Основные понятия и термины

Переходная пластически деформируемая зона; гидростатическое давление p, касательные напряжения в переходной пластически деформируемой зоне; плоскости сдвига; максимальное и среднее контактное нормальное напряжение; контактное касательное напряжение; равнодействующая сил резанияR; составляющие силы резания,N, F,,; касательные напряжения; зона контакта стружки с передней поверхностью инструмента; угол трения, коэффициент трения, сила трения стружки и передней поверхности инструмента; угол скольжения; коэффициент упрочнения стружки; силы на задней поверхности инструментаN₁иF₁.

Равнодействующая сила резания Р, касательная сила , радиальная сила , осевая сила , эффективная мощность, мощность станка,зависимость силы резания от свойств обрабатываемого материала, элементов режима резания, параметров режущего инструмента, смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС), формулы для расчета , и,динамометр, механический динамометр, электрический динамометр, тензометрический преобразователь, тарировка.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие силы действуют на передней поверхности инструмента в условиях свободного резания,

2. Основные факторы, влияющие на силы резания.

3. Дайте характеристику напряжённо-деформированного состояния материала в зоне резания.

4. Связь равнодействующей и составляющих сил резания.

5. Какие факторы и как влияют на длину контакта стружки с инструментом и величину давления в зоне контакта стружки с инструментом?

6. Какие факторы и как влияют на касательные напряжения, характеризующие сопротивление обрабатываемых материалов пластической деформации в условиях резания

7. Какие факторы влияют на условия трения и на коэффициент трения в зоне контакта стружки с инструментом?

8. Какие факторы обусловливают величину угла сколь-жения?

9. Каковы причины, вызывающие появление сил на задней поверхности инструмента, от каких факторов они зависят?

10. На какие составляющие раскладывается равнодействующая силы резания Pпри точении?

11. Как рассчитать эффективную мощность, затрачиваемую на процесс резания, и выбрать мощность электродвигателя станка?

12. Каким образом влияют на силы резания свойства обрабатываемого материала, геометрические параметры резца, элементы режима резания?

13. Каким образом влияют на силы резания СОТС. Какие существуют марки СОТС и какова область их применения?

14. Какова методика расчёта составляющих силы резания P.

15. Каковы принцип работы и область применения гидравлических, механических и электрических динамометров?

16. Зачем производят тарирование динамометра?

Г л а в а 5. Теплообразование и температура в зоне резания

5.1. Образование и распределение тепла при резании. Температура в зоне резания

Тепловые явления определяют температуру в зоне резания, которая оказывает влияние на характер образования стружки, наростообразование, усадку стружки, силы резания, микроструктуру поверхностного слоя, интенсивность затупления и период стойкости инструмента.

Механическая работа, затрачиваемая на процесс резания, практически полностью превращается в теплоту. Поэтому общее количество тепла, кал/мин, образующегося при резании, можно определить извыражения

, (5.1)

где P_z– касательная составляющая силы резания в Н;V– скорость резания в м/мин;Е–механический эквивалент теплоты, равный 4,19Дж/кал.

При резании можно выделить: работу деформирования срезаемого слоя, работу трения на передней и задней поверхности инструмента. Таким образом, общее количество образующегося при резании тепла можно определить по формуле:

Q = Q_д + Q_тп + Q_тз, (5.2)

где Q_д– тепло, образующееся при сдвиговой деформации;Q_тп – тепло, образующееся при трении стружки с передней поверхностью инструмента;Q_тз – тепло, образующееся при трении поверхности резания с задней поверхностью инструмента.

Расположение источников тепла представлено на рис. 5.1. Образовавшееся тепло стремится к более холодным областям, распределяясь между стружкой (Q_с), деталью (Q_дет) и инструментом (Q_и) (рис. 5.2). Часть тепла уходит в окружающую среду (Q_ср). Расход образовавшегося при резании тепла описывается выражением:

Q = Q_с + Q_дет + Q_и + Q_ср .(5.3)

Рис. 5.1. Источники образования тепла в зоне резания

Рис. 5.2. Потоки тепла в стружку, инструмент и деталь

Выражения (5.2) и (5.3) в совокупности описывают тепловой баланс при резании металлов. Процентное распределение тепла между стружкой, деталью, инструментом и окружающей средой зависит от рода обрабатываемого материала и условий обработки.

