Simferopol, Russian Federation
UDK 621.7 Обработка давлением. Пластическое формообразование. Формоизменяющие операции (без снятия стружки). Отделка в целом. Соединение материалов. Процессы (технология), инструменты, машины и оборудование
The influence of anisotropic properties of structural steels on the change in thermal conductivity in various areas of the contact zone under thermal friction cutting is viewed. Obtained mathematical models afford to construct vector equations of thermal conductivity for a medium with different properties in various directions. The developed mathematical dependences made it possible to obtain a model of a scalar temperature field, the results of calculating the temperature field along the workpiece plate are given, taking into account the anisotropy of the thermal properties of the work material. The solution of the equations made it possible to construct temperature fields in a system of relative and physical coordinate systems. The measurement results of the isotherms coincide with the experimental data, so it can be concluded on their interrelationship. As a result of the performed studies, it was proved that in an anisotropic medium, the directions and orientation order of heat flows change towards colder zones of the workpiece and tool due to the difference in the heat transfer coefficients for cold and heated materials. The above process helps to equalize the temperature in the contact area of the tool and the workpiece.
thermal friction cutting, contact zone, heat flow, temperature fields, anisotropic medium
Введение
В настоящее время для обработки заготовок с плоскими поверхностями используется метод термофрикционного резания, позволяющий осуществлять высокопроизводительную обработку поверхностей, за счет снятия стружки с разогретой поверхности металла вследствие теплоты, выделяющейся при трении поверхностей инструмента о материал заготовки. Для реализации данного способа используются инструменты, изготовленные из легированных сталей, что позволяет существенно экономить дорогостоящие инструментальные материалы. Кроме того, металлические диски проще в изготовлении и имеют более высокую стойкость по сравнению с абразивными кругами и фрезами. Применение металлических дисков эффективно при черновой обработке плоских поверхностей с неравномерным припуском и заготовок, содержащих в своем составе различные включения.
Интенсивное выделение теплоты приводит к повышению температуры в зоне контакта поверхностей инструмента с материалом заготовки. Под действием высоких температур и приложенных сил поверхности трения деформируются, и материал в зоне трения переходит в пластическое состояние. Глубина пластических деформаций, зависит, в основном, от величины удельного давления, скорости относительного движения, продолжительности процесса трения и физико-механических свойств, трущихся тел. Теплота в зоне трения выделяется неравномерно. Анализ современных исследований в области термофрикционного резания показывает, что в зоне обработки наблюдается анизотропия теплофизических свойств [1 – 7]. В исследованиях, проведенных авторами установлено, что в непосредственной близости от зоны обработки имеют место значительные градиенты температур [8]. Экспериментальные исследования, полученные в работах [9, 10] позволили дать количественную оценку изменения теплопроводности обрабатываемого материала от
температуры, так, например, при термофрикционном резании заготовок из стали 45 при нагреве металла от 100 °С до 800 °С коэффициенты теплопроводности изменяются в
2,3 – 3,5 раза (рис. 1).
Таким образом, в результате изменения температур в зоне термофрикционного резания изменяется теплопроводность участков зоны контакта в разных направлениях. Например, аналитический расчет коэффициентов теплопроводности показал, что для зон, расположенных вдоль касательной поверхности диска, численные значения коэффициентов меньше, чем значения коэффициентов теплопроводности для зон, изменяющихся в радиальном направлении, что убедительно доказывает анизотропию теплофизических свойств материалов инструмента и заготовки.
Для прогнозирования величины дефектного слоя, возникающего в поверхностном слое заготовки после термофрикионного резания необходимо наличие адекватного описания тепловых процессов, происходящих в зоне контакта, учитывающего изменение направлений основных тепловых потоков с их ориентацией, что является целью данной
статьи.
Материалы и методы
Для моделирования тепловых процессов и явлений при термофрикционном резании, например, процессов теплопроводности, вектора переноса тепла удобно использовать аппарат тензорного исчисления.
Для построения математической модели рассмотрим схему процесса термофрикционного резания рис. 2. На схеме указаны отклонения вектора теплового потока от вектора-градиента температуры, имеющего место на грани режущего диска вследствие разности коэффициентов теплопроводности металла.
На схеме, представленной на рис. 2 видно, что между вектором теплового потока 
і и градиентом температуры 
образован угол, значения которого определяются соотношением теплопроводностей холодного и нагретого металла (рис. 3).
Результаты и их обсуждение
Полученное выражение позволяет получить модель скалярного температурного поля, путем перехода от системы координат ξ1 ξ2 ξ3 согласно (12) к системе координат x1 x2 x3:
. (18)
Определим изотермические поверхности, возникающие вокруг из источника тепла. Они соответствуют уравнению (16).
