Министерство образования и науки Российской Федерации

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Кафедра «Инновационные технологии машиностроения»

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ РЕЗАНИЯ

Методические указания

к практическому занятию

по дисциплине «Технология машиностроения»

для специальности 060800

«Экономика и управление на предприятии»

Пермь, 2014 г.

Методические указания составил: кандидат технических наук, доцент Песин М.В.

Методические указания рассмотрены и утверждены на заседании кафедры «Инновационные технологии машиностроения»

«____»___________________ 2014 г.

Заведующий кафедрой

«Технология машиностроения»

доктор технических наук, профессор В.В. Карманов

Цель работы: изучить методику измерения температуры резания естественной термопарой, исследовать влияние элементов режима резания и геометрических параметров резца при точении на температуру резания.

Порядок выполнения работы

1. Согласно варианту задания выбрать контрольные вопросы.

2. Дать обоснованный ответ на вопросы.

3. Заполнить титульный лист см. форму отчета.

Теоретический раздел

1. Краткие сведения о тепловых явлениях в процессе резания

При резании металлов в зоне отделения стружки выделяется значительное количество теплоты. Тепловое состояние системы резец- стружка-деталь оказывает существенное влияние на изнашивание инструмента, на качество обработанной поверхности, на процесс трения и т.д. Изучение условий теплообразования и теплоотвода в зависимости от различных параметров процесса резания имеет большое практическое значение и позволяет:

• управлять теплонапряженностью процесса резания металла;

• выбирать материал режущей части инструмента;

• рекомендовать рациональные геометрические параметры режущего инструмента;

• задавать параметры режима резания.

1.1. Источники образования тепла и распределение его между стружкой, инструментом, деталью и окружающей средой

Многочисленными опытами установлено, что при резании конструкционных материалов более 99% работы резания переходит в тепло. Количество тепла, выделяемого в процессе резания (Q , Дж/с), можно определить через работу резания А_рез в единицу времени – мощность резания N_рез и механический эквивалент теплоты Е :

, (1)

или

, (2)

где Рz – главная составляющая силы резания, Н;

v – скорость резания, м/с.

Это количество тепла складывается из трех источников:

, (3)

Расположение источников тепла представлено на рис. 1. Тепло деформации Q_д образуется в зоне сдвигов по плоскости сдвигов; тепло трения Q_тп на передней поверхности – в пределах площадки контакта между стружкой и инструментом шириной С₁; тепло трения Q_тз на задней поверхности – в пределах площадки контакта между поверхностью резания и инструментом (шириной С₂).

Рис.1. Источники образования тепла в зоне резания

Образовавшееся тепло распространяется из очагов его образования к более холодным местам, распределяясь между стружкой Q_с , резцом Q_и , деталью Q_дет и окружающей средой Q_ос. При этом имеет место равенство – уравнением теплового баланса:

. (4)

На процентное распределение тепла в правой части равенства (4) главное влияние оказывают механические и теплофизические свойства обрабатываемой детали и скорость резания. Наибольшие значения этого распределения таковы:

Q_с = до 85%, Q_и = до 40%, Q_дет = до 9%, Q_ос = до 1%.

Таким образом, последним слагаемым правой части равенства (4) можно пренебречь.

На рис. 2 в качестве примера представлено распределение тепла между стружкой, резцом и деталью пря точении стали 40Х резцом из твердого сплава с глубиной резаная 1,5 мм и подачей 0,12 мм/об. При увеличении скорости резания процентное количество тепла, уходящего в стружку, возрастает, а в деталь и инструмент – уменьшается. Это уменьшение вызвано изменением соотношения между скоростью резания и скоростью распространения тепла в зоне деформации.

Рис. 2. Распределение тепла между стружкой, резцом и деталью при точении

В детали, стружке и режущем инструменте теплота распределяется неравномерно. Это вызывает неравномерную температуру их нагрева. Температура прирезцовых слоев стружки выше, чем наружных слоев. Это объясняется неравномерностью пластических деформаций металла по толщине стружки, а также тепловыделением, вызываемым дополнительной деформацией прирезцовых слоев стружки при движении ее по передней поверхности режущего инструмента. Наивысшая температура режущего инструмента возникает в граничных слоях площадок контакта его со стружкой и обрабатываемой деталью.

Обрабатываемая деталь нагревается меньше, чем инструмент или стружка, так как она имеет большую теплопроводность и теплоотдачу.

Наиболее полное и точное представление о температурном состоянии режущего инструмента, стружки и детали дает температурное поле. Обычно оно строится в виде изотерм и характеризует распределение температур во всех точках рассматриваемого режущего инструмента, стружки или заготовки при установившемся резании. На рис. 3 представлено температурное поле по данным А.Н. Резникова.

а

N-N

б

Рис. 3. Температурное поле при обработке стали ШX15 резцом с пластинкой твердого сплава Т14К8

Характер распределения температур в стружке и прирезцовых слоях заготовки соответствует характеру изменения пластических деформаций: температура тем выше, чем больше деформаций.

Наивысшая температура на передней поверхности резца в данном случае равна 900°С и сосредоточена в центре давления стружки на резец. По мере удаления от центра давления температура нагрева передней поверхности снижается.

На задней поверхности резца наивысшая температура составляет 250…300°С непосредственно у режущей кромки. Меньший нагрев задней поверхности объясняется тем, что она соприкасается с поверхностью резания заготовки, которая претерпевает значительно меньшие пластические деформации, чем стружка.

При повышении температуры твердость режущего инструмента уменьшается, и он становится менее износостойким. На интенсивность износа инструмента оказывает влияние не столько общее количество теплоты, поступающей в режущий инструмент, и средняя температура нагрева в его режущей части, сколько та наибольшая температуре, которая возникает в тонких поверхностных слоях, подвергающихся износу. Поэтому под термином «температура резания» подразумевают наибольшую температуру нагрева тонких поверхностных слоев режущего инструмента в местах контакта инструмента со стружкой или заготовкой.