3. ZDROJE TEPLA A TEPELNÁ BILANCE

Transkript

1 3. ZDROJE TEPLA A TEPELNÁ BILANCE Po úspěšném a akiním absoloání éo KAPITOLY Budee umě: Popsa a sanoi jednolié oblasi přiedeného a odedeného epla při obrábění. Sanoi a změři eplo při obrábění. Budee umě Budee schopni: Sanoi zdroje epla při obrábění. Urči ronici epelné bilance. Sanoi meody měření epla při obrábění. Budee schopni Čas ke sudiu: 2 hodiny Výklad 3.1. Tepelná bilance Při určoání epelné bilance zóně řezání při práci s násroji s definoanou geomerií je posup odlišný. Jak je uedeno ýše, eplo zóně řezání zniká přeměnou mechanické práce. Při obrábění se 95 až 98 % mechanické práce přemění na eplo. Celkoé množsí epla Q je nerná eličina, kerá se neusále obnouje e zdrojích epla určoaných zónou řezání. Samoná zóna řezání ak umožňuje ymezi následující zdroje epla, resp. orby epla, obr. 3.1). eplo Q sh generoané deformací e sřižné roině oblasi primární plasické deformace, eplo Q r generoané řením čela násroje a řísky, eplo Q f generoané řením hřbeu násroje a obrobené. Teplo má u někerých členů echnologické sousay kumulainí charaker. Při sousružení se kumuluje násroji, při frézoání obrobku, apod. Teno efek je důležiý např. z hlediska opořebení násrojů. Teplo se šíří edením a konekcí do: obrobku Q o, násroje Q n, řísky Q, 1

2 prosředí Q p, záislosi od eploního gradienu. Jak je obecně známé, eploní pole je nehomogenní a kazisacionární. Vznik řísky při obrábění a její odod z mísa řezu je doproázen znikem určiého množsí epla. Ke zniku epla dochází ransformací ynaložené práce. V eplo se přeměňuje éměř eškerá práce ynaložená na proces řezání, s ýjimkou práce pružných deformací a práce uajené. Podíl ěcho dou složek na celkoé ynakládané práci je poměrně malý a nepřesahuje 5 %. Ve ěšině případů ysoká uhos sousay sroj - násroj - obrobek, elmi inenzíní deformace odřezáané rsy) předsaují práce pružných deformací a práce uajená spořeboaná na deformaci mřížky a yoření noých porchů) maximálně 2 % celkoé práce řezání. Zbyek, j. minimálně 98 %, se ransformuje eplo. Proo lze celkoé množsí epla Q C znikající za sekundu při obrábění ypočía bez elkých chyb z ýrazu [10, 20]: Q FC C J), kde 3.1) Q celkoé eplo [J], F c řezná složka síly obrábění [N], c řezná rychlos [m.min -1 ], čas obrábění [min]. Vzniklé eplo ýrazně oliňuje řezný proces, proože: negaině působí na řezné lasnosi násroje, oliňuje mechanické lasnosi obráběného maeriálu, oliňuje pěchoání a zpeňoání obráběného maeriálu, oliňuje podmínky ření na čele i hřbeě násroje. Obr 3. 1 Vznik a šíření epla zóně řezání [2, 21] 2

