Тепловой баланс процесса резания

Дата добавления: 2015-07-09 ; просмотров: 3894 ; 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

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.

Тепловые явления при резании металлов

1. Источники и распределение теплоты в зоне резания

Процесс резания металлов сопровождается значительным тепловыделением в результате того, что механическая работа резания переходит в тепловую энергию. Основными источниками возникновения тепла в зоне резания являются:

внутреннее трение между частицами срезаемого слоя в результате его пластической деформации при образовании стружки ();

трение стружки о переднюю поверхность инструмента ();

трение поверхности резания и обработанной поверхности по задним поверхностям инструмента ().

Схема расположения источников тепла в зоне резания представлена на рис. 1.

Рис. 1. Источники тепла в зоне резании

Наиболее интенсивное выделение тепла происходит в области стружкообразования, прилегающей к плоскости скалывания 1—1 в этой области теплота выделяется в результате двух одновременно протекающих процессов: во-первых, в результате пластической деформации сдвига элементов образующейся стружки по плоскости скалывания; во-вторых, в результате пластической деформации сжатия и частично пластической деформации смятия тонкого слоя металла примыкающего к плоскости скалывания со стороны срезаемого слоя припуска. Этот слой показан на рис. 2 и выделен штриховкой.

Рис. 2. Слой упруго-пластической деформации впереди зоны стружкообразования, перед плоскостью скалывания 1-1

Упругая деформация всегда предшествует пластической деформации и потому имеет место и при пластической деформации срезаемого слоя при резании металлов. Пластическая деформация в этом слое обнаруживается путем измерения микротвердости и существует по той же причине, что и деформация материала под поверхностью резания и под обработанной поверхностью. Возможно количество тепла, выделяющегося в результате упругой деформации невелико, но предполагать вероятность этого процесса и учитывать его существование необходимо.

Общее количество выделяющегося при резании тепла равно сумме тепла, выделевшегося во всех перечисленных выше источниках:

Тепло, образующееся в процессе резания, не аккумулируется в местах его образования, а распространяется от точек с более высокой температурой к точкам с низкой температурой. Из зоны резания тепло уносится со стружкой (q 1 ), передается в заготовку (q 2 ) и инструмент (q 3 ) и распространяется в окружающую среду (q 4 ).Тепловой баланс процесса резания может быть выражен уравнением:

Q 1 + Q 2 + Q 3 = q 1 + q 2 + q 3 + q 4

Соотношение количества тепла, отводимого со стружкой в деталь, в инструмент и окружающую среду, зависит от физико-механических свойств обрабатываемого материала, режима резания, геометрии режущего инструмента и внешних условий, в которых осуществляется резание.

Рис. 3. Зависимость образования и распределения теплоты, от скорости резания

В начале обработки температура в зоне резания растет до какого-то определенного значения и устанавливается постоянной, соответствующей стационарному тепловому режиму, при котором выделение тепла равняется отводу его по перечисленным направлениям. Для практических целей наибольший интерес представляет температура рабочей части инструмента и обрабатываемой заготовки. Тепло, переходящее в заготовку, увеличивает ее температуру и вызывает температурное изменение ее размеров и коробление, подчас являющееся причинами брака.

Теплота, переходящая в инструмент, при всей своей относительной незначительности, концентрируясь в малых объемах материала инструмента, вызывает сильный разогрев его в этих объемах и снижение режущих свойств и износоустойчивости инструмента. С увеличением скорости резания доля тепла, переходящего в инструмент, уменьшается, но абсолютное его количество возрастает и температура в зоне резания увеличивается до значений, близких к температуре красностойкости металла инструмента.

2. Методы измерения температуры в зоне резания

Существует несколько методов измерения температуры в зоне резания. Калориметрический метод (Рис. 4) заключается в том, что стружка собирается в калориметре с водой. Зная количество воды в калориметре, вес стружки и ее теплоемкость, можно определить среднюю температуру стружки по разности температуры воды в калориметре до, и после резания.

где: средняя температура стружки,

— температура смеси воды и стружки в калориметре,

— вес воды в калориметре,

— вес стружки в калориметре.

Рис. 4. Схема измерения температуры калоритмическим методом

Температуру поверхности инструмента за пределами зоны его контакта с обрабатываемым изделием или стружкой можно определить с помощью термочувствительных красок, которые изменяют свой цвет при нагревании до определенной температуры.

Рис. 5 Схема измерения температуры в зоне резания методом естественной термопары, где 1- обрабатываемая заготовка, 2- резец, 3-изоляция, 4-милливольтметр

Метод измерения температуры с помощью термопар является наиболее удобным и более широко применяется в современных исследованиях. Метод измерения естественной термопарой (Рис. 5) наиболее прост по осуществлению, но для получения абсолютных значений температур требует проведения очень трудоемкой операции градирования термопары «инструмент — обрабатываемый материал».

Для наблюдения за изменением температуры контактных слоев стружки при перемещении ее по длине контакта может применяться «бегущая термопара». Суть этого метода заключается в том, что в заготовку заделываются термопары, которые при перерезании их режущим лезвием инструмента образуют слой термопары, скользящий (бегущей) по передней и задней поверхностям. Схема метода представлена на рис. 6.

Рис. 6.Схема измерения температуры на передней и задней поверхностях инструмента методом бегущей термопары

Разновидностью метода естественной термопары является «метод двух резцов» (рис. 7), который сводится к резанию одновременно двумя резцами, изготовленными из разных материалов. Этот метод позволяет исключить мучительный процесс градирования термопары для каждого вида обрабатываемого материала; термопара градируется один раз, и полученная градуировочная кривая используется для всех обрабатываемых материалов.

Рис. 7. Схема измерения термопары методом «двух резцов»

3. Температурное поле после резца

Измерениями установлено, что теплота в зоне резания распределяется неравномерно. Наибольшая температура действует на передней поверхности при удалении от главной режущей кромки на 1/3 длины контакта стружки с передней поверхностью. Совокупность мгновенных значений температуры в различных точках зоны резания называется температурным полем. Температурное поле дает наиболее яркую и полную картину температурной обстановки в зоне резания.

Рис. 8. Температурное поле (а) и распределение температуры в зоне резания (б)

4. Зависимость температуры от элементов режима резания

Многочисленные исследования зависимости температуры от