Как распределяется тепло в системе резания: стружку, заготовку и инструмент, каковы температура резания и факторы на нее влияющие?

В зоне стружкообразованин можно выделить несколько источников, в которых происходит генерирование теплоты (рис. 5.1):

— первый источник выделения тепла Q_Д находится в зоне единст­венной условной плоскости сдвига, где затрачивается большая часть меха­нической работы, направленной на пластическую деформацию стружкооб­разованин. Образующееся тепло частично уносится стружкой, частично перетекает ниже плоскости резания и уходит в обработанную поверхность;

— вторым источником теплообразования Q_т.п является передняя по­верхность лезвия на участке ее активного контактирования со стружкой, где реализуется работа сил трения. Часть тепла переходит в инструмент, а часть в стружку;

— третьим источником выделения тепла Q_т.з считается участок контакта задней поверхности с обработанной поверхностно, где они -взаимодействуют, реализуя работу сил трения вследствие упругого восстанов­ления материала заготовки и колебаний ин­струмента. Часть тепла переходит в инстру­мент, оставшаяся часть в обработанную поверхность.

Общее количество тепла, образующегося при стружкообразованин, определяется по выражению

Q=Q_Д+Q_т.п+ Q_т.з (5.1)

Это тепло, распространяясь из очагов теплообразования к более хо­лодным областям, поглощается инструментом (Q_и), стружкой (Q_c) и заго­товкой (Q_з). Вместе с тем оно частично уносится технологической средой, в которой производится резание (Q_ср). Тогда уравнение теплового баланса может быть представлено в виде

Q_Д+Q_т.п+ Q_т.з ⁼ Q_и + Q_c + Q_з +Q_ср (5.2)

В большинстве случаев при теоретическом рассмотрении и анализе теплообразования считается, что количество тепла, уходящее в технологи­ческую среду, относительно мало и тогда Q_ср=0.

На распределение тепла между инструментом, заготовкой и струж­кой основное влияние оказывают механические и тёплофизические свойства материалов заготовки и инструмента. Покажем относитель­ное изменение составляющих правой части уравнения (5.2) теплового ба­ланса Q_и , Q_c и Q_з в зависимости от скорости резания (рис. 5.2). ,

Наибольшее количество тепла из зоны резания уносится стружкой. С увеличением скорости резания часть теплового потока от первого историка тепла, связанного с зоной единственной условной плоскости сдвига, не успевает пересечь плоскость резания и уйти в обработанную поверхность. Поэтому с увеличением ско­рости теплосодержание стружки увеличивается за счет уменьшения его перехода в обрабатываемую заготовку.

Количество тепла, переходящее в инструмент, относительно мало, что связано в первую очередь с низкой теплопроводностью инструмен­тальных материалов. Но это тепло играет существенную роль в формировании температурного поля на режущих кромках лезвия.

Таким образом, при резании в зоне стружкообразования имеется три источника, генерирующих тепло, которое в разных количествах уходит в инструмент, стружку и обработанную поверхность заготовки и оказывает существенное влияние на их характеристики.

Под температурой резания Θ понимают среднюю температуру на контакте передней поверхности лезвия инструмента со стружкой. Темпе­ратуру резания иногда называют средней температурой контакта.

Для незатупленного инструмента ширина площадки контакта задней поверхности лезвия со стружкой мала, поэтому ее вклад в температурное поле незначителен. На передней поверхности температура распределена по сложной зависимости (рис. 5.3).

В общем виде температура резания может быть представлена формулой

Θ= С_Θ·V^m·aⁿ·b^q (5.3)

где значения коэффициента С_Θ и показателей степеней т, п и q определя­ются эмпирическим путем. При любых видах обработки показатели степе­ней находятся в соотношении т> п> q. Это означает то, что на темпера­туру резания наибольшее влияние оказывает скорость резания, затем тол­щина срезаемого слоя, а наименьшее влияние ширина срезаемого слоя.

