4.4. Влияние геометрических параметров режущего инструмента на составляющие усилий резания.

Изучение влияния угла резания δ на величину сил резания показало, что все составляющие силы P_z, P_y, P_x возрастают с увеличением δ; при этом силы P_y и P_x растут быстрее силы P_z (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Влияние угла резания δ на силы P_z, P_y, P_x при точении стали 45 с σ_в =60 кг/мм², ν=17 м/мин

Влияние заднего угла α на величину сил резания незначительно. Например при обработке стали 45 увеличение α с 12⁰ до 18⁰ уменьшает силы резания на 6-17 %.

Влияние главного угла в плане φ. На рисунке 4.6 показана зависимость P_z от φ при обработке стали.

Рис. 4.6. Влияние главного угла в плане φ на силу P_z:

1 - при свободном резании, V=44м/мин ; 2 – при r=0, V=40 м/мин; 3 – при r=2, V=40 м/мин

Изменение угла наклона главной режущей кромки λ от -5⁰ до +5⁰ практически не влияет на силы резания; при увеличении угла λ до +45⁰ сопровождается существенным ростом сил (рис. 4.7).

Рис. 4.7. Влияние угла наклона главной режущей кромки  на силы P_z, P_y, P_x при точении стали 45 с σ_в =60 кг/мм², ν=17 м/мин

4.5. Тепловые явления при механической обработке

Экспериментально установлено, что почти вся работа резания (80 - 99,5%) переходит в тепло, поэтому первое представление о количестве тепла, выделяющегося при механической обработке, можно получить, анализируя зоны деформаций, силы резания и распределения нагрузок в узлах технологической системы.

В общем случае, работа резания А определяется как:

(4.13)

где: А_упр + А_пл = А_деф - работа деформирования срезаемого слоя, затрачиваемая на процессы упругой и пластической деформации; А_разр - работа разрушения, которая расходуется на сдвиговые процессы в срезаемом слое и формирование микрорельефа обработанной поверхности; А_стр - работа, затрачиваемая на структурные превращения в материалах стружки и детали, обусловленные действием высоких температур и силами нормального давления; А_тр - работа, обусловленная действием сил внешнего трения; А_тр - работа, затрачиваемая на диссипацию (рассеяние) энергии в объемах материалов стружки, заготовки и инструмента.

Принято считать, что А_упр, А_стр, А_разр и А_тр незначительны по величине, поэтому ими можно пренебрегать в практических расчетах. Однако, упрощение недопустимо при анализе природы явлений износа режущего инструмента, упрочнения (и разупрочнения) материалов стружки и изделия.

Для практических расчетов уравнение (4.13) записывают в виде:

(4.14)

или суммы составляющих работы сил, направленных по осям координат X, Y, Z которые используются в расчетах технологических составляющих усилия резания:

(4.15)

В связи с тем, что А_y близка к нулю (из-за малости перемещений резца в радиальном направлении), А_x << А_z, (вследствие того, что скорость подачи значительно меньше скорости главного движения), можно считать, что А  А_z.

Работа пластических деформаций значительна при резании мягких сталей за счет величины деформаций. При резании твердых сталей она также значительна, но за счет главным образом больших сил резания. При резании хрупких металлов, пластические деформации малы. Стали с аустенитной структурой (жаропрочные стали) требуют значительных сил резания и обладают одновременно высокой вязкостью. При резании этих сталей работа пластических деформаций и работа трения особенно велики.

Работа сдвига относительно невелика, однако для твердых и хрупких металлов она значительно больше, чем для мягких.

Работа сил трения может быть значительна, особенно при резании мягких и вязких сталей грубо заточенными резцами. Она возрастает также с температурой резания.

Процентное соотношение между работой пластических и упругих деформаций, работой сдвига и работой трения показано в табл. 4.3.

Таблица 4.3

Соотношение между составляющими работы резания

для стали и чугуна

Составляющие работы резания	Материал
	сталь	чугун
Работа пластических деформаций	60-85	40-65
Работа сдвига	10-25	25-45
Работа трения	10-15	10-15

Из приведенных цифр видно, что работа пластических деформаций при обработке стали в 1,5 раза больше, чем у чугуна, работа же срезания, наоборот, почти в 2 раза больше у чугуна, чем у стали.

При резании стали, работа пластических деформаций составляет в среднем 75%, при резании чугуна - около 50% всей работы. Работа резания у чугуна при стружках значительного сечения достигает почти 50% всей работы, тогда как у стали она составляет всего лишь 25%.

