2. Тепловые процессы при резании материалов

2.1. Источники тепла при резании

При резании тепло образуется в трёх источниках: в плоскости сдвига ОА, на передней поверхности инструмента OC и на задней поверхности Oh, рис. 2.1

Рис. 2.1. Источники тепла при резании: 1- резец, 2 –заготовка, 3- стружка

2.2. Расчёт мощностей источников тепла при резании

В процессе резания тепло образуется в трёх источниках − в площади сдвига, на передней поверхности и на задней поверхности резца, рис.2.2.

Рис. 2.2. Схема расчёта мощностей источников тепла

М

Рис. 2.2 К расчёту мощностей источников тепла

ощность источника тепла в плоскости сдвига может быть рассчитана по формуле

. (2.1)

где − среднее касательное напряжение в плоскости сдвига;

− относительный сдвиг.

Удельная работа эквивалентная количеству тепла, выделившемуся в единице объёма, прошедшего через плоскость сдвига будет равна

(2.2)

Мощность источника тепла в зоне контакта резца со стружкой равна

, (2.3)

где q_F − среднее касательное напряжение на передней поверхности,

c − длина контакта стружки с резцом.

Удельная мощность источника тепла на единице площади контакта стружки с резцом будет равна

(2.4)

Мощность источника тепла в зоне трения резца и обрабатываемой поверхности детали будет

_, (2.5)

и удельная мощность

. (2.6)

Сравнение удельных мощностей q и q₁ говорит о том, что на задней поверхности резца удельная мощность источника тепла, как правило, выше, чем на передней. Разница между q и q_{1 т} тем больше, чем больше усадка стружки.

Общая мощность всех трёх источников тепла может быть вычислена по силе P_z и скорости резания

(2.7)

Значения удельных и абсолютных мощностей источников тепла при резании очень велики. Достаточно сказать, что мощность резания измеряется, как правило, киловаттами и даже десятками киловатт. И практически вся работа резания переходит в тепло. Удельные мощности при резании вполне сравнимы с удельными мощностями источников тепла при сварке. Знание величин источников тепла в плоскости сдвига и на поверхности контакта резца со стружкой и изделием необходимо для расчёта температуры резания.

2.3. Особенности распространения тепла при резании металлов

Тепло, выделяющееся в процессе резания в плоскости сдвига и на поверхностях трения резца со стружкой и изделием, поступает в стружку, деталь и резец, рис. 2.3.

Тепловой поток Ф_1, уходит в стружку и деталь

Ф₁= Ф_1с+Ф_1д (2.8)

Поток Ф₂ распределяется между стружкой и резцом.

Ф₂=Ф_2с+Ф_2р (2.9)

Рис.2.3. Схема распространения теплового потока при резании металлов

а поток Ф₃ −между деталью и резцом

Ф₃=Ф_3д+Ф_3р. (2.10)

Через первый источник тепла, расположенный в плоскости сдвига, проходит весь объём металла, переходящего в стружку. Вследствие этого тепло Ф₁ распределяется равномерно по всему объёму стружки и только часть этого потока Ф_1д уходит в деталь. В связи с тем, что тепловой источник наклонен к линии среза под углом в изделие попадает лишь наибольшая часть потока Ф₁, особенно при больших скоростях резания. Таким образом, почти все тепло из зоны деформации поступает в стружку, равномерно прогревая её по всему объёму. Второй и третий источники тепла расположены касательно к движущейся стружке и детали. Поэтому, несмотря на меньшие мощности этих источников, повышение температуры контактных поверхностей от трения резца со стружкой и изделием может быть большим, чем от деформации в плоскости сдвига.

Важнейшая особенность процесса распространения тепла при резании связана с тем, что деталь и стружка движутся с большими скоростями относительно источников тепла, тогда как резец неподвижен относительно этих источников.

Время, в течение которого частица стружки проходит вдоль передней поверхности резца, измеряется тысячными долями секунды. При столь малых значениях времени нагрева распределение температуры стружки по нормали к источнику тепла будет крайне неравномерным, градиент температуры стружки на поверхности её контакта с резцом будет очень большим.

Градиент температуры стружки будет тем больше, чем выше скорость резания и чем меньше связанное с этой скоростью время нагрева элемента стружки.

Время нагрева резца, как правило, в тысячи и десятки тысяч раз превышает время нагрева частиц стружки. Поэтому распределение температуры в резце будет более равномерным, чем в стружке. Градиент температуры резца на поверхности его контакта со стружкой будет значительно меньше градиента температуры стружки.

Согласно закону Фурье тепловой поток пропорционален градиенту температуры (2.11).

. (2.11)

В связи с этим потоки тепла Ф_1с и Ф_2с в стружку и Ф_1д,, Ф_3д в деталь будут много больше, чем потоки тепла Ф_2р, Ф_3р в резец. В результате такой особенности температура контактных поверхностей резца определяется процессом распространения тепла в стружке и изделии и очень слабо зависит от распространения тепла в резце. Деталь и стружка являются мощными стоками тепла и с увеличением скорости резания теплоотвод в деталь и стружку улучшается. Поэтому при больших скоростях в стружку уходит 75-80% всего тепла, образующегося в процессе резания, то есть практически все тепло от плоскости сдвига и передней поверхности резца, в деталь около 20% − все тепло от зоны трения задней поверхности резца с деталью, в резец же поступает лишь несколько процентов, а зачастую даже доли процента теплового потока, эквивалентного мощности резания.

С уменьшением скорости резания и теплофизических характеристик обрабатываемого материала доля тепла, отводящегося резцом, увеличивается (так как уменьшается разница между градиентами температуры стружки и резца, детали и резца). Отвод тепла из зоны резания через инструмент может быть ещё более увеличен с помощью охлаждения режущего инструмента.

Увеличение теплоотвода через инструмент охлаждением инструмента является одним из способов уменьшения температуры резания. Применение охлаждения инструмента оказывается эффективным лишь в тех случаях, когда доля тепла, отводящегося инструментом, достаточно велика (при малых скоростях резания, малой температуропроводности обрабатываемого или высокой температуропроводности инструментального материала).

С увеличением скорости резания эффективность охлаждения инструмента падает. Поверхностное охлаждение детали или стружки (например, с помощью охлаждающей жидкости) вообще не оказывает никакого влияния на температуру контактных поверхностей резца со стружкой и изделием.