5.2. Факторы, влияющие на температуру в зоне резания. Оптимальная температура резания

На температуру резания оказывают влияние те же факторы, что и на изменение теплового баланса. Рассмотрим, как будет изменяться температура резания в зависимости от скорости резания, ширины и толщины среза, физико-механических свойств обрабатываемого материала и других факторов.

Влияние скорости резания. При увеличении скорости резания растет мощность резания, количество теплоты, выделяющейся в зоне резания и, следовательно, температура нагрева детали, стружки и инструмента. Установлено, что рост температуры в зоне резания отстает от увеличения скорости резания, особенно в области высоких скоростей (рисунок 5.4). При разделении кривой на рис. 5.4 на отдельные участки можно получить простые зависимости вида

, (5.5)

где – коэффициент, учитывающий влияние на температуру резания остальных влияющих факторов;x_V – показатель степени, указывающий интенсивность влияния скорости резания на повышение . Обычноx_V < 1,в частности при обработке стали со скоростями резанияV = 10...20 м/минx_V= 0,5; приV = 25...45 м/минx_V= 0,4; приV = 45...180 м/минx_V= 0,2.

Температура в зоне резания может достигать 1000..1100 °С.

Рис. 5.4. Зависимость температуры от скорости резания

Влияние элементов сечения среза. С увеличением ширины срезаb (подачиSи глубиныt) прямо пропорционально растут сила, работа резания и количество выделяющейся теплоты. Во столько же раз увеличивается и длина активной частирежущей кромки, а соответственно и отвод теплоты. Поэтому с увеличением b температура резания изменяется незначительно. Экспериментально установлена зависимость

, (5.6)

где – коэффициент, учитывающий влияние на температуру резания остальных влияющих факторов;y_V– показатель степени, учитывающий влияние ширины среза: обычноy_V= 0,1.

В зависимости от толщины срезаемого слоя а силаP_z увеличивается примерно в степени 0,75. Также увеличиваются работа резания и количество выделяемой теплоты. Одновременно растет, хотя и в меньшей степени, площадь контакта стружки с передней поверхностью резца. Это несколько улучшает условия отвода теплоты, поэтому увеличение температуры отстает от роста толщины среза:

, (5.7)

где z_V= 0,2…0,3.

Влияние геометрических параметров инструмента. Величина переднего угла инструмента влияет на условия подвода и отвода теплоты и температуру резания. С увеличениемуменьшается сила и работа резания, а также количество выделившейся теплоты. Однако при этом ухудшаются условия ее отвода, так как уменьшается угол заострения, т.е. массивность головки резца. Поэтому существует некоторый оптимальный угол, при котором уменьшаются силы резания и количество выделившейся теплоты. Аналогично влияет на температуру также задний угол.

С уменьшением главного угла в плане увеличивается угол при вершине, что приводит к возрастанию массы головки резца и улучшению теплоотвода, а следовательно, к уменьшению.

Влияние смазочно-охлаждающих технологических средств. Смазочно-охлаждающие жидкости не только способствуют уменьшению тепловыделения (за счет облегчения процесса стружкообразования и уменьшения трения), но поглощают и отводят часть выделенного тепла, снижая тем самым температуру резания. При этом чем выше теплоемкость и теплопроводность смазочно-охлаждающей жидкости, тем выше эффект охлаждения.

На рис. 5.5 представлены графики зависимостей температуры от скорости резания при точении титанового сплава ВТ14 резцами ВК6М с различными СОТС, подаваемыми в зону резания поливом и в распыленном состоянии.

Рис. 5.5. Зависимость температуры θи износаh_олз резцов ВК6М от скорости резания при точении титанового сплава ВТ14:

 – резание всухую; – масло «Индустриальное 20»;

о – эмульсия ЭТ-2; – раствор йодистого натрия;

_ _ _ – полив СОТС; ____ – распыление СОТС

Максимальное снижение температуры резания по сравнению с обработкой всухую (на 50…70 °С) обеспечивает водный раствор NaI, затем следует 1,5 % эмульсия ЭТ-2 (снижение температуры на 40…50 °С). СОЖ на масляной основе снижают температуру в наименьшей степени (20…30 °С). Из рис. 5.5 видно, что во всем исследованном диапазоне режимов резания применение всех СОТС обычным поливом обеспечивает больший эффект по сравнению с этими же СОТС, подаваемыми в зону резания в распыленном состоянии.

Влияние физико-механических свойств обрабатываемого материала. На силы и работу резания, а следовательно, на количество выделяющейся теплоты и условия теплоотвода оказывают влияние физико-механические свойства обрабатываемого материала. На температуру резания θ они влияют так же, как и на силу резанияP_z, т.е. температура увеличивается с повышением прочности, твердости и пластичности обрабатываемого материала. Большое воздействие на температуру резания оказывают теплопроводность обрабатываемого материала и характер его микроструктуры. Чем выше теплопроводность обрабатываемого материала, тем ниже θ, так как отвод теплоты в стружку и в деталь более интенсивен. Кроме того, при обработке сталей со структурой зернистого перлита, обладающего повышенной пластичностью, сила и температура резания значительно выше, чем при обработке сталей со структурой пластинчатого перлита.

Жаропрочные, нержавеющие и другие труднообрабатываемые стали с высоким содержанием таких легирующих элементов, как Cr,Ni,W,Mnи т.д., имеют аустенитную структуру и отличаются низкой теплопроводностью. При обработке таких сталей температура резания значительно выше, чем при обработке обычных сталей перлитного класса. Еще меньше теплопроводность титановых сплавов, а поэтому температура при их обработке очень высокая.

Оптимальная температура резания.

Учитывая, что температура контактных поверхностей непосредственно влияет на интенсивность различных механизмов изнашивания, можно сделать вывод, что оптимальным скоростям резания (для заданного материала режущей части инструмента) при различных комбинациях скорости, подачи и глубины резания соответствует постояннаяоптимальная температура резания θ_о.

Из этого положения вытекает ряд важных выводов.

1. Для инструментов с любой комбинацией геометрических параметров режущей части ( и другие) точкам минимума кривых, выражающих зависимость интенсивности изнашивания от скорости резания, соответствует одна и та же оптимальная температура резания θ_о.

2. Изменение обрабатываемого диаметра, твердости и структуры стали приводит к существенному изменению уровня оптимальных скоростей резания (соответствующих минимальной интенсивности изнашивания резца), которым, однако, соответствует одна и та же оптимальная температура.

3. При обработке металлов без охлаждения и с охлаждением различными средами наименьшая интенсивность изнашивания наблюдается при одной и той же оптимальной температуре резания θ_о.

На рисунке 5.5, кроме зависимостей = f(V), показаны результаты исследований износа резцов ВК6М при точении сплава ВТ14 всухую и с применением СОТС. Рассмотрение зависимостей относительного радиального линейного износа по задней поверхности инструмента от скорости резанияh_олз = f(V) показывает, что в интервале скоростей резания до 100…120 м/мин в зависимости от СОТС интенсивность износа резцов практически не зависит от скорости. Увеличение скорости резания до значений, превышающих 100…120 м/мин, приводит к резкому увеличению интенсивности износа (илиh_олз). Сопоставление кривых h_олз = f(V) и= f(V) показывает, что всем оптимальным для различных СОТС скоростям соответствует постоянная оптимальная температура резания, равная для пары ВТ14 – ВК6М_о= 870 °С.

На основе изложенного можно сделать вывод: поддерживая постоянной оптимальную температуру резания _о, можно осуществлять процесс резания в оптимальном режиме, соответствующем минимальной интенсивности изнашивания резца.