Тепловые явления в процессе резания

В результате изучения данной главы студент должен: знать

• • источники тепла при реализации процесса резания; факторы, влияющие на температуру в зоне резания;
• • уравнение теплового баланса;
• • методы определения температуры резания; уметь
• • анализировать влияние различных факторов на температуру в зоне резания;
• • определять температуру резания расчетными и экспериментальными методами;
• • назначать мероприятия по управлению процессом тепловыделения при резании; владеть
• • основами теории теплопроводности;
• • расчетными и экспериментальными методами определения температуры в зоне резания;
• • навыками разработки мероприятий по управлению процессом тепловыделения при резании.

Источники тепла и уравнение теплового баланса. Расчет температурного поля при резании

Источники тепла при реализации процесса резания. При резании почти вся механическая энергия деформации и трения переходит в теплоту. Теплота оказывает влияние на износостойкость инструмента, качество поверхности детали, процесс трения и т. д.

Общее количество теплоты q_oCmi, Дж, можно определить по формуле.

где Р₂ — сила, действующая в направлении скорости резания; v — скорость резания; А_т — тепловой эквивалент механической работы.

Образующаяся при резании теплота распространяется от точек с высокой температурой к менее нагретым точкам. Она выделяется главным образом вследствие работы, затраченной на пластическую деформацию, и уходит в основном со стружкой, но частично остается в режущем инструменте (рис. 6.1, а).

где <7, — теплота, выделяемая в результате работы, затраченной на пластическую деформацию;

Уравнение теплового баланса имеет следующий вид: где Л^г — сопротивление пластической деформации;

Рис. 6.1. Источники теплообразования (а, б), схема метода источника тепла (в) и графики изменения температур (г, д) при резании.

где су₀ — условный предел текучести при сжатии (см. гл. 4); F₀ — номинальная площадь сечения срезаемого слоя;

где а — толщина срезаемого слоя; b — ширина срезаемого слоя; t — глубина резания; S — подача; К',"  — коэффициент усадки стружки; v — скорость резания; А_т — тепловой эквивалент механической работы; q₂ — теплота, выделяемая при сходе стружки в результате трения о переднюю поверхность инструмента;

где F_n — сила трения стружки по передней поверхности; н_стр — скорость схода стружки по передней поверхности инструмента; q_:, — теплота, выделяемая в результате трения стружки по задней поверхности инструмента;

где F — сила трения стружки по задней поверхности; г/_(ф — тепло, уходящее со стружкой; q_mR — тепло, передаваемое заготовке; q_m — тепло, передаваемое режущему инструменту; q — тепло, передаваемое в окружающую среду.

Суммарную интенсивность, или общее количество, теплоты, выделяемой в зоне резания, можно определить по формуле.

Итак, выделяемая в процессе резания теплота передается стружке, заготовке, режущему инструменту и в окружающую среду:

где у/ = 0,9^-0,95 — коэффициент, учитывающий неполноту превращения механической энергии в тепловую.

Около 5— 10% от общего количества теплоты, выделяемой в процессе резания, не выявляется в виде теплового эффекта, а уходит на перестройку кристаллической решетки вещества.

Теплота распространяется следующим образом:

• 1) при Х_изд > Хрззщ— в пределах 50—86% от q_Um, т. е. наибольшее количество теплоты, идет в стружку, а затем 20—40% — в заготовку и 5—8% — в инструмент;
• 2) при Х_изд < X вд— около 20% от г/_общ идет в инструмент. Например, при обработке титановых сплавов, обладающих низкой теплопроводностью, Х_тит = = 0,02; при обработке твердых сплавов Х_{тв сшшв} = 0,14. Это одна из причин плохой обрабатываемости титановых сплавов и уменьшения прочности резца.

Температурное поле, установившееся в каком-то объеме, зависит от общего количества подводимой теплоты. Количество теплоты, отводимой в единицу времени, — интенсивность отвода теплоты определяют по формуле.

где X — коэффициент теплопроводности данной среды, Вт/ (мК); F_nlH — площадь сечения отводящих потоков, см².

