ИСТОЧНИКИ ОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОТЫ И УРАВНЕНИЕ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА ПРИ РЕЗАНИИ

Экспериментально установлено, что при резании практически вся механическая работа, затраченная на процесс снятия стружки, переходит в тепловую энергию.

В зоне резания различают три источника (очага) образования теплоты (рис. 5.1):

1)зона основной пластической деформации (находится около условной плоскости сдвига) с тепловой мощностью Q_ф;

2)зона трения стружки о переднюю поверхность инструмента с тепловой мощностью Q_γ;

3)зона трения задней поверхности инструмента о заготовку с тепловой мощностью Q₁.

Таким образом, общее количество теплоты, выделяющейся при резании,

Q=Q_Ф+Q_γ+Q₁.

Рис. 5.1. Источники образования теплоты при резании	Рис. 5.2. Потоки теплоты, отводимой в стружку, заготовку и инструмент

В соответствии с законом теплообмена теплота от источников теплообразования отводится в направлении менее нагретых частей, находящихся с ними в контакте, а именно:

- в заготовку Q₃=Q_Фз+Q_1з;

-в стружку Q_с=Q_Фз+Q_γс;

- в режущий инструмент Q_и=Q_γи+Q_1и (рис. 5.2).

При этом часть теплоты Q_oc отводится в окружающую среду, например, с помощью подводимой в зону резания смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ). Однако если резание осуществляется на воздухе, то эту теплоту из-за ее малой величины обычно не учитывают.

На основании изложенного уравнение теплового балансаимеет вид:

Q_Ф+Q_γ+Q₁=Q_з+Q_с+Q_и+ Q_ос. (5.1)

Обычно количество теплоты, отводимой в стружку, заготовку и инструмент, определяют экспериментально с помощью калориметров. По данным отечественных и зарубежных исследователей установлена следующая картина распределения теплоты по указанным направлениям (рис. 5.3). Здесь с ростом скорости резания количество теплоты, уходящей в стружку Q_c, монотонно возрастает, причем наиболее интенсивно это происходит при резании на низких скоростях. Доля теплоты, поступающей в заготовку Q_Зи инструмент Q_и, при увеличении скорости резания наоборот сокращается. Например, при точении стали 40Х со скоростью резания v = 20.. .50 м/мин в стружку уходит 30.. .50 % теплоты, в заготовку - 45...65 %; со скоростью резания v = 150 м/мин в стружку уходит 75 % теплоты, а в заготовку - около 20 %. В инструмент обычно переходит небольшая доля теплоты - около 10... 15 %.

Рис. 5.3. Распределение теплоты между стружкой QС, заготовкой Q3 и инструментом QИпри точении стали 40Х (Т15К6, t = 1,5 мм, s = 0,12 мм/об)

Такое влияние скорости резания на распределение теплоты объясняется тем, что с увеличением скорости резания все большее количество теплоты остается в стружке и все меньшее ее количество успевает перейти в заготовку и инструмент. К тому же с ростом скорости резания снижаются степень деформации обрабатываемого материала, а следовательно, силы резания и площадь контакта стружки с передней поверхностью инструмента. Все это приводит к сокращению доли теплоты, переходящей в инструмент. Однако это не означает, что температура на контактных площадках инструмента и в самом режущем клине снижается. Напротив, с ростом скорости резания температура значительно увеличивается. Это объясняется тем, что теплота на контактных площадках инструмента концентрируется в очень узком по толщине слое, составляющем десятые доли микрометра, а также тем, что с ростом скорости схода стружки v_c пропорционально увеличивается работа трения на передней поверхности инструмента.

Из рис.5.4 следует, что средняя температура на передней поверхности инструмента θ_ср намного выше, чем температура в стружке θ_С. В связи с тем, что на площадке контакта стружки с инструментом эти температуры примерно равны, то это свидетельствует о неравномерности распределения температуры по толщине стружки, которая постепенно снижается по мере приближения к ее свободной стороне.

Рис. 5.4. Влияние скорости резания v на среднюю температуру резания θср и температуру стружки θс при точении стали 40Х (Т15К6, t = 1,5 мм, s = 0,12 мм/об)

Наряду со скоростью резания на распределение отводимой теплоты большое влияние оказывают механические и теплофизические свойства обрабатываемых материалов. При этом чем выше теплопроводность обрабатываемого материала, тем больше теплоты переходит в заготовку, а чем выше скорость резания, тем меньше теплоты переходит в инструмент (табл. 5.1).

Таблица 5.1. Распределение тепловых потоков при резании некоторых металлов

При обработке жаропрочных сталей, обладающих по сравнению с конструкционными сталями повышенными прочностью и пластичностью, температура при одинаковых режимах резания будет выше из-за высокой доли теплоты, переходящей в инструмент, что не позволяет осуществлять резание жаропрочных сталей на больших скоростях.