Якимов А. А., Бовнегра Л. В., Уминский С. М., Барчанова Ю. С.,
Одесский национальный политехнический университет
При шлифовании зубчатых колес на станке 5851 (MAAG) с нулевой настройкой кругов за период прохождения зоны контакта в направлении продольной подачи каждая точка боковой поверхности зуба колеса подвергается многократному тепловому воздействию. Например, при глубине шлифования t = 0,05 мм с подачей 1,5 мм на одно качание стола за период прохождения зоны контакта вдоль зуба каждая точка боковой поверхности зуба подвергается 12‑кратному тепловому воздействию. Многократное тепловое воздействие вызывает накопление тепла в теплопроводящем пространстве обрабатываемого зубчатого колеса.
В промежутках времени между тепловыми импульсами боковая поверхность зуба не успевает охладиться до исходной температуры. В результате в поверхностном слое зуба за счет накопления тепла происходит повышение температуры, что приводит к появлению на обрабатываемых поверхностях прижогов, микротрещин и других температурных дефектов [Резников А. Н., Резников П. А. Основы расчета шлифовальных процессов в технологических расчетах: учебное пособие. Куйбышев: КуАИ, 1996. 153 с.; Сипайлов В. А. Тепловые процессы при шлифовании и управлении качеством поверхности. М.: Машиностроение, 1988. 166 с.]. Для построения температурного поля важно изучить динамику нагрева и охлаждения поверхности за период обкаточного движения.
Остаточная температура поверхности за период обкаточного движения определяется по зависимости [Тепловые и механические процессы при резании металлов: учеб. пособие/Ф. В. Новиков, А. А. Якимов, Г. В. Новиков, С. Г. Зимин, В. А. Вайсман. Одесса: ОГПУ, 1997. 179 с.]:
где Тi — температура поверхности после предыдущего прохода; а — коэффициент теплообмена (1 кал/см2 · с ˚C) = 4,1 868 · 10 4 Bт/м2˚C); α — коэффициент температуропроводности, м2/с; λ — коэффициент теплопроводности (1 кал/см · с ˚C) = 4,1868 · 102Вт/м ˚C), τразр — время между двумя очередными тепловыми импульсами (время охлаждения поверхности).
С учетом рассеяния тепловой энергии суммарная остаточная температура поверхности определяется из выражения
где q — интенсивность теплового потока, Вт/м 2; Li — ширина зоны контакта, (r — радиус закругления режущий кромки круга); (m — модуль зубчатого колеса, p — число обкаточных движений в минуту, γ — плотность материала кг/м3 ; n — общее количество обкаток за период прохождения зоны контакта в продольном направлении).
Суммарная температура поверхности с учетом накопления тепла от предыдущих проходов определяется из выражения
где l1, l2 — расстояние от точки на делительной окружности (точка 2) до точек 1 и 3 (рис. 1), при которых происходит реверсирование движения обкатки.
На рис. 1 показана зона контакта круга с боковой поверхностью зуба (заштрихованная зона) и схема обкатки зуба.
Длина зоны контакта X равна половине длины хорды, отсекающей сегмент на окружности радиуса (Rкр — r), высота которого Q:
Высота сегмента Q равна половине длины хорды, отсекающей сегмент на окружности радиуса ρ, высота которого равна глубине резания t. Окружность радиуса ρ описывает профиль боковой поверхности зуба колеса в зоне делительной окружности
За период одного обкаточного движения, т. е. перемещения круга из точки 1 в точку 3 и обратно зона контакта в продольном шлифовании перемещается на величину шага S. За этот период шлифовальный круг два раза перерезает термопару: при движении от ножки к голове и при движении от головки к ножке. Произведены расчеты длины зоны контакта Х и числа обкаточных движений i = X/S.
В табл. 1 представлены расчетные значения параметров площади контакта круга с боковой поверхностью зуба колеса (m = 6 мм; r = 0,3; m = 1,8 мм; Ркр = 100 мм; ρ = 34,7 мм) при зубошлифовании на станке 5851 с нулевой настройкой кругов.
Произведены расчеты температурных всплесков в момент прохождения круга над термопарой и показаны остаточные температуры с учетом охлаждения. На рис. 2 представлена динамика нарастания температуры по мере перемещения зоны контакта в продольном направлении. Показана суммарная температура поверхности с учетом накопления тепла от предыдущих проходов.
В табл. 2 показана динамика изменения ширины зоны контакта и соответствующие им величины температурных всплесков по мере перемещения зоны контакта над термопарой вдоль образующей зуба шестерни. Как видно, с увеличением количества тепловых импульсов i температура возрастает.
Выводы
В работе проведены теоретические и экспериментальные исследования температуры поверхности при зубошлифовании с учетом динамики изменения ширины зоны контакта и величины температурных всплесков по мере перемещения зоны контакта над термопарой вдоль образующей зуба шестерни. Это позволило раскрыть закономерности изменения температуры поверхности, что является основой для определения условия её уменьшения и повышения качества обработки.