3.1.2. Понятие о тепловом поле и температуре резания

Н

Рис. 83. Изменение температуры _х по ширине площадки контакта с при точении стали 40 (t = 1,5 мм;

s = 0,21 мм/об.; V = 115 м/мин)

а рис. 83 представлено изменение температуры _x для различных точек площадки контакта на передней поверхности инструмента. Максимальная температура соответствует точке, лежащей прибли­зительно на половине ширины площадки контакта. К лезвию и к кон­цу площадки температура убывает. На площадке контакта задней поверх­ности инструмента с поверхностью резания температура распре­деляется также неравномерно. Поэтому под температурой резания  понимают среднюю температуру на поверхности контакта инстру­мента со стружкой и поверхностью резания. Если через _п.ср и _з.ср. обозначить средние температуры на площадках контакта передней и задней поверхностей, то температура резания

 = (_п.ср.с + _з.ср.с₂)/(с + с₂).

Температуру резания иногда называют средней температурой кон­такта.

Для незатупленного инструмента ширина с_з площадки контакта задней поверхности с поверхностью резания исчезающе мала, а поэтому температуру резания можно считать равной средней температуре на площадке контакта стружки с передней поверхностью, т.е.  = _п.ср. Передняя поверхность инструмента нагревается за счет тепла деформации и трения. Поэтому температура резания равна сумме двух температур: температуры деформации _д и средней температуры трения на передней поверхности _п.ср., т.е.

 = _д + _п.ср.

Температура резания зависит от мощности тепловых источников в зоне деформации и на передней поверхности инстру­мента и интенсивности стоков тепла в де­таль и инструмент. При резании опреде­ленного материала температура резания растет с увеличением скорости резания и размеров срезаемого слоя. Однако их влия­ние на температуру резания неодинаково. На основании измерений получена формула, связывающая температуру резания с толщиной, шириной срезаемого слоя и скоростью резания при работе различными инструментами:

 = C_V ^maⁿb^q.

К

Рис. 84. Схема зависимости площади контакта от ши­­­рины и толщины и срезаемого слоя

оэффициент C_ в формуле зависит от рода и механических свойств обрабатываемого материала, геометрических параметров инструмента и применяемой смазочно-охлаждающей жидкости. При любых видах обработки величины показателей т, п и q неодинаковы: m > n > q, т.е. на температуру резания наибольшее влияние оказывает скорость резания, затем толщина срезаемого слоя и наименьшее – ширина срезаемого слоя. Измерение температуры резания при увеличиваю­щемся отношении b/a также свидетельствует об ее уменьшении:

.

В чем причина неодинакового влияния величин b и a на темпера­туру резания? На рис. 84 изображены два одинаковых резца, срезаю­щих слои материала с одинаковой площадью поперечного сечения F = 2аb. Резец I срезает слой шириной 2b и толщиной а, а резец II срезает слой шириной b и толщиной 2a. Таким образом, на передней поверхности резцов на площади контакта 2bа действуют тепловые источники, мощность которых можно считать приблизительно оди­наковой. Источники скользят по контактной поверхности стружки со скоростью, равной скорости стружки. Из расчетов Д.К. Иегера следует, что при увеличении отношения длины движущегося полосо­вого источника тепла к его ширине средняя температура трения в пре­делах площади контакта непрерывно уменьшается. К этому следует добавить, что и условия отвода тепла через тело инструмента для резца I более благоприятны, так как источник тепла относительно более удален от вершины резца, что также способствует снижению температуры резания. Таким образом, резец I должен работать с мень­шей температурой резания, нежели резец II.

Неодинаковое влияние ширины и толщины срезаемого слоя на температуру резания позволяет сделать следующий важный вывод: для уменьшения температуры резания при заданной площади сечения срезаемого слоя необходимо работать с возможно большим отношением b/a, т.е. с широкими и тонкими стружками.

Выражая физические размеры срезаемого слоя при точении в формуле через глубину резания, подачу и главный угол в плане, получим

 = C_V ^mS ⁿt ^q(sin )^n–q.

Из выражения следует, что при точении подача и глубина резания на температуру резания влияют с той же интенсивностью, что и толщина и ширина срезаемого слоя. Следовательно, для снижения температуры резания при заданной площади сечения срезаемого слоя необходимо работать с возможно большим отношением t/s. При заданных глубине резания и подаче температуру резания можно уменьшить, уменьшая главный угол в плане резца. Последнее связано с тем, что при уменьшении угла  отношение b/a возрастает.

Интенсивность влияния скорости резания на температуру при различных скоростях неодинакова. Чем выше скорость резания, тем меньшее влия­ние оказывает ее увеличение на возрастание температуры резания. Поэтому и величина пока­зателя степени при скорости резания уменьшается с ее увеличением. Например, при V < 100 м/мин т = 0,5…0,4, а при V > 100 м/мин т = 0,4…0,25.

Уровень температуры резания зависит от рода и механических свойств обрабатываемого материала. Чем больше работа, затрачивае­мая на резание, тем при прочих равных условиях выше и температура резания. Поскольку средняя температура стружки при резании чугуна ниже, чем при резании стали, температура резания при обработке чугуна также ниже на 40…50 %. С увеличением твердости и прочности обрабатываемого материала температура резания возрастает.

При постоянной мощности тепловых источников температуру реза­ния можно понизить, интенсифицируя отвод тепла в деталь и инстру­мент. Этого можно достигнуть, охлаждая деталь, стружку, инстру­мент струей смазочно-охлаждающей жидкости. Так как в большинстве случаев скорость стружки превышает скорость распространения тепла в материале обрабатываемой детали, то, направляя струю жидкости на отделяющуюся от детали стружку, можно добиться понижения температуры только ее слоев, прилегающих к свободной поверхности. Температура резания при этом понижается незначительно.

Значительно большой эффект можно получить, если струя жидкости будет омывать инструмент и тем самым повышать теплообмен между инструментом и окружающей средой. Чем больше тепла перейдет в инструмент и окружающую среду, тем ниже будет температура резания. Поэтому насадок, через который смазочно-охлажда­ющая жидкость попадает в зону резания, должен быть расположен так, чтобы струя жидкости омывала не только деталь и стружку, но, глав­ным образом, инструмент.

Применение инструментальных материалов, обладающих высокой теплопроводностью, также способствует понижению температуры резания. С более низкой температурой резания работают инструменты, имеющие внутреннее охлаждение режущей части.