Глава 3 Теплофизика процесса резания

3.1. Температура резания и тепловое поле

3.1.1. Источники образования тепла и распределение тепла между стружкой, инструментом и деталью

Опытами П.А. Ребиндера и Г.И. Епифанова установлено, что при резании конструкционных материалов более 99,5 % работы резания переходит в тепло. Таким образом, если работа резания или любая ее составляющая выражена в кгс·м/мин, то соответствующее им количество выделяемого тепла

, ккал/мин.

На основании этого количество тепла, образующегося при резании, можно определить с помощью выра­жения

Q = Q_д +Q_т.п + Q_т.з.

Расположение источников тепла представлено на рис. 82, а. Тепло деформации Q_д образуется в зоне сдвигов на условной плоскости сдвига; тепло трения на передней поверхности Q_т.п – в пределах площадки контакта между стружкой и инструментом шириной с; тепло трения на задней поверхности Q_т.з – в пределах площадки контакта между поверхностью резания и инструментом. Образо­вав­шееся тепло распространяется из очагов теплообразова­ния к более холодным областям, распределяясь между стружкой, деталью и инструментом.

а б

Рис. 82. Источники образования тепла в зоне резания (а) и распреде­ления его в стружку, инструмент и деталь (б)

Между стружкой, деталью и инструментом устанавливаются следующие тепловые потоки (рис. 82, б). Часть тепла деформации Q_д.с от условной плоскости сдвига переходит в стружку. Из зоны трения на передней поверхности в стружку переходит часть тепла трения, равная Q_т.п – Q_п, где Q_п – тепло, уходящее в инстру­мент.

Таким образом, температура стружки Q_с определяется суммарным тепловым потоком:

Q_с = Q_д.с + Q_т.п – Q_п.

Часть тепла деформации Q_д.дет от условной плоскости сдвига переходит в деталь. Туда же из зоны трения на задней поверхности переходит часть тепла трения, равная Q_т.з – Q_з, где Q_з – тепло, уходящее в инструмент. В результате этого интенсивность тепло­вого потока в деталь Q_дет = Q_д.дет + Q_т.з – Q_з.

Температурное поле режущего клина инструмента устанавли­вается в результате действия суммарного теплового потока Q_и с интен­сивностью

Q_и = Q_п + Q_з.

На основании этого можно составить выражение, описывающее расход образовавшегося при резании тепла:

Q = Q_с + Q_дет + Q_и + Q_ср.

где Q_ср – количество тепла, уходящего в окружающую среду. Выра­жения в совокупности описывают тепловой баланс при резании материалов.

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 между стружкой, деталью и инструментом главное влияние оказывают механические и теплофизические свойства материала детали и ско­рость резания.

В 1915 году Я.Г. Усачев установил, что наибольшее количество тепла переходит в стружку, составляя при обработке стали от 60 до 85 % от общего количества тепла. С увеличением ско­рости резания доля тепла, уходящего в стружку, увеличивается, а ее средняя температура растет. Исследования последних лет показали, что процентное распределение тепла сильно зависит от рода обрабатываемого материала.

При постоянной скорости резания средняя температура стружки и распределение тепла между стружкой, инструментом и деталью за­висят главным образом от работы, расходуемой на резание, и тепло­проводности обрабатываемого материала.

Средняя температура стружки при обработке стали значительно выше, чем при обработке чугуна и особенно алюминия, что вызвано как большей работой пластического деформирования, так и работой трения на передней поверхности. Уменьшение количества тепла, уходящего в стружку, при обработке чугуна связано с элементным типом стружки при его резании. Вследствие более высокой теплопровод­ности алюминия по сравнению со сталью и чугуном тепло из зоны деформации интенсивно распространяется в деталь, тем самым резко уменьшая количество тепла, остающегося в стружке.

Количество тепла, уходящего в инструмент, очень мало и при резании любых материалов с любыми режимами обработки намного меньше количества тепла, уходящего в стружку и деталь. Основной причиной низкой интенсивности теплоотвода в инструмент является более низкая теплопроводность инструментального материала по сравнению с обрабатываемым. Уменьшение количества тепла, отво­димого в инструмент, при обработке хрупких материалов связано также с элементным видом стружки, при образовании которой отсутст­вует постоянный контакт между стружкой и передней поверх­ностью.

Распределение тепла между стружкой, деталью и инструментом коренным образом изменяется при увели­чении скорости резания: количество тепла, уходящего в стружку, воз­растает, а уходящего в деталь и инструмент – уменьшается. Например, при точении стали 40Х со скоростью резания 20…50 м/мин в стружку уходит в среднем около 45 % тепла, а в деталь и инструмент – соответст­венно 47 % и 4,5 %; при скорости резания 100…300 м/мин в стружку уходит 75 % тепла, а в деталь и инструмент – соответственно только 22 % и 1,5 %.

Уменьшение доли тепла, пере­ходящего в деталь при увеличе­нии скорости резания, вызвано изменением соотношения между скоростью резания и скоростью распространения тепла из зоны деформации. Из очага теплообра­зования на условной плоскости сдвига (см. рис. 82) в деталь течет тепловой поток Q_д.дет. Скорость распространения тепла зависит от градиента температур на условной плоскости сдвига и в детали и температуропроводности обрабатываемого материала. Если скорость резания, т.е. скорость, с которой режущий клин инстру­мента пересекает тепловой поток, мала, то тепло от условной плоскости сдвига беспрепятственно перейдет в деталь. По мере увеличения ско­рости резания 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.

На теплосодержание стружки и ее среднюю температуру оказы­вает влияние режим резания: глубина резания, подача и скорость резания. При увеличении глубины резания удельное количество тепла в стружке уменьшается, при увели­чении подачи практически остается постоянным, а при увеличении скорости резания возрастает. Увеличение глубины резания и подачи сопровождается уменьшением средней температуры стружки. При уве­личении же скорости резания средняя температура стружки вначале интенсивно возрастает, а затем, после достижения скоростью резания определенного значения, рост температуры почти прекращается и она мало зависит от дальнейшего увеличения скорости. При этом средняя температура стружки стремится к некоторому пределу, величина которого определяется родом и механическими свойствами обрабатываемого материала, геометри­ческими параметрами инструмента, глу­биной резания и подачей.

Несмотря на то, что доля тепла, уходящего в инструмент, очень мала, средняя температура  на передней по­верхности инструмента в несколько раз превосходит среднюю температуру стружки. Тем­пература контакта на передней поверх­ности приблизительно равна температуре контактной поверхности стружки; это свидетельствует о том, что температура различных слоев стружки по ее толщине неодинакова – убывает по мере прибли­жения к свободной стороне стружки.