ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ И КВАЗИАНАЛОГОВЫХ СЧЕТНО-РЕШАЮЩИХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОФИЗИКИ ПРОЦЕССА ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ РЕЗАНИЕМ
Расчёт физических полей методами моделирования, Б.А.Волынский, 1968

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ И КВАЗИАНАЛОГОВЫХ СЧЕТНО-РЕШАЮЩИХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОФИЗИКИ ПРОЦЕССА ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ РЕЗАНИЕМ

По современным представлениям, тепло, которое образуется в зоне резания, оказывает первостепенное влияние на стойкость и износ инструмента. С температурой резания связаны термические деформации инструмента, влияющие на точность обработки изделий.

В связи с этим задача определения температурных полей в зоне резания, выявление направления и интенсивности тепловых потоков приобретает большое значение при проектировании прогрессивных конструкций инструмента и при разработке режимов резания.

В настоящее время для изучения тепловых явлений, возникающих при резании металлов, применяются теоретические и экспериментальные методы исследования. Однако в ряде случаев применение чисто аналитических или экспериментальных методов не позволяет решать задачи с необходимой полнотой (например, задачи по алмазным режущим инструментам трудно решать чисто аналитически, что связано с концентрацией тепла в очень малой области кристалла и со специфическими свойствами алмаза).

Большую пользу для анализа тепловых явлений при резании металлов могут оказать счетно-решающие устройства, основанные на электромоделировании температурных полей. Применительно к резанию металлов метод электромоделирования обладает следующими преимуществами:

1. Имеется возможность сравнительно быстро получить наглядную картину температурных полей с точностью, вполне достаточной для инженерной практики.

9 Заказ 1148

2.    Сложные тепловые процессы, происходящие в зоне резания, удается расчленить на отдельные составляющие и исследовать влияние отдельных факторов на процесс теплообмена.

3.    Применение при моделировании теории подобия и безразмерных величин облегчает обобщение данных эксперимента на различные случаи резания.

В процессе резания различают стационарный и нестационарный периоды теплообмена и в соответствии с этим стационарный и нестационарный методы электромоделирования.

Рис. 1. Схема процесса резания и модель режущего инструмента для моделирования нестационарных процессов теплопроводности


Эти методы рассмотрим на примере работ, выполненных в научно-производственной инструментальной лаборатории (НПИЛ) Куйбышевского политехнического института.

Моделирование стационарных температурных полей в НПИЛ осуществлялось на модели из электропроводной бумаги на интеграторе ЭГДА-9/60 и на машине МСМ-1, а моделирование нестационарных полей — на RC-ceтках.

Наибольший интерес представляет изучение закономерностей распространения тепла в зоне, непосредственно примыкающей к режущей кромке инструмента. Поэтому при разбивке инструмента на участки шаг сетки у режущей кромки выбирался значительно меньшим, чем на удалении от нее, что позволяло получать подробную картину температурного поля в интересующей нас области. Пример построения модели охлаждаемого плоского резца для изучения нестационарных процессов теплопроводности показан на рис. 1.

В процессе резания на контакте стружки, изделия и резца выделяется тепловая энергия, а на охлаждаемом участке тепло 130

отводится охлаждающей средой. На электрической модели нагрев резца имитируется заданием электрических токов /, а отвод тепла по закону Ньютона — подключением сопротивлений к нулевой шине модели. Решение задачи о температурном поле в резце производится при граничных условиях II и III рода. При этом решение задачи с охлаждением резца получается более удобным, если задавать граничные условия только на одном участке (рис. 2)

Осиобная задача    Ее составляющие

Рис. 2. Применение принципа суперпозиции при моделировании тепловых процессов в резцах:

а — резец не охлаждается; б — резец охлаждается по передней поверхности; в — резец охлаждается по задней пверхности


Сп


и моделировать их отдельно, а затем применять метод суперпозиции. В этом случае решение можно использовать для нахождения температурных полей при любых соотношениях qdqa-

На рис. 2 приведены температурные поля в виде безразмерных изотермических линий х, которые соответствуют равным относительным температурам. Решение задачи при действии нескольких источников qn и q3 получается наложением полей.

Методом электромоделирования могут быть изучены условия распространения тепла в составных инструментах, изготовленных из различных материалов. Особенность электромоделирования 9*    13!

температурных полей в этих инструментах состоит в том, что модели пластины и державки изготовляются из сопротивлений разной электропроводности.

