УДК 621.923.4
ОЦЕНКА ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ПРИ РЕШЕНИИ ЗАДАЧ ТЕПЛОФИЗИКИ РЕЗАНИЯ
,
Северный филиал Российского государственного университета инновационных технологий и предпринимательства, Великий Новгород,
тел.(81, fax (81, E-mail: *****@***ru
Аннотация
При резании сталей основное количество тепла распространяется в срезаемую стружку. Сообщение энергии для пластичного деформирования и разрушения слоя материала вызывает протекание физических и химических процессов в материале заготовки, на ее поверхности и на границе раздела гетерогенных фаз со средой охлаждения (структурные превращении и рекристаллизация, объемные и пространственные изменения, появление напряжений, пластических деформаций и т. д.).
THERMAL ENERGY ESTIMATION AT THE DECISION OF PROBLEMS OF THERMOPHYSICS BY CUTTING
Sokol V. V., Afanasyev K. V.
“Russian State University for Innovation Technologies and Business”, Northern branch in the city of Novgorod the Great, Novgorod the Great
tel. (81, fax (81, E-mail: *****@***ru
Annotation
At cutting of steels the basic quantity of heat spreads in a cut off shaving. The intercoorection of energy for plastic deformation and destruction of a layer of material causes the cource of physical and chemical processes in raw material on its surface and on the boarder of section of geterogeneous phases with the enviroment of cooling.
При резании сталей [2] основное количество тепла распространяется в срезаемую стружку. Сообщение энергии для пластичного деформирования и разрушения слоя материала вызывает протекание физических и химических процессов в материале заготовки, на ее поверхности и на границе раздела гетерогенных фаз со средой охлаждения (структурные превращении и рекристаллизация, объемные и пространственные изменения, появление напряжений, пластических деформаций и т. д.).
При пластическом деформировании кристаллической решетки материала нарушаются атомно-молекулярные связи, увеличивается избыточная энергия, которая преобразуется в тепловую. Работу резания можно представить как энергию, затраченную на пластическое деформирование срезаемого слоя и превращением его в стружку, преодоление сил трения по задней и передней поверхностям режущего инструмента. Работой, затраченной на образование новой поверхности и работой сил, обуславливающих появление в процессе резания упругих деформаций, преобразующих в затухающие колебания, можно пренебречь, так как это составляет не значительную часть работы [1], затраченной на резание.
Затраченная при резании металлов работа преобразуется в тепловую энергию Е, определяемую отношением количества теплоты Q к числу молей Nв данного вещества [3], т. е.
. (1)
Число молей Nв любого вещества плотностью ρ и объемом V определяют по формуле
, (2)
где М - молярная масса вещества.
Количество теплоты Q, выделенное при трении инструмента со стружкой за путь L, пройденный резцом определяют из выражения
(3)
Принимая L=h*xп, получим выражение для определения средней энергии трения, выделенной в стружку при контакте ее с инструментом на длине контактной поверхности xП:
. (4)
Полученное математическое выражение (4) характеризует средние значения тепловой энергии трения ЕТП, распределенной в стружку при контакте ее с инструментом в объеме, ограниченном глубиной проникновения теплоты трения.
Отсюда можно определить значения тепловой энергии трения, которая выделяется при контакте заготовки с задней поверхностью инструмента в соответствии с выражением
. (5)
Аналогично выражению (4) формула для определения тепловой энергии ЕТЗ, выделенной при контакте заготовки с инструментом на длине контактной поверхности xЗ имеет вид:
. (6)
При постоянной скорости υ обработки заготовки из определенного материала, значения тепловой энергии трения ЕТЗ зависят только от длины контактной поверхности, а выражение (6) принимает вид
. (7)
Процесс стружкообразования происходит с момента формирования плоскости сдвига, поэтому деформации элементарных объемов стружки, распложенных у этой плоскости, примерно одинаковые [1]. Исключение составляют участки, расположенные в непосредственной близости от режущей кромки, но их значение невелико. Поэтому в первом приближении можно считать, что температура деформации и энергия деформации распределены по обе стороны плоскости сдвига равномерно. Следовательно, постоянной является и интенсивность, возникающего здесь, источника теплоты.
При отсутствии теплообмена с окружающей средой значение температуры деформирования определяют по соответствующей формуле [1], а выражение для определения температуры деформации Тд стружки по абсолютной шкале принимает вид
. (8)
В соответствии с выражениями (1) и (2) значения тепловой энергии определяют по формуле
(9)
При отсутствии износа задней поверхности режущего инструмента и значениях переднего угла γ
. (10)
Для ряда сталей выражение (15) в упрощенном виде имеет вид
. (11)
Полученное математическое выражение (11) позволяет определить величину ЕД расчетным путем для полученных значений составляющих силы резания PZ и PN, пользуясь как справочными данными, так и полученных в ходе эксперимента.
Температуру в период выравнивания можно определить путем использования фиктивного источника и сгона теплоты [3]. Первым признаком повышения температуры является деформирование срезаемого слоя, затем – трение инструмента со стружкой и изделием, и в конечном итоге – повышение температуры вследствие химического взаимодействия ее поверхностных слоев с кислородом атмосферного воздуха. Визуальные наблюдения схода сливной стружки из зоны контакта ее с инструментом, показывают изменение радужной оболочки, что характерно при завышенных режимах обработки. Это объясняется следующим: при распространении тепла по объему стружки происходит увеличение средней температуры наружных поверхностей; наружные поверхности стружки, нагретые до высоких температур, контактируют с кислородом атмосферного воздуха, что приводит к образованию окисных пленок с выделением тепловой энергии, повышающей суммарной тепловой поток.
Таким образом, увеличение средней температуры стружки при ее теплонасыщении сопровождается дополнительным подводом тепла за счет химического взаимодействия атмосферного кислорода с поверхностью стружки, то есть горение стружки в кислороде дополнительно увеличивает ее среднюю температуру. Возникновение одного или другого эффекта изменения температуры лежит в довольно узких пределах, потому умение создавать необходимое температурное поле в зоне резания может обеспечить высокотемпературную обработку, как, например, подогрев поверхностного слоя при точении из жаропрочных сплавов [4]. Поэтому в зависимости от поставленной задачи следует использовать ту или иную методику для расчета тепловых полей.
ЛИТЕРАТУРА
1.Резников резания. – М.: Машиностроение, 1969. – С. 16 – 21.
2.Клушин металлов. Элементы теории пластического деформирования срезаемого слоя. – М.: Машгиз, 1958. –С. 236 –328.
3.Теория сварочных процессов. Под редакцией . - М. Высшая школа. 19с.
4. Вульф металлов. – Л.: Машиностроение, 1973. – С. 168 – 182.
