7. Теплофизика процесса резания и ее связь с фундаментальными науками

При резании материалов возникающие на поверхностях инструментов температуры определяют работоспособность инструмента и ограничивают производительность обработки. Тепловые расчеты при резании в знач мере основываются на теории теплопроводности и, в частности, на теории движущихся источников тепла.

Передача тепла теплопроводностью описывается дифференциальным уравнением теплопроводности, вытекающим из закона сохранения кол-ва тепловой энергии и основного закона теплопроводности (закона Фурье).

Основными объектами рассмотрения при изучении тепловых процессов при резании металлов являются: кол-во выделяемой при резании теплоты и ее распределение м/у стружкой, деталью и инструментом; температура, имеющая место на контактных поверхностях РИ; температура поля в зоне деформации и режущем клине РИ. При резании металлов более 99,5% работы переходит в теплоту.

Кол-во теплоты можно описать выражением: Q = Qд + Qтп + Qтз, где Qд – теплота деформации, образующаяся на условной плоскости сдвига, Qтп – теплота трения, образующаяся на передней поверхности инструмента в пределах контакта м/у стружкой и РИ, Qтз – теплота трения на задней поверхности режущего инструмента в пределах площадки контакта м/у задней поверхностью и поверхностью резания.

Уравнение теплового баланса при резании имеет вид: Qд+ Qтп+ Qтз=Qс+ Qр+ Qи+ Qв,

где Qс – теплота, уходящая в стружку; Qр – теплота, уходящая в инструмент; Qи – теплота, уходящая в заготовку, Qв – теплота, уходящая во внешнюю среду.

Теплота при резании играет двойную роль. С одной стороны она облегчает процесс резания, т.к. определяет интенсивность протекания процесса разупрочнения обрабатываемого материала. С другой стороны – непрерывное тепловое воздействие на контактные площадки режущего инструмента приводят к их износу.

Кроме того, интенсивное тепловое воздействие на технологическую систему ведёт к температурным деформациям ее элементов, что может вызвать снижение точности обработки

К основным признакам, по к/ым классифицир источники теплоты, относятся: 1) расположение по отно­шению к телам, участвующим в процессе обработки; 2) форма; 3) закон распределения интенсивности; 4) скорость перемещения; 5) бремя функционирования; 6) стабильность основных характера стик источника во времени.

По расположению источ­ники теплоты можно разделить на внешние, действующие на по­верхностях тел, и внутренние, функционирующие в их массе. Источники, возникающие в зоне обработки, в принципе являются внутренними, так как и энергия деформации,- и энергия трения выделяются в некоторых объемах. Однако в своем большинстве толщина слоев, в которых выделяется теплота, настолько мала, что такие источники можно полагать внешними, действующими на поверхностях тел, участвующих в процессе обработки.

При теплофизическом ана­лизе реальные источники заменяют идеализированными, форма которых в той или иной степени приближена к фактической. Такие идеализированные источники могут быть трехмерными, двух­мерными, одномерными и точечными. В трехмерных (объемных) источниках теплота распределена по некоторому объему. Они мо­гут иметь форму параллелепипеда, цилиндра, сферы и других пространственных тел с разными законами распределения теплоты. Если размер объемного источника в направлении одной из осей координат настолько меньше размеров в других направлениях, что им можно пренебречь, то источник полагают двухмерным. В зависимости от вида поверхности, на которой расположен источ­ник, последний может быть плоским, цилиндрическим, сфериче­ским, коническим и т. д. В каждом из них теплота распределена по занимаемому им участку поверхности по тому или иному за­кону.

Одномерными (линейными) называют источники, один из раз­меров которых настолько превышает другие, что величиной по­следних можно пренебречь, полагая их равными нулю. Так обра­зуются источники в виде участка прямой линии, дуги окружности и т. д.

Если все размеры источника по отношению к размерам интересующей нас области твердого тела весьма малы, источник можно полагать точечным. Такой источник используется в каче­стве некоторой математической абстракции, с помощью которой часто конструируют методику описания процесса распространения теплоты источников более сложных форм.

