Тепловые явления при резании металлов

Общее тепловыделение в процессе резания (Вт) является результатом трансформации в теплоту механической работы деформации в зоне резания, а также работы трения на контактных поверхностях инструмента. В теплофизических расчетах принимают обычно

,

где -главная составляющая силы резания, Н; - скорость резания, м/с.

В свою очередь

,

где , , - соответственно мощности источников, возникающих как результат перехода в теплоту работы деформации и работы трения на передней и задней поверхностях инструмента, Вт (рис.26).

В соответствии с законами механики мощность теплообразующих источников может быть рассчитана по формулам [10]

Рис. 26. Схема распределения тепловых потоков

;

; .

Теплота, распространяясь по технологической системе, расходуется на нагревание инструмента , стружки , заготовки и рассеивается в окружающую среду :

.

Количественные значения тепловых потоков зависят от различных условий резания и обычно составляют:

; ;

; .

Зная эти соотношения при различных видах обработки можно сознательно управлять вышеуказанными тепловыми потоками и соответственно распределением теплоты.

Для определения основных характеристик теплонапряженности процесса резания применяются экспериментальные и расчетные методы. Общее количество теплоты, выделившееся при резании, количество теплоты, ушедшее в стружку, заготовку и инструмент, можно определить с помощью калориметра. Сущность метода калориметрирования заключается в том, что перед началом обработки инструмент и заготовку помещают в изолированный объем (калориметр). После чего измеряют их начальную температуру. Затем измеряют температуру инструмента и стружки после обработки. Зная их массу и удельную теплоемкость можно определить количества тепла, выделившееся в единицу времени.

Для определения температур в зоне резания используют различные методы.

Метод по цветам побежалости.Этот метод используется для определения средней температуры стружки. В зависимости от количества теплоты, выделившейся в зоне резания, образовавшаяся стружка имеет различный цвет, который называют цветом побежалости. По цвету побежалости при использовании соответствующих таблиц можно определить среднюю температуру стружки. Несмотря на свою простоту, данный метод дает значительные погрешности, связанные с тем, что определяется только температура окисленной поверхности стружки.

Метод термокрасок.Данный метод применяется для определения поверхностной температуры, нагретых частей инструмента, он прост, нагляден, но не обеспечивает высокую точность измерения температуры. Специальная термочувствительная краска наносится тонким слоем на поверхности инструмента. Тепло, концентрирующееся в определенном месте инструмента, изменяет цвет краски. Каждая краска имеет определенную шкалу «цвет-температура», позволяющую определить зоны изменения температуры рабочей части инструмента. К недостатку метода относится также то, что он не позволяет определить температуру контактных или близких к ней поверхностей.

Метод термопар.Измерение температур в узких областях зоны резания с помощью термопар было впервые предложено Я.Г. Усачевым в 1912 году.

Рис. 27. Схема искусственной термопары     Рис. 28. Схема полуискусственной термопары

В настоящее время используют три вида термопар: «искусственные термопары», «полуискусственные термопары» и «естественные термопары».

В случае применения «искусственной термопары» (рис. 27) в необходимом месте режущей части инструмента просверливается отверстие, в которое вставляется термопара, состоящая из двух изолированных проводников диаметром 0,3…0,5 мм (хромель-копель, хромель-алюмель). Спай термопары 1 располагают как можно ближе к нагретым поверхностям инструмента, а холодные концы 2 выводятся к гальванометру 3 или другому регистрирующему прибору, например, осциллографу. О температуре судят по показанию прибора, регистрирующего значение термоэлектродвижущей силы (термо-ЭДС). Преимуществом данной термопары является возможность измерения температуры по глубине инструмента, а недостатком – невозможность измерения температуры на поверхности.

При использовании «полуискусственной термопары» (рис. 28) один изолированный проводник 1 выводится на заднюю или переднюю поверхность инструмента и расклепывается или приваривается. Вторым проводником является тело инструмента. Преимуществом данной термопары является возможность измерения температуры на рабо-

Рис. 29. Схема естественной термопары:

чих поверхностях инструмента, а недостатком – невозможность использования инструмента для дальнейшей работы.

Рис. 30. Температурное поле в зоне резания стали 45, полученное радиационно-оптическим методом: = 23 м/мин, а =0,6 мм, = 30о

Использование «естественной термопары» позволяет измерять температуру резания без применения специальных проводников и доработки инструмента. В этом случае проводниками являются заготовка и инструмент, которые тщательно изолируются, а горячим спаем место контакта режущего клина с заготовкой 1 (рис. 29). Так как при механической обработке инструмент и деталь всегда перемещаются (вращательное движение, поступательное и т.д.), то для передачи термотока от горячего спая к неподвижному регистрирующему прибору 5 необходимо помимо проводников 2 и 3 применять специальные конструкции термосъемников 4.

Радиационно-оптические и фотоэлектрические методы.Эти методы дают возможность получить представление о распределении температур в зоне резания путем регистрации ее теплового излучения (рис. 30). Методы связаны с применением сложных оптических установок или фотоэлектрических датчиков и нашли применение при экспериментальных исследованиях процессов резания материалов.

Метод структурного анализа.Под действием температуры в металлах происходят структурно-фазовые превращения и изменяется микротвердость. Эти явления используются в методе исследования температурного поля по анализу микроструктуры и измерения микротвердости. Для этого необходимо знать температуру и время структурных превращений в различных материалах. Метод позволяет построить изотермы на передней и задней поверхностях режущего инструмента.

На основании большого количества экспериментов созданы эмпирические зависимости для расчета температуры в зоне резания. В этих формулах, также как в формулах для определения составляющих силы резания, температура является функцией многих переменных, характеризующих условия обработки, режимы резания, геометрические параметры инструмента и свойства материалов. Эмпирические зависимости имеют вид

,

где - коэффициент, учитывающий конкретные условия резания; - глубина резания; - подача; - скорость резания; - показатели степеней.

Очень важным для теории и практики механической обработки является разработка методов расчета температурного поля в зоне резания. Как правило, решение задач подобного рода осуществляется на основе решения линейного или нелинейного дифференциального уравнения теплопроводности при определенных начальных и граничных условиях.

Линейное дифференциальное уравнение теплопроводности для движущегося по поверхности заготовки теплового источника имеет вид

,

где - температура; - время; - коэффициент температуропроводности; , , - проекции на оси координат вектора скорости движения теплового источника; , , - координаты точек; - оператор Лапласа.

Для решения дифференциальных уравнений в настоящее время наиболее широко используется метод источников (метод функций Грина), позволяющий путем сравнительно несложных преобразований представить температурное поле в виде определенного интеграла или сходящегося ряда и решить линейные, плоские, а также пространственные задачи распространения тепла в инструменте, стружке и заготовке.

Профессором А.Д. Макаровым сформулировано положение, согласно которому для каждой пары «инструмент - заготовка» существует оптимальная температура резания [8]. При этой температуре износ инструмента будет минимальным, а стойкость инструмента будет наибольшей. На основании этого положения установлен порядок назначения режимов резания:

- назначается максимально возможная глубина резания;

- рассчитывается максимально возможная технологическая подача;

- рассчитывается скорость резания исходя из значения оптимальной температуры резания.