3.2.2. Температура резания

На рис. 3.23 представлено изменение температуры для различных точек площадки контакта на передней поверхности РИ. Максималь­ная температура соответствует точке, лежащей приблизительно на половине ширины площадки контакта. К лезвию и к концу площадки температура убывает. На площадке контакта задней поверхности РИ с поверхностью резания температура распределяется также неравно­мерно.

Поэтому под температурой резания понимают среднюю темпера­туру на поверхности контакта РИ со стружкой и поверхностью реза­ния. Если через @_пхр и @₃._Ср. обозначить средние температуры на пло-

58

Рис. 3.23. Изменение температуры ©^ по ширине площадки контакта С при то­чении стали 40Х (?= 1,5 мм; 5=0,21 мм/об; v= 115 м/мин)

щадках контакта передней и задней поверхностей, то температура ре­зания [4]

(3.11)

Температуру резания иногда называют средней температурой контакта.

Для незатупленного РИ ширина Cj 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. © = 0_п._ср Пе­редняя поверхность инструмента нагревается из-за теплоты дефор­мации и трения. Поэтому температура резания равна сумме двух температур: температуры деформации 0_Д и средней температуры тре­ния на передней поверхности 0_п.ср,

т. е.

(3.12)

Температура резания зависит от мощности тепловых источников в зоне деформации и на передней поверхности РИ и интенсивности стоков теплоты в деталь и РИ. При резании определенного материала температура резания растет с увеличением скорости резания и разме­ров срезаемого слоя. Однако их влияние на температуру резания не­одинаково. Ниже приведена формула, связывающая температуру ре-

з ания с толщиной, шириной срезаемого слоя и скоростью резания при работе различными РИ:

0/~i m n uQ /"3114

= С₀о а Ъ^ч, (3.13)

Коэффициент С® 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: т ~> п > q, т. е. на температуру резания наибольшее влияние оказывает скорость резания, затем толщина срезаемого слоя и наименьшее —- ширина срезаемого слоя. Измерение температуры резания при увеличиваю­щемся отношении также свидетельствует об ее уменьшении:

(3.14)

В чем причина неодинакового влияния величин b и с на темпера­туру резания? На рис. 3.24 показаны два одинаковых резца, срезаю­щих слои материала с одинаковой площадью поперечного сечения F = 2cb. Резец /срезает слой шириной 2Ь и толщиной с, а резец //сре­зает слой шириной Ъ и толщиной 2с. Таким образом, на передней по­верхности резцов на площади контакта 2Ьс действуют тепловые ис­точники, мощность которых можно считать приблизительно одина­ковой. Источники скользят по контактной поверхности стружки со скоростью, равной скорости стружки. Расчеты показывают, что при увеличении отношения длины движущегося полосового источника

теплоты к его ширине средняя температура трения в пределах площади контакта непре­рывно уменьшается. Кроме того, условия отвода теплоты через тело резца / более бла­гоприятны, так как источник теплоты отно­сительно более удален от вершины резца, что также способствует снижению темпера­туры резания. Таким образом, резец /дол­жен работать с меньшей температурой реза­ния по сравнению с резцом //.

Рис. 3.24. Схема, поясняю­щая влияние толщины и ширины срезаемого слоя на температуру резания

60

Неодинаковое влияние ширины и тол­щины срезаемого слоя на температуру реза­ния позволяет сделать важный вывод: для уменьшения температуры резания при за-

данной площади сечения срезаемого слоя необходимо работать с воз­можно широкими и тонкими стружками.

Выражая физические размеры срезаемого слоя через глубину ре­зания, подачу и главный угол в плане, получают

® = C_ev^mSⁿt^q (sin q>)"-«. (3.15)

Из этого выражения 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 —. При

заданных глубине резания и подаче температуру резания можно сни­зить, уменьшая главный угол в плане. Это связано с тем, что при

уменьшении угла ср отношение - возрастает.

с

Ниже приведены данные [20] при резании стали 5140 РИ из стали С18:

при точении

где и — площадь поперечного сечения державки резца; при строгании

(3.16)

при сверлении

(3.17)

при фрезеровании

(3.18)

(3.19)

Интенсивность влияния скорости резания на температуру при различных скоростях неодинакова. На рис. 3.22 показано, что чем выше скорость резания, тем ее увеличение оказывает меньшее влия­ние на возрастание температуры резания. Поэтому и величина пока­зателя степени при скорости резания уменьшается с ее увеличением.

61

Н апример, при v < 100 м/мин т = 0,5...0,4, а при v > 100 м/мин т = 0,4.. .0,25.