Любой из упомянутых источников, за исключением точечного, мб неограниченным или ограниченным. Ограничение в за­висимости от вида и особенностей источника может быть по одной, двум или трем координатным осям, причем, естественно, ограниче­ний не может быть больше одного для одномерного, двух для двухмерного и трех для трехмерного источников: Так, одномер­ный источник может быть ограниченным, если он занимает отре­зок или часть окружности. Ограниченным в одном направ­лении является двухмерный источник, имеющий вид плоской бес­конечной полосы (полосовой источник).

Различают следующие методы определения температуры:

1. Калориметрический метод. Для определения средней темпера­туры стружки пользуются специальными калориметрами, в кото­рые попадает горячая стружка. Исходя из ее веса, веса воды, налитой в калориметр, и перепада температур воды до и после попадания стружки в калориметр находят температуру стружки.

2) Наблюдение за цветами побежалости. Этот метод является наиболее простым для определения температуры в зоне резания. Цвета побежалости появляются при высокой температуре на по верхности стружки в результате ее окисления. При этом светло-желтому цвету соответствует температура около 493 К, пурпурно­му — 543 и светло-синему — 593 К. Этот метод чрезвычайно при­митивен, субъективен и точных результатов дать не может.

2) Метод термокрасок. При использовании данного метода применяются специальные краски, которые при определенной температуре меняют свой цвет. С помощью данного метода можно определять температуру на рабочих поверхностях инструмента. Для конкретного режима резания (V, s и t) можно последовательно нанося на рабочие поверхности инструмента краски, изменяющие свой цвет при различных температурах, построить температурное поле (рис. 62).

3) Металлографический метод. Данный метод основан на изменении свойств инструментального материала (например, микротвердости) под воздействием температуры. Метод требует разрушения инструмента – инструмент разрезают по главной секущей плоскости, изготавливают щлифы и измеряют микротвердость. Далее по тарировочному графику определяют температуру.

4 ) Искусственная и полуискусственная термопары. Я. Г. Усачев в 1914 г. впервые произвел измерение температуры методом искусственной термопары (рис. 3.42, а). Для этого в резце снизу просверливается отверстие диаметром 1,5 мм, которое на 0,5 мм не доходит до передней поверхности резца. В отверстие вставляется термопара из изолированных медной и константановой проволок, возможно, меньшего диаметра (0,02... 0,05 мм). Под действием высокой температуры резания в термо­паре возникает термоэлектродвижущая сила, регистрируемая мил­ливольтметром или гальванометром.

Другой метод - в резце сверлится канал диаметром 1 мм, который около задней поверхности перехо­дит в отверстие диаметром 0,4 мм. В это отверстие затягивается константановая проволочка, изолированная от широкой части ка­нала стеклянной трубочкой. Конец проволочки на задней поверх­ности расклепывается. Элементами термопары являются прово­лочка и резец. Такая термопара называется полуискусственной (рис. 3.42, б).

5) Метод естественной термопары (рис. 3.42, в), хотя он позволяет определить усредненную темпера­туру в зоне резания вдоль режущего лезвия. Элементами такой термопары являются разнородные металлы резца 2 и детали 1. Разность между температурой контакта резец — деталь в процессе резания и холодными концами резца и детали приводит к возник­новению термоэлектродвижущей силы. Если замкнуть электриче­скую цепь между резцом и деталью посредством медного кольца 3 и ртутной ванночки 4. включенный в цепь регистрирующий при­бор 5 покажет величину термоэлектродвижущей силы.

6) Метод двух резцов. позволяет не тарировать милливольтметр при обработке различных материалов. Он при­меняется для относительного сравнения температур при обработке различных материалов. Резание заготовки 1 (рис. 3.42, г) произво­дится одновременно двумя резцами 2 из различных инструмен­тальных материалов, например из быстрорежущей стали и твер­дого сплава. Геометрия заточки резцов и режимы резания совер­шенно одинаковы.

7) Метод микроструктурного анализа. Данный метод разработан А. П. Гуляевым и Б. И. Костецким и основан на определении остаточных изменений микроструктуры и твердости материала ре­жущей части инструмента, возникающих вследствие тепловых явлений, происходящих при резании. Для того чтобы судить о тем­пературе резания, предварительно следует знать, какие микро­структуры, фазовые состояния и твердость соответствуют различ­ным температурам. Недостатком метода является его большая трудоемкость и невозможность определения низких температур.

8) Оптический метод. Этот метод основан на принципе собирания лучеиспускаемой теплоты пирометром.

