Preview

Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей»

Расширенный поиск

Математическое моделирование тепловых процессов при фрезеровании сложнопрофильных деталей из алюминиевых сплавов

Полный текст:

Аннотация

Фрезерование является одним из самых распространенных и производительных методов лезвийной обработки в промышленности. Прерывистый цикл работы режущей кромки позволяет использовать принципы высокоскоростной обработки, что значительно повышает производительность и качество. Температура резания является одним из ключевых факторов, позволяющих управлять процессом резания и стойкостью инструмента для достижения необходимых характеристик изделия. В статье проанализировано распределение температуры в зоне резания алюминиевого сплава АМг3. Рассмотрены результаты математического моделирования и экспериментальных исследований тепловых процессов в зоне резания при обработке ответственных деталей аэрокосмической техники в зависимости от режимов резания и геометрии инструмента с применением бесконтактных средств измерения. Представлены рекомендации по управлению температурой в зоне резания в процессе фрезерования

Для цитирования:


Жиляев А.С., Кугультинов С.Д. Математическое моделирование тепловых процессов при фрезеровании сложнопрофильных деталей из алюминиевых сплавов. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2019;(2):65-70.

For citation:


Zhiliaev A.S., Kugultinov S.D. Mathematical simulation of thermal processes when milling aluminum alloy formed parts. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2019;(2):65-70. (In Russ.)

Алюминиевые сплавы широко используются для производства изделий аэрокосмической отрасли - «крылатый металл» обладает вы­сокой прочностью, малым удельным весом и коррозионной стойкостью. Кроме того, алю­миниевые сплавы широкое применяются и во многих других отраслях.

Изготовление деталей сложного профиля из алюминиевых сплавов с необходимостью обеспечения точности получения отдельных поверхностей по 7-8-му квалитету требует применения высокоточного современного ме­таллорежущего оборудования, использования передовых технологий и работы высококвали­фицированных специалистов для достижения необходимого качества.

Точность геометрических размеров и возможные макропогрешности получаемых в процессе фрезерования поверхностей во мно­гом зависят от протекающих в зоне резания те­пловых процессов. Зачастую из-за их действия происходит коробление деталей сложного про­филя, особенно крупногабаритных.

В связи с вышесказанным математиче­ское моделирование тепловых процессов, про­текающих при формировании механической обработкой резанием поверхностей сложного профиля, является актуальной задачей, реше­ние которой позволит существенно повысить качество выпускаемой продукции.

Как известно из многочисленных исследо­ваний [1-3], практически вся работа, совершае­мая при обработке резанием, переходит в тепло­ту, которая распределяется между заготовкой, стружкой, инструментом и окружающей средой.

Таким образом, уравнение теплового ба­ланса можно представить в виде

Q’1 + Q’+ Q’3 = Q1 + Q2 + Q3 + Q4

где Q’1 - количество теплоты, эквивалентное энергии, затраченной на деформирование и разрушение при стружкообразовании поверх­ностного слоя;

Q’2 - количество теплоты, эквивалентное работе сил трения при контакте передней по­верхности зуба фрезы и деформированного материала;

Q’3 - количество теплоты, эквивалентное работе сил трения на задней поверхности зуба фрезы при переходе деформированного мате­риала в поверхностный слой изделия;

Q1 - количество теплоты, уходящее в стружку;

Q2 - количество теплоты, уходящее в де­таль;

Q3 - количество теплоты, уходящее во фрезу;

Q4 - количество теплоты, уходящее в окру­жающую среду.

При моделировании тепловых процессов при фрезеровании алюминиевого сплава АМг3 были приняты следующие допущения:

  • каждое из твердых тел, участвующих в обработке (заготовка, фреза), однородно и изотропно;
  • в процессе теплопередачи не происхо­дят фазовые превращения;
  • количество теплоты, выделяющейся в процессе резания, эквивалентно работе резания;
  • теплообмен наружных поверхностей с окружающей средой отсутствует;
  • коэффициент теплопроводности не за­висит от температуры;
  • плотность внутренних источников те­плоты равна нулю (qB = 0);
  • сила трения по задней контактной по­верхности фрезы не учитывается, так как она очень мала [4].

Исходя из дифференциального уравне­ния теплопроводности в общем виде и приня­тых допущений, получаем уравнение в декар­товых координатах:

где T - величина температурного поля точки тела с координатами x, y, z; ρ - плотность материала;

cp - удельная массовая теплоемкость;

λ - коэффициент теплопроводности.

Интегрируя выражение (1) по исследу­емым параметрам (координатам, времени), определим характер температурных полей на гранях режущего инструмента. При фрезеровании режущий клин зуба фрезы подвергается циклическому процессу нагрева и охлаждения, соответственно граничные условия определя­ются как

где Lx и Ly - размеры источника теплоты, воз­никающего на режущем клине;

q(x, y, t) - плотность теплового потока.

Математическое выражение, описыва­ющее температурное поле, которое возникает под действием мгновенного точечного тепло­вого источника, имеет вид:

где Q - количество теплоты, внесенной в тело источником;

τ - время, прошедшее с момента теплово­го импульса;

ω - коэффициент температуропроводности; R - расстояние от места вспышки тепло­вого источника до точки тела с координатами x, y, z.

Расстояние от места вспышки теплового источника определяется по формуле

где хи, уи, zH - координаты места вспышки теплового источника.

Общая мощность тепловыделения W в процессе фрезерования эквивалентна меха­нической работе деформирования материала и работе сил трения на контактных поверхно­стях инструмента и определяется выражением:

где Pz - тангенциальная составляющая силы резания;

ν - скорость резания.

Главная составляющая силы резания Pz определяется по формуле

где Cpz - коэффициент, зависящий от условий обработки и вида обрабатываемого материала;

xPz, yPz, zPz - показатели степени, учитыва­ющие влияние на силу резания глубины (t), по­дачи (S ) и скорости резания соответственно (v);

k1, k2, k3 - поправочные коэффициенты, учитывающие влияние условий обработки.

Температура резания определялась из выражения (2) с учетом силы резания, спра­вочных коэффициентов [5-7] и теплофизиче­ских характеристик материалов, приведенных в таблице [8, 9].

 

Теплофизические характеристики компонентов технологической системы

Элемент технологической системы и ее материал

Деталь

АМг3

Фреза

ВК8

Коэффициент теплопроводности λ, Вт/(м⋅К)

208

54,4

Удельная массовая теплоемкость с, МДж/(м3-К)

880

720

Коэффициент температуропроводности ω, мм2

84

24,6

По результатам расчетов построены диа­граммы, демонстрирующие зависимость тем­пературы от режимов обработки (рис. 1, 2).

Для уточнения полученной математиче­ской модели были проведены эксперименталь­ные исследования в процессе механической обработки образцов размерами 360x130x25 мм из сплава АМг3. Экспериментальные исследо­вания по определению зависимости температу­ры резания от режимов резания проводились по принципу однофакторного эксперимента - изменялся только тот фактор процесса резания, влияние которого нужно было определить, а все остальные в течение всего опыта остава­лись неизменными.

Фрезерование проводилось на обрабаты­вающем центре с ЧПУ монолитной концевой фрезой Ø16 мм, установленной в патрон с тер­мозажимом для высокоскоростной обработки.

Режимы резания назначались в следующих диапазонах:

  • глубина резания t = 1-5 мм;
  • минутная подача S = 1500 -5000 мм/мин;
  • скорость резания v = 300-900 м/мин.

