Глава 4. Тепловыделение при резании

Глава 4. ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЕ ПРИ РЕЗАНИИ

Исследованиями установлено, что при резании конструкционных материалов более 99,5% работы резания переходит в тепло. Тепло оказывает влияние на износостойкость инструмента, на качество обработанной поверхности, на процесс трения и наростообразование, изменяет физико-механи-ческое и структурное состояние материала в зоне резания.

4.1. Источники образования тепла и его распределение

Общая работа, затрачиваемая на резание, может быть представлена как сумма составляющих работ: на упругие и пластические деформации и на преодоление трения по рабочим поверхностям инструмента. Количество выделяемого тепла, соответствующее работе резания или любой ее составляющей Аi, может быть определено по формуле:

,

где 427 – механический эквивалент тепла в кг·м/кал.

На основании вышесказанного количество тепла, образующегося при резании, определяется тремя источниками тепловыделения, соответствующим трем зонам, в которых совершается механическая работа (рис. 26):

Рис. 26. Источники образования тепла в зоне резания

Тепло деформации Qд образуется в зоне сдвигов на условной плоскости сдвига; тепло трения Qmп на передней поверхности – в пределах площадки контакта между стружкой и инструментом шириной C; тепло трения Qmз на задней поверхности – в пределах площадки контакта между поверхностью резания и инструментом шириной C2.

Образовавшееся тепло распространяется из очагов теплообразования к более холодным областям, распределяясь между стружкой, деталью и инструментом. При этом устанавливаются следующие тепловые потоки (рис. 27): в стружку, инструмент и деталь.

Рис. 27. Потоки тепла в стружку, инструмент и деталь

Часть тепла деформации Qдс от условной плоскости сдвига переходит в стружку. Из зоны трения на передней поверхности в стружку переходит часть тепла трения, равная Qmп − Qп , где Qп − тепло, уходящее в инструмент. В результате интенсивность теплового потока в стружку определяется:

.

Часть тепла деформации Qд дет от условной плоскости сдвига переходит в деталь. Туда же из зоны трения на задней поверхности переходит часть тепла трения, равная Qmз − Qз , где Qз − тепло, уходящее в инструмент. В результате суммарный тепловой поток в деталь можно представить формулой:

.

Температурное поле режущего инструмента определяется тепловым потоком:

.

Расход тепла, образовавшегося при резании, можно выразить уравнением, называемым уравнением теплового баланса:

,

где Qср − количество тепла, уходящего в окружающую среду.

Поскольку образовавшееся тепло пропорционально совершаемой работе, количество тепла зависит от рода и механических свойств обрабатываемого материала, геометрических параметров инструмента и режима резания.

На процентное распределение тепла между стружкой, деталью и инструментом главное влияние оказывают теплофизические свойства обрабатываемого и инструментального материалов и скорость резания.

В среднем при токарной обработке при обработке сталей быстрорежущим инструментом в стружку уходит 50-86% общего количества тепла, в инструмент – 40-10%, в обрабатываемую заготовку – 9-3% и в окружающую среду около 1%. При обработке сталей твердосплавным инструментом в стружку уходит до 71% тепла, в инструмент – 2%, в заготовку – 26%.

Чем выше теплопроводность обрабатываемого материала, тем больше тепла переходит в стружку при одной и той же скорости резания. При обработке хрупких материалов количество тепла, отводимого в стружку и инструмент, меньше, чем при обработке пластичных материалов, что объясняется элементным характером стружки и отсутствием ее постоянного контакта с передней поверхностью. Малое количество тепла, отводимого в инструмент, объясняется более низкой теплопроводностью инструментального материала по сравнению с обрабатываемым материалом.

Рис. 28 показывает, что процентное распределение тепла коренным образом изменяется при увеличении скорости резания: количество тепла, уходящего в стружку, возрастает, а в деталь и инструмент – уменьшается. Увеличение доли тепла, отводимого в стружку, и уменьшение потока тепла в деталь, и особенно в инструмент с увеличением скорости вызвано изменением соотношения между скоростью резания и скоростью теплопередачи из зоны деформации. С увеличением скорости резания режущий инструмент все быстрее пересекает тепловой поток из зоны деформации, тепло не успевает переходить в деталь и большая его часть уносится со стружкой.

Рис. 28. Процентное распределение тепла между стружкой, инструментом и деталью в зависимости от скорости резания

Увеличение скорости резания приводит к уменьшению площадки контакта инструмента со стружкой, поэтому доля тепла, переходящего в инструмент со стороны передней поверхности, уменьшается. Однако, несмотря на то, что доля тепла, уходящего в инструмент, очень мала, средняя температура на передней поверхности инструмента в несколько раз превосходит среднюю температуру стружки.

4.2. Температура резания

Значения температуры в различных точках площадок контакта инструмента со стружкой и заготовкой неодинаковы. На передней поверхности максимальная температура соответствует точке С1 (рис. 26), лежащей примерно на половине ширины площадки контакта (рис. 29). На площадке контакта задней поверхности инструмента с поверхностью резания температура распределяется также неравномерно.

