4.5. Силы, действующие на режущую часть инструмента.

На переднюю поверхность инструмента со стороны срезаемого слоя действует нормальная к ней сила N_п (рис. 4.7). При перемещении стружки по передней поверхности возникает сила трения, действующая в направлении схода стружки

,

где - средний коэффициент трения на передней поверхности.

Сила, действующая на переднюю поверхность инструмента,

На контактную площадку задней поверхности со стороны поверхности резания действует сала N₃ упругого последействия, нормальная к поверхности резания. Сила N₃ возникает в результате другого восстановления поверхности резания после перемещения по ней главной режущей кромки. Сила N₃ вызывает при движении инструмента относительно заготовки силу трения

,

где - средний коэффициент трения на задней поверхности.

Рис. 4.7. Силы, действующие на передней и задней поверхностях инструмента.

Направление силы противоположно направлению траектории движения данной точки режущей кромки инструмента относительно заготовки, т.е. противоположно вектору скорости резания.

Сила, действующая на заднюю поверхность,

.

Физическая природа сил и обусловливает их отличие от сил, действующих на передней поверхности инструмента.

Во-первых, при толщинах срезаемого слоя, больших 0,1 мм, величина сил и во много раз меньше, чем сил и . Во-вторых, толщина срезаемого слоя и углы и , от которых зависит величина сил, действующих на передней поверхности, практически не влияют на силы и . Основное влияние на величину этих сил оказывают упругие свойства обрабатываемого материала и ширина срезаемого слоя. Чем выше предел упругости обрабатываемого мате-

риала и больше ширина срезаемого слоя, тем больше силы и .

Геометрическую сумму сил

называют силой резания.

При прямоугольном резании, т.е. при , все составляющие сил располагаются в плоскости, нормальной к режущей кромке. Поэтому и суммарная сила резания будет располагаться в этой плоскости. При косоугольном резании, т.е. , силы трения и не будут лежать в нормальной плоскости. Поэтому и суммарная сила резания будет отклоняться от этой плоскости.

На практике предпочитают использовать не саму силу резания, а три ее составляющие Р_z , Р_y и Р_x , являющиеся проекциями силы Р на координатные оси х, y, z.. Тогда при изменении геометрических параметров инструмента и режима резаная изменяются только величины сил Р_z , Р_y и Р_x, а положение их в пространстве будет оставаться постоянным.

5. Источники образования тепла при резании.

Для осуществления процесса резания необходима затрата механической энергии Е на деформацию срезаемого слоя , преодоление сил трения по передней поверхности и преодоление сил трения по задней поверхности

.

Механическая энергия затраченная при резании, превращается в тепловую энергию.

Количество тепла, образующееся при резании, можно определить с помощью выражения

. (4.1)

Расположение источников тепла представлено на схеме (рис. 4.8).

Тепло деформации образуется в зоне сдвигов на условной плоскости сдвига, тепло трения на передней поверхности - в пределах площадки контакта между стружкой и инструментом шириной С; тепло трения Q₃ на задней поверхности - в пределах площадки контакта между поверхностью резания и инструментом шириной С₃.

Образующееся тепло распространяется из очагов теплообразования к более холодным областям, распределяясь между стружкой, деталью и инструментом (см. рис. 4.8).

Рис. 4.8. Источники образования и направления потоков тепла в зоне резания.

Расход образовавшегося при резании тепла может быть предоставлен выражением

(4.2)

где Q_c – количество тепла, уходящее в стружу;

Q_дет - количество тепла, уходящее в деталь;

Q_u – количество тепла, уходящее в инструмент;

Q_cр - количество тепла, уходящее в окружающую среду.

Выражение (4.l) и (4.2) в совокупности описывают тепловой баланс при резании материалов.

Тепло, уходящее в деталь и инструмент, приводит к их нагреву, изменению их размеров и снижению точности обработки. Высокая температура нагрева может приводить к структурным изменениям материала детали и особенно инструмента. Потери режущей способности инструмента из-за высокой температуры нагрева является основным фактором, ограничивающим производительность процесса обработки резанием.

Поскольку образовавшееся тепло пропорционально совершаемой работе, количество тепла зависит от рода и механических свойств материала обрабатываемой детали, геометрических параметров инструмента и режима резания.

На процентное распределение тепла межу стружкой, деталью и инструментом главное влияние оказывают механические и теплофизические свойства материала детали и скорость резания.

При обработке стали наибольшее количество тепла переходит в стружку, а наименьшее в инструмент. Рассеивается в окружающую среду незначительное количество, около 0,01Q. С увеличением скорости резания доля тепла, уходящая в стружку, увеличивается, а в деталь и инструмент уменьшается. Например, при резании стали со скоростью V = 15…30 м/мин

Q_с = (0,6 ... 0,8) Q,

Q_u = (0,05 ... 0,03)Q.

При скоростном резании со скоростью V = 300…500 м/мин

Q_с = (0,9... 0,95) Q,

Q_u ≈ 0,01 Q.

Остальное количество тепла (не считая рассеивания в окружающую среду) переходит в деталь.

Уменьшение доли тепла, переходящего в деталь, при увеличении скорости резания, вызвано изменением соотношения между скоростью резания и скоростью распространения тепла из зоны деформации.

Если скорость резания, с которой режущий клин инструмента пересекает тепловой поток, мала, то тепло от условной плоскости сдвига беспрепятственно перейдет в деталь. По мере увеличения скорости резании клин инструмента все быстрее пересекает тепловой поток и поэтому в деталь успевает перейти меньшее количество тепла и все большее количество тепла остается в стружке. Уменьшение доли тепла, уходящего в инструмент, при увеличении скорости резания связано с уменьшением ширины площадки контакта на передней поверхности, через которую тепло из стружки переходит в инструмент.

Однако необходимо иметь в виду, что увеличение скорости резания приводит только к относительному уменьшению количества тепла, уходящего в деталь и стружку. Абсолютное количество тепла, уходящее как в стружку, так и в деталь и инструмент с увеличением скорости резания растет, т.к. общая механическая энергия, затрачиваемая на резание, а, следовательно, и общее количество тепла будут больше.

При повышении теплопроводности обрабатываемого материала, например при обработке алюминия тепло из зоны деформации интенсивно распространяется в деталь, тем самым резко уменьшая количества тепла, остающееся в стружке.

При обработке хрупких материалов, например чугуна, энергия, затрачиваемая на деформации в условной плоскости сдвига, а следовательно, и количество тепла деформации будут меньше. Из-за наличия элементной стружки или стружки надлома, контакт стружки с передней поверхностью инструмента имеет меньшую ширину и имеет непостоянный характер. В результате доля тепла, уходящая в стружку и инструмент, уменьшается, а уходящая в деталь увеличивается.

Количество тепла, уходящее в инструмент при резании любых материалов с любыми режимами обработки, намного меньше количества интенсивности тепла, уходящего в стружку и деталь. Основной причиной низкой интенсивности теплоотвода в инструмент является более низкая теплопроводность инструментального материала по сравнению с обрабатываемым и худшие условия отвода тепла с контактных поверхностей рабочей части инструмента. Вследствие этого средняя температура на передней поверхности инструмента в несколько раз превосходит среднюю температуру стружки.