8.2. Температура резания

Зная величину и направление тепловых потоков, можно расчетным путем найти законы распределения температур на контактных площадках (рис. 8.3). Из данного рисунка видно, что различные места стружки нагреты неравномерно. 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 слоев стружки резко падает. В прирезцовом слое максимальная температура наблюдается в середине длины площадки контакта С_п (рис. 8.4, 8.5). 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 в стружке и на площади сдвига.

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

Рис. 8.3. 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)

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_п и деталью С_з (см. рис. 8.4).

Рис. 8.4. Зоны контакта инструмента с заготовкой и стружкой

Рис. 8.5. Схема распределения температур на длине контактов

инструмента с заготовкой и стружкой

Как уже отмечалось, температуры на площадках контакта С_п и С_з распределяются неравномерно (см. рис. 8.5). Максимальные температуры на площадках контакта как на передней _п max, так и на задней _з max поверхностях развиваются на некотором расстоянии от режущей кромки. Под температурой резания понимают среднюю температуру контактов С_п и С_з, которую можно определить из выражения

где _{п ср} – средняя контактная температура на передней поверхности резца на длине С_п; _{з ср} – средняя контактная температура на задней поверхности резца на длине С_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.

Закономерности, установленные в условиях статических испытаний, получаются после длительного прогрева образцов. Так как контактные площадки передней и задней поверхностей инструмента нагреваются длительное время, закономерности изменения свойств инструментального материала в зависимости от температуры целиком приложимы к режущему инструменту. Стружка же срезается со скоростями, в сотни тысяч раз большими, чем при статических испытаниях. Так, при скорости резания V = 100 м/мин, K_L = 2,5, длине контакта стружки с передней поверхностью С_п = 2 мм и задней поверхностью С_з = 0,1 мм время контакта стружки с передней поверхностью резца

с,

а точки обрабатываемой детали с задней поверхностью

с.

Действие высокой температуры в течение тысячных и даже статысячных долей секунды совершенно недостаточно для протекания в толще срезаемого металла структурных превращений и для изменения механических свойств обрабатываемой детали. Поэтому воздействие высокой температуры в зоне резания на обрабатываемый металл ограничивается его тончайшими слоями, соприкасающимися 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.