Уравнение теплового баланса при резании формула

Тепловой баланс процесса резания

Дата добавления: 2015-07-09 ; просмотров: 3893 ; Нарушение авторских прав

В процессе резания тепловые явления играют важную роль. Именно они определяют температуру в зоне резания, которая оказывает прямое влияние на характер образования стружки, нарост, усадку стружки, силы резания и микроструктуру поверхностного слоя. Еще более существенно воздействует температура резания на интенсивность затупления инструмента и период его стойкости.

Пути распространения тепловых потоков без учёта искусственного охлаждения представлены на рисунке охлаждения представлены на рисунке.

Рисунок 7.1 Схема движения тепловых потоков

Источником теплоты при резании металлов является работа, затрачиваемая: на пластические и упругие деформации в срезаемом слое и в слоях, прилегающих к обработанной поверхности и поверхности резания; 2) на преодоление трений по передней и задней поверхностям резца.

. В связи с меньшими пластическими деформациями и меньшим трением от сыпучей стружки надлома общее количество теплоты, образующейся при обработке чугунов, меньше, чем при обработке сталей (при прочих равных условиях), что подтверждается формулой количества теплоты, выраженной через работу и механический эквивалент теплоты:

где Q — количество теплоты, образующейся при резании, в кал/мин;

P_zV — работа резания в Дж/мин; P_z — сила резания, совпадающая с направлением движения резания, в кгс; V—скорость резания в м/мин; Е — механический эквивалент теплоты, равный 427 Дж/кал.

При одинаковых условиях резания сила Pi при обработке чугунов меньше , чем при обработке сталей, а следовательно, меньшим будет и количество теплоты.

Теплота, выделяющаяся в процессе резания, согласно законам физики, распространяется от участка с высшей температурой к участкам с низшей температурой.

Тепловой баланс при резании может быть выражен следующим уравнением;

где Q—общее количество теплоты, образующейся при резании; Q_стр — количество теплоты, уносимой со стружкой; Q_инс — количество теплоты, остающейся в резце; Q_заг —количество теплоты, остающейся в заготовке; Q_окр.ср — количество теплоты, уходящей в окружающую среду при излучении.

Еще Я. Г. Усачев показал, что в стружку уходит от 60 до 86% общего количества теплоты, причем чем больше скорость резания, тем выше этот процент. В среднем при токарной обработке в стружку уходит 50—86% общего количества теплоты, в резец 40—10%, в заготовку 9—3% и в окружающую среду около 1%. На распределение теплоты между объектами влияет ряд факторов, наиболее важными из которых являются скорость резания и толщина среза; при чистовой обработке в заготовку уходит теплоты больше, чем при черновой обработке.

Теплота, переходящая в резец, размягчает его (снижает твердость) и делает менее износостойким. На стойкость инструмента в основном влияет высокая температура, создаваемая в тонких поверхностных слоях , подвергающихся износу. Под действием высокой температуры (температуры резания) в этих слоях могут происходить отпуск и соответствующие структурные изменения, сильно влияющие на твердость , а следовательно, и на интенсивность износа режущего инструмента.

Так, твёрдая структура мартенсит (HRC 62—65), получаемая в результате соответствующей термической обработки быстрорежущей стали, начиная с температуры 550—600°С, интенсивно распадается на менее твердые и износостойкие структуры (троостит, троосто-мартенсит), что делает инструмент из быстрорежущих сталей неработоспособным (быстроизнашивающимся), если его поверхности трения будут нагреваться в процессе резания до 600° С и выше.

Выделяясь в зоне стружкообразования и в местах контакта стружки с инструментом и инструмента с заготовкой, теплота влияет на состояние трущихся поверхностей (изменяя коэффициент прения), на точность обработки, на весь процесс резания и связанные с ним явления (деформации, наростообразование, упрочнение, износ инструмента и др.). .

В связи с этим необходимо знать влияние различных факторов на тепловыделение, распределение температурных полей и методы определения температуры в процессе резания

Глава 4. Тепловыделение при резании

Глава 4. ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЕ ПРИ РЕЗАНИИ

Исследованиями установлено, что при резании конструкционных материалов более 99,5% работы резания переходит в тепло. Тепло оказывает влияние на износостойкость инструмента, на качество обработанной поверхности, на процесс трения и наростообразование, изменяет физико-механи-ческое и структурное состояние материала в зоне резания.