3 Tepelná bilance předsauje jednu z forem bilance energie, kerá ypoídá o om, že daném mísě a daném časoém úseku je množsí epla odedené rono eplu do mísa přiedené. Pro podmínky zóně řezu násrojem s definoanou geomerií o znamená [10, 20]: Q = F c. c = Q sh + Q r + Q f = Q o + Q n + Q p + Q [J] 3.2) Celkoé množsí epla, keré se zóně orby řísky yoří možné urči na základě známé řezné rychlosi a změření angenciální složky řezné síly Fc. Množsí epla, keré se yoří oblasi plasické primární deformace Qsh lze urči na základě ronice 3.3. Qsh = Fsh.sh [J] F sh sejně jako sh je možné urči na základě rozkladu, resp. ronic uedených předchozím exu. F sh lze urči na základě měření složek síly řezání F c a F p. Velikos sh záisí od úhlu primární plasické deformace. Množsí epla, keré se yoří řením čela násroje o řísku Q r je možné urči obdobně na základě ronice ) Q r = F. ch [J] 3.4) F podobně jako ch je opě možné urči na základě rozkladu, resp. Ronic uedených ýše. F je možné urči na základě měření složek síly řezání Fc a Fp. Velikos ch opě záisí na úhlu primární plasické deformace. Množsí epla, keré zniká řením hřbeu násroje a obrobené plochy Qf lze urči podobně z ronice 3.5, při zjednodušení, že záření epla do prosředí Qp se pohybuje od 1 do 3 % záislosi způsobu obrábění, řezných podmínek a podobně. Q f = Q Q sh + Q r +Q p ) [J] 3.5) 3.2. Teploa řezání Teploní pole obr 3.2) násroje nás zajímá předeším, proože eploa porchoých rse čela a hřbeu má ýrazný li na sa ěcho rse na charaker jejich zájemného působení s maeriálem obrobku a souislosi s ím i na podsau a inenziu oupoání násroje. Teploa na čele a hřbeě záisí na zdálenosi konkréního bodu od osří násroje e směru odchodu řísky, resp. e směru řezné rychlosi, a že dosahuje maxima určié zdálenosi od osří. Rozdíl mezi nejyšší a nejnižší eploou na čele dosahuje omo případě až 450 C, na hřbeě pouze 100 až 300 C. Absoluní hodnoy mezních eplo a sřední eploy na čele jsou přiom o 50 až 100 % yšší než na hřbeě. Jen při obrábění maeriálů křehkých oří řísku elemenární) a při malých loušťkách řísky h < 0,05 mm) mohou eploy na hřbeě přeyšoa eploy na čele. Z hlediska opořebení násroje nás zajímají jak maximální eploy na čele a na hřbeě, ak i rozložení eplo na ěcho plochách. Sanoení eploního pole čela a hřbeu je experimenálně elmi náročné. Proo se časo spokojíme jen se sanoením sředních eplo na ěcho plochách, popř. sanoením sřední eploy celé syčné plochy násroje s řískou a obrobkem, j. akiní čási čela a hřbeu současně. Sřední eploa bude pochopielně nižší než maximální eploa na břiu, má šak ýhodu, že ji lze sanoi podsaně snadněji. V eorii obrábění je ao sřední eploa nazýána eploa řezání a charakerizuje do určié míry eploní namáhání praconích ploch násroje. Meody experimenálního sudia epelných jeů jsou zaměřeny do dou oblasí: 3

4 1. sanoení celkoého množsí epla a podíl odedeného epla do jednoliých oblasí, 2. sanoení eploy a eploního pole obrobku, násroje a řísky. Obr 3. 2 Příklad eploního pole [8] 3.3. Měření epla při obrábění Pro experimenální sanooání množsí epla, keré zniká při procesu obrábění, se použíají kalorimery, což je lasně epelně izoloaná nádoba naplněná do určié ýše kapalinou se zabudoaným přesným eploměrem, případně s míchadlem. Každý kalorimer musí bý sou konsrukcí uzpůsoben daným podmínkám obrábění. Obecný posup při měření kalorimerem spočíá ponoření ohřáého předměu našem případě říska, obrobek, násroj) po obrábění do lázně, kde předá čás sého epla. Po yronání eplo se množsí odezdaného epla předměem, roná množsí epla přijaého kapalinou. Too množsí se poom jednoduše určí změřením počáeční a konečné eploy kapaliny kalorimeru. Tao meoda se yznačuje sojí jednoduchosí jak použiého zařízení, ak i posupem měření a zpracoání ýsledků. Neýhodou jsou zejména epelné zráy sěnami, hladinou, upínacím zařízením, apod. a aké podsaa lasní meody. Využíá se předeším při obrábění osoými násroji se sislou osou roace rání, frézoání,...). Naopak při sousružení je konsrukce kalorimeru složiější a měření obížnější. Kalorimerickými meodami lze sanoi [10]: celkoé množsí epla znikajícího při obrábění, množsí epla odcházejícího řískou, množsí epla odcházejícího do násroje a obrobku, sřední eplou řísky, případně obrobku či násroje. Pro měření celkoého množsí epla býají obrobek i praconí čás násroje ponořeny do kapaliny kalorimeru obr. 3.3) po hladinu označenou H1. K zamezení ododu epla je obrobek a případně i násroj odizoloán. Posup měření je následující: 1. po usaení násroje ůči obrobku změříme a zaznamenáme eplou kapaliny kalorimeru usálenou za klidu, 2. obrábíme za předem sanoených řezných podmínek a po yronání eploy kapaliny, násroje, obrobku a řísek změříme usálenou konečnou eplou. 4