Теплота распространяется из очагов теплообразования к более холодным областям м/у стружкой, деталью и инструментом. М/у ними устанавливаются тепловые потоки. Поскольку образовавшаяся теплота пропорциональна совершаемой работе, ее кол-во зависит от физико-механических свойств материала детали, геометрических параметров инструмента и режима резания. Я.Г. Усачев установил, что наиб кол-во теплоты переходит в стружку, составляя при обработке стали от 60 до 85 % от общего кол-ва теплоты, в инструмент – 10-50%, заготовку – 2-8%, в окр среду – 2-8%. С увеличением v резания доля теплоты, уходящей в стружку, увеличивается, а ее средняя температура растет. При постоянной v резания распределение теплоты зависит главным образом от работы, расходуемой на резание, и теплопроводности обраб материала. Кол-во теплоты, уходящей в РИ намного меньше теплоты, уходящей в стружку и деталь при любых режимах резания. Основная причина этого – меньшая теплопроводность материала РИ, также это связано с видом стружки (при образовании элементной стружки отсутствует постоянный контакт м/у стружкой и передней поверхностью РИ. Распределение теплоты м/у стружкой, деталью и инструментом изменяется с увелич v: теплота, уходящая в стружку – возрастает, а уходящая в деталь и РИ - уменьшается. Это вызвано изменением соотношения м/у v резания и v распространения теплоты из зоны деформации. Из очага теплообразования ну условной плоскости сдвига в деталь течет тепловой поток. Если v резания, т.е. v, с которой режущий клин РИ пересекает тепловой поток, мала, то теплота от условной плоскости сдвига беспрепятственно перейдет в деталь. По мере увелич v резания клин РИ все быстрее пересекает тепловой поток, и поэтому в деталь успевает перейти меньшее кол-во теплоты и все большее кол-во остается в стружке.

На теплосодержание стружки и ее ср температуру оказывают влияние параметры режима резания. При увелич t удельное кол-во теплоты в стружке уменьшается, а при увелич s практически остается постоянным, при увелич v – возрастает.

Т емпература передней поверхности реж лезвия является результатом действия двух быстродвижущихся источников тепла. Первый равномерно распределен в зоне стружкообразования (в условной плоскости сдвига), второй расположен на поверхности контакта инструмента со стружкой. При теплофиз подходе считают, что законы распределения удельных мощностей этих источников в зоне стружкообразования и на поверхности контакта стружки с инструментом известны и не зависят от температуры. Одна из проблем заключалась в разделении мощностей источников тепла на составляющие. Первый источник тепла необходимо было разделить на 2 потока: поступающий в стружку и в заготовку. Действие этого источника приводит к равномерному повышению температуры стружки. Второй источник тепла также должен быть разделен на 2 потока: в стружку и в инструмент. Температурное поле в стружке может быть рассчитано методом быстродвижущихся источников тепла. Температурное поле в инструменте не может быть сведено к одномерному нестационарному процессу распространения тепла в стержне и требует применения сложных расчетов. Однако необходимость в этом возникает крайне редко.

Температура задней поверхности режущего лезвия является результатом действия трех источников тепла: зоны стружкообразования, наклоненной к линии среза под углом , застойной пластической области, соприкасающейся с линией среза на участке h1, и фаски износа h3. Влияние первого источника тепла несущественно, а учет влияния источника тепла, расположенного на участках застойной пластической области, имеет принципиальное значение. При отсутствии упрочняющей фаски на передней поверхности РИ закон распределения плотностей тепловых потоков может быть представлен в виде двух равномерно распределенных источников тепла: плотностью q0 на участке (0, h1) и плотностью q3 на участке (h1, h3), действующих на поверхности движущейся со скоростью v заготовки. Влияние застойной зоны выражается в том, что из-за разности плотностей тепловых потоков на участках застойной зоны и фаски износа температура достигает максимума непосредственно на режущей кромке. При средних и толстых срезах именно это значения этой макс температуры определяют допустимую скорость резания. По мере износа инструмента температура уменьшается, достигает точки минимума, а затем снова увеличивается. Если не учитывать влияние застойной зоны, то различным значениям толщины срезаемого слоя должны были бы соответствовать одинаковые температуры задней поверхности