4.1. Источники образования тепла и его распределение

Общая работа, затрачиваемая на резание, может быть представлена как сумма составляющих работ: на упругие и пластические деформации и на преодоление трения по рабочим поверхностям инструмента. Количество выделяемого тепла, соответствующее работе резания или любой ее составляющей Аi, может быть определено по формуле:

,

где 427 – механический эквивалент тепла в кг·м/кал.

На основании вышесказанного количество тепла, образующегося при резании, определяется тремя источниками тепловыделения, соответствующим трем зонам, в которых совершается механическая работа (рис. 26):

Рис. 26. Источники образования тепла в зоне резания

Тепло деформации Qд образуется в зоне сдвигов на условной плоскости сдвига; тепло трения Qmп на передней поверхности – в пределах площадки контакта между стружкой и инструментом шириной C; тепло трения Qmз на задней поверхности – в пределах площадки контакта между поверхностью резания и инструментом шириной C2.

Образовавшееся тепло распространяется из очагов теплообразования к более холодным областям, распределяясь между стружкой, деталью и инструментом. При этом устанавливаются следующие тепловые потоки (рис. 27): в стружку, инструмент и деталь.

Рис. 27. Потоки тепла в стружку, инструмент и деталь

Часть тепла деформации Qдс от условной плоскости сдвига переходит в стружку. Из зоны трения на передней поверхности в стружку переходит часть тепла трения, равная Qmп − Qп , где Qп − тепло, уходящее в инструмент. В результате интенсивность теплового потока в стружку определяется:

.

Часть тепла деформации Qд дет от условной плоскости сдвига переходит в деталь. Туда же из зоны трения на задней поверхности переходит часть тепла трения, равная Qmз − Qз , где Qз − тепло, уходящее в инструмент. В результате суммарный тепловой поток в деталь можно представить формулой:

.

Температурное поле режущего инструмента определяется тепловым потоком:

.

Расход тепла, образовавшегося при резании, можно выразить уравнением, называемым уравнением теплового баланса:

,

где Qср − количество тепла, уходящего в окружающую среду.

Поскольку образовавшееся тепло пропорционально совершаемой работе, количество тепла зависит от рода и механических свойств обрабатываемого материала, геометрических параметров инструмента и режима резания.

На процентное распределение тепла между стружкой, деталью и инструментом главное влияние оказывают теплофизические свойства обрабатываемого и инструментального материалов и скорость резания.

В среднем при токарной обработке при обработке сталей быстрорежущим инструментом в стружку уходит 50-86% общего количества тепла, в инструмент – 40-10%, в обрабатываемую заготовку – 9-3% и в окружающую среду около 1%. При обработке сталей твердосплавным инструментом в стружку уходит до 71% тепла, в инструмент – 2%, в заготовку – 26%.

Чем выше теплопроводность обрабатываемого материала, тем больше тепла переходит в стружку при одной и той же скорости резания. При обработке хрупких материалов количество тепла, отводимого в стружку и инструмент, меньше, чем при обработке пластичных материалов, что объясняется элементным характером стружки и отсутствием ее постоянного контакта с передней поверхностью. Малое количество тепла, отводимого в инструмент, объясняется более низкой теплопроводностью инструментального материала по сравнению с обрабатываемым материалом.

Рис. 28 показывает, что процентное распределение тепла коренным образом изменяется при увеличении скорости резания: количество тепла, уходящего в стружку, возрастает, а в деталь и инструмент – уменьшается. Увеличение доли тепла, отводимого в стружку, и уменьшение потока тепла в деталь, и особенно в инструмент с увеличением скорости вызвано изменением соотношения между скоростью резания и скоростью теплопередачи из зоны деформации. С увеличением скорости резания режущий инструмент все быстрее пересекает тепловой поток из зоны деформации, тепло не успевает переходить в деталь и большая его часть уносится со стружкой.