5 1 kalorimer s íkem 2 seinoý eploměr 3 álcoá sopkoá fréza 4 obráběná maeriál H1 hladina kapaliny pro měření celkoého epla H2 hladina kapaliny pro měření epla řísce Obr 3. 3 Kalorimer na měření celkoého epla při álcoém frézoání [10] Celkoé množsí epla poom ypočíáme ze zahu [10]: Q m c m c m c V ) [J] 3.6) o Q k o n n k k o celkoé množsí epla kalorimeru [J], m hmonos ody kalorimeru [kg], m o hmonos obrobku před obráběním [kg], m n hmonos ponořené čási násroje [kg], V k odní hodnoa kalorimeru [J.K -1 ], c, c o, c n specifická epla ody, obrobku a násroje [J.kg -1,K -1 ], Θ k konečná eploa [K], Θ o počáeční eploa [K]. V důsledku zrá je celkoé eplo iz. ronice 3.1) ycházející z celkoé práce řezání nižší než eplo naměřené kalorimeru. Poronáním obou zjišěných epel, lze rámci dané přesnosi zjisi eploní zráy kalorimeru ze zahu: Q Z Q Q k [J] 3.7) Při měření epla řískách jsou násroj a obrobek mimo kapalinu. Hladina je akoé ýši aby řísky mohly pada s co nejkraší rajekorií do kapaliny, jak je uedeno na obr. 5.3 pro hladinu H2. Posup měření je obdobný jako u sanoení celkoého epla, edy změření počáeční a konečné usálené eploy. Teplo přiedené řískami do kapaliny lze urči ze zahu [10]: Q m c m c V ) ) [J] 3.8) k k o Q množsí epla řísce [J], m hmonos řísek kapalině [kg], c specifické eplo řísek sejné jako obrobku, edy c = c o ) [J.kg -1,K -1 ], Hmonos řísek kapalině určíme jednoduše jako rozdíl hmonosi obrobku před obráběním a po obrábění. Posup měření epla násroji a obrobku je obdobný jako sanooání epla řískách, kdy násroj a obrobek jsou mimo kapalinu a ychází z obr Rozdíl je om, že musíme zamezi padání řísek do kapaliny, aby nám neolinili ýsledek měření. Po ukončení procesu obrábění se celý násroj 5

6 nebo obrobek co nejrychleji ponoří do kapaliny a posupuje se sejným způsobem naměřením usálených konečné a počáeční eploy. Množsí epla násroji ronice 3.9) a obrobku ronice 3.10) sanoíme následoně [10]: Q m c m c V ) ) [J] 3.9) n n n k k o Q m c m c V ) ) [J] 3.10) o o o k k o Q n množsí epla násroji, Q o množsí epla obrobku. Posup měření je omo případě nejnáročnější a ýsledek je důsledku přenosu násroje nebo obrobku aké méně přesný. Při měření epla obsaženého řískách, lze urči i sřední eplou řísky. Vychází se z předpokladu, že po dopadu řísek do kapaliny dojde k yronání jejich eplo důsledku odezdání epla řísek kapalině kalorimeru. Poom mají-li řísky před dopadem do kapaliny sřední eplou Θ, zrácí při ochlazení na eplou Θ k množsí epla množsí: m c k ). Too množsí epla naýší eplou kapaliny z eploy počáeční Θ o na konečnou eplou Θ k. Poom plaí: m c ) m c ), k o k odud poom jednoduše určíme sřední eplou řísek ze zorce [10]: m c m k c o ) k [J] 3.11) Podobným způsobem lze ypočía i sřední eploy obrobku nebo násroje. Přesnos měření poom záisí na rychlosi dopadu řísek do kapaliny, nebo na době od ukončení řezání po ponoření násroje či obrobku do kapaliny kalorimeru. Shrnuí kapioly V éo kapiole jsme se dozěděli, jaké jsou zdroje epla znikající při obrábění a kam se eplo při obrábění odede. Dále jsme určili ronici epelné bilance a popsali meody měření epla celkoého, řísek, obrobku a násroje při obrábění pomocí kalorimerů. Konrolní oázky 1. Napiše ronici epelné bilance. 2. Kde může eplo při obrábění znika? 3. Kam se eplo zniklé při obrábění odádí? 4. Kam se odádí, pokud možno, nejěší čás epla? 5. Jaké přísroje se použíají pro sanoení množsí epla při obrábění? 6. Co še lze sanoi jaká epla) pomocí kalorimerických meod? 6

