Т temperaturno polje u strugarskom noŽu pri …

Тemperaturno polje u strugarskom nožu pri završnoj obradi na suvo čelika č 1730 R. Nikolić i dr.

IMK-14 Istraživanje i razvoj, Godina XVI, Broj (35) 2/2010 55

TEMPERATURNO POLJE U STRUGARSKOM NOŽU PRI ZAVRŠNOJ OBRADI NA SUVO ČELIKA Č 1730

Radovan Nikolić1), Ljubodrag Đorđević2)

Kategorija rada: AFILIJACIJA/ADRESA: KRATKO ILI PRETHODNO SAOPŠTENJE 1) Mašinski fakultet Kraljevo, Dositejeva 19, Kraljevo

2) VTMŠ SS Trstenik, R. Krstića 19, Trstenik

Rezime: U oblasti obrade metala rezanjem veoma veliki značaj ima izučavanje toplotnih pojava i temperaturnih polja, kako sa aspekta obradljivosti, tako i zbog pouzdanosti, trajnosti i kvaliteta samog obratka u uslovima eksploatacije. Nastala toplota višestruko negativno utiče na kvalitet i tačnost procesa obrade, pa je kao takva nepoželjna, ali uvek prisutna. Ovaj rad nastao je kao potreba da se razvije model temperaturnog polja u alatu u sklopu istraživanja nekih novih sistema za hlađenje prilikom obrade na suvo,kod povišenih zahteva za kvalitetom obrađenih površina kada je primena klasičnih SHP nemoguća. Ključne reči: temperaturno polje, alat, izvori i ponori toplote

1. UVOD Pri obradi rezanjem glavni cilj je obezbeđivanje visokog kvaliteta proizvoda uz minimalne troškove obrade, što je nemoguće bez izučavanja i upravljanja toplotnim pojavama koje su njeni stalni pratioci. Toplotna energija se generiše neprekidnim plastičnim deformisanjem i smicanjem materijala pri nastanku strugotine, kao i trenjima koja nastaju pri kretanju strugotine po grudnoj površini i predmeta obrade po leđnoj površini alata. Pri ovom nastaju nestacionarna temperaturna polja uz promenu zapremine tela (strugotina se može posmatrati kao štap konstantnog poprečnog preseka čija se dužina uvećava u jedinici vremena za veličinu v). Poznato je da najvećim delom toplota iz zone rezanja odlazi u strugotinu, pa se korišćenjem te činjenice došlo do primene visokoproduktivnih postupaka obrade nazvanih visokobrzinskom obradom. Kod ovih postupaka sva odvedena toplota ide preko strugotine jer su brzine rezanja takve da nema vremena da dođe do toplotne razmene sa alatom, pa alat i obradak ostaju skoro hladni. Međutim, ova obrada zahteva mašine sa specijalnim uležištenjima i izbalansiranim obrtnim masama, koje omogućavaju veoma velike brojeve obrtaja. Ovde se takođe primenjuju specijalni višesečni alati koji omogućuju skidanje većih dubina materijala u jednom prolazu, što uz sve napred rečeno ovu obradu svrstava u visokoproduktivne postupke visoke tačnosti i kvaliteta obrađenih površina. Međutim, ovde je bila namera da se u slučajevima povišenih zahteva za kvalitetom obrađene površine potraže druga rešenja koja će biti primenljiva na već postojećim klasičnim mašinama, pa se došlo na ideju da se pokuša sa primenom sistema za hlađenje koji snižavaju temperature reznog alata, bez kvašenja površina u kontaktu. Preduslov, za primenu istih je da se izuče temperaturna polja u alatu, i razvije njihov model. 2. IZVORI I PONORI TOPLOTE U ZONI REZANJA U toku procesa rezanja, u zoni rezanja postoje izvori i ponori generisane toplote, slika 1.

toplotni izvor koji nastaje na mestu kontakta alata i strugotine usled trenja,

Slika 1. Izvori i ponori toplote u zoni rezanja

toplotni izvor koji nastaje u graničnom sloju strugotine usled unutrašnjeg trenja (gornji slojevi se kreću većom brzinom, a slojevi u graničnom pojasu manjom),

toplotni izvor koji nastaje na mestu kontakta alata (leđne površine) i obratka,

toplotni izvor nastao u zoni smicanja, usled plastičnog deformisanja materijala. Dok su toplotni ponori sledeći:

i toplotni ponor gde se toplota alata predaje obratku,

toplotni ponor gde se toplota strugotine zračenjem predaje reznom alatu,

, , i toplotni ponori gde se toplota alata zračenjem predaje okolini,

toplotni ponor na mestu kontakta tela alata sa mašinom, gde se toplota preko nosača alata predaje mašini,

toplotni ponor gde se toplota sa leđne površine alata zračenjem predaje okolini,

toplotni ponor gde se toplota strugotine zračenjem predaje okolini,

toplotni ponor gde se toplota obratka zračenjem predaje okolini . Analiza toplotnih izvora pokazuje da se najveća količina toplote generiše u zoni plastičnog deformisanja i na kontaktu grudne površine reznog klina alata i strugotine. To su upravo i oblasti kojima se u analizi problematike procesa rezanja i posvećuje najveća pažnja. Učešće pojedinih komponenti u ukupnoj količini generisane toplote za pojedine izvore je sledeće (1,3):



