Глава 11 Тепловые явления в процессе резания

1. Источники тепловыделения

Экспериментально доказано, что при резании конструкционных материалов более 99,5 % работы резания превращается в тепло. В зоне стружкообразования можно выделить зоны, в которых в результате контактного взаимодействия и деформаций обрабатываемого материала происходит генерирование теплоты. Таких зон четыре.

Почти вся механическая работа, затраченная на пластическую деформацию и разрушение металла в процессе стружкообразования, составляет первый источник выделения теплоты Q₁. Область генерирования этой теплоты охватывает зону наибольших пластических деформаций, т.е. плоскость скалывания.

Работа сил трения на передней поверхности лезвия резца является вторым источником выделения теплоты Q₂. Область генерирования этой теплоты  контактирующие друг с другом прирезцовая поверхность стружки и передняя поверхность лезвия инструмента.

Работа сил трения по задней поверхности лезвия инструмента является третьим источником теплоты Q₃, выделяющейся при резании.

Рис. 11.1. Источники теплообразования

Q_l  в плоскости скалывания,

Q₂  на передней поверхности лезвия,

Q₃  на задней поверхности лезвия,

Q₄  впереди плоскости скалывания

Работа, затраченная на пластическую деформацию металла перед плоскостью скалывания, является четвертым источником теплоты Q₄.

2. Отвод тепла из зоны резания

Образовавшееся тепло распространяется из очагов теплообразования к более холодным областям, перераспределяясь между стружкой, деталью, инструментом и окружающей средой. При этом устанавливаются следующие тепловые потоки.

Большая часть выделяющейся в плоскости скалывания теплоты Q₁ и часть выделяющейся на передней поверхности теплоты Q₂ идет на нагрев стружки и уносится ею из зоны резания. Эта часть отводимой теплоты обозначается q₁.

Часть теплоты, выделяющейся на передней Q₂ и на задней Q₃ поверхностях, нагревает материал режущей части инструмента и постепенно распространяется по всей массе его корпуса. Резец является проводником второго потока отводимой теплоты q₂.

Часть выделяющейся в плоскости скалывания теплоты Q₁, некоторая часть теплоты Q₄ и часть теплоты, выделяющейся на задней поверхности лезвия инструмента Q₃, проникает в металл обрабатываемой заготовки и нагревает ее. Эта отводимая теплота обозначается q₃.

Часть общего количества теплоты отводится из зоны резания в окружающую среду. При резании всухую эта теплота q₄ отводится в окружающую воздушную среду излучением. Если работа ведется с поливом зоны резания струей охлаждающей жидкости, то кроме излучения часть теплоты q₄ отводится за счет нагрева и парообразования охлаждающей жидкости.

Рис. 11.2. Тепловые потоки в процессе резания

q_l  в стружку,

q₂  в резец,

q₃  в заготовку,

q₄  в окружающую среду.

3. Тепловой баланс

Под тепловым балансом резания понимается равенство теплоты, выделяющейся в зоне резания, и теплоты, удаляемой из нее за тот же промежуток времени. Таким образом, при резании должно иметь место равенство приходной и расходной частей:

Q₁+Q₂+Q₃+Q₄= q₁+q₂+q₃+q₄ (11.1)

Выражение 11.1 называется уравнением теплового баланса. Изменение условий резания приводит к изменению соотношения составляющих приходной и расходной частей уравнения теплового баланса.

Распределение тепла между стружкой, деталью и инструментом зависит главным образом от теплофизических свойств материалов и скорости резания. Чем выше теплопроводность обрабатываемого материала, тем больше тепла переходит в стружку при одной и той же скорости резания.

При обработке стали в стружку переходит от 60 до 85 % общего количества тепла, в деталь  2030 % , в инструмент  14 %. Малое количество тепла, отводимого в инструмент, объясняется сравнительно низкой теплопроводностью инструментальных материалов. При обработке хрупких материалов в стружку и инструмент переходит меньше тепла, чем при обработке пластичных материалов, что объясняется элементным характером стружки и отсутствием ее постоянного контакта с передней поверхностью. С увеличением скорости резания увеличивается доля тепла, отводимого в стружку, и уменьшаются потоки тепла в деталь и в инструмент. Это вызвано изменением соотношения между скоростью резания и скоростью теплопередачи из зоны деформации. С увеличением скорости резания режущий инструмент все быстрее пересекает тепловой поток из зоны деформации, тепло не успевает переходить в деталь и большая его часть уносится со стружкой. Кроме того, увеличение скорости резания приводит к уменьшению площадки контакта инструмента со стружкой, поэтому доля тепла, переходящего в инструмент со стороны передней поверхности, уменьшается. Однако средняя температура на передней поверхности инструмента всегда выше, чем средняя температура стружки. Теплота, отводимая в окружающую среду, занимает относительно остальных составляющих второе место в расходной части баланса, но её значимость уменьшается с возрастанием скорости резания. Так, достигая при низких скоростях резания в среднем 24% общего количества теплоты, удельное значение её уменьшается при средних скоростях до 12,5 % , а при скоростях свыше 250 м/мин  до 9 %.