Распределение теплоты. Уравнение теплового баланса

Образующаяся при резании теплота распространяется от то­чек с высшей температурой к менее нагретым точкам. Она главным образом выделяется вследствие работы, затраченной на пластическую деформацию, и уходит в основном со стружкой, частично оставаясь в инструменте.

Источники тепла располагаются в местах затрат на деформации и трения. Схема тепловых потоков при резании показана на рис. 3.1.

Теплота от трения по передней и задней поверхностям зуба инструмента идет соответственно в переднюю и заднюю его поверхности, в стружку и деталь. Незна­чительная ее часть уходит в окружающую среду. В основном она распространяется между стружкой, деталью и инструментом. Зная количество теплоты, выделяемой в процессе резания и распространяемой между стружкой, обрабатываемой деталью и инструментом, можно записать тепловой баланс при резании:

Q1+Q2+Q3=q1+q2+q3+q4, (3.4)

где Q1 – источник образования тепла, располагающийся в зоне деформации срезаемого слоя;

Q2 – источник образования тепла, располагающийся в зоне трения сходящей стружки по передней поверхности инструмента;

Q3 – источник образования тепла, располагающийся в зоне трения задних поверхности инструмента о поверхность детали;

q1 - тепловой поток в направлении стружки (наиболее мощный тепловой поток);

q2 - тепловой поток в направлении инструмента;

q3 - тепловой поток в направлении обработанной поверхности;

q4 - тепловой поток в направлении окружающей среды.

Количественное перераспределение тепла между потоками зависит от условий обработки. В стружку уходит от 40 до 90% всего выделившегося тепла, в инструмент - от 10 до 30%, в деталь до - 10%, в окружающую среду (при обработке без охлаждения) - до 5%.

При обработке пластичных материалов стружка у передней поверхности зуба инструмента нагревается больше, чем наружная ее сторона. Это является следствием работы трения стружки о переднюю поверхность инструмента. Неравномерность нагрева стружки по ее сечению относительно велика. Концентрация тепла в прирезцовых областях стружки и их высокотемпературный нагрев в условиях высоких давлений при резании является причиной того, что тонкие слои обрабатываемого металла приходят в состояние оплавления, образуя текущий слой. В прирезцовом слое максимальная температура возникает на расстоянии (0,4...0,5) l (l — длина контакта стружки с передней поверхностью зуба инструмента) .

Н еобходимо отметить, что температура резания в разных точках зоны резания различна по величине. Отдельные точки поверхностей инструмента и стружки имеют неодинаковую температуру. Кроме того, в каждой данной точке температура может изменяться с течением времени. Наиболее высокая температура наблюдается в центре давления стружки на резец и у режущего лезвия.

Рис.3.1. Схема теплового баланса в процессе резания

Температурные поля

Распределение температур во всех точках рассматриваемого участка металла в данный момент времени принято называть температурным полем (рис 3.2). Приводим его уравнение в общем виде:

 = f(х,у, z, t), (3.5)

где х, у, z — координаты исследуемой точки; t — время действия источника тепла.

Если процесс резания осуществляется с постоянным режимом, температура различных точек зоны резания растет лишь в первый момент, а затем температуру каждой точки можно считать приблизительно неизменной. Такой температурный режим называется стационарным и для него уравнение температурного поля будет

 = f(х,у, z), (3.6)

Решение задачи о температурном поле в зоне резания теоретическим путем на основе теории теплопередачи является очень сложным. Получаются чрезвычайно громоздкие и сложные уравнения, включающие коэффициенты, зависящие от физических свойств обрабатываемого и инструментального материалов, которые нам обычно неизвестны.

Считается, что все возникающее тепло остается в стружке, а в действительности часть его уходит в деталь. При достаточно больших скоростях резания этим можно пренебречь.

Таким образом, при решении задач в упрощенном виде можно для расчета температуры контактной поверхности стружки воспользоваться формулой (3.7):

=деф+ тпп+ зпп, (3.7)

где деф – температура, возникающая от теплоты в результате деформации срезаемого слоя;

тпп - температура, возникающая от теплоты в результате трения по передней поверхности;

тзп - температура, возникающая от теплоты в результате трения по задней поверхности.

Необходимость получения температурных полей обусловлена необходимостью анализа процессов, происходящих в рабочей части инструмента под воздействием температуры резания. Т.к. температура в различных точках инструмента различна, будет и различно состояние инструментального материала в этих точках, что в свою очередь определяет работоспособность инструмента, т.к. тепловое состояние режущей части инструмента является своеобразным индикатором, отражающим характер протекающего процесса резания.

Рис.3.2 Температурные поля в режущем клине при точении стали 40. а ) схема контактных площадок; б ) точение с “ малой “толщиной среза; в ) точение с “большой” толщиной среза; г ) распределение температуры по ширине контактных площадок.