Теплота протекает через площадь F_oTB, которая расположена по нормали к тепловому потоку.

Количество теплоты, отводимое за бесконечно малое время: где t — время.

Температурное поле в зоне резания — это совокупность различных значений температур во всех точках деформированного объема материала в определенный момент времени. Для построения теории температурного поля используется решение классической задачи теории теплообмена в твердых телах.

Температуру резания определяют путем решения общего уравнения теплопроводности (для пространственного теплового потока):

aside class="viderzhka__img" itemscope itemtype="http://schema.org/ImageObject">

Это дифференциальное уравнение теплопроводности связывает температуру в любой точке тела с координатами х, у, z, временем t и коэффициентом температуропроводности а:

где где X — коэффициент теплопроводности, Вт/(м • К); С — удельная теплоемкость, Дж/(кг — К); у — удельный вес, кг/м³.

Чтобы узнать температуру, нужно знать граничные условия. При их наличии уравнение (6.1) может быть проинтегрировано. Математическая формулировка условий теплообмена на граничных поверхностях зоны резания представляет большие затруднения.

Метод источников теплоты (рис. 6.1, в) является наиболее удачным методом интегрирования уравнения (6.1). Впервые решение этого уравнения методом источников теплоты было предложено У. Томпсоном (лорд Кельвин) в 1872 г. для следующих условий:

• 1) тело имеет безгранично большие размеры;
• 2) на поверхности тела теплообмен отсутствует;
• 3) начальная температура тела постоянна и равна нулю;
• 4) в точке с координатами х_ист, г/_ист, z_HCl. вспыхивает источник теплоты А и тут же гаснет, выделяя какое-то количество теплоты q.

Приняв эти условия, Томпсон (Кельвин) получили решение дифференциального уравнения (6.1) в следующей форме:

где q — интенсивность теплового излучения источника, т. е. количество теплоты, выделяемое источником в единицу времени; е — основание натурального логарифма; г — расстояние от источника теплоты Л до точки В, в которой требуется определить температуру; а — коэффициент температуропроводности; t — время действия источника теплоты.

Из уравнения (6.8) можно определить температуру в любой точке тела в зависимости от ее координат. Это решение принято называть главным решением в теории источников теплоты.

Метод источников теплоты используют для расчета температурного поля при резании (в системе «инструмент — стружка — заготовка»). В этом случае применяют упрощенную расчетную схему, в которой рассматривают:

• 1) стружку как бесконечный стержень;
• 2) заготовку как полубесконечное тело;
• 3) инструмент как жесткий несимметричный клин.

При расчете делают следующие допущения:

• • все сложное поле деформаций заменено одной плоскостью скалывания (плоский наклонный источник теплоты постоянной интенсивности). Это снижает количество выделяющейся теплоты при деформации;
• • на площадках контакта стружки и заготовки с инструментом имеют место плоские источники постоянной интенсивности.

Даже подобная схематизация процесса резания привела к очень сложным математическим преобразованиям и уравнениям.

Для наглядности уравнения (6.8) строят графики зависимости температуры 6 от времени t для разных расстояний гот источника (рис. 6.1, г). Имея такие графики, температурное поле для заданного времени распространения температуры в зависимости от координат можно описать кривыми ?, и t₂(рис. 6.1, д).

На рис. 6.2 представлена схема температурного поля резца, оснащенного пластиной ТСТ14К8, при обработке стали ШХ15 в главной секущей плоскости без охлаждения.

Рис. 6.2. Схема температурного поля резца, оснащенного твердым сплавом.

Температурное ноле, представленное на рис. 6.2, рассчитано методом источников теплоты. Характер распределения температур в зоне резания согласуется с характером изменения поля деформаций. Наибольшая концентрация теплоты имеет место в зоне максимальной деформации и на контактных площадках, где температуры близки к температурам плавления.

Расчетные методы определения температуры в зоне резания позволяют получить достаточно точное представление о тепловых процессах при резании, что и дает возможность управлять ими. О том, какие температуры возникают в процессе резания, можно узнать не только расчетным, но и экспериментальным путем.