ИСТОЧНИКИ ОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОТЫ И УРАВНЕНИЕ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА ПРИ РЕЗАНИИ

Экспериментально установлено, что при резании практически вся механическая работа, затраченная на процесс снятия стружки, переходит в тепловую энергию.

В зоне резания различают три источника (очага) образования теплоты (рис. 4.1):

  • 1) зона основной пластической деформации (находится около условной плоскости сдвига) с тепловой мощностью Q<$>
  • 2) зона трения стружки о переднюю поверхность инструмента с тепловой мощностью Q
  • 3) зона трения задней поверхности инструмента о заготовку с тепловой мощностью Q.

Таким образом, общее количество теплоты, выделяющейся при резании,

Источники образовании теплоты при резании

Рис. 4.1. Источники образовании теплоты при резании

Потоки теплоты, отводимой в стружку, заготовку и инструмент

Рис. 4.2. Потоки теплоты, отводимой в стружку, заготовку и инструмент

В соответствии с законом теплообмена теплота от источников теплообразования отводится в направлении менее нагретых частей, находящихся с ними в контакте, а именно:

  • - в заготовку ?>, = ?ф, + Qh ;
  • - в стружку Qc = Q,K + Qyc;
  • - в режущий инструмент QH = Qy + (рис. 4.2).

При этом часть теплоты Qoc отводится в окружающую среду, например, с помощью подводимой в зону резания смазочноохлаждающей жидкости (СОЖ). Однако если резание осуществляется на воздухе, то эту теплоту из-за ее малой величины обычно не учитывают.

На основании изложенного уравнение теплового баланса

имеет вид:

Если рассматривать тепловой баланс в единицу времени, то левая часть уравнения (4.1) представляет собой сумму тепловых мощностей трех источников образования теплоты, которые можно найти по уравнениям удельных работ резания и трения [уравнения

(2.43)...(2.47)], используя тепловой эквивалент механической работы Ат,-). При этом тепловые мощности указанных трех источников можно определить по следующим формулам:

где т - касательное напряжение в условной плоскости сдвига; е - относительный сдвиг в зоне деформации; я, b - соответственно толщина и ширина срезаемого слоя; v - скорость резания; vc - скорость схода стружки но передней поверхности, vc = v ; К - коэффициент усадки стружки.

Предположив, что интенсивности тепловыделений внутри каждого из указанных источников образования теплоты распределены равномерно, можно определить их средние интенсивности (плотности), разделив тепловые мощности на площади источников:

В этих формулах площади ОА, О В и OL - это соответственно площадь условной плоскости сдвига и площади контакта стружки с передней и задней поверхностями инструмента.

Распределение теплоты между стружкой ??, заг отовкой Q и инструментом Q,, при точении стали 40Х (Т15К6, t = 1,5 мм, ,v = 0,12 мм/об)

Рис. 4.3. Распределение теплоты между стружкой ??с, заг отовкой Qs и инструментом Q,, при точении стали 40Х (Т15К6, t = 1,5 мм, ,v = 0,12 мм/об)

Если приходные статьи теплового баланса определяются относительно просто и с достаточно высокой точностью, то составляющие расходной (правой) части уравнения (4.1) определяют либо экспериментально, либо путем сложных теплофизических расчетов.

Обычно количество теплоты, отводимой в стружку, заготовку и инструмент, определяют экспериментально с помощью калориметров. По данным отечественных и зарубежных исследователей установлена следующая картина распределения теплоты по указанным направлениям (рис. 4.3) [3]. Здесь с ростом скорости резания количество теплоты, уходящей в сгружку Qc, монотонно возрастает, причем наиболее интенсивно это происходит при резании на низких скоростях. Доля теплоты, поступающей в заготовку Q, и инструмент Q„, при увеличении скорости резания наоборот сокращается. Например, при точении стали 40Х со скоростью резания v = 20...50 м/мин в стружку уходит 30...50 % теплоты, в заготовку - 45...65 %; со скоростью резания v = 150 м/мин в стружку уходит 75 % теплоты, а в заготовку - около 20 %. В инструмент обычно переходит небольшая доля теплоты - около 10... 15 %.

Рис. 4.4. Влияние скорости резания v на среднюю температуру резания 0ср и температуру стружки 0С при точении стали 40Х

(Т15К6, t = 1,5 мм, s = 0,12 мм/об)

Такое влияние скорости резания на распределение теплоты объясняется гем, что с увеличением скорости резания все большее количество теплоты остается в стружке и все меньшее ее количество успевает перейти в заготовку и инструмент. К тому же с ростом скорости резания снижаются степень деформации обрабатываемого материала, а следовательно, силы резания и площадь контакта стружки с передней поверхностью инструмента. Все это приводит к сокращению доли теплоты, переходящей в инструмент. Однако это не означает, что температура на контактных площадках инструмента и в самом режущем клине снижается. Напротив, с ростом скорости резания температура значительно увеличивается. Это объясняется тем, что теплота на контактных площадках инструмента концентрируется в очень узком по толщине слое, составляющем десятые доли микрометра, а также гем, что с ростом скорости схода стружки vc пропорционально увеличивается работа трения на передней поверхности инструмента.

Из рис.4.4 следует, что средняя температура на передней поверхности инструмента 0ср намного выше, чем температура в стружке 9С [3]. В связи с тем, что на площадке контакта стружки с инструментом эти температуры примерно равны, то это свидетельствует о неравномерности распределения температуры по толщине стружки, которая постепенно снижается но мере приближения к ее свободной стороне.

Наряду со скоростью резания на распределение отводимой теплоты большое влияние оказывают механические и теплофизические свойства обрабатываемых материалов. При этом чем выше теплопроводность обрабатываемого материала, гем больше теплоты переходит в заготовку, а чем выше скорость резания, гем меньше теплоты переходит в инструмент (табл. 4.1).

4.1. Распределение тепловых потоков при резании некоторых металлов |3, 34|

Обрабатываемый

материал

Скорость

Количество теплоты, %

резания,

м/мин

в

стружке

в инструменте

в заготовке

Сталь 40Х

21.

..51

45

4,5

47

102...312

75

1,5

22

Жаропрочная

сталь

3..

.15

25

30

45

Алюминий

100

21

2,2

73

При обработке жаропрочных сталей, обладающих по сравнению с конструкционными сталями повышенными прочностью и пластичностью, температура при одинаковых режимах резания будет выше из-за высокой доли теплоты, переходящей в инструмент, что не позволяет осуществлять резание жаропрочных сталей на больших скоростях.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >