1. Источники образования тепла при резании.

В зоне стружкообразования можно выделить зоны, в которых в результате контактного взаимодействия и деформаций обрабатываемого материала происходит генерирование теплоты.

В результате силового воздействия лезвия резца металл срезаемого слоя при пересечении плоскости скалывания 1-2-3-4 (Рисунок 1) подвергается пластической деформации и разрушению, характерным для металлов, образующих сливную стружку или стружку скалывания, или хрупкому разрушению, характерному для металлов, образующих стружку надлома. Почти вся механическая работа, затраченная на пластическую деформацию и разрушение металла в процессе стружкообразования, составляет первый источник образования теплоты Q1. Область генерирования этой теплоты охватывает зону наибольших пластических деформаций, т.е. плоскость скалывания.

Срезанная стружка, скользя по передней поверхности лезвия резца со скоростью , где -усадка стружки, V-скорость резания, преодолевает силы трения . Механическая работа силы трения, распределенной по контактной площадке 1-2-5-6 на передней поверхности лезвия (Рисунок 1), может найдена как

где t- время осуществления процесса резания.

Рисунок 1. Источники теплообразования:

Q1 — в плоскости скалывания 1-2-3-4; Q2 — на передней поверхности лезвия 1-2-5-6; Q₃—на задней поверхности лезвия 1-2-7-8

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

Задняя поверхность лезвия резца, ограниченная контуром 1-2-7-8 (Рисунок 1), в процессе резания скользит по воспроизводимой лезвием поверхности резания со скоростью резания V, преодолевая силу трения .

.

Работа сил трения осуществляется по задней поверхности лезвия, находящейся в контакте с поверхностью резания. Работа сил трения по задней поверхности лезвия инструмента является третьим источником теплоты Q3, выделяющейся при резании.

Рисунок 2. Источник теплообразования Q₄ впе­реди плоскости скалывания

Непосредственными измерениями установлено повышение микротвердости в металле, прилегающем к плоскости скалывания (заштрихованный на Рисунке 2, участок обрабатываемого металла). Повышение микротвердости указывает на то, что силовое поле, действующее в плоскости скалывания 1-2-3-4 (Рисунок 1), распространяется также на некоторой, прилегающий к ней объем металла и вызывает в нем пластическую деформацию, приводящую к росту внутренних остаточных напряжений. Работа, затраченная на пластическую деформацию металла перед плоскостью скалывания, является четвертым источником теплоты Q4.

2. Отвод теплоты из зоны резания.

Так как процесс резания обычно является достаточно продолжительным и устойчивым, то непрерывно выделяю­щаяся за время работы теплота также непрерывно отводится из зоны резания (Рисунок 3). Большая часть выделяющейся, в плоскости 1-2-3-4 теплоты Q₁ и часть выделяющейся в плоскости 1-2-5-6 тепло­ты Q₂ идет на нагрев стружки и уносится ею из зоны резания. Эта часть отводимой теплоты обозначается q₁.

Часть выделяющейся в плоскости 1-2-5-6 теплоты Q₂ и часть выделяю­щейся в плоскости 1-2-7-8 теплоты Q₃ нагревают металл режущей части резца и постепенно распространяются по всей массе его корпуса. Металл резца является проводником второго потока отводимой теплоты q₂.

Часть выделяющейся в плоскости 1-2-3-4 теплоты Q₁ некоторая часть теп­лоты Q₄ и часть выделяющейся в пло­скости 1-2-7-8 теплоты Q₃ проникают в ме­талл обрабатываемой заготовки и нагре­вают ее. Эта отводимая теплота обозна­чается q₃.

Часть общего количества выделяю­щейся 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 жидкости, то кроме излучения часть теп­лоты q₄ отводится за счет нагрева и парообразования охлаждающей жидкости.

Ч асть выделившейся в плоскостях 1-2-5-6 и 1-2-7-8 теплоты накапливается в тонком приграничном слое материала инструмента, прилегающем к указанным плоскостям. Эта часть теплоты q₅ вызы­вает повышение температуры на режу­щем лезвии.

Рисунок 3. Отвод теплоты из зоны резания:

q₁ — в стружку; q₂ — в инструмент; q₃— в обрабатываемую заготовку; q₄ — в окружающую среду; q₅ — накопление теп­лоты в приграничном слое лезвия

Приведенные данные показывают, что при увеличении глубины резания удельное количество тепла в стружке уменьшается, при увели­чении подачи практически остается постоянным, а при увеличении скорости резания возрастает. Увеличение глубины резания и подачи сопровождается уменьшением средней температуры стружки. При уве­личении же скорости резания средняя температура стружки вначале интенсивно возрастает, а затем после достижения скоростью резания определенного значения рост температуры почти прекращается, и она мало зависит от дальнейшего увеличения скорости (Рисунок 4). При этом средняя температура стружки стремится к некоторому пределу, величина которого определяется родом и механическими свойствами обрабатываемого материала, геометри­ческими параметрами инструмента, глу­биной резания и подачей.

Несмотря на то, что доля тепла, уходящего в инструмент, очень мала, средняя температура на передней по­верхности инструмента (Рисунок 4) в несколько раз превосходит среднюю температуру стружки. Поскольку температура контакта на передней поверх­ности приблизительно равна температуре контактной поверхности стружки, то это свидетельствует о том, что температура различных слоев стружки по ее толщине неодинакова, убывая по мере прибли­жения к свободной стороне стружки.

Рисунок 4. Влияние скорости резания v на темпера­туру резания и среднюю температуру стружки при точении стали 40Х резцом из твердого сплава Т60К6 (/ = 1,5 мм; s = 0,12 мм/об)

Интенсивность влияния скорости резания на температуру при различных скоростях неодинакова. На Рисунке 4 показано, что чем выше скорость резания, тем ее увеличение оказывает меньшее влия­ние на возрастание температуры резания. Поэтому и величина пока­зателя степени при скорости резания уменьшается с ее увеличением. Например, при v < 100 м/мин m= 0,5÷0,4, а при v > 100 м/мин т = 0,4÷0,25.

Уровень температуры резания зависит от рода и механических свойств обрабатываемого материала. Чем больше работа, затрачиваемая на резание, тем при прочих равных условиях выше и температура резания. Поскольку средняя температура стружки при резании чугуна ниже, чем при резании стали, температура резания при обработке чугуна также ниже на 40—50%. С увеличением твердости и прочности обрабатываемого материала температура резания возрастает.

При постоянной мощности тепловых источников температуру реза­ния можно понизить, интенсифицируя отвод тепла в деталь и инстру­мент. Этого можно достигнуть, охлаждая деталь, стружку, инстру­мент струей смазочно-охлаждающей жидкости. Так как в большинстве случаев скорость стружки превышает скорость распространения тепла в материале обрабатываемой детали, то, направляя струю жидкости на отделяющуюся от детали стружку, можно добиться понижения температуры только ее слоев, прилегающих к свободной поверхности. Температура резания при этом понижается незначительно.

Значительно большой эффект можно получить, если струя жидкости будет омывать инструмент и тем самым повышать теплообмен между инструментом и окружающей средой. Чем больше тепла перейдет в инструмент и окружающую среду, тем ниже будет температура резания. Поэтому насадок, через который смазочно-охлаждающая жидкость попадает в зону резания, должен быть расположен так, чтобы струя жидкости омывала не только деталь и стружку, но глав­ным образом инструмент.

Применение инструментальных материалов, обладающих высокой теплопроводностью, также способствует понижению температуры резания. С более низкой температурой резания работают инструменты, имеющие внутреннее охлаждение режущей части.