Рис. 29. Распределение температуры на передней поверхности инструмента

Поэтому под температурой резания θ понимают среднюю температуру на поверхности контакта инструмента со стружкой и поверхностью резания. Если через и обозначить средние температуры на площадках контакта передней и задней поверхностей, то температура резания:

.

Поэтому температуру резания иногда называют средней температурой контакта.

Для незатупленного инструмента ширина C2 площадки контакта задней поверхности с поверхностью резания стремится к нулю. В этом случае температуру резания можно считать равной средней температуре на площадке контакта стружки с передней поверхностью инструмента:

.

Наличие сведений о температуре в зоне резания позволяет правильно назначить материал режущего инструмента для данных условий обработки, обосновать применение смазочно-охлаждающих веществ, способов их подвода к зоне резания.

4.3. Влияние условий резания на температуру резания

На температуру резания оказывают влияние различные факторы: обрабатываемый материал, элементы режима резания, геометрические параметры инструмента, СОЖ и характер их влияния очень сложен. Поэтому в инженерных расчетах пользуются эмпирическими зависимостями, полученными на основании измерений. Полное уравнение температуры резания в зависимости от элементов режима резания описывается выражением:

,

где Cθ – коэффициент, зависящий от рода и механических свойств обрабатываемого материала, геометрических параметров инструмента и применяемой смазочно-охлаждающей жидкости.

При любых видах обработки величины показателей степени z, y, x неодинаковы: z > y > x . Неравенство означает, что на температуру резания наибольшее влияние оказывает скорость резания, затем подача (толщина среза) и наименьшее – глубина резания (ширина среза).

Влияние скорости резания на температуру резания выражается экспоненциальной кривой, т. е. с увеличением скорости резания температура увеличивается, но интенсивность этого увеличения постепенно уменьшается. С одной стороны, при увеличении скорости растет работа резания:

,

а, следовательно, и количество выделяемого тепла. С другой стороны, при этом уменьшается сила резания Pz, увеличивается количество тепла, уносимого со стружкой, и уменьшается количество тепла, переходящего в инструмент.

Влияние глубины резания и подачи на температуру резания проявляется через изменение сечения срезаемого слоя, а также активной части режущей кромки (см. рис. 25). С увеличением глубины резания (ширины среза) прямо пропорционально растет сила резания, увеличиваются работа резания и количество выделившейся теплоты. Однако при этом пропорционально увеличивается и длина режущей кромки, т. е. улучшаются условия теплоотвода.

С увеличением подачи (толщины среза) сила резания увеличивается в меньшей степени, а увеличение выделившегося тепла не компенсируется увеличением площадки контакта. С увеличением подачи повышение температуры резания происходит примерно в 2 раза интенсивнее, чем при равнозначном увеличении глубины резания.

Влияние свойств обрабатываемого материала на температуру резания выражается через их влияние на силы резания и на отвод образовавшегося тепла. С увеличением твердости, прочности и пластичности обрабатываемого материала температура резания увеличивается. Чем выше теплопроводность обрабатываемого материала, тем ниже температура резания. Стали с большим содержанием Cr, Ni, W, Mn, а также титановые сплавы отличаются низкой теплопроводностью, поэтому при их обработке температура резания очень высокая, в связи с чем приходится уменьшать скорость резания.

Влияние геометрических параметров инструмента. С увеличением переднего угла инструмента γ уменьшается сила, а следовательно, и работа резания. Однако при этом ухудшаются условия теплоотвода, поскольку уменьшается угол заострения β, т. е. масса рабочей части инструмента. Поэтому существует некоторое оптимальное значение угла γопт , при котором температура резания имеет минимальное значение (рис. 30, а).

а б

Рис. 30. Влияние переднего угла и главного угла в плане на температуру резания

С уменьшением главного угла в плане φ увеличивается угол при вершине ε, что приводит к увеличению массы головки резца, улучшению теплоотвода и снижению температуры резания (рис. 30, б). При этом изменяется также форма сечения среза: увеличение ширины среза также положительно сказывается на условиях теплоотвода.

Влияние СОЖ. Смазочно-охлаждающие жидкости не только способствуют уменьшению тепловыделения (за счет облегчения процесса стружкообразования и уменьшения трения), но поглощают и отводят часть выделенного тепла, снижая тем самым температуру резания. При этом чем выше теплоемкость и теплопроводность СОЖ, тем выше эффект охлаждения.

Таким образом, выделяемое в зоне стружкообразования тепло оказывает большое влияние на состояние трущихся поверхностей (изменяя коэффициент трения), на точность обработки, на весь процесс резания и связанные с ним явления (наростообразование, упрочнение, износ инструмента, деформации и др.). В связи с этим необходимо знать влияние различных факторов на тепловыделение и распределение температурных полей.