В частности, при работе с небольшой скоростью резания (до 30...40 м/мин) теплота распределяется следующим образом: Q_c  60...70%; Q_и  3%; Q_дет  30...40 %; Q_cр  1...2%. Установлено, что чем ниже теплопроводность обрабатываемого материала, тем больше теплоты уходит в инструмент. По мере увеличения скорости резания растёт относительное количество теплоты, уходящей в стружку. При скорости V = 400...500 м/минтеплота распределяется следующим образом:Q_c97...98%,Q_и 1%.

Использование технологических сред позволяет значительно повысить Q_cрв общем тепловом балансе. В зависимости от условий подвода среды соответственно уменьшаютсяQ_c,Q_ииQ_дет.

Если известны величина и направление распределения тепловых потоков, можно найти законы распределения температур на контактных площадках (рис. 5.3). Из данного рисунка видно, что различные места стружки нагреты неравномерно.

Рис. 5.3. Температурные поля в стружке, детали и резце при точении стали ШХ15 резцом из твердого сплава Т14К8 (V = 80 м/мин,s= 0,5 мм/об,t= 4,1 мм)

Наибольшее количество теплоты концентрируется в тонких слоях стружки, прилегающих к передней поверхности. Здесь температура намного превышает температуру в зоне сдвига. По мере удаления от передней поверхности резца температура стружки резко падает.

В прирезцовом слое максимальная температура наблюдается в середине длины площадки контакта. От этой области температура убывает как по направлению к режущей кромке, так и по направлению к точке отрыва стружки от передней поверхности. Температура обрабатываемого материала, лежащего ниже поверхности резания, значительно меньше температур стружки и зоны сдвига.

Режущий клин также нагревается неравномерно. Сильнее всего разогрет участок передней поверхности, расположенный в середине длины площадки контакта, тогда как у вершины уровень температур меньше. По мере удаления от передней поверхности температура в режущем клине изменяется гораздо менее значительно, чем температура стружки.

Уровень и распределение температур в значительной степени определяются теплофизическими характеристиками обрабатываемого и инструментального материалов. Так, при повышении коэффициента теплопроводности инструментального материала температуры на передней поверхности уменьшаются, а на задней – увеличиваются. При повышении коэффициента теплопроводности обрабатываемого материала температуры снижаются. При работе с малыми сечениями среза интенсифицируется тепловой поток со стороны задней поверхности, и температура на задней поверхности существенно возрастает.

В тех случаях, когда нет необходимости в изучении законов распределения температур на контактных площадках или в теле инструмента и детали, наиболее удобным показателем тепловой напряженности процесса резания является средняя температура резания на всей поверхности контакта инструмента со стружкой С_пи детальюС_з.

Как уже отмечалось, температуры на площадках контакта С_пиС_зраспределяются неравномерно. Максимальные температуры на площадках контакта как на передней, так и на задней поверхностях развиваются на некотором расстоянии от режущей кромки. Под температурой резания понимают среднюю температуру контактовС_пиС_з, которую можно определить из выражения

(5.4)

где _{п ср}– средняя контактная температура на передней поверхности резца на длинеС_п;_{з ср}– средняя контактная температура на задней поверхности резца на длинеС_з.

Температура, возникающая в зоне резания, может оказывать влияние на процесс резания из-за изменения свойств материала инструмента, обрабатываемого материала и условий взаимодействия инструмента и обрабатываемого материала на контактных площадках.

При оценке влияния температуры на свойства обрабатываемого материала необходимо учитывать два фактора: продолжительность воздействия высокой температуры и скорость деформации.

Из-за кратковременности температурного воздействия значительное повышение температуры касается тончайших слоёв обрабатываемого материала, соприкасающихся с рабочими поверхностями инструмента, и проявляется в изменении условий трения, контактных нагрузок, напряжений, характера изнашивания и т. д. Экспериментально установлено, что при резании незакаленных сталей толщина нагреваемого контактного слоя не превышает 10 мкм.