Некоторые результаты моделирования температурных полей в составных резцах приведены на рис. 3. Поля построены при


Рис. 3. Результаты моделирования температурных полей в составных

резцах:

/ — пластина; 2 — державка; а--— =1,41; б--— = 0,82; в — —— = 0,65;


различных соотношениях коэффициентов теплопроводности пла-

К

стины и державки — .

Особый интерес представляет изучение распределения температуры в объемных инструментах. Для этой цели в лаборатории была построена специализированная объемная модель резца. В каждую узловую точку модели подключалась емкость. Безразмерное температурное поле в объемном инструменте при нестационарном теплообмене приведено на рис. 4, а.

При электромоделировании необходимо быстро и надежно измерить электрические потенциалы, меняющиеся во времени.

По предложению инж. М. Я. Лихциндера, была изготовлена приставка для периодизации процесса задания граничных условий II рода и измерения нестационарных напряжений в узловых точках модели. Схема приставки показана на рис. 5. Приставка состоит из следующих основных блоков: синхронизатора-перио-дизатора (а), измерительного устройства (б), стабилизированного источника питания (в).


Рис. 4. Температурные поля в алмазных резцах:

а — безразмерное температурное поле, источник нагрева расположен по передней поверхности; б — температурное поле в резце (скорость резания v = 160 mImuh, подача s =* 0,028 мм{об, глубина t = 0,04 мм)


Цикл решения состоит из рабочего времени и паузы. Во время рабочего цикла происходит решение задачи. За время паузы к конденсаторам модели подключаются диодные разрядники, которые, разряжая конденсаторы, возвращают модель в исходное состояние.

Измерительное устройство служит для измерения мгновенных значений экспоненциальных напряжений в узлах модели. Устройство работает на принципе сравнения двух встречно включенных источников напряжения, одним из которых является измеряемое напряжение Ux, а другим — опорное напряжение U, снимаемое с делителя.

Используя описанную приставку, можно получить картину потенциалов на модели в течение времени от 0,01 до 1,0 сек.

Рассмотрим вопрос о переходе от безразмерных величин к размерным для конкретных условий резания. При этом необходимо учитывать не только поле в резце, но и тепловые процессы в стружке и изделии. Это можно сделать двумя способами: а) сочетанием аналитических расчетов по определению температурных полей в стружке и изделии с методом электромоделирования;

б) комплексным электромоделированием тепловых процессов во вращающемся изделии, сходящей стружке и неподвижном резце.

Остановимся на первом из упомянутых методов. Суть этого метода исследований состоит в том, что температурные поля в стружке и изделии рассчитываются аналитически, а температурные поля в резцах определяются по результатам электромоделирования. Затем предполагается, что на контактных поверх-

Рис. 5. Схема приставки к RC-сетке для периодизации процесса задания граничных условий и измерения нестационарных напряжений в узловых точках модели

ностях резца, стружки и изделия отсутствует температурный скачок. На рис. 4, б показано температурное поле в алмазном резце, полученное методом сочетания аналитических расчетов с результатами электромоделирования. Этот метод является пока наиболее эффективным при изучении тепловых явлений, возникающих при алмазном точении.

Метод изучения тепловых явлений, происходящих в зоне резания с помощью комплексного моделирования температур в стружке, резце и изделии производится в подвижной системе координат, связанной с движущимися теплоисточниками. Аналоговые методы моделирования температур в подвижной системе координат при очень больших скоростях движения теплоисточников практически непригодны. Поэтому А. В. Темниковым был предложен и использован метод моделирования.

Рис. 6. Квазианалоговый интегратор СКАИ с ручным уравновешиванием:

а — общий вид интегратора; б — принципиальная схема; 1 — источник питания; 2 — сопротивление установки базы; 3 — переключатель рода работ; 4 — измерительное устройство; 5 — коммутатор опроса точек; 6 — блок потенциометров; 7 — реостат установки электрического уровня потенциометров; 8 — делитель истоков; 9 — модель

Для реализации квазианалогового метода в лаборатории разработана конструкция специализированного квазианалогового интегратора с ручным уравновешиванием СКАИ. Общий вид электроинтегратора приведен на рис. 6, а, принципиальная схема — на рис. 6, б.

Рис. 7. Температурное поле в зоне резания при точении (материал изделия ШХ-15, материал резца Т14К8)