Название: Износостойкие покрытия режущего инструмента, работающего в условиях непрерывного резания - учебное пособие(Табаков, В. П.)

Жанр: Машиностроительный

Просмотров: 1268


2.2. тепловое и напряженное состояние режущего инструмента с покрытием

 

Тепловое состояние режущего инструмента оценивали по интенсивности тепловых  источников,  мощности  тепловых  потоков,  температуре  на контактных площадках и в режущем клине. Для определения контактных температур и тепловых потоков использовали экспериментально- аналитическую методику определения температур в режущем инструменте, предложенную А.Н.  Резниковым  [72,  73].  Температурные поля  в  режущем клине определяли методом конечных элементов [74], с использованием пакета прикладных программ ANSYS.

Рассмотрим влияние покрытия на тепловое состояние режущего инструмента при непрерывном точении. Изменение теплового состояния при нанесении покрытия возможно по двум причинам: за счет теплофизических свойств материала покрытия и за счет изменения условий контактного взаимодействия на передней поверхности. В работах [34, 72] показано, что при непрерывном резании теплофизические свойства покрытия практически не влияют на тепловое состояние инструмента. Для проверки данного положения

 

 

оценим их влияние на распределение теплоты и изменение температур на контактных площадках и в режущем клине инструмента. Известно, что баланс теплоты между двумя телами определяется их теплофизическими свойствами, начальными и граничными условиями системы. Поскольку покрытие на задней поверхности разрушается в начальный период резания, то его теплофизические свойства на задней поверхности не будут влиять на итоговые тепловые потоки через площадки контакта по передней и задней поверхностям инструмента. В то же время мощность теплового потока через площадку контакта на задней поверхности инструмента по данным работы [4] составляет (16 – 18)\% от мощности теплового потока, протекающего через площадку контакта на передней поверхности. Поэтому основное влияние покрытие будет оказывать на тепловые потоки через переднюю поверхность.

Схема тепловых источников в  зоне резания представлена на  рис. 2.4.

Рассмотрим  контактную  область  на  передней  поверхности  инструмента.  В

теплообмене участвуют три тела: стружка, покрытие и режущий инструмент

(рис.  2.5).  По  передней  поверхности  инструмента  стружка  движется  со

скоростью  Vс.  На  площадке  контакта  OA  действует  равномерно распределенный источник теплоты трения интенсивностью qтп. Стружка получает предварительный нагрев от источника теплоты деформации интенсивностью qд. Будем считать, что интенсивность итоговых тепловых потоков по площадкам контакта OA и O'A' в покрытие и из него в инструментальную основу распределены равномерно, а источники теплоты деформации с интенсивностью qд  и теплоты трения с интенсивностью qтп  для стружки являются быстродвижущимися. Температура с прирезцовой стороны стружки OA отличается от температуры п контактной площадки инструмента O'A'. Тепловой поток qп, поступающий в покрытие при установившемся теплообмене передается через площадку O'A' в инструментальную основу. Для данного расчета нет необходимости учитывать потоки тепла внутри покрытия из-за малой его толщины. Поэтому согласно закону Фурье можно положить:

 

 

По

 

 с

 q п   Н п  ,   (2.1)

10  

п

 

где По – температура на границе покрытия с инструментальной основой; Hп – толщина покрытия; п  – коэффициент теплопроводности материала покрытия; qп – интенсивность источника теплоты на передней поверхности инструмента.

При оценке влияния теплофизических свойств покрытия на изменение

теплового   состояния   инструмента   интенсивность   источника   на   передней

поверхности  и  температуру  стружки  принимаем  постоянными.  Результаты

расчета  температуры  на  границе  «покрытие  –  инструментальная  основа»

приведены  в  табл.  2.2.  Как  видно,  при  толщине  покрытия  6  мкм  разница

температур  на  поверхности  стружки  и  на  границе  его  с  инструментальной

основой не превышает 2С. Для покрытия TiN разница температур составила

0,18\%, а для TiCN – 0,17\% от температуры поверхности стружки. Значения

такого  порядка  меньше  погрешности  вычисления  температур  по  выбранной

методике, поэтому теплофизическими свойствами покрытия можно пренебречь.

 

Рис. 2.4. Схема действия тепловых источников в зоне резания

 

 

Рис. 2.5. Схема области контакта стружки с передней поверхностью режущего инструмента для расчета зависимости между температурой надрезцовой стороны стружки и температурой на границе «покрытие – инструментальный материал»: 1 – инструмент; 2 – покрытие; 3 - стружка

 

Как показано в [74 – 76], для тугоплавких соединений, используемых в качестве покрытий и полученных осаждением из газовой фазы, характерны более высокие значения теплопроводности (до 80\%), чем для массивных материалов (табл. 2.3). В этом случае погрешность определения температур в

 

 

результате пренебрежения теплофизическими свойствами покрытия будет еще меньше.

Таким образом, основное влияние на тепловое состояние режущего инструмента будет оказывать изменение контактных характеристик процесса резания, вызванное снижением коэффициента трения при нанесении покрытия.