Уровень температуры резания зависит от рода и физико-механи­ческих свойств обрабатываемого материала. Чем больше работа, за­трачиваемая на резание, тем выше 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 теплоты в деталь и инструмент. Этого можно достигнуть, охлаждая деталь, стружку, РИ. Однако в большинстве случаев скорость стружки превышает ско­рость распространения теплоты в материале детали, поэтому, направ­ляя струю смазочно-охлаждающеи жидкости на отделяющуюся от де­тали стружку, можно достичь понижения температуры только ее сло­ев, прилегающих к свободной поверхности. Температура резания при этом понижается незначительно.

Больший эффект можно получить, если струя жидкости будет омывать инструмент и тем самым повышать теплообмен между инст­рументом и окружающей средой. Чем больше теплоты перейдет в РИ и окружающую среду, тем ниже будет температура резания.

Применение инструментальных материалов, обладающих высо­кой теплопроводностью, также способствует понижению температу­ры резания. С более низкой температурой резания работают инстру­менты, имеющие внутреннее охлаждение режущей части [4].

3.2.3. Методы измерения температуры резания

Калориметрический метод. Метод позволяет определить количест­во теплоты, переходящей в стружку, деталь и режущий инструмент. На рис. 3.25 показана схема определения количества теплоты Q, пере­ходящей при точении в стружку и резец, и их средних температур ©. Внизу (перед передней поверхностью резца) установлен калориметр 1 с сеткой 2 для сбора стружки и ртутным термометром 3. Для обеспе­чения лучшего попадания стружки в калориметр резание производят при левом вращении шпинделя. Если обозначить через: <7_СМ — темпе­ратуру смеси (воды в калориметре после резания), град; G_B — массу воды в калориметре, г; ©_в — начальную температуру воды в калори­метре, град; G — массу стружки или резца, г; с — теплоемкость стружки или резца, кал, то среднюю температуру стружки или резца можно определить по формуле

62

(3.20)

Количество теплоты, перешедшей в стружку и резец, определяют так:

(3.21)

где с_г — теплоемкость горячей стружки или резца, кал; с_н — теплоемкость ненагретой стружки или резца, кал; ©,, — начальная температура стружки или резца.

Рис. 3.25. Схема колори­метрического метода

Методы термопар. Для измерения сред­ней температуры на контактных поверхно­стях инструмента и в различных точках кон­тактных площадок применяют разнообраз­ные термопары. На рис. 3.26 показан метод подведенной термопары. Резец представля­ет собой корпус 1, к которому прижата режущая пластина 2. В корпусе сделано отверстие, в которое вставлена изоляционная трубка 3. Стан­дартная термопара 4 (медь-константан, хро-мель-алюмель и др.) с милливольтметром 5, подключенным к ее концам, вставлена в изо­ляционную трубку так, что ее спай касается нижней плоскости пластины 2. Спай термо­пары регистрирует температуру опорной плоскости пластины.

Рис. 3.26. Измерение тем­пературы средней поверх­ности подведенной термо­парой

Достоинством метода является возмож­ность использования стандартных термопар с известными термоэлектрическими харак­теристиками, а потому не нуждающихся в специальной тарировке. Располагая отвер­стия в различных точках передней и задней поверхностей, можно составить представле­ние о температурном поле в режущем клине РИ. Однако методу присущи недостатки, ог­раничивающие область его применения. Из­меряемая температура ниже температуры на контактных поверхностях РИ, и разность температур зависит от расстояния спая тер­мопары от указанных поверхностей. Кроме того, метод подведенной термопары трудно

63

и спользовать при вращающемся РИ. Этот ме­тод называют также методом искусственной термопары. Подобный ему метод полуискусст­венной термопары, когда один конец эталон­ной термопары (например, хромеля) введен в отверстие; вторым концом является деталь. Этому методу присущи те же недостатки, что и первому.

Рис

3.27. Естественная термопара

Более простым и совершенным является метод естественной термопары. Он основан на том, что в процессе резания (рис. 3.27) в месте соприкосновения передней поверхности РИ со стружкой и задней поверхности с поверхностью резания естественным путем создаются термопары, электродами которых являются материал обрабатывае­мой детали и материал режущей части РИ. Если обрабатываемую де­таль и РИ включить в замкнутую электрическую цепь, то величина термоэлектродвижущей силы (термоЭДС), возникающей в термоэле­менте, будет пропорциональна температуре скользящего «спая» об­разовавшейся термопары. Методом естественной термопары измеря­ют не максимальную, а некоторую среднюю контактную температуру на передней и задней поверхностях РИ. «Спай» термопары можно представить как большое количество параллельно соединенных тер­мопар (термоэлементов), имеющих различное внутреннее сопротив­ление R\, Ri,... R_n- Различные точки площадок контакта нагреты не­одинаково, а поэтому в каждом термоэлементе будет генерироваться различная термоэлектродвижущая сила е\, ег... е_п. На основе принци­па суперпозиции напряжение U милливольтметра, включенного в цепь, для любого количества термоэлементов определяется соотно­шением

(3.22)

где q = — — проводимость термоэлемента.

