27. Источники образования тепла при резании и уравнение теплового баланса.

Экспериментально установлено, что при резании практически вся механическая работа, затраченная на процесс снятия стружки, переходит в тепловую энергию.

В зоне резания различают три источника (очага) образования теплоты (рис. 4.1):

• зона основной пластической деформации (находится около условной плоскости сдвига) с тепловой мощностью Q_Φ;

• зона трения стружки о переднюю поверхность инструмента с тепловой мощностью Q_γ,

• зона трения задней поверхности инструмента о заготовку с тепловой мощностью Q₁.

Таким образом, общее количество теплоты, выделяющейся при резании.

Q = Q_Φ + Q_γ + Q₁

Рис. 4.1. Источники образования теплоты при резании Рис. 4.2. Потоки теплоты, отводимой в стружку, заготовку и инструмент

В соответствии с законом теплообмена теплота от источников теплообразования отводится в направлении менее нагретых час­тей, находящихся с ними в контакте, а именно:

• в заготовку Q_З = Q_Φз + Q_1з;

• в стружку Q_С = Q_Φс + Q_γс;

• в режущий инструмент Q_и = Q_γи + Q_1и (рис. 4.2).

При этом часть теплоты Q_oc отводится в окружающую среду, например, с помощью подводимой в зону резания смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ). Однако если резание осуществля­ется на воздухе, то эту теплоту из-за ее малой величины обычно не учитывают.

На основании изложенного уравнение теплового баланса имеет вид:

27. Распределение теплоты между стружкой, заготовкой и инструментом

Если рассматривать тепловой баланс в единицу времени, то левая часть уравнения (4.1) представляет собой сумму тепловых мощностей трех источников образования теплоты, которые можно найти по уравнениям удельных работ резания и трения [уравнения (2.43)...(2.47)], используя тепловой эквивалент механической работы Аг,э. При этом тепловые мощности указанных трех источни­ков можно определить по следующим формулам:

где τ – касательное напряжение в условной плоскости сдвига; ε – относительный сдвиг в зоне деформации; а, b – соответственно толщина и ширина срезаемого слоя; V – скорость резания; Vc – ско­рость схода стружки по передней поверхности, К – коэффициент усадки стружки.

Предположив, что интенсивности тепловыделений внутри ка­ждого из указанных источников образования теплоты распределены равномерно, можно определить их средние интенсивности (плот­ности), разделив тепловые мощности на площади источников:

В этих формулах площади OA, OB и OL - это соответственно площадь условной плоскости сдвига и площади контакта стружки с передней и задней поверхностями инструмента.

Рис. 4.3. Распределение теплоты между стружкой Q_с, заготовкой Q_з и инструментом Q_и при точении стали 40Х (Т15К6, t= 1,5 мм, s = 0,12 мм/об)

Если приходные статьи теплового баланса определяются от­носительно просто и с достаточно высокой точностью, то состав­ляющие расходной (правой) части уравнения (4.1) определяют ли­бо экспериментально, либо путем сложных теплофизических рас­четов.

Обычно количество теплоты, отводимой в стружку, заготовку и инструмент, определяют экспериментально с помощью калори­метров. По данным отечественных и зарубежных исследователей установлена следующая картина распределения теплоты по ука­занным направлениям (рис. 4.3) [3]. Здесь с ростом скорости реза­ния количество теплоты, уходящей в стружку Q_c, монотонно воз­растает, причем наиболее интенсивно это происходит при резании на низких скоростях. Доля теплоты, поступающей в заготовку Q_з и инструмент Q_и при увеличении скорости резания наоборот со­кращается. Например, при точении стали 40Х со скоростью реза­ния v = 20.. .50 м/мин в стружку уходит 30...50 % теплоты, в заго­товку – 45...65 %; со скоростью резания v = 150 м/мин в стружку уходит 75 % теплоты, а в заготовку – около 20 %. В инструмент обычно переходит небольшая доля теплоты – около 10... 15%.