МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ЗОНЕ РЕЗАНИЯ МЕТАЛЛОВ
Солоненко В.Г., Калинин В.С. (КубГТУ, г.Краснодар, РФ)
The thermal-electrical process model in metal-cutting area.
В технической литературе описаны исследования, которые показывают, что термо-ЭДС, возникающая в зоне резания при обработке металлов, ведёт к повышению интенсивности износа режущего инструмента (РИ) [1]. В соответствии с этим, были разработаны и внедрены в производство некоторые методы борьбы с этим явлением, с целью повысить стойкость РИ. Один из таких методов – электроизоляция.
Электроизоляция позволяет разорвать электрическую цепь «станок- инструмент- заготовка» путём изоляции инструмента или заготовки с помощью различных диэлектрических приспособлений. При этом величина термотока, сводится к минимуму, за счёт его локализации непосредственно в зоне резания. Значения термотока и термо-ЭДС зависят от многих параметров процесса, таких как сопротивление зоны резания, электросопротивление станка, температуры резания, режимов обработки, силы резания. Каждый из этих параметров, в свою очередь, зависит от ряда других факторов. Если учесть все эти факторы, то представляется возможность оценить эффективность электроизоляции определением коэффициента повышения стойкости РИ. Для этого попытаемся количественно оценить величины параметров процесса резания, влияющих на величину термо-ЭДС, возникающую при этом.
Сопротивление зоны резания определим исходя из некоторых свойств материалов инструмента и заготовки, а так же геометрических параметров зоны.
Электросопротивления сталей, содержащих до 1% углерода, закалённых с 850°С, можно вычислить по формуле
r = 10,3+1,6p+23,6p2 мкОм*см ,
закалённых с 1100° по формуле
r = 10,3+9,3p+7,4p2 мкОм*см,
где p- весовое содержание углерода в %.
Вторая формула справедлива для сталей, содержащих более 1% углерода.
Приведённые выше формулы были выведены и экспериментально подтверждены Лившицем [1].
Уилкинсон [2] разработал модель электрического сопротивления на поверхности контакта «инструмент – деталь» с использованием концепции констрикционного сопротивления. В основе работы лежали исследования Хольма [3], который показал, что констрикционное сопротивление определяется уравнением:
R=(ρи+ρд)/4А,Ом
где А- площадь контакта, кв.дюймов
ρ – удельное сопротивление инструмента и детали, Ом*дюйм
Разработав модель и проведя ряд экспериментов, подтверждающих её Уилкинсон получил следующие формулы для расчёта площади контакта:
πA2 = Ar +As
As = lw, кв.дюймов
Ar = 1,63 S0,5 t0,41(t+12)*10-6, кв.дюймов
где Ar- номинальная площадь контакта по передней поверхности, As- номинальная площадь контакта по задней поверхности, l – длина контакта, дюймов, S – подача, дюймов/об, w – ширина ленточки износа, дюймов, t – глубина резания, дюймов.
Длина контакта есть функция радиуса r при вершине резца, главного угла в плане φ, глубины резания и подачи:
l = S/2 + πr φ/180+(t-r(1-cos φ))/sin φ.
При достаточно высокой температуре сопротивление растёт согласно формуле
ρt = ρo(1+αt),Ом*мм
где α – температурный коэффициент, °С-1
t – температура, °С
Лившиц [1] экспериментально оценил величину температурного коэффициэнта электрического сопротивления приблизительно 4*10-3°С-1.
Зная величину силы резания можно определить изменение сопротивления зоны резания в зависимости от давления. Величину давления в этом случае предлагаем определять отношением силы резания к площади контакта. У большинства металлов при всестороннем сжатии электрическое сопротивление уменьшается, что можно объяснить сближением атомов в кристалле. Тогда удельное сопротивление под давлением:
ρp = ρo(1+ ψP),Ом*см
где Р – давление всестороннего сжатия, кг/см2
ψ – отрицательный коэффициент давления порядка 10-5-10-6
Для железа ψ = -2,74*10-6 см2/кг[1]
Литература
1. Лившиц Б.Г. Физические свойства металлов и сплавов. – М.: Машгиз,1959. – 386 с.
2. Хольм Р. Электрические контакты. – М .: Изд-во иностр. лит., 1961. – 464 с.
3. Wilkinson A.J. Constriction-resistance concept applied to wear measurement of metal-cutting tools. Proc. Inst. Elec. Eng., 1971, 118, №2,381-386