R

Величина термоЭДС и направление термотока зависят от рода инструментального и обрабатываемого материалов, образующих тер­мопару. Например, при обработке углеродистой стали РИ является

64

Рис. 3.29. Схема тарировки

термопары в расплавленном

металле

Рис. 3.28. Схема измерения темпера­туры резания методом естественной термопары

положительным электродом, если он изготовлен из быстрорежущей стали, и отрицательным -— если из твердого сплава.

Схема измерения температуры при точении методом естествен­ной термопары показана на рис. 3.28. Заготовка 1 изолирована от па­трона 3 и центра задней бабки текстолитовыми прокладками и проб­кой 5. Резец 2 изолирован от резцедержателя текстолитовыми про­кладками 5. В случае высоких требований к точности измерения при­меняют резцы, целиком изготовленные из инструментального материала, чтобы избежать паразитных термопар, которые могут воз­никнуть в месте крепления режущей пластины к корпусу резца. Заго­товка медным проводником 10 соединена с гибким валом 6, закреп­ленным в текстолитовой втулке, установленной на конце шпинделя 4 станка. Контактный наконечник 7 гибкого вала опущен в ванну с ртутью 8. Милливольтметр 9 одной клеммой соединен с торцом рез­ца, а вторым — с ртутным токосъемником. Замкнутая электрическая цепь состоит из заготовки, проводника, токосъемника, милливольт­метра и резца. Заготовку изолируют от станка для устранения влия­ния паразитных термопар, могущих возникнуть между отдельными деталями станка. Однако роль паразитных термопар при высокой температуре контактных поверхностей РИ незначительна, и из-за не­которого снижения точности измерения установку можно упростить, отказавшись от изоляции заготовки, сохранив изоляцию только рез­ца. Кроме того, вместо ртутного токосъемника можно применять скользящие медно-графитовые щетки.

Достоинством метода естественной термопары является то, что его легко осуществить не только при точении, но и при других видах механической обработки. Для перевода показаний милливольтметра

65

5-2719

Рис. 3.30. Схема контактного способа тарировки термопары

Рис. 3.31. Схема измерения температуры резания мето­дом двух резцов

в градусы естественная термопара должна быть тарирована. Схемы двух способов тарировки термопар приведены на рис. 3.29 и 3.30. При первом способе тарировку производят в расплавленном металле. В электропечь 1 помещают тигель 2 с расплавленным металлом, имеющим низкую температуру плавления (оловом, свинцом, сурь­ мой). Стержни 5 и 4 из обрабатываемого и инструментального мате­ риалов опускают на одинаковую глубину в расплавленный металл, а к их концам присоединяют милливольтметр 6. Между стержнями по­ мещают контрольную термопару 5, милливольтметр 7 которой тари­ рован в градусах. Нагревая и охлаждая расплавленный металл, строят тарировочный график «mV—°С». "■ ■

При втором способе для тарировки используют пластинчатый на­греватель (рис. 3.30). Стержни 1 и 2из обрабатываемого и инструмен­тального материалов прижимаются к нихромовому нагревателю 3. К нагревателю приварены две тонкие пластины, представляющие со­бой расплющенные концы проводов из меди и константана и обра­зующие контрольную термопару 4 (в качестве контрольной может быть использована более точная — платинародиевая термопара). На­грев пластины 3 осуществляется переменным током через трансфор­матор 7; для регулирования температуры нагрева служит реостат 6. Температуру нагрева контролируют милливольтметром 8, тарирован­ным по температуре.

Метод естественной термопары отличается надежностью, так как температура резания стабилизируется в течение 2...3 с и не зависит от времени работы РИ. Недостатком является необходимость иметь та-рировочные графики для каждой конкретной пары «инструменталь­ный — обрабатываемый материалы».

Влияние обрабатываемого материала на вид тарировочного гра­фика можно исключить, применяя двухрезцовый метод (рис. 3.31). При этом методе точение производят двумя одинаковыми резцами 1

66

Рис. 3.32. Схема измерения температуры «бегущей» термопарой

и 2, изготовленными из разных инструментальных материалов; они подключены к милливольтметру 3.

В этом случае термоЭДС по закону адитивности не зависит от свойств материала заготовки, которая выполняет только функцию электрического проводника. Электродами естественной термопары являются материалы резцов. По точности этот метод уступает одно-резцовому, поскольку предполагает строго одинаковые температуры контактных поверхностей обоих резцов. Это трудноосуществимо из-за того, что различные инструментальные материалы имеют не­одинаковые коэффициенты трения в паре с одним конструкционным материалом.