7 Další zdroje 1. BILÍK, O. Obrábění II. 1.Díl): Fyzikálně mechanické záležiosi procesu obrábění. Osraa: Vysoká škola báňská TU Osraa, s. ISBN BILÍK, O. Obrábění II. 2.Díl). Osraa: Vysoká škola báňská TU Osraa, s. ISBN KOCMAN, K., PROKOP, K. Technologie obrábění. Brno: Akademické nakladaelsí CERN Brno, s.r.o., s. ISBN HAVRILA, M., ZAJAC, J., BRYCHTA, J., JURKO, J. Top rendy obrábaní 1. časť Obrábané maeriály. Žilina: MEDIA/ST, s. r. o., ISBN JURKO, J., ZAJAC, J., ČEP, R., Top rendy obrábaní 2. časť Násrojoé maeriály. Žilina: MEDIA/ST, s. r. o., ISBN VASILKO, K., HAVRILA, M., NOVÁK MARCINČIN, J., MÁDL, J., ZAJAC, J. Top rendy obrábaní 3. časť Technológia obrábania. Žilina: MEDIA/ST, s. r. o., ISBN HUMÁR, A. TECHNOLOGIE I TECHNOLOGIE OBRÁBĚNÍ 1. čás. Sudijní opory pro magiserskou formu sudia "Srojírenská echnologie". Brno: VUT Brně, Fakula srojního inženýrsí, s. Dosupné na World Wide Web: <hp:// 8. HUMÁR, A. TECHNOLOGIE I TECHNOLOGIE OBRÁBĚNÍ 2. čás. Sudijní opory pro magiserskou formu sudia "Srojírenská echnologie". Brno: VUT Brně, Fakula srojního inženýrsí, s. Dosupné na World Wide Web: <hp:// 9. HUMÁR, A. TECHNOLOGIE I TECHNOLOGIE OBRÁBĚNÍ 3. čás. Inerakiní mulimediální ex pro bakalářský a magiserský sudijní program "Srojírensí". Brno: VUT Brně, Fakula srojního inženýrsí, s. Dosupné na World Wide Web: <hp:// 3cas.pdf>. 10. HUMÁR, A. Výrobní echnologie II [online]. Sudijní opory pro podporu samosudia oboru "Srojírenská echnologie" BS sudijního programu "Srojírensí". VUT Brně, Fakula srojního inženýrsí, s. Dosupné na World Wide Web: <hp:// 11. STEPHENSON, D. A., AGAPIOU, J. S. Meal Cuing Teory and Prakice. New York: Marcel Dekker, Inc., s. ISBN Klíč k řešení O 3.1 Q sh + Q r + Q f = Q o + Q n + Q p + Q O 3.2 Q sh generoané deformací e sřižné roině oblasi primární plasické deformace, Q r generoané řením čela násroje a řísky, Q f generoané řením hřbeu násroje a obrobené. 7

8 O 3.3 Do obrobku Q o, násroje Q n, řísky Q, prosředí Q p, O 3.4 O 3.5 O 3.6 Do řísek. Kalorimery. Celkoé množsí epla znikajícího při obrábění, množsí epla odcházejícího řískou, množsí epla odcházejícího do násroje a obrobku, sřední eplou řísky, případně obrobku či násroje. 8