ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СИЛЫ И ТЕМПЕРАТУРЫ В ПРОЦЕССЕ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО РЕЗАНИЯ НА ТОЧНОСТЬ ОБРАБОТКИ ГИЛЬЗЫ БЛОКА ЦИЛИНДРОВ

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ Процесс изготовления гильз цилиндров в литых блоках двигателей в автомобильной промышленности включает операции чернового, получистового и чистового растачивания. Погрешности цилиндрической формы обрабатываемого цилиндра приводят к ухудшению рабочих характеристик двигателя из-за увеличения потерь на трение и чрезмерного износа поршневых колец. Таким образом, требования промышленности к цилиндричности и округлости гильзы цилиндра с каждым годом становятся все выше. Процесс растачивания в основном влияет на форму обрабатываемой гильзы цилиндра через силу резания и температуру, возникающие во время операции [1, 2]. В процессе расточки цилиндра отклонение расточной штанги от стенки гильзы цилиндра оставляет не срезанный слой материала в радиальном направлении, что приводит к погрешностям обработки и влияет на точность детали. Таким образом, погрешность обработки, вызванная силой резания, зависит от величины силы резания и жесткости гильзы цилиндра. С другой стороны, во время обработки механическая энергия преобразуется в тепло посредством пластической деформации при образовании стружки и трением между инструментом и стружкой. Часть выделенного тепла во время обработки переходит в гильзу цилиндра и вызывает её расширение. Как величина силы резания, так и температура в гильзе цилиндра в основном зависят от режимов резания в процессе обработки, структуры гильзы и геометрии инструмента. Если имеется корреляция между режимами резания и силой резания, температурой в гильзе цилиндра, то режимы резания в процессе расточки гильзы цилиндра могут быть оптимизированы, где критериями оптимизации будут сила резания и температура гильзы. Таким образом, в этой статье будут исследованы величина силы резания и температура в гильзе цилиндра при различных режимах резания. Сила резания может быть легко измерена с помощью динамометра или найдена с использованием некоторых широко распространенных моделей [3, 4]. В этой статье силы резания напрямую измеряются в ходе эксперимента. В процессе расточки механическая энергия преобразуется в тепло посредством пластической деформации в процессе стружкообразования и трения между инструментом и заготовкой. Затем часть генерируемого тепла отводится стружкой. Оставшиеся тепловые потоки идут в заготовку и инструмент. Именно это разделение общего генерируемого тепла, которое переходит в заготовку, вызывает повышение температуры гильзы цилиндра и приводит к её тепловому расширению. Следовательно, для анализа распределения температуры в гильзе цилиндра во время механической обработки необходимо определить тепловой поток, поступающий в гильзу цилиндра. В предыдущих работах [5, 6] разрабатывались температурные модели процесса обработки, но эти исследования были почти полностью сосредоточены на низкоскоростной обработке, и не учитывали распределение тепловых потоков между инструментом, стружкой и заготовкой, вызванным перспективным в последнее время высокоскоростным резанием. Для исследования распределения тепловых потоков в процессе механообработки, в настоящее время используется «метод обратной теплопередачи» [7]. Температура в заготовке во время механической обработки зависит от режимов резания, материала и размера заготовки, граничных условий и теплопередачи в заготовку. Затем, если известны все вышеперечисленные факторы, кроме распределения температурного поля, величина теплового потока переходящего заготовку может быть найдена из аналитического выражения. Этот подход называется методом обратной теплопроводности. Райт и др. использовал этот метод для оценки температуры инструмента и стружки при токарной обработке [8, 9]. В данной статье для определения температуры гильзы цилиндра во время процесса обработки авторы также использует метод обратной теплопередачи. Также метод обратной теплопередачи, используется для количественного определения тепла переходящего в заготовку при различных режимах резания. Этот метод, который будет подробно описан ниже, требует измерения температуры в гильзе и силы резания в процессе расточки цилиндра. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ В последние годы высокоскоростное резание стало основной стратегией обработки при расточке цилиндров [10]. Поэтому в данном исследовании для изучения влияния скорости резания на температуру гильзы цилиндра обработка велась с максимальной скоростью резания до 850 м / мин. Эксперименты были выполнены на многоцелевом вертикальном станке высокой точности 2254ВМФ4. В процессе эксперимента исследуемыми факторами были скорость резания (V), подача (s), глубина резания (t). Для сбора необходимых данных, были произведены замеры величин сил резания и температуры в гильзе цилиндра при обработке без СОЖ. Затем определялась тепловое поле переходящее в заготовку при различных режимах резания. В частности, было исследовано тепловое поле при высокоскоростном резании (максимальная скорость резания до 850 м / мин), которое до настоящего времени не было достаточно изучено. ИЗМЕРЕНИЕ СИЛЫ РЕЗАНИЯ Сила резания может быть легко измерена с помощью пьезоэлектрического динамометра в процессе токарной обработки. Однако в данном эксперименте