1.10. Тепловые явления процесса резания

Процесс резания сопровождается образованием теплоты. Количество теплоты Q, выделяющейся в единицу времени, Дж/мин:

Q=P_zV,

где P_z – вертикальная составляющая силы резания, Н; V – скорость резания, м/мин.

Т еплота образуется в результате упругопластического деформирования в зоне стружкообразования, трения стружки о переднюю поверхность инструмента, трения задних поверхностей инструмента о поверхность резания и обработанную поверхность заготовки (рис. 1.10.1).

Рис. 1.10.1. Источники образования и распределения теплоты резания

Тепловой баланс процесса резания можно представить следующим тождеством:

Q = Q_д+Q_п.п +Q_з.п = Q_с+ Q_заг+ Q_и+ Q_л,

где Q_д – количество теплоты, выделяемой при упругопластической деформации обрабатываемого материала, Дж; Q_п.п – количество теплоты, выделяемой при трении стружки о переднюю поверхность инструмента, Дж; Q_з.п – количество теплоты, выделяемой при трении задних поверхностей инструмента о заготовку, Дж; Q_с – количество теплоты, отводимой стружкой, Дж; Q_заг – количество теплоты, отводимой заготовкой, Дж; Q_и – количество теплоты, отводимой режущим инструментом, Дж; Q_л – количество теплоты, отводимой в окружающую среду (теплота лучеиспускания), Дж.

В зависимости от технологического метода и условий обработки стружкой отводится 25 – 85 % всей выделившейся теплоты; заготовкой 10 – 50 %; инструментом 2 – 8 %. Количественное распределение теплоты главным образом зависит от скорости резания (рис. 1.10.2).

Рис. 1.10.2. Распределение теплоты резания в зависимости от скорости резания

Теплообразование отрицательно влияет на процесс резания. Нагрев инструмента до высоких температур (800 – 1000 ⁰С) вызывает структурные превращения в металле, из которого он изготовлен, снижение твердости инструмента и потерю режущих свойств. Нагрев, инструмента вызывает изменение его геометрических размеров, что влияет на точность размеров и геометрическую форму обработанных поверхностей. Например, при обтачивании цилиндрической поверхности на токарном станке удлинение резца при повышении его температуры изменяет глубину резания, и обработанная поверхность получается конусообразной. Нагрев заготовки вызывает изменение ее геометрических размеров. Вследствие жесткого закрепления на станке заготовка деформируется. Температурные деформации инструмента, приспособления, заготовки и станка снижают качество обработки.

Погрешность формы обработанных поверхностей возрастает из-за непостоянства температурного поля по объему заготовки в процессе обработки (рис. 1.10.3, а), и после охлаждения обработанной заготовки возникают дополнительные погрешности обработанной поверхности (рис. 1.10.3, б). Температурные погрешности следует учитывать при наладке станков. Для определения погрешностей необходимо знать температуру инструмента и заг отовки или количество теплоты, переходящей в них (см. рис. 1.10.2).

Рис. 1.10.3. Влияние нагрева на заготовку: а – температурное поле заготовки; б – форма заготовки после обработки

Для уменьшения отрицательного влияния теплоты на процесс резания обработку ведут в условиях применения смазочно-охлаждающих сред. В зависимости от технологического метода обработки, физико-механических свойств материалов обрабатываемой заготовки и режущего инструмента, а также режима резания применяют различные смазочно-охлаждающие среды.

Жидкости: водные растворы минеральных электролитов, эмульсии, растворы мыл; минеральные, животные и растительные масла; минеральные масла с добавлением фосфора, серы, хлора (сульфофрезолы), керосин и растворы поверхностно-активных веществ в керосине; масла и эмульсии с добавлением смазывающих веществ (графита, парафина, воска).

Газы и газообразные вещества: газы СО₂, ССl₄, N₂; пары поверхностно-активных веществ; распыленные жидкости (туман) и пены.

Твердые вещества: порошки воска, парафина, петролатума, битума; мыльные порошки.

Чаще всего при обработке резанием применяют смазочно-охлаждающие жидкости. Обладая смазывающими свойствами, жидкости снижают трение стружки о переднюю поверхность инструмента и задних поверхностей инструмента о заготовку. Одновременно снижается работа деформирования. Общее количество теплоты, выделяющейся при резании, уменьшается. Смазочно-охлаждающие среды отводят теплоту во внешнюю среду от мест ее образования, охлаждая режущий инструмент, деформируемый слой и обработанную поверхность заготовки. Смазывающее действие сред препятствует образованию налипов металла на поверхностях инструмента, в результате чего снижается шероховатость обработанных поверхностей заготовки. Применение смазочно-охлаждающих сред приводит к тому, что эффективная мощность резания уменьшается на 10 – 15 %; стойкость режущего инструмента возрастает, обработанные поверхности заготовок имеют меньшую шероховатость и большую точность, чем при обработке без применения смазочно-охлаждающих сред.

При черновой и получистовой обработке, когда требуется сильное охлаждающее действие среды, применяют водные эмульсии. Количество эмульсии, используемой в процессе резания, зависит от технологического метода обработки и режима резания и колеблется от 5 до 150 л/мин. Увеличивать количество подаваемой жидкости рекомендуют при работе инструментов, армированных пластинками твердого сплава, что способствует их равномерному охлаждению и предохраняет от растрескивания. При чистовой обработке, когда требуется получить высокое качество обработанной поверхности, используют масла. Для активизации смазочных материалов к ним добавляют активные вещества – фосфор, серу, хлор. Под влиянием высоких температур и давлений эти вещества образуют с металлом контактирующих поверхностей соединения, снижающие трение – фосфиды, хлориды, сульфиды. При обработке заготовок из хрупких металлов, когда образуется стружка надлома, в качестве охлаждающей среды применяют сжатый воздух, углекислоту.

Смазочно-охлаждающие среды по-разному подаются в зону резания. Наиболее распространена подача жидкости в зону резания через узкое сопло на переднюю поверхность инструмента под давлением 0,05 – 0,2 МПа. Более эффективно высоконапорное охлаждение. В этом случае жидкость подают тонкой струёй под давлением 1,5 – 2 МПа со стороны задних поверхностей инструмента: Весьма эффективным является охлаждение распыленными жидкостями – туманом, который подают со стороны задних поверхностей инструмента. В тех случаях, когда охлаждение режущего инструмента затруднено, используют подвод жидкости непосредственно в зону резания через полый режущий инструмент.