3.2.1.Образование теплоты и ее распределение в контактной зоне

Установлено, что при резании металлов более 99,5 % работы пере­ходит в теплоту. Количество теплоты (рис. 3.20) можно описать выра­жением

(3.6)

где Од — теплота деформации, образующаяся на условной плоскости сдвига; Q_rn — теплота трения, образующаяся на передней поверхно­сти режущего инструмента в пределах контакта шириной С между стружкой и инструментом; Q_T3 — теплота трения на задней поверхно­сти режущего инструмента в пределах площадки контакта шириной С] между задней поверхностью и поверхностью резания.

Теплота распространяется из очагов теплообразования к более хо­лодным областям между стружкой, деталью и инструментом. Между ними устанавливаются тепловые потоки, показанные на рис. 3.21.

Часть теплоты деформации Q_ac от условной плоскости сдвига пе­реходит в стружку. Из зоны трения на передней поверхности в струж­ку переходит часть теплоты трения, равная <2_ТП — Qn, где бп — тепло­та, уходящая в инструмент. Таким образом, температура стружки оп­ределяется суммарным тепловым потоком(3.7)

Часть теплоты деформации 0_длет от условной плоскости сдвига переходит в деталь. Туда же из зоны трения на задней поверхности пе­реходит часть теплоты трения, равная где Q₃ — теплота, ухо­дящая в инструмент. В результате этого интенсивность теплового по­тока в деталь(3.S

Температурное поле режущего клина РИ устанавливается в результате действия суммарного теплового потока Q_H с интенсивно­стью

(3.9)

На основании этого можно написать выражение, описывающее расход образовавшейся при резании теплоты:

(3.10)

Рис. 3.20. Источники образования теп­лоты в зоне резания

54

Рис. 3.21. Потоки теплоты в стружку, инструмент и деталь

где Q_cp — количество теплоты, уходящей в окружающую среду.

Выражения (3.6) и (3.10) в совокупности описывают тепловой ба­ланс при резании материалов.

Поскольку образовавшаяся теплота пропорциональна совершае­мой работе, ее количество зависит от физико-механических свойств материала детали, геометрических параметров инструмента и режима резания. Я.Г. Усачев [71] установил, что наибольшее количество теп­лоты переходит в стружку, составляя при обработке стали от 60 до 85 % от общего количества теплоты. С увеличением скорости резания доля теплоты, уходящей в стружку, увеличивается, а ее средняя температура растет. Более поздние исследования показали, что процентное распре­деление теплоты зависит от рода обрабатываемого материала (табл. 3.1).

При постоянной скорости резания средняя температура стружки и распределение теплоты между стружкой, инструментом и деталью зависят главным образом от работы, расходуемой на резание, и теп­лопроводности обрабатываемого материала. Из табл. 3.1 видно, что средняя температура стружки при обработке стали значительно

55

в ыше, чем при обработке чугуна и особенно алюминия, что вызвано как большей работой пластического деформирования, так и работой трения на передней поверхности. Уменьшение количества теплоты, уходящей в стружку, при обработке чугуна связано с элементным ти­пом стружки при его резании. Вследствие более высокой теплопро­водности алюминия по сравнению со сталью и чугуном теплота из зоны деформации интенсивно распространяется в деталь, тем самым резко уменьшая количество теплоты, остающейся в стружке.

Таблица 3.1. Перераспределение теплоты при точении

(/=1,5 мм, ^S* = 0,12 мм/об, v = 100 м/мин)

Материал детали	Общее ко­личество те­плоты, Дж	Средняя температура стружки	Количество теплоты, %
			в стружке	в детали	в резце
Сталь 40Х	55	420	71	26	1,9
Чугун (НВ 207)	55,5	290	42	50	1,5
Алюминий	37	140	21	73	2,2