направление силы резания изменяется, потому что инструмент вращается в цилиндре в процессе растачивания, это усложняет последующее преобразование данных. Поэтому в этом эксперименте инструмент и динамометр были закреплены на угловой пластине на столе станка. Образец (диаметр 87 мм, длина 150 мм) был установлен со стороны шпинделя и вращался. В результате были измерены три составляющие (Px, Py и Pz) силы резания в постоянном направлении. Экспериментальная установка показана на рис. 1. Рис. 1 Экспериментальная установка для исследования сил резания Условия испытаний были следующими: Материал заготовки - чугун СЧ25. Твердость СЧ25 составляет 248HB. Теплопроводность составляет 54,34 Вт / м К. Режущий инструмент. В качестве инструмента использовался резец (ВК8 материал державки) со сменными пластинами. Материал пластин - кубический нитрид бора (CBN). CBN обладает высокой твердостью и теплопроводностью. Он также имеет небольшую реакционную способность с материалами на основе железа. Для измерения силы подачи (Px), радиальной силы (Py) и основной силы (Pz), возникающих в процессе резания использовался трехкомпонентный динамометр (Kistler 9257B). Для получения достоверных измерений перед проведением опытов была выполнена его статическая калибровка. Выход динамометра был получен с помощью многоканального усилителя заряда (Kistler Type 5007) и передан в систему сбора данных (LaBDAQ Ni). Режимы резания варьировались в широком диапазоне для исследования влияния на силу резания. Измерения проходили на трёх скоростях резания (300, 600 и 850 м/мин) в сочетании с тремя скоростями подачи (0,3, 0,4 и 0,5 мм/об) и тремя уровнями глубины резания (0,3, 0,4 и 0,5 мм). Условия эксперимента и измеренные силы резания приведены в таблице 1. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ Для исследования температурного поля гильзы при обработки образец цилиндра (внутренний диаметр 87 мм, длина 150 мм, толщина стенки 7 мм) был закреплен на столе станка. Три пары термопар были установлены в три отверстия (A, B, C) на расстоянии 5, 75 и 145 мм от верхней части образца. Диаметр каждого отверстия составлял 1 мм. Место соединения термопар располагалось на расстоянии 1 мм от рабочей поверхности для измерения переходных температурных режимов в процессе обработки. Экспериментальная установка показана на рис. 2. Тип термопар, использованных в тестах, был тип хромель-алюмель. В ходе опытов применялся тот же инструмент и те же режимы обработки, что и при исследовании силы резания. Величины выходных напряжений от термопар были получены системой сбора данных (Keyence: NR-2000) и затем преобразованы в температуру. Условия эксперимента и распределение температурного поля в гильзе цилиндра показаны в таблице 2. На рис. 3 показано сравнение измеренной температуры вдоль оси цилиндра при разных скоростях резания. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ Из результатов измеренных сил резания, очевидно, что сила резания будет увеличиваться с увеличением скорости подачи и глубины резания. Кроме того в ходе испытаний обнаружено, что сила резания имеет тенденцию уменьшаться с увеличением скорости резания, это следствие увеличившейся температуры в зоне резания (сконцентрированной преимущественно в стружке) в результате чего снижается коэффициент трения по передней и задней поверхностям инструмента. Следовательно, величина силы резания меньше при высокой скорости резания и малой подаче и глубине. Поэтому, следует ожидать, что влияние силы резания на точность обработки при высокоскоростном резании меньше, чем при резании на малых скоростях. Следует отметить, что температура при одинаковой скорости подачи и глубине резания в измеренном положении, которое находилось на расстоянии 1 мм от рабочей поверхности, имела тенденцию к уменьшению при увеличении скорости резания. Этот результат можно объяснить главным образом тем, что генерируемый источник тепла локализуется и сразу же уносится стружкой до того, как попадет в заготовку при высокоскоростном резании (рис.3) и тепловое расширение гильзы цилиндра, таким образом, останется небольшим. ВЫВОДЫ В ходе проведенных исследований с различными режимами резания (скорость резания, скорость подачи, глубина резания) установлено, что сила резания и температура гильзы цилиндра в процессе расточки имеют тенденцию уменьшаться с увеличением скорости резания. Сила резания уменьшается ввиду снижения прочностных характеристик материала заготовки при возросшей температуре в зоне резания, преимущественно сконцентрированной в мгновенно удаляемой стружке и поэтому не вносящей погрешности обработки в материал гильзы, что, несомненно, положительно сказывается на геометрической точности детали и сроке её службы. Таблица 1. Условия эксперимента и значение измеренных сил Таблица 2. Условия эксперимента и значение измеренной температуры Рис. 2. Экспериментальная установка для исследования температуры Рис. 3. Температура в гильзе при различных режимах обработки

Об авторах

Роман Владимирович Ладягин

Самарский государственный технический университет

Email: konferencia-isap@yandex.ru
старший преподаватель кафедры «Технология машиностроения, станки и инструменты»

Михаил Владимирович Якимов

Самарский государственный технический университет

старший преподаватель кафедры «Технология машиностроения, станки и инструменты»

Список литературы

Дополнительные файлы