.8. Зависимости предельных соотношений параметров механической обработки трубной
заготовки из стали 3 - а, б - 40Х2Н4 и в - жаропрочный сплав ХН70ВМТЮ (ЭИ617) с внешним радиусом
10 см и толщиной стенки 5 см при начальной температуре Т0=30°С,
Заключение
•
•
•
•
•
•
В работе рассмотрены процессы механической обработки и их основные характеристики и
параметры. Известные решения теории упругости определения температурных напряжений
использованы для нахождения радиальных, окружных и осевых напряжений, возникающих при
контактном разогреве в поверхностных слоях цилиндрической заготовки.
Определена интенсивность напряжений, и влияние на нее основных технологических
параметров: глубины, скорости резания и подачи. Из распределений видно, что интенсивность
напряжений возрастает с уменьшением начальной температуры; скорость резания в большей
степени влияет на интенсивность напряжений, чем подача и глубина резания.
Найдены предельные соотношения параметров процесса резания для трубных заготовок с
учетом температурного разогрева внешней поверхности за счет трения при обточке.
Разработана методика, позволяющая осуществлять выбор основных параметров процесса
резания в зависимости от материала, геометрии заготовки и инструмента из условия
сохранения последеформационной прочности и точности.
в разделе БЖД выявлены источники опасности для Рабочего производственного цеха.
Предложены мероприятия по обеспечению достаточной освещенности и понижению уровня
шума. В результате корректировки рабочее место стало безопасно для здоровья сотрудника.
В экономической части проведен расчет эффективности инвестиций в проект производства
металлических прутков. Анализ результатов показал, что при достаточных объемах
производства окупаемость такого проекта составляет 4 месяца.