Температура резания
Рис. 1. Изменение температуры x по ширине площадки контакта С при точении стали 40 (t = 1,5 мм; s = 0,21 мм/об; v = 115 м/мин)
На рис. 1 представлено изменение температуры x для различных точек площадки контакта на передней поверхности инструмента. Максимальная температура соответствует точке, лежащей приблизительно на половине ширины площадки контакта. К лезвию и к концу площадки температура убывает. На площадке контакта задней поверхности инструмента с поверхностью резания температура распределяется также неравномерно. Поэтому под температурой резания понимают среднюю температуру на поверхности контакта инструмента со стружкой и поверхностью резания. Если через п.ср и з.ср обозначить средние температуры на площадках контакта передней и задней поверхностей, то температура резания
Температуру резания иногда называют средней температурой контакта.
Для незатупленного инструмента ширина С2 площадки контакта задней поверхности с поверхностью резания исчезающе мала, а поэтому температуру резания можно считать равной средней температуре на площадке контакта стружки с передней поверхностью, т. е. = п.ср. Передняя поверхность инструмента нагревается за счет тепла деформации и трения. Поэтому температура резания равна сумме двух температур: температуры деформации д и средней температуры трения на передней поверхности п.ср т. е.
= д + п.ср (1)
Температура резания зависит от мощности тепловых источников в зоне деформации и на передней поверхности инструмента и интенсивности стоков тепла в деталь и инструмент. При резании определенного материала температура резания растет с увеличением скорости резания и размеров срезаемого слоя. Однако их влияние на температуру резания неодинаково. На основании измерений получена формула, связывающая температуру резания с толщиной, шириной срезаемого слоя и скоростью резания при работе различными инструментами:
= Cvmanbq (2)
Коэффициент С в формуле зависит от рода и механических свойств обрабатываемого материала, геометрических параметров инструмента и применяемой смазочно-охлаждающей жидкости. При любых видах обработки величины показателей т, п и q неодинаковы: m > n > q, т. е. на температуру резания наибольшее влияние оказывает скорость резания, затем толщина срезаемого слоя и наименьшее - ширина срезаемого слоя. Измерение температуры резания при увеличнвающемся отношении b/a также свидетельствует об ее уменьшении:
Рис.2. Влияние толщины и ширины срезаемого слоя на температуру резания
В чем причина неодинакового влияния величин b и а на температуру резания? На рис. 2 изображены два одинаковых резца, срезающих слои материала с одинаковой площадью поперечного сечения F = 2аb. Резец 1 срезает слой шириной 2b и толщиной а, а резец II срезает слой шириной b и толщиной 2а. Таким образом, на передней поверхности резцов на площади контакта 2bс действуют тепловые источники, мощность которых можно считать приблизительно одинаковой. Источники скользят по контактной поверхности стружки. Из расчетов Д. К. Иегера следует, что при увеличении отношения длины движущегося полосового источника тепла к его ширине средняя температура трения в пределах площади контакта непрерывно уменьшается. К этому следует добавить, что и условия отвода тепла через тело инструмента для резца 1 более благоприятны, так как источник тепла относительно более удален от вершины резца, что также способствует снижению температуры резания. Таким образом, резец 1 должен работать с меньшей температурой резания, нежели резец II.
Неодинаковое влияние ширины и толщины срезаемого слоя на температуру резания позволяет сделать следующий важный вывод:
для уменьшения температуры резания при заданной площади сечения срезаемого слоя необходимо работать с возможно большим отношением b/a , т. е. с широкими и тонкими стружками.
Выражая физические размеры срезаемого слоя при точении в формуле (2) через глубину резания, подачу и главный угол в плане, получим
= Cvmsntq (sin )n-q. (3)
Из выражения (3) следует, что при точении подача и глубина резания на температуру резания влияют с той же интенсивностью, что толщина и ширина срезаемого слоя. Следовательно, для снижения температуры резания при заданной площади сечения срезаемого слоя необходимо работать с возможно большим отношением t/s. При заданных глубине резания и подаче температуру резания можно уменьшить, уменьшая главный угол в плане резца. Последнее связано с тем, что при уменьшении угла отношение b/a возрастает.
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 струёй 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.