Температура резания измерялась термо­радиационным способом пирометром Raynger MX4, а для изучения температурного поля ис­пользовался тепловизор SDSHotFind8. Перед использованием для определения точного ко­эффициента излучения проведена тарировка пирометра с помощью термопары. Точность измерения температуры составляла ±1 °С при температуре окружающей среды 23 °C. Со­гласно техническим характеристикам, пиро­метр может использоваться для непрерывно­го измерения и записи результатов измерения температуры с интервалом 250 мс с последую­щим построением термограмм, что позволяет определять контактные температуры в зоне резания с необходимой точностью. Частота кадров при съемке тепловизором составляет 50 Гц. Используемая аппаратура имеет воз­можность вычислять средние, максимальные, минимальные и дифференциальные темпера­туры и отображать их на цифровом дисплее в градусах Цельсия. Тепловизор имеет функ­цию автоопределения участка с самой высокой температурой. Схема измерения температуры приведена на рис. 3.

 

Рис. 3. Схема измерения температуры при фрезеро­вании:

1 - заготовка; 2 - фреза; 3 - пирометр; 4 - тепловизор

 

На основе результатов эксперименталь­ных исследований по влиянию режимов реза­ния на температуру в зоне резания, приведен­ных в виде диаграммы на рис. 4 и частично описанных ранее [10, 11], была получена зависимость температуры резания от режимов резания (8):

Для повышения достоверности замеров температуры в ходе эксперимента проведена съемка тепловизором. Снимок температурно­го поля зоны резания в процессе фрезерования детали приведен на рис. 5.

 

Рис. 5. Температурное поле в процессе фрезерования

 

Полученные экспериментальные зна­чения позволяют считать верификацию ре­зультатов выражений (2) и (3), вычисленных аналитическим и эмпирическим путем соот­ветственно, на уровне 91 %.

Итак, была составлена математическая модель и выполнено ее уточнение по резуль­татам экспериментальных работ. Данные, при­веденные на рис. 1, 2, 4 и 5, демонстрируют, что значения температуры, полученные анали­тически, на 91 % совпадают с данными экспе­римента и находятся в диапазоне 200-300 °С.

Установлено, что наибольшее воздей­ствие на температуру в зоне резания оказывает скорость резания. Это объясняется одновре­менно действующими факторами: пластиче­ской и упругой деформацией обрабатываемого материала и изнашиванием режущего инстру­мента.

Полученные зависимости (2) и (3) позво­ляют с достаточной для практики точностью рассчитать температуру в зоне резания при обработке алюминиевых сплавов. Диаграммы, представленные на рис. 1, 2, 4, в рассматри­ваемом диапазоне значений показывают, что наибольшее влияние на температуру оказывает скорость резания:

  • увеличение глубины резания на 10 % приводит к повышению температуры резания на 3,3 %;
  • увеличение скорости резания на 10 % приводит к повышению температуры резания на 4 %;
  • увеличение подачи на 10 % приводит к повышению температуры резания на 3,6 %.

Для минимизации температурных на­пряжений, приводящих к короблению деталей сложного профиля, следует на этапе подготов­ки производства назначать режимы резания по результатам расчета температуры, обеспечивая наибольшую производительность процесса обработки в диапазоне допустимых темпера­турных деформаций. На основе полученных результатов и согласно положениям теории ско­ростной обработки [12] наиболее целесообраз­но увеличивать глубину резания или скорость резания с одновременным уменьшением сни­маемого припуска до 10 % от диаметра фрезы.

Благодаря проведению эксперименталь­ных работ удалось стабилизировать процесс фрезерования крупногабаритных деталей сложного профиля, устранить деформации, возникающие в результате действия термиче­ских напряжений, повысить процент выхода годных изделий и сократить технологический цикл производства за счет уменьшения коли­чества операций термической обработки и фи­нишных доводочных операций.

Об авторах

А. С. Жиляев
Акционерное общество «Ижевский электромеханический завод «Купол»
Россия


С. Д. Кугультинов
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова»
Россия


Для цитирования:


Жиляев А.С., Кугультинов С.Д. Математическое моделирование тепловых процессов при фрезеровании сложнопрофильных деталей из алюминиевых сплавов. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2019;(2):65-70.

For citation:


Zhiliaev A.S., Kugultinov S.D. Mathematical simulation of thermal processes when milling aluminum alloy formed parts. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2019;(2):65-70. (In Russ.)

Просмотров: 30


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2542-0542 (Print)