Рис. 28. Процентное распределение тепла между стружкой, инструментом и деталью в зависимости от скорости резания

Увеличение скорости резания приводит к уменьшению площадки контакта инструмента со стружкой, поэтому доля тепла, переходящего в инструмент со стороны передней поверхности, уменьшается. Однако, несмотря на то, что доля тепла, уходящего в инструмент, очень мала, средняя температура на передней поверхности инструмента в несколько раз превосходит среднюю температуру стружки.

4.2. Температура резания

Значения температуры в различных точках площадок контакта инструмента со стружкой и заготовкой неодинаковы. На передней поверхности максимальная температура соответствует точке С1 (рис. 26), лежащей примерно на половине ширины площадки контакта (рис. 29). На площадке контакта задней поверхности инструмента с поверхностью резания температура распределяется также неравномерно.

Рис. 29. Распределение температуры на передней поверхности инструмента

Поэтому под температурой резания θ понимают среднюю температуру на поверхности контакта инструмента со стружкой и поверхностью резания. Если через и обозначить средние температуры на площадках контакта передней и задней поверхностей, то температура резания:

.

Поэтому температуру резания иногда называют средней температурой контакта.

Для незатупленного инструмента ширина C2 площадки контакта задней поверхности с поверхностью резания стремится к нулю. В этом случае температуру резания можно считать равной средней температуре на площадке контакта стружки с передней поверхностью инструмента:

.

Наличие сведений о температуре в зоне резания позволяет правильно назначить материал режущего инструмента для данных условий обработки, обосновать применение смазочно-охлаждающих веществ, способов их подвода к зоне резания.

4.3. Влияние условий резания на температуру резания

На температуру резания оказывают влияние различные факторы: обрабатываемый материал, элементы режима резания, геометрические параметры инструмента, СОЖ и характер их влияния очень сложен. Поэтому в инженерных расчетах пользуются эмпирическими зависимостями, полученными на основании измерений. Полное уравнение температуры резания в зависимости от элементов режима резания описывается выражением:

,

где Cθ – коэффициент, зависящий от рода и механических свойств обрабатываемого материала, геометрических параметров инструмента и применяемой смазочно-охлаждающей жидкости.

При любых видах обработки величины показателей степени z, y, x неодинаковы: z > y > x . Неравенство означает, что на температуру резания наибольшее влияние оказывает скорость резания, затем подача (толщина среза) и наименьшее – глубина резания (ширина среза).

Влияние скорости резания на температуру резания выражается экспоненциальной кривой, т. е. с увеличением скорости резания температура увеличивается, но интенсивность этого увеличения постепенно уменьшается. С одной стороны, при увеличении скорости растет работа резания:

,

а, следовательно, и количество выделяемого тепла. С другой стороны, при этом уменьшается сила резания Pz, увеличивается количество тепла, уносимого со стружкой, и уменьшается количество тепла, переходящего в инструмент.

Влияние глубины резания и подачи на температуру резания проявляется через изменение сечения срезаемого слоя, а также активной части режущей кромки (см. рис. 25). С увеличением глубины резания (ширины среза) прямо пропорционально растет сила резания, увеличиваются работа резания и количество выделившейся теплоты. Однако при этом пропорционально увеличивается и длина режущей кромки, т. е. улучшаются условия теплоотвода.

С увеличением подачи (толщины среза) сила резания увеличивается в меньшей степени, а увеличение выделившегося тепла не компенсируется увеличением площадки контакта. С увеличением подачи повышение температуры резания происходит примерно в 2 раза интенсивнее, чем при равнозначном увеличении глубины резания.

Влияние свойств обрабатываемого материала на температуру резания выражается через их влияние на силы резания и на отвод образовавшегося тепла. С увеличением твердости, прочности и пластичности обрабатываемого материала температура резания увеличивается. Чем выше теплопроводность обрабатываемого материала, тем ниже температура резания. Стали с большим содержанием Cr, Ni, W, Mn, а также титановые сплавы отличаются низкой теплопроводностью, поэтому при их обработке температура резания очень высокая, в связи с чем приходится уменьшать скорость резания.