Таким образом, при постоянных условиях внешнего нагружения, решающее влияние на величины составляющих работы резания, а, следовательно, и на соотношение тепловых потоков оказывают структурное состояние и свойства обрабатываемого материала.

На основании изложенного можно записать уравнение для расчета общего количества тепла Q_o, выделяющегося в процессе механической обработки:

, (4.16)

где: P_z – тангенциальная составляющая усилия резания; E = 427 кгм/ккал – механический эквивалент теплоты;  = 0,85  0,95 – коэффициент, учитывающий потери на скрытую теплоту деформации; n – учитываемые в расчетах источники тепла.

Распределение потоков тепла (рис. 4.8), выделяющегося при резании, определяется уравнением теплового баланса технологической системы:

(4.17)

В уравнении (4.17) обозначены источники возникновения тепла:

Qдеф = Qупр + Qпл - тепло, выделяющееся за счет процессов упругого и пластического деформирования; Qтр = Qтр + Qтр - тепло, обусловленное действием сил внешнего и внутреннего трения; Qразр - тепло, выделяющееся в результате процессов разрушения в объеме срезаемого слоя и на поверхностях контакта стружки и изделия с инструментом.

Рисунок 4.17 Схема распределения потоков тепла в технологической системе

Правая часть уравнения (4.17) характеризует направление тепловых потоков в зоне резания: Тепловые потоки из очагов теплообразования (передней и задних поверхностей инструмента, условной плоскости сдвига) распространяются в менее нагретые области и распределяются между узлами технологической системы. При этом тепловые потоки Q₁ и Q₃ нагревают стружку - Q_стр = Q₁ + Q₃;

Тепловые потоки Q₂ и Q₅ нагревают инструмент - Q_инстр = Q₂ + Q₅;

А часть тепла, выделяющегося в зоне сдвиговых процессов (Q₄) и на главной задней поверхности инструмента (Q₆), расходуется на повышение температуры срезаемого слоя и изделия.

Распределение тепла в узлах технологической системы зависит от теплофизических свойств контактирующих материалов и условий резания В зоне обработки тепло распределяется очень неравномерно (табл. 4.4).

Таблица 4.4.

Распределение тепла в системе: стружка, резец, заготовка

Скорость резания в м/мин	Количество тепла в %, (приближенно) при обработке стали 40Х
	В стружке	В заготовке	В резце	Уходит в станок
20-50	45	50	2,5	1-2,5
100-350	75	25	1,5	1-1,5

Из таблицы видно, что количество тепла, переходящее в стружку, с увеличением скорости резко возрастает ( 75%). В заготовку же и, особенно в резец уходит все меньшее и меньшее количество тепла. Это подтверждает, что скорость образования тепла значительно больше скорости ее отвода.

Большое количество тепла, поглощаемое стружкой, объясняется тем, что, кроме тепла, возникающего вследствие его деформации, в стружку направляется часть тепла от контактной поверхности стружки и резца. Количество тепла, передаваемое в резец (1 - 2%) в минуту, мало, вследствие малой теплопроводности режущих сплавов, особенно твердых сплавов.

При обработке жаропрочных сталей с меньшей теплопроводностью, чем режущий сплав, поток тепла может получить обратное направление (в резец), что вызывает высокую температуру в резце.

Многочисленными исследованиями установлено:

1. Количество тепла, переходящее в резец, мало и уменьшается с увеличением: скорости; глубины резания и подачи.

2. При обработке сталей с низкой теплопроводностью и при работе менее теплопроводными режущими сплавами тепло концентрируется около зоны его возникновения.

3. Несмотря на то, что в резец идет меньшее количество тепла, температура на его контактной поверхности может быть значительно выше средней температуры стружки.

При резании металлов наблюдаются три главных зоны возникновения деформаций и три соответствующих поля температур:

а) у передней поверхности резца в контакте ее со стружкой;

б) на задней поверхности резца в контакте с обработанной поверхностью;

в) в плоскости сдвига.

Первая зона высокой температуры наблюдается в заторможенном силами трения слое стружки, прилегающем к передней поверхности резца, - там, где происходит смятие металла, внутреннее трение между структурными составляющими заторможенного слоя и трение надрезцовых слоев стружки о переднюю поверхность резца. По передней поверхности резца тепло распределяется неравномерно: наибольшее сосредоточение деформаций и тепла соответствует области наибольших давлений.

Вторая зона концентрации тепла образуется на задней поверхности резца.

Третья зона концентрации тепла наблюдается в плоскостях сдвига.

В стружке, как в продольном сечении, так и в поперечном, вследствие неравномерности распределения деформаций, имеются поле неравномерного образования тепла и поле неравномерного распределения температур.