Различное влияние толщины и ширины срезаемого слоя на темпера­туру резания можно объяснить следующим образом. Если слой одинаково­го сечения f=2ab будет срезаться при совершенно одинаковых условиях, но при разных соотношений толщины и ширины, то условия отвода тепла от кромки лезвия будут различными (рис. 5.4). При срезании слоя с шири­ной 2b условия для отвода тепла от кромки будут более благоприятными, чем при срезании слоя с шириной b, так как источник тепла удален от вершины резца на более далекое расстояние, а сечение для отвода теплово­го потока будет больше.

Отсюда следует, что для снижения температуры резания при задан­ной площади сечения срезаемого слоя необходимо максимально увеличить соотношение b / а, или, что то же самое, увеличить соотношение t /s.

Температуру резания можно снизить и в том случае, если при задан­ных значениях t и s уменьшить главный угол в плане φ (см.рис. 5.4). Это связано с тем, что при уменьшении угла φотношение b / а возрастает.

Увеличение скорости резания приводит к увеличению температуры (рис. 5.5), которая зависит от рода и механических свойств обрабатываемо­го материала: чем больше работа, затрачиваемая на резание, тем выше температура резания. Однако интенсивность влияния скорости на темпера­туру имеет более сложный характер: чем выше скорость резания, тем мень­ше ее увеличение сказывается на возрастании температуры и тем меньше значения показателей степени в уравнении (5.3). Кривая температуры с уве­личением скорости принимает более пологий характер.

Снижению температуры резания способствует применение инстру­ментальных материалов, обладающих высокой теплопроводностью, а так­же Инструментов, имеющих внутреннее охлаждение лезвия.

В равнении теплового баланса (5.2) принято допущение о том, что часть тепла, уходящая в технологическую сре­ду, весьма мала. Однако применение смазочно-охлаждающей среды (СОС) позво­ляет увеличить эту доставляющую, забрав часть тепла от инструмента, стружки и детали. Тогда будет оказывать суще­ственное влияние на формирование тем­пературного поля в доне резания.

В большинстве случаев скорость стружки превышает скорость распростра­нения тепла в материале заготовки. И ес­ли направлять струю СОЖ на стружку в зоне резания, то температура реза­ния понизится незначительно. Больший эффект по снижению температуры можно получить, если струя СОЖ будет направлена на лезвие инструмента.

Количественная оценка тепловых явлений, происходящих в зоне ре­зания, производится аналитическими и экспериментальными методами. Аналитические методы при изучении температурных полей в зоне резания имеют значительные успехи, особенно в связи с применением информаци­онных технологий, компьютерного моделирования и современных матема­тических методов.

Достаточно широкое распространение нашли экспериментальные методы, особенно методы, в основе которых лежит измерение термоэлектрической эмиссии: искусственные, естественные и полуискусственные термопары.

Искусственные термопары вводятся в тело режущего клина для измерения температур в необходимых точках. Достоинством метода является возможность использования стандартных термопар (медь-константан, хромель-алюмель и др.). Но из-за инерционности термопар данный метод позволяет измерять лишь усредненные значения температур.

Естественные термопары образуются в месте соприкосновения передней поверхности лезвия инструмента, стружки и задней поверхности. Естественными электродами здесь выступают материалы инструмента в обрабатываемой детали. Если включить их в замкнутую электрическую цепь, то величина термоэлектродвижущей силы, возникающей в термоэлементе, будет пропорциональна температуре скользящего спая образовавшейся термопары. Этот метод, так же как и предыдущий, позволяет измерять среднюю контактную температуру. Достоинством метода является то, что его можно применить для любого способа обработки (точение, сверление и т. д.). Полученная термопара (материал заготовки - материал лезвия) в составе собранной электрической цепи должна быть предварительно подвергнута тарировке для перевода показаний милливольтметра в градусы Цельсия.

У полуискусственной термопары в качестве одного элемента термопары используется материал режущего клина, а другим элементом спая является проволока из копеля или константана. Полученная термопара также подвергается тарировке в составе электрической цепи.

Таким образом, температура резания, являясь важнейшим параметром работоспособности инструмента, определяется изменением таких факторов, как скорость резания, размеры срезаемого слоя, режимы резания свойства обрабатываемого инструмента и др.