Для графического представления изотермических поверхностей обозначим разность температур:
= const = C. (19)
После подстановки (20) в (19) и несложных преобразований получим уравнение изотермических поверхностей:
= 
= const. (20)
Изотермические поверхности представляют собой эллипсоиды с соответствующими полуосями (рис. 5)
. (21)
Графические интерпретации процесса теплопередачи, построенные путем аналитического решения уравнения теплопроводности для малоподвижного и подвижного источников тепла приведены на рис. 6.
Результаты расчета температурного поля по плоскости заготовки с учетом анизотропии теплофизических свойств по уравнению (20) приведены на рис. 7. Расчет выполнен численными методами, при решении назначена область интегрирования ABCD.
На участке АВ распределение температуры принято в виде параболической зависимости с максимумом = 150 °С на расстоянии АВ/3 от точки А. Для участка ВС и AD
приняты краевые условия Неймана в виде
grad = 0. На участке СD принято условие
= 0 = const = 30 ℃.
Решение уравнения (20) позволило
построить поля температур в системе относительных ζ1 ζ2 и физических координат
, .
В результате расчетов определено температурное поле в заготовке. Расчет температурного поля сравнивался с результатами экспериментальных измерений (см. рис. 6 и 7).
Результаты измерений изотерм показаны на
рис. 7 знаками (Δ, 0, +, ). Из сравнения расчетов с экспериментальными данными можно сделать вывод об их соответствии. Из сравнения расчетных значений с результатами экспериментальных исследований следует, что точность расчета поля температур по предложенной методике составляет 2...4 %. Это подтверждает необходимость учета анизотропии теплофизических свойств инструмента и металла. Таким образом, установлено, что в центральной части заготовки формируется тепловой поток h1,
который приводит к разогреву центральной части заготовки и локализует нагрев металла в центральной части заготовки. Тепловые потоки h2, h3, которые распространяются перпендикулярно направлению подачи, менее интенсивны. Это уменьшает теплоотдачу от зоны контакта в окружающее пространство.
Заключение
Анализ полученных результатов позволяет сделать заключение, что нагрев зоны контакта зависит от физико-механических свойств материала заготовки и инструмента, а также режимов резания.
Установлено, что в анизотропной среде изменяются направления и ориентация тепловых потоков в сторону более холодных частей заготовки и инструмента из-за разницы коэффициентов теплопроводности холодного и разогретого материалов. Вышеуказанный процесс способствует выравниванию температуры в зоне контакта инструмента с заготовкой.
1. Zarubitsky. E.U., Plakhotnik V.A., Pokintelitsa N.I. et.al. Optimization of thermal friction cutting modes. Bulletin of Mechanical Engineering, 1998, no. 9. pp. 54–56.
2. Pokintelitsa N.I., Strelyanaya Yu.O., Bratan M.I. Plastic deformation during thermofriction processing of materials. Scientific notes of the Crimean Engineering Pedagogical University. 2022, no. 3(77), pp. 188–191. DOIhttps://doi.org/10.34771/UZCEPU.2022.77.3.036. ED.
3. Zarubitsky E.U. The temperature of the removable allowance during thermofriction cutting // Optimization of cutting processes of heat-resistant and especially durable materials. Ufa: UAI Publishing House, 1986, pp. 106–110.
4. Volkov O.A. Investigation of the thermal deformation effect under surface hardening of steels by thermal friction treatment // VEZHPT, 2016, no. 5 (80). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/issledovanie-teplodeformatsionnogo-vliyaniya-pri-poverhnostnom-uprochnenii-staley-termofriktsionnoy-obrabotkoy.
5. Talantov N.V. The physical foundations of the process of cutting, wear and destruction of the tool. Moscow: Mashinostroenie, 1992, 240 p.
6. Kostetsky B.I., Natanson M.E., Bershadsky L.I. Mechanical and chemical processes under boundary friction. Moscow: Nauka, 1972, 170 p.
7. Balakin V.A. Friction and wear at high sliding speeds. Moscow: Mashinostroenie, 1980, 136 p.
8. Pokintelitsa N.I., Bratan M.I. Features of the contact interaction of the tool and the workpiece in the zone of thermal friction cutting of steels. Bulletin of modern technologies, 2022, no. 3(27), pp. 37–43. EDN TOVBFE.
9. Pokintelitsa N.I. Bratan M.I., Yakubov Ch.F. Methodology for ensuring the effectiveness of frictional shaping of rotations. Scientific notes of the Crimean Engineering Pedagogical University, 2023, no. 1 (79), pp. 252–260. DOIhttps://doi.org/10.34771/UZCEPU.2023.79.1.050. SOURCE: EDN FOCKNK.
10. Pokintelitsa N.I., Bratan M.I. Investigation of the influence of cutting mode parameters on the temperature in the zone of contact interaction between the tool and the workpiece under thermofrictional treatment of steels. Bulletin of modern technologies, 2022, no. 1 (25), pp. 10–15. EDNIKC QUE.