Влияние геометрических параметров инструмента. С увеличением переднего угла инструмента γ уменьшается сила, а следовательно, и работа резания. Однако при этом ухудшаются условия теплоотвода, поскольку уменьшается угол заострения β, т. е. масса рабочей части инструмента. Поэтому существует некоторое оптимальное значение угла γопт , при котором температура резания имеет минимальное значение (рис. 30, а).

Рис. 30. Влияние переднего угла и главного угла в плане

на температуру резания

С уменьшением главного угла в плане φ увеличивается угол при вершине ε, что приводит к увеличению массы головки резца, улучшению теплоотвода и снижению температуры резания (рис. 30, б). При этом изменяется также форма сечения среза: увеличение ширины среза также положительно сказывается на условиях теплоотвода.

Влияние СОЖ. Смазочно-охлаждающие жидкости не только способствуют уменьшению тепловыделения (за счет облегчения процесса стружкообразования и уменьшения трения), но поглощают и отводят часть выделенного тепла, снижая тем самым температуру резания. При этом чем выше теплоемкость и теплопроводность СОЖ, тем выше эффект охлаждения.

Таким образом, выделяемое в зоне стружкообразования тепло оказывает большое влияние на состояние трущихся поверхностей (изменяя коэффициент трения), на точность обработки, на весь процесс резания и связанные с ним явления (наростообразование, упрочнение, износ инструмента, деформации и др.). В связи с этим необходимо знать влияние различных факторов на тепловыделение и распределение температурных полей.

1.3. Тепловой баланс процесса резания

В процессе резания металлов происходит интенсивное тепловыделение. Практически вся механическая работа, затрачиваемая на срезание припуска заготовки, превращается в теплоту. Полное количество теплоты Q, выделяющейся в единицу времени, можно определить из выражения:

где Р — сила резания;

V — скорость резания.

Тепловой баланс в процессе резания можно представить в следующем виде:

Где Qd — количество теплоты, выделяемой при упругопластичной деформации обрабатываемого материала;

QM — количество теплоты, выделяемой при трении стружки о переднюю поверхность лезвия режущего инструмента;

количество теплоты, выделяемой при трении задней поверхности режущего инструмента о заготовку;

Qc — количество теплоты, отводимое стружкой;

количество теплоты, отводимое заготовкой;

Qu — количество теплоты, отводимое режущим инструментом;

Q, — количество теплоты, отводимое в окружающую среду.

В зависимости от технологического метода и условий обработки стружкой отводится от 25 до 85% всей выделяемой теплоты; заготовкой — 10-50%; инструментом — 2-8%. Количественное распределение теплоты, отводимое стружкой через инструмент и заготовку, зависит главным образом от скорости резания V^.

Нагрев режущего инструмента в зоне контакта с прирезцовой стороной стружки до высоких температур (t=800 °С и выше) и связанное с этим тепловыделение отрицательно влияет на инструмент и заготовку: вызывает снижение твердости режущего инструмента и потерю его режущих свойств, структурные превращения в поверхностном слое обрабатываемого металла. Нагрев инструмента вызывает изменение его геомет-рических размеров, что снижает точность обработки, вызывает погрешность геометрической формы обрабатываемых поверхностей.

Температурные деформации режущего инструмента, приспособления, заготовки и станка снижают не только точность, но и качество обра- ботки. Изменение температурного поля по объему заготовки в процессе обработки приводит к погрешности формы обрабатываемых поверхностей. Необходимо отметить, что в значительной части работ по резанию металлов взаимосвязь стойкости инструмента и производительности обработки определялась на основе рассмотрения только тепловых зависимостей без учета трибологии резания [74].

Нагрев до высоких температур инструмента и заготовки отрицательно влияет на точность и качество обработки, на экологическую обстановку в цехе, на работу систем ЧПУ станков. Поэтому в механообрабаты- вающих цехах применяют меры по снижению отрицательного влияния высоких температур при резании. К основным методам борьбы с высокими температурами относятся:

использование обильного охлаждения СОЖ;

применение систем приточно-вытяжной вентиляции и систем кондиционирования воздуха,

проведение наиболее вредных операций в специальных помещениях.