Karakter distribucije toplote zavisi od postupka obrade, brzine rezanja, toplotne provodljivosti materijala predmeta obrade i alata, dimenzija predmeta obrade i alata i td. Generisana toplota raspoređuje se približno na sledeći način 1 :

,

gde su oznake u indeksu: S za strugotinu, A za alat, P za predmet obrade i O za okolinu. Bez obzira što najveći deo toplote odlazi u strugotinu, dolazi do visokih termičkih opterećenja alata, tim više što su dimenzije vrha reznog klina male, a u toj zoni se javlja velika gustina toplote. Primećeno je da se pri povećanju brzine rezanja položaj polja maksimalne temperature pomera od sečiva, dok je pri njenom smanjenju isto bliže sečivu. Treba takođe imati u vidu i činjenicu da se tvrdoća tvrdog metala značajno smanjuje pri zagrevanju, sa 1800HV na sobnoj na 380HV na temperaturi 1070C 4. Istovremeno usled velike deformacije kao i njene velike brzine uz prisustvo visokih temperatura u toj zoni dolazi do otvrdnjavanja strugotine tako da u izvesnom trenutku njena tvrdoća premašuje tvrdoću alatnog materijala, što dovodi do intenzifikacije procesa habanja. Usled toga se i na osnovu položaja i dubine zona habanja može locirati polje najviše temperature. 3. MATEMATIČKI MODEL TEMPERATURNIH POLJA U ALATU Za praktičnu primenu, pri proračunu temperaturnih polja u alatu, relevantan je uticaj toplotnih izvora Q1 i Q3, na grudnoj i leđnoj površini, dok se proračunom došlo u slučaju izvora Q5, do vrednosti koja se može zanemariti, u poređenju sa prethodne dve. Takođe su zanemarljive i količine toplote koje se razmenjuju zračenjem sa predmetom obrade. Diferencijalna jednačina ima sledeći oblik (4,5):

(1)

Granični uslovi su sledeći: -generisana toplota u alatu na mestu kontakta sa strugotinom

(2)

-generisana toplota u alatu na mestu kontakta sa obratkom

(3)

-konvekcija toplote preko spoljnih površina alata u okolinu

(4)

pri čemu je: 7A –toplota koja se predaje nosaču alata, m i n -faktori distribucije toplote, a L – dužina tela noža. U specijalnom slučaju za režime obrade v=100m/min, ap=1,0mm, f=0,15mm/o i κ=60۫ dobija se

(5)

gde je , W/m2- generisana toplota u alatu na mestu kontakta sa strugotinom, x - koordinata i f1 - dužina kontakta alata sa strugotinom. Pri režimu obrade v=100m/min, ap=1,0mm,

f=0,15mm/o, napon je daN/mm2, odakle je

W/m2, dok je pri v=200m/min,

W/m2, (4,5). Eksperimentalno istraživanje merenja temperature izvršeno je na univerzalnom strugu model TA 631P, proizvod firme "POTISJE”iz Ade. Režimi rezanja: v=100m/min, ap=1,0mm, f=0,15mm/o. Uslovi obrade: uzdužna obrada, stezanje između šiljaka, obrada na suvo. Rezni alat je pločica od tvrdog metala TPMN 16 04 08, u kvalitetu P 20, proizvod firme "Sandvik Coromant”, u nosaču CTEPR 30 30-16 od Č 4732. Rezna geometrija: 0, 11. Predmet obrade je od Č 1730, termički neobrađen, u obliku šipke prečnika 80 mm. Proračunate vrednosti toplotnog fluksa sa grudne površine u alat od izvora q1 date su dijagramski na slici 2. Može se uočiti da maksimum nije na sečivu nego je, za konkretan slučaj pomeren za 0,3 x/f1 . Proračunate vrednosti fluksa na leđnoj površini date su dijagramom na slici 3.

