5.3. Источники тепла при резании и расчет их мощностей

В процессе резания тепло образуется в трех источниках: в плоскости сдвига, на передней поверхности и на задней поверхности инструмента (в частности – резца). Полагаем, что источники тепла являются плоскими. Проекции этих источников в главной секущей плоскости изображаются отрезками ОА, ОС и Oh (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Источники тепла при резании

На рисунке 5.1 обозначено: а – толщина срезаемого слоя, ОС = С – длина контакта стружки с передней поверхностью, Oh = h – ширина площадки износа по задней поверхности, OA – плоскость сдвига, p – угол наклона плоскости сдвига, γ – передний угол, V₁ – скорость резания, V₂ – скорость сдвига, V – скорость резания, F – сила трения на передней поверхности инструмента, F₁ – сила трения на задней поверхности инструмента.

Мощность источника тепла в плоскости сдвига может быть определена по формуле

Ф₁ = P_τ·V₂ . (5.4)

Мощность источника тепла на передней поверхности резца будет равна

Ф₂ = F·V₁. (5.5)

Мощность источника тепла на задней поверхности резца может быть выражена в виде

Ф₃ = F₁·V. (5.6)

Предполагая, что плотности тепловых потоков этих источников распределены равномерно, определяем их величины через касательные напряжения таким образом:

q₁ = τ · ε · V · sinβ; (5.7)

q₂ = q_F · ; (5.8)

q₃ = q_F1 · V, (5.9)

где τ, q_F, q_F1 – касательные напряжения в плоскости сдвига на передней и задней поверхности резца соответственно; k – коэффициент усадки стружки; ε – относительный сдвиг.

5.4. Тепловой баланс процесса резания

Тепло, которое образуется в трех источниках согласно законам теплопроводности, поступает в стружку, в деталь и резец (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Схема распространения тепловых потоков

На рисунке обозначено: 1, 2, 3 – первый, второй и третий источники тепла; c, , p – стружка, деталь резец.

Уравнения теплового баланса для каждого источника могут быть записаны в виде:

Ф₁ = Ф_1с+ Ф₁ ; (5.10)

Ф₂ = Ф_2с+ Ф_2р; (5.11)

Ф₃ = Ф₃ + Ф_3р. (5.12)

Тепловой поток от первого источника, уходящий в стружку, значительно больше, чем в деталь:

Ф_1с Ф₁ . (5.13)

Связано это прежде всего с тем, что стружка движется с большой скоростью относительно неподвижной плоскости сдвига.

Тепловой поток Ф₂ распределяется между стружкой и резцом:

Ф₂ = Ф_2с+ Ф_2р . (5.14)

Тепловой поток Ф₃ переходит в деталь и резец:

Ф₃ = Ф₃ + Ф_3р. (5.15)

Причем

Ф_2с Ф_2р (5.16)

и

Ф₃ Ф_3р. (5.17)

Связано это с тем, что стружка и деталь движутся с большими скоростями относительно резца, в то время как резец неподвижен относительно этих источников. Поэтому распределение температуры в резце будет более равномерным, чем в стружке и детали. Градиент температуры резца будет значительно меньше, чем градиент температуры в стружке. Поэтому, согласно основному закону теплопроводности (см. формулу (5.2)):

Ф_2с Ф_2р (5.18)

и

Ф₃ Ф_3р. (5.19)

Деталь и стружка являются мощными стоками тепла [2], и с увеличением скорости резания теплоотвод в деталь и стружку улучшается. Поэтому при больших скоростях резания в стружку уходит 75–80 % всего тепла, образующегося в процессе резания, то есть почти все тепло от плоскости сдвига и передней поверхности резца; в деталь идет около 20 % всего тепла, то есть практически все тепло из зоны трения задней поверхности резца с деталью; в резец уже поступает лишь несколько процентов теплового потока, эквивалентного мощности резания. Такое распределение тепла имеет место при обработке конструкционных углеродистых и легированных сталей.

Положение резко меняется при обработке резания прочных сплавов. Здесь уже скорости резания небольшие, уменьшаются также теплофизические характеристики обрабатываемого материала. Доля тепла, отводящегося резцом, увеличивается, так как уменьшаются разница между градиентом температуры стружки и резца, детали и резца. В таблице 5.1 приведен тепловой баланс процесса резания при обработке стали 40Х и жаропрочного сплава ХН77ТЮР.

Таблица 1

Тепловой баланс процесса резания

Обрабатываемый материал	ω,	V,	Фс, %	Фδ, %	Фp, %
Сталь 40Х	8·10-6	100	75	22	1,5
Жаропрочный сплав ХН77ТЮР	4·10-6	20	35	40	25

Отвод тепла из зоны резания может быть увеличен с помощью охлаждения режущего инструмента [2].

Применение охлаждения инструмента оказывается эффективным лишь в тех случаях, когда доля тепла, отводящегося инструментом, достаточно велика (при малых скоростях резания или при малой температуропроводности обрабатываемого материала).

С увеличением скорости резания эффективность охлаждения инструмента падает. Поверхностное охлаждение детали или стружки вообще не оказывает никакого влияния на температуру контактных поверхностей инструмента.