7.3. Конвекция и тепловое излучение

Конвекция достаточно часто встречается в технологических станочных системах при контакте поверхности твердого тела с жидкостью или газом. Это происходит, например, при использовании смазочно-охлаждающих веществ, в гидро- и пневмосистемах станков и т. д.

Интенсивность конвективного теплообмена между твердым телом и жидкой (газообразной) средой характеризуется коэффициентом теплоотдачи

который определяется по формуле Ньютона:

Согласно этому закону, тепловой поток

пропорционален площади поверхности теплообмена

и разности температур твердого тела и среды

Коэффициент теплоотдачи (Bт/м²с) можно определить как количество теплоты, отдаваемое в единицу времени единицей поверхности при разности температур между поверхностью и жидкостью, равной одному градусу.

В общем случае коэффициент теплоотдачи может изменяться вдоль поверхности теплообмена, и поэтому различают средний (по поверхности) коэффициент теплоотдачи и местный (локальный) коэффициент теплоотдачи, соответствующий единичному элементу поверхности.

Процессы теплоотдачи тесно связаны с условиями движения среды ‑ ламинарным или турбулентным режимами, а также ее кинематической вязкостью, скоростью движения, теплофизическими свойствами и др. В связи с этим аналитическое описание конвективного теплообмена чрезвычайно затруднено, и определение коэффициента теплоотдачи производится главным образом экспериментальным путем.

Тепловое излучение является результатом сложных внутриатомных процессов. Излучение свойственно твердым и жидким телам, а также трех- и многоатомным газам. Носителем лучистой энергии является поток фотонов. Он может распространяться в газообразной среде, в вакууме и в некоторых твердых телах.

Энергия, излучаемая телом в пространство, при попадании на другие тела в общем случае частично поглощается, частично отражается, а часть ее проходит сквозь тела. Лучистая энергия, поглощаемая телом, преобразуется в теплоту. Энергия, отраженная от окружающих тел, и собственное их излучение при попадании на любое тело также частично им поглощаются.

Количество теплоты, излучаемой единицей поверхности тела в единицу времени (Bт/м²), определяется законом Стефана-Больцмана:

где

‑ коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела, равный 5,7х10^-4 Вт/(м²К⁴);

‑ абсолютная температура поверхности тела, К;

‑ степень черноты тела (для стальных и чугунных деталей она равна 0,4 ...0,7, а для алюминиевых ‑ 0,06 ... 0,2).

Все тела непрерывно излучают энергию и одновременно поглощают излучение других тел при условии, что лучи попадают на их поверхность. Поэтому при наличии вблизи исследуемого тела других тел следует учитывать также излучаемую ими энергию. Таким образом, количество теплоты, отдаваемой телом в результате лучистого теплообмена, равно разности между количеством излучаемой и поглощаемой энергии.

7.4. Баланс теплоты при резании материалов. Законы распределения температур

Выделение теплоты при снятии стружки объясняется тем, что в теплоту преобразуется механическая работа, затраченная на срезание стружки:

где

‑ работа, затрачиваемая на упругую и пластическую деформации срезаемого слоя;

‑ работа, затрачиваемая на преодоление сил трения на передней поверхности;

‑ работа, затрачиваемая на преодоление сил трения на задней поверхности;

Практически в теплоту переходит вся работа резания (больше, чем 99,5%). При резании наблюдается сложное переплетение тепловых потоков, поскольку теплота от каждого из трех основных источников распределяется всем телам, участвующим в резании. Введя понятие итоговых тепловых потоков, проходящих через контактные площадки, схему движения тепловых потоков представляют следующим образом.

Зная количество теплоты, выделяемой в процессе резания и распространяемой между стружкой, обрабатываемой деталью, инструментом и средой, можно записать уравнение баланса тепловой и механической энергии при резании:

где

‑ количества теплоты, переходящие соответственно в стружку, инструмент, деталь и окружающую cpеду.

Зная величину и направление итоговых тепловых потоков, можно расчетным путем найти законы распределения температур на контактных площадках. Различные места стружки нагреваются 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. 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.

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

Воздействие высокой температуры в зоне резания на обрабатываемый материал ограничивается его тончайшими слоями соприкасающимися с рабочими поверхностями инструмента, и проявляется в изменении условий трения, контактных нагрузок, напряжений, характера изнашивания и т. д.