Температурные деформации технологической системы

В процессе механической обработки происходит нагрев системы станок—приспособление—инструмент—заготовка в результате выделения теплоты в зоне резания, в различных узлах металло­режущих станков вследствие трения, а также поступления теплоты от внешних источников. Результаты проведенных исследований позволяют сделать вывод о том, что температурные деформации станков общего назначения оказывают незначительное влияние на точность обработки.

При конструировании прецизионных станков следует прини­мать необходимые меры, уменьшающие влияние колебания температуры его узлов на по­явление соответствующих погрешностей: подбор ма­териалов для сопряженных деталей с малым коэффи­циентом расширения, из­менение направления тем­пературного деформиро­вания отдельных узлов станка таким образом, чтобы оно не влияло на точность обработки. Для устранения влияния колебаний температуры окружающей среды, прецизионные станки устанавливают в помещении с постоянной температурой.

Нагревание заготовок в процессе обработки про­исходит благодаря теплоте резания. Основное количество теплоты аккумулируется в стружке (при точении, фрезеровании, наруж­ном протягивании). В обрабатываемую заготовку переходит не­значительное количество теплоты: примерно 3–9 %. При сверле­нии же большая часть теплоты (более 50%) остается в за­готовке.

Для уменьшения температурных деформаций обрабатываемых заготовок обработку следует вести с обильным охлаждением, чистовая обработка должна выполняться после черновой и получистовой обработки с перерывом, достаточным для охлаждения заготовки.

Температура рабочей поверхности резцов в зоне резания состав­ляет 800 - 1000° С и выше; с отдалением от зоны резания темпера­тура стержня резца заметно снижается.

Зависимость удлинения резца от времени резания под дейст­вием теплоты приведена на рис. 6.15. В начале резания наблюда­ется быстрое повышение температуры резца и его соответствующее удлинение. Затем наступает тепловое равновесие, и удлинение резца прекращается. По результатам экспериментальных исследований установлена эмпирическая формула для расчета удлинения резца с пластинкой из твердого сплава Т15К6 при установившемся тепловом равновесии / 16 /:

  , (6.10)

где С - постоянная (при t < 1,5 мм, S_o < 0,2 мм/об, V = 100 : 200 м/мин С = 0,45); L_Р - вылет резца, мм; F - площадь по­перечного сечения резца, мм²; _в - временное сопротивление материала заготовки, МПа; t - глубина резания, мм; S_o - по­дача, мм/об; v - скорость резания, м/мин.

Удлинение резца, соответствующее любому моменту времени () от начала работы, определяют по формуле:

ΔL = ΔL_T (1-  , (6.11)

где е - основание натуральных логарифмов.

Период наступления теплового равновесия обычно находится в пределах от 8 до 24 минут, в среднем его можно принять равным 16 мин. При обычных условиях работы удлинение резца может достигнуть 30-50 мкм. Время для полного охлаждения резца можно считать равным времени его нагревания.

Если резание при обработке заготовок производится с пере­рывами, то в зависимости от длительности перерыва резец ох­лаждается частично или полностью. При такой работе удлинение (ΔL_n) резца в момент наступления теплового равновесия получа­ется меньше, чем при непрерывной его работе (рис. 6.15). Его определяют из формулы (6.10) с введением коэффициента Кn:

ΔL_n = К_n ΔL_т , (6.12)

где ΔL_n – удлинение резца при ритмичной работе в момент наступления теплового равновесия

К_n =  , (6.13)

где t _о – время работы резца; t_n – время перерывов.

Погрешности, вызываемые температурным деформированием режущего инструмента, можно практически исключить, если в зону резания подводить большое количество охлаждающей жид­кости