§ 8. Тепловые явления при резании металлов

1. Источники выделяющейся теплоты и тепловой баланс. При

резании практически вся затрачиваемая механическая энергия превращается в тепловую*. Образующееся в зоне резания тепло порождает тепловые потоки, быстро распространяющиеся в струж­ку, заготовку, инструмент и окружающую среду. Тепло, образу­ющееся в зоне резания, слагается из таких* составляющих:

Qi— образующегося в результате упругопластических дефор­маций и разрушения при срезании стружки и формировании поверх­ностного слоя (рис. VI. 11);

Qii— образующегося от трения стружки о переднюю поверхность инструмента;

Qiii — образующегося от трения задних поверхностей инстру­мента о поверхность резания и обработанную поверхность заго­товки.

Тепловой баланс процесса резания выражается уравнением Qi + Qh + Qiii = Qi + q₂ + <7з + <74.

рде q_lt q_z, q_3> q±— количество тепла, уходящего соответствен­но в стружку, в заготовку, в ре­жущий инструмент и в окру­жающую среду.

Рис. VI.11. Схема распространения тепловых потоков в зоне резания

Значения членов уравнения и их соотношения не постоян­ны и изменяются в зависимости от физико-механических свойств обрабатываемого материала, ре­жима резания, геометрических параметров и материала инстру­мента, условий обработки и др.

Так, при обработке пластичных металлов со скоростью резания 50 и 200 м/мин Q, составляет соответственно 75 и 25 % от общего ко­личества теплоты резания.

По данным многих исследований, количество теплоты, уходя­щей в стружку, составляет 25...85 % всей выделившейся теплоты, в заготовку — 10...50, в режущий инструмент — 2...8 %. С увели­чением скорости резания отводимая стружкой теплота увеличивает- ся, а заготовкой и инструментом — уменьшается.

2. Нагрев режущих инструментов. Теплота, переходящая во время резания в инструмент, нагревает его. Температура нагрева инструмента может быть очень высокой, так как режущее лезвие постоянно находится в зоне наибольшего тепловыделения, а тепло­проводность инструментальных материалов сравнительно невели­ка. Температура зависит от сопротивления деформированию, теплопроводности и теплоемкости обрабатываемого материала и ма­териала режущего инструмента. Например, при обработке резанием жаропрочных и титановых сплавов, имеющих малую теплопровод­ность, температура в зоне резания, а следовательно, и температура рабочей части инструмента превышает в 2...3 раза температуру при обработке в тех же условиях углеродистых сталей.

С увеличением прочности и твердости обрабатываемого мате­риала возрастает затрачиваемая на резание работа, увеличивается количество выделенного тепла и повышается температура инстру­мента. В поверхностном слое инструмента, находящемся в контакте ■ со стружкой, температура может даже достичь точ­ки плавления обрабатываемого материала. Это уменьшает уси­лия резания; но снижает твердость и стойкость режущих инстру­ментов.

На температуру режущего инструмента из элементов режима резания сильнее всего влияет скорость, меньше — подача и еще меньше — глубина резания. Обработка должна производиться без перегрева режущего инструмента. В нормальных условиях, работы инструментом из углеродистой стали температура не должна пре­вышать 200...250 °С, из быстрорежущей стали — 550...600 °С; ин­струментом, оснащенным твердыми сплавами,— 800...1000°С, а ми- нералокерамикой — 1000... 1200 °С.

3. Влияние тепловых процессов при резании на качество обра­ботки. В связи с тем что нагрев инструмента во время обработки изменяет его геометрические размеры, возникают погрешности размеров и геометрической формы обработанных поверхностей, размеры заготовки изменяются и от нагрева самой заготовки, ко­торая при жестком закреплении на станке может также деформи­роваться. Таким образом, тепловые процессы при резании металлов могут вызвать снижение точности и нарушение правильности геомет­рической формы обработанных поверхностей.

При напряженных режимах резания нагрев поверхностного слоя обработанной металлической поверхности может быть таким, что в нем происходят фазовые превращения, существенно изменя­ющие его свойства.