«Бегущие» термопары (рис. 3.32) применяют для изучения закона распределения температур на контактных поверхностях инструмен­та. Деталь 4 выполняют в виде винтового гребня прямоугольного профиля. В ней сверлят отверстие диаметром 0,5...0,7 мм, в которое вставляют электроды 1 и 2 термопары в защитной трубке 3 из мате­риала детали. Электродами термопары служат проволочки диаметром 0,1 мм из меди и константана, изолированные эмалью. Концы К\, К% Кз и К[ термопар через передающую систему подключены к осцилло­графу. При перерезании резцом защитной трубки и термопары элек­троды замыкаются на контактной поверхности стружки и поверхно­сти резания. Часть электродов, двигаясь со скоростью стружки, через контакты К\ и К_г фиксирует на пленке осциллографа температуры по ширине площадки контакта стружки с резцом. Другая часть электро­дов, перемещаясь со скоростью, равной скорости резания, через кон­такты Дз^и Ка фиксирует температуры по ширине площадки контакта поверхности резания с резцом.

67

Кроме названных, существуют методы измерения температуры резания, основанные на способности материалов изменять свой цвет при воздействии высоких температур: метод цветов побежалости и метод термокрасок. Однако, как и описанный выше калориметриче­ский метод, они неточны — погрешность их может достичь 30 %. К неточным методам относится анализ микроструктуры тончайших слоев обработанной поверхности; к тому же метод дорог. Более точ­ными, но весьма дорогими методами, являются оптический и радиа­ционный.

3.3. СИЛЫ РЕЗАНИЯ И МОЩНОСТЬ ПРИ ТОЧЕНИИ

В условиях несвободного резания при точении равнодействую­щую силу сопротивления резанию R раскладывают на три составляю­щие (рис. 3.33): P_z — тангенциальную силу, или главную силу реза­ния, которая действует в направлении главного движения станка; р_у _ радиальную силу, действующую в горизонтальной плоскости перпендикулярно оси детали; Р_х — силу подачи, или осевую силу, действующую параллельно оси детали, противоположно направле­нию подачи [78, 47].

Принято по величине силы Р_г производить расчеты прочности и жесткости резца, а также необходимой мощности на осуществление процесса резания. Более правильно было бы точные расчеты резца производить на деформацию косого изгиба от действия силы:

При определении прогиба детали, прочности и жесткости отдель­ных деталей станка за основу принимают величину силы Р_у, а проч­ность и жесткость механизма подачи станка рассчитывают по величи­не силы Р_х. Для измерения сил P_z, P_y и Р_х при точении используют трехкомпонентные токарные динамометры. Установлено, что при точении конструкционных сталей и чугунов резцом с геометрически­ми параметрами ф = 45°, у = 15°, X = 0° имеется следующее соотно­шение сил резания: P_y = (0,4...0,5)P_z;P_x= (0,3...0,4)Pj., а при точении жаропрочных сталей сила Р_у может быть больше по величине, чем сила P_z. С увеличением угла ф и с уменьшением переднего угла у отно­шение P_y/P_z уменьшается, а отношение Р_х/Р_г увеличивается. Кроме того, относительные величины Р_х и Р_у возрастают с увеличением из­носа резца, особенно при затуплении его по задней поверхности. Для точного определения составляющих силы резания P_z, P_y и Р_х сущест­вуют уравнения, полученные экспериментальным путем [78].

Равнодействующая сила [6, 78]

(3.24)

Зная величину сил резания, можно определить мощность, необ­ходимую для осуществления процесса резания. Эту мощность назы­вают эффективной, так как она не включает затраты мощности на преодоление сил трения в механизмах станка [78]:

68

Рис. 3.33. Разложение силы резания на три составляющие

(3.23)

(3.25)

или

(3.26)

где v_z = и — скорость резания, м/мин; и = 0 — скорость перемеще-

— скорость

ния резца в радиальном направлении, м/мин; и„ =

1000

подачи, м/мин. Так как величина и_х очень мала по сравнению со ско­ростью резания, третьим слагаемым при подсчете JV_pe3 можно пренеб­речь. Например, при точении с и = 30 м/мин, 5=0,3 мм/об и п == 800 об/мин и_х = 0,24 м/мин. Тогда

(3.27) 9

О пределив эффективную мощность N_pE3 (кВт), можно найти мощность электродвигателя станка (кВт)

(3.28)

_{где Т)ст} _ КПД станка. Обычно г)_ст принимают равным 0,75; К_п — ко­эффициент допускаемой кратковременной перегрузки. В большин­стве случаев К„ = 1,3...1,5.