Влиянне температурных деформаций на точность обработке. Теплота, образующаяся при резании, трении сопряженных деталей станков, а также внешнее тепловое воздействие приводят к yпpyгой деформации технологической системы, появлению погрешностей обработки ΣΔт.

Теплота в процессе резания образуется в результате внутреннего трения между частицами обрабатываемого материала в процессе деформации (Qдеф), внешнего трения стружки о переднюю поверхность резца (Qп.тр) и поверхности резания, обработанной поверхности о задние поверхности резца (Qз.тр), отрыва стружки, диспергирования (Qдисп):

Q = Qдеф + Qп.тр + Qз.тр + Qдисп.

    Так как механическая работа почти полностью переходит в теплоту

где Q - количество теплоты; R - работа резания (R = Pzv), v - скорость резания; Е - механический эквивалент теплоты.

Распределение теплоты резания между стружкой, деталью, инструментом зависит от метода, условий обработки, материала обрабатываемой детали и инструмента. Так, при обработке точением материалов с высокой теплопроводностью (углеродистые стали) распределение теплоты таково: в стружку 60-90%: в инструмент 3 - 5%. При такой же обработке материалов с низкой теплопроводностью (жаропрочные, титановые сплавы) 35 - 45% всей теплоты резания переносится в деталь, 20-40% -в резец.

Наибольшее количество теплоты переходит в деталь при шлифовании (до 60-85%) и сверлении (до 60%).

Для обработки деталей на станках характерен одновременный перенос теплоты теплопроводностью, конвекцией и излучением (сложный теплообмен). Изучение сложного теплообмена встречает известные трудности, которые на практике до сих пор удовлетворительно не решены. При исследовании устанавливают температурное поле (совокупность значений температуры Θ в данный момент времени т для всех точек изучаемого пространства) Θ = f(х, у, z, т ), где х, у, z - координаты точки. Температурное поле является случайным для данного станка. Если температура тела есть функция координат и времени, то температурное поле будет нестационарным, т. е. зависящим, от времени

Средние значения деформаций, связанных со стационарными процессами, могут быть учтены при построении процесса и тем самым будет повышена точность обработки.

Расчет температурных полей сложных объектов обычно упрощают. Разработана приближенная методика определения температурных деформаций деталей станков. Однако надежные данные по температурным полям, деформациям станков можно получить при экспериментальном исследовании. Только в простейших случаях, например при равномерном нагреве простой детали, можно вычислить изменение размера детали: ΔL=αLΔΘд, где L- размер детали; α - коэффициент линейного расширения материала детали; ΔΘд - изменение температуры детали. Так, при шлифовании деталей с охлаждением Θд = (Θж + 1,5) ± 1, где Θж - температура охлаждающей жидкости.

Обычно при обработке вследствие неравномерного нагрева происходит изменение размеров, формы и расположения поверхностей. Так, температура в различных точках станка различается на 10-60оС, и это вызывает смещение и перекос оси шпинделя относительно оси детали.

Температура и температурные деформации станка в значительной степени определяются конструкцией узлов, фактическими зазорами и натягами в подшипниках, методом подачи и объемом смазочного материала.

При испытании станков на точность проверяют стабильность взаимного расположения рабочих органов под тепловой нагрузкой. Для круглошлифовальных станков линейное смещение оси шпинделя шлифовального круга относительно оси передней и задней бабок в результате нагрева на холостом ходу в течение 60 мин допускается 32 - 63 мкм соответственно для станков с наибольшим устанавливаемым диаметром 100 - 800 мм, а угловое смешение 4 мкм на длине 100 мм. Указанные отклонения относятся к станкам класса П. Для станков классов В и А отклонения меньше в 1,6 и 2,5 раза соответственно.

Температурные деформации вызывают не только смещение узлов станка, но и изменение жесткости станков. Так, после нагрева бесцентрово-шлифовальных станков жесткость узлов увеличилась в 1,5 раза, отклонение формы - в 1,5 раза.

Температурные деформации могут быть существенно уменьшены:

1) обеспечением постоянства температурного поля в зоне установки станка: подержанием в цехе определенного температурного режима (табл. 30), установкой прецизионных станков в специальных термоконстантных помещениях;

2) уменьшением неравномерного нагрева станков в результате: а) вынесения внутренних источников теплоты (электродвигателей, гидроприводов) за пределы станка; б) применения систем для поддержания определенной температуры смазочного масла; СОЖ; в) искусственного нагрева отдельных частей станка;

3) уменьшением влияния температурных деформаций путем выбора материалов деталей и оптимальных направлений (не совпадающих с направлением выдерживаемого размера) температурных деформаций, применения устройств для компенсации температурных смещений;

4) эксплуатационными мероприятиями: правильной установкой станков, своевременным регулированием подшипниковых узлов, обработкой точных деталей после достижения станком стационарного теплового состояния (после длительного останова, на холостом ходу в течение 20-30 мин).

При простейших расчетах учитывают удлинение резца при установившемся тепловом состоянии:

где С - постоянная (при t < 1,5 мм; s < 0,2 мм/об; v = 100 - 200 м/мин; С = 4,5); Lp, - вылет резца; F - площадь поперечного сечения резца, мм2; Кт = to / tшт - коэффициент, учитывающий охлаждение резца из-за перерывов в работе.

Температура резания при токарной обработке может быть вычислена по следующим приближенным соотношениям:

для деталей из стали (σв = 770 МПа; δ = 22%)

Θ = 166,5ν0.4t0.105S0.2,

для деталей из чугуна

Θ = 138ν0.36t0.09S0.133

При шлифовании различают температуру: мгновенную Θм, развивающуюся непосредственно в зоне микрорезания шлифующим зерном и являющуюся высокой (от 1000°С до температуры плавления обрабатываемого материала) и кратковременной; контактную Θк (среднюю в зоне шлифования) в зоне контакта круга с деталью (200-1100°С); среднюю Θс. на поверхности шлифуемой детали (20 - 350°С).

Местная температура при трении может достигать 250-1000°С. Средняя температура в коробках скоростей и других подобных узлах 65-80°С

Полную погрешность обработки, связанную с температурными деформациями, обычно определить не удается. Для операций с жесткими допусками на обработку приблизительно принимают

ΣΔт = 0,1 - 0,4ΔΣ

причем для обработки лезвийным инструментом

ΣΔт = 0,1 - 0,15ΔΣ

при шлифовании ΣΔт составляет до 30 - 40% суммарной погрешности ΔΣ