8.4. Влияние на температуру различных факторов процесса резания

Оценивая влияние факторов на температуру резания, следует учитывать изменение условий подвода и отвода теплоты в этой зоне. Другими словами, можно сказать, что 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 физико-механических свойств обрабатываемого материала. На силы резания, а следовательно, на работу резания и количество выделяющейся теплоты, а также на условия теплоотвода оказывают влияние физико-механические свойства обрабатываемого материала. На температуру резания они влияют так же, как и на силу резания P_z, т.е. имеется тенденция к увеличению θ 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 от места ее выделения в стружку и в деталь более интенсивен. Кроме того, при обработке сталей со структурой зернистого перлита сила и температура резания значительно выше, чем при обработке сталей со структурой пластинчатого перлита. Это объясняется тем, что пластичность структуры зернистого перлита гораздо выше, чем у пластинчатого перлита.

В настоящее время довольно широко применяются жаропрочные, нержавеющие и другие труднообрабатываемые стали с высоким содержанием таких легирующих элементов, как Cr, Ni, W, Mn и т.д. Эти стали 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.

Влияние скорости резания. С увеличением скорости резания возрастает количество теплоты, выделяющейся в зоне резания, а также температура нагрева детали, стружки и инструмента. Однако рост температуры в зоне резания отстает от роста скорости резания. Это отставание особенно усиливается в зоне высоких скоростей, что видно на отдельных участках кривой, представленной на рис. 8.18. Кривую можно разбить на отдельные участки и получить простые зависимости вида

,

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

Температура в зоне резания при тяжелых условиях работы может достигать 1000..1100 °С. С увеличением V растет мощность резания и, следовательно, количество выделяемой теплоты. Но непосредственно в резец переходит очень небольшое ее количество, а основное – уносится стружкой. Поэтому, хотя с увеличением скорости резанияV температура резания повышается, этот рост все время замедляется. Кроме того, допущение о том, что мощность резания изменяется пропорционально V, не совсем правильно, так как по мере увеличения V сила резания P_z уменьшается. Количество теплоты, уносимой стружкой, тоже растет с повышением скорости резания, и поэтому нет прямой зависимости изменения температуры резания  от изменения V.

V, м/мин

Рис. 8.18. Зависимость температуры от скорости резания

Влияние элементов сечения среза. На площадь сечения среза влияют подача S и глубина t. С увеличением ширины среза b прямо пропорционально растут сила, работа резания и количество выделяющейся теплоты. Во столько же раз увеличивается и длина активной части режущей кромки (рис. 8.19), а соответственно и отвод теплоты. Поэтому с увеличением b температура резания изменяется незначительно. Экспериментально установлена зависимость

,

где – коэффициент, учитывающий влияние на температуру резания всех остальных факторов, кроме ширины среза;y_V – показатель степени, учитывающий влияние ширины среза на повышение : обычно y_V = 0,1.

Взависимости от толщины срезаемого слояа сила P_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:

,

где z_V = 0,2…0,3.

а) б) в)

Рис. 8.19. Длина активной части режущей

кромки резца при различной ширине (а, б) и толщине (в) среза

Влияние геометрических параметров инструмента. С изменением переднего угла инструмента изменяются условия подвода и отвода теплоты, а следовательно, и температура резания. С увеличением  уменьшается сила, а следовательно, 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. Если  превышает оптимальное значение, то уменьшается массивность головки резца, ухудшаются условия теплоотвода, растет температура резания (рис. 8.20). Аналогично влияет на температуру также задний угол .

Рис. 8.20. Зависимость температуры резания

от переднего угла инструмента

Рис. 8.21. Зависимость температуры

резания от главного угла инструмента в плане

С уменьшением главного угла в плане  увеличивается угол при вершине , что приводит к возрастанию массы головки резца и улучшению теплоотвода, а следовательно, к уменьшению , и наоборот (рис. 8.21).

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

В качестве примера приведем результаты исследований. На рис. 8.22 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. 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. 8.22 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.

Рис. 8.22. Зависимость температуры и износа 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