7. Теплообразование и температура резания

7.1. Источники образования тепла и его распределение

В процессе резания тепловые явления играют важную роль. Именно они определяют температуру в зоне реза­ния, которая оказывает прямое влияние на характер образования стружки, нарост, усадку стружки, силы ре­зания и микроструктуру поверхностного слоя. Еще более существенно воздействует температура резания θ на интенсивность затупления инструмента и период его стойкости.

В процессе резания металлов механическая работа, затрачиваемая на процесс резания, практически полностью превращается в теп­лоту. Поэтому общее количество тепла, образующегося при резании, можно определить из выражения

кал/мин, (7.1)

где P_z – касательная составляющая силы резания в Н;

V - скорость резания в м/мин;

Е - механический эквивалент теплоты, равный 4,19Дж/кал.

Работа, затрачиваемая на резание, состоит из трех частей: работы деформирования срезаемого слоя, работы трения на передней поверхности и работы трения на задней поверхности. Следовательно, и общее количество образующегося при резании тепла можно определить по формуле:

Q = Q_д + Q_mn + Q_mз, (7.2)

где Q_д - тепло деформаций, образующееся в зоне сдвигов на условной плоскости сдвигов;

Q_mn - тепло трения в зоне контакта стружки с передней поверх­ностью инструмента;

Q_mз - тепло трения в зоне контакта поверхности резания с зад­ней поверхностью резца.

Расположение источников тепла представлено на рис.7.1. Образовавшееся тепло распространяется из очагов теплообразо­вания к более холодным областям, распределяясь между стружкой (Q_с), деталью (Q_дет) и инструментом (Q_и) (рис. 7.2). Часть тепла уходит в окружающую среду (Q_ср). Расход образовавшегося при резании тепла описывается выражением:

Q = Q_с + Q_дет + Q_и + Q_ср (7.3)

Рис. 7.1. Источники образования тепла в зоне резания

Выражения (7.2) и (7.3) в совокупности описывают тепловой баланс при резании металлов. Процентное распределение тепла между стружкой, деталью и ин­струментом зависит от рода обрабатываемого материала и условий обработки.

Эксперименты показывают, что при работе с небольшой скоростью резания (до 30...40 м/мин) относительное количество теплоты составляет: Q_c  60...70%; Q_и  3; Q_дет30...40; Q_cр  1...2 %. Установлено, что чем ниже теплопроводность обрабатываемого материала, тем больше теплоты уходит в инструмент. По мере увеличения скорости резания значительно растет относительное количество теплоты, уходящей в стружку. При скорости V = 400...500 м/мин теплота распределяется так: Q_c  97...98%, а Q_и  1%.

Рис. 7.2. Потоки тепла в стружку, инструмент и деталь

Использование технологических сред позволяет значи­тельно повысить Q_cр в общем тепловом балансе. В зави­симости от условий подвода среды соответственно умень­шаются Q_c, Q_и и Q_дет.

7.2. Температура резания

Зная величину и направление итоговых тепловых потоков, можно расчетным путем найти законы распределения температур на контактных площадках (рис. 7.3). Из рисунков видно, что различные места стружки нагреты неравномерно. Наибольшее количество теплоты концентрируется в тонких слоях стружки, прилегающих к передней поверхности. Здесь температура намного превышает т­емпературу в зоне сдвига. По мере удаления от перед­ней поверхности резца температура слоев стружки резко падает. В прирезцовом слое максимальная температура наблюдается в середине длины площадки контакта С_п (рис. 7.4, 7.5). От этой области температура убывает как по направле­нию к режущей кромке, так и по направлению к точке отрыва стружки от передней поверхности. Температура обрабатываемого материала, лежащего ниже поверхности резания, значительно меньше температур в стружке и на площади сдвига.

Рис. 7.3. Температурные поля в стружке, детали и резце

при точении стали ШХ15 резцом из твердого сплава Т14К8

(V = 80 м/мин, s = 0,5 мм/об, t = 4,1 мм)

Режущий клин также нагревается неравномерно. Сильнее всего разогрет участок передней поверхности, расположенный в середине длины площадки контакта С_п, тогда как у вершины уровень температур меньше. По мере удаления от передней поверхности температура в режущем клине изменяется гораздо менее значительно, чем температура стружки.

Уровень и распределение температур в значительной степени определяется теплофизическими характеристи­ками обрабатываемого и инструментального материалов. Так, при повышении коэффициента теплопроводности инструментального материала температуры на передней поверхности уменьшаются, а на задней - увеличиваются. При повышении коэффициента теплопроводности обраба­тываемого материала температуры снижаются. При рабо­те с малыми сечениями среза интенсифицируется теп­ловой поток со стороны задней поверхности, и температура на задней поверхности существенно возрастает.

В тех случаях, когда нет необходимости в изучении законов распределения температур на контактных пло­щадках или в теле инструмента и детали, наиболее удобным показателем тепловой напряженности процес­са резания является средняя температура резания на всей поверхности контакта инструмента со стружкой С_п и де­талью С_з (рис. 7.4).

Рис. 7.4. Зоны контакта инструмента с заготовкой и стружкой

Как уже отмечалось, температуры на площадках контакта С_п и С_з распределяются неравномерно (рис. 7.5). Максимальные температуры на площадках контакта как на передней _пmax, так и на задней _зmax поверхностях развиваются на некотором расстоянии от режущей кромки. Под температурой резания понимают среднюю температуру контактов С_п и С_з, которую можно определить из выражения:

где _пср – средняя контактная температура на передней поверхности резца на длине С_п;

_зср – средняя контактная температура на задней поверхности резца на длине С_з.

Рис. 7.5. Схема распределения температур на длине контактов

инструмента с заготовкой и стружкой

Температура, возникающая в зоне резания, может оказывать влияние на процесс резания из-за изменения свойств материала инструмента, обрабатываемого мате­риала и условий взаимодействия инструмента и обраба­тываемого материала на контактных площадках.

При оценке влияния температуры на свойства обра­батываемого материала необходимо учитывать два фак­тора: продолжительность воздействия высокой темпера­туры и скорость деформации.

Закономерности, установленные в условиях статиче­ских испытаний, получаются после длительного прогрева образцов. Так как контактные площадки передней и зад­ней поверхностей инструмента нагреваются длительное время, закономерности изменения свойств инструменталь­ного материала в зависимости от температуры целиком приложимы к режущему инструменту. Стружка же срезается со скоростями в сотни тысяч раз большими, чем при статических испытаниях. Так, при скорости резания V= 100 м/мин, K_L = 2,5, длине контакта стружки с передней поверхностью С_п = 2 мм и задней поверхностью

С₃ = 0,1 мм время контакта стружки с передней поверх­ностью резца

с,

а с задней поверхностью

с.

Действие высокой температуры в течение тысячных и даже стотысячных долей секунды совершенно недо­статочно для протекания в толще срезаемого металла структурных превращений и для изменения механиче­ских свойств обрабатываемой детали. Поэтому воздей­ствие высокой температуры в зоне резания на обрабаты­ваемый металл ограничивается его тончайшими слоями, соприкасающимися с рабочими поверхностями инстру­мента, и проявляется в изменении условий трения, кон­тактных нагрузок, напряжений, характера изнашива­ния и т. д. Экспериментально установлено, что при резании незакаленных сталей толщина контактного слоя не превышает 10 мкм.