Sl. 2. Dijagram fluksa q1

Sl. 3. Dijagram fluksa q3

Na slikama 2 i 3, m i n označavaju faktore distribucije toplote čije vrednosti su preuzete iz (4,5): Rezultati proračuna dobijeni pomoću softvera Solid Works, na osnovu jednačine (1) prikazani su na slici 4. Temperaturno polje odgovara ravni normalnoj na glavno sečivo koja prolazi po sredini širine kontakta sa strugotinom (presek X-X, na slici 1.). Merenje temperature, zbog jednostavnosti metoda i pouzdanosti rezultata, vršeno je pomoću termopara (Pt-PtRh 10%) po Usačevu. Merenje temperature vršeno je u jednoj tački alata, na polovini kontakta sa



strugotinom a izmerena vrednost je 850C, pri čemu je jasno da ona predstavlja srednju vrednost u zapremini koja obuhvata zavareni čvor termopara. Proračunata vrednost je 930C, što se može smatrati zadovoljavajućim. Kako se radi o ranije proverenom modelu, odstupanja u vrednostima temperature na početku i kraju kontakta strugotine i alata mogu se "staviti na dušu” softveru, ali s obzirom da je ovde namena provera mogućnosti novih, termoelektričnih sistema za hlađenje, a da su procentualno gledano pomenute greške prihvatljive, to se dobijeni rezultati mogu uzeti kao zadovoljavajući. Za tačnije proračune trebalo bi tražiti prikladniji softver.

Sl. 4. Temperaturno polje strugarskog noža u preseku X-X 4. ZAKLJUČAK Sveukupnim sagledavanjem svih relevantnih izvora i ponora toplote, proces rezanja posmatran je u delu obradnog sistema koga čine obradak i alat kojima se dovodi mehanička energija. Ista se u procesu obrade troši na plastično deformisanje pri formiranju strugotine i na trenja u kontaktima alata sa strugotinom i obratkom usled čega dolazi do nastanka temperaturnih polja od kojih nas ovde pre svega zanima ono u alatu. Proračun temperaturnog polja u alatu vršen je sa ciljem istraživanja novih sistema za hlađenje, odnosno njihovog modelovanja, te bez obzira što

usled neodgovarajućeg softvera oblik polja nije zadovoljavajući, vrednosti temperature malo odstupaju od dosadašnjih rezultata, pa se model može usvojiti kao zadovoljavajući za tu namenu. Posmatrajući dijagrame promene tvdoće za P20 u zavisnosti od temperature 6, dolazi se do zaključka da sistem za hlađenje može imati smisla ako obezbedi spuštanje temperature alata bar oko 800C, a izuzetna efikasnost istog bi se postigla spuštanjem ove vrednosti ispod 500C. LITERATURA [1] Lazić M., Obrada metala rezanjem, monografija,

Mašinski fakultet Kragujevac, 2002. [2] Müler B., Termische Analise des Zerspanes

metallischer Werkstoffe bei hohen Schnittgeschwindungkeiten, disertation, Fakultät für Maschinenwesen, Achen, 2004.

[3] Reznikov A. N., Teploobmen pri rezanii i ohlaždenie instrumentov, MAŠGIZ, Moskva, 1963.

[4] Vukelja D., Temperatursko polje strugarskog noža s obzirom na kompleksnu analizu toplotnih izvora i distribuciju toplotne energije, doktorska disertacija, Mašinski fakultet, Beograd, 1969.

[5] Vukelja D., Termodinamika rezanja, monografija, Građevinska knjiga, Beograd, 1990.

[6] Vukelja D., Konstrukcija alata za obradu rezanjem "IRO Građevinska knjiga", Beograd, 1982.

[7] Bil H: Simulation of orthogonal metal cutting by finite element, paper for M. Sc, The Middle East Technical Universitu – The Departmeht of Mechanical Engineering, 2003.

[8] Müller B: Numerische Simulation des termischen Verhaltens eines Zerspanprozesses, FLUENT CFD – Konferenz, Bingen am Rhein, 2003

[9] D Ćatić: Planiranje skraćenih ispitivanja za ocenu pouzdanosti i obrada rezultata ispitivanja, IMK-14 Istraživanje i razvoj", br (28-29) str. 57, Kruševac, 2008.

[10] A. Babić, G. Miodragović, A. Petrović, A. Žukovski: Rezna geometrija noževa za obradu infrastrukturnih objekata, Časopis "IMK-14 Istraživanje i razvoj", br (24-25) str. 101, Kruševac, 2006.

TEMPERATURE FIELD IN THE TURNING CIRCLE TOOL IN THE PROCESS OF

Č 1730 STEEL FINAL DRY CUTTING Abstract: The study of thermal phenomena and temperature fields has an enormous importance within the field of metal cutting, from the point of view of mach inability, on the hand, and reliability, durability and quality of the very work under conditions of exploitation, on the other. The always present released temperature has a multiple negative influence on both quality and precision of processing, which makes it undesirable. This paper is the result of the need to develop a model of the temperature field in the appliance within the scope of same new dry working cooling systems research with increased standards for machined surface quality when the use of ordinary coolants and lubricants is not possible. Key words: temperature field, tool, thermal sources and pits. Datum prijema rada: 22. IX 2009.

Т temperaturno polje u strugarskom noŽu pri …

Documents