Количество теплоты, уходящей в РИ, очень мало и при резании любых материалов с любыми режимами обработки намного меньше количества теплоты, уходящей в стружку и деталь. Основной причи­ной этого является более низкая теплопроводность инструменталь­ного материала по сравнению с обрабатываемым. Уменьшение коли­чества теплоты, отводимой в инструмент, при обработке хрупких ма­териалов связано также с элементным видом стружки, при образова­нии которой отсутствует постоянный контакт между стружкой и передней поверхностью РИ. Распределение теплоты между струж­кой, деталью и инструментом изменяется при увеличении скорости резания: количество теплоты, уходящей в стружку, возрастает, а в де­таль и инструмент — уменьшается. Например, при точении стали 40Х со скоростью резания 20...50 м/мин в стружку уходит в среднем около 45 % теплоты, а в деталь и инструмент, соответственно, 47 и 4,5 %; при скорости резания 100...300 м/мин в стружку уходит 75 % те­плоты, а в деталь и инструмент только 22 и 1,5 %. Уменьшение доли теплоты, переходящей в деталь при увеличении скорости резания, вызвано изменением соотношения между скоростью резания и ско­ростью распространения теплоты из зоны деформации. Из очага теп­лообразования на условной плоскости сдвига (см. рис. 3.21) в деталь течет тепловой поток (0_дле1), Скорость распространения теплоты за­висит от градиента температур на условной плоскости сдвига и в дета­ли и температуропроводности обрабатываемого материала. Если ско­рость резания, т. е. скорость, с которой режущий клин РИ пересекает

56

тепловой поток, мала, то теплота от условной плоскости сдвига бес­препятственно перейдет в деталь. По мере увеличения скорости реза­ния клин РИ все быстрее пересекает тепловой поток, и поэтому в де­таль успевает перейти меньшее количество теплоты и все большее ко­личество теплоты остается в стружке. Уменьшение доли теплоты, уходящей в РИ, при увеличении скорости резания связано с умень­шением ширины площадки контакта на передней поверхности, через которую теплота из стружки переходит в инструмент.

На теплосодержание стружки и ее среднюю температуру оказыва­ют влияние параметры режима резания. Ниже показано влияние этих факторов на количество теплоты, содержащейся в 1 см³ стружки (удельное количество теплоты) при точении стали 40Х.

Удельное количество теплоты в зависимости от глубины резания (5=0,125 мм/об; v = 200 м/мин) [20]:

глубина резания t, мм 1 2 3 4

удельное количество теплоты, кДж/мин .... 2,43 2,09 2,05 1,96

Удельное количество теплоты в зависимости от подачи (t = 1,5 мм; v == 200 м/мин):

подача S, мм/об 0,106 0,126 0,17 0,22

удельное количество теплоты, кДж/мин 2,3 2,2 2,0 2,1

Удельное количество теплоты в зависимости от скорости резания (f = 1,5 мм; 5=0,126 мм/об):

скорость резания, м/мин 10,2 20,4 50,1 240 390

удельное количество теплоты, кДж/мин 0,8 1,1 1,37 2,3 2,4

Эти результаты показывают, что при увеличении глубины резания удельное количество теплоты в стружке уменьшается, при увеличе­нии подачи практически остается постоянным, а при увеличении скорости резания возрастает. Увеличение глубины резания и подачи сопровождается уменьшением средней температуры стружки. При увеличении скорости резания средняя температура стружки вначале интенсивно возрастает, а затем после достижения скоростью резания определенного значения рост температуры почти прекращается и ока мало зависит от дальнейшего увеличения скорости (рис. 3.22). При этом средняя температура стружки стремится к некоторому пределу, величина которого определяется родом и механическими свойствами

Рис. 3.22. Влияние скорости резания на температуру резания и среднюю темпе­ратуру стружки при точении стали 40Х резцом из твердого сплава Т60К6 (/=1,5 мм; S = 0,12 мм/об)

обрабатываемого материала, геометрическими параметрами РИ, глу­биной резания и подачей.

Несмотря на то, что доля теплоты, уходящей в РИ, мала, средняя температура на передней поверхности РИ (см. рис. 3.22) в несколько раз превосходит среднюю температуру стружки. Поскольку темпера­тура контакта на передней поверхности приблизительно равна темпе­ратуре контактной поверхности стружки, то температура различных слоев стружки по ее толщине неодинакова, убывая по мере прибли­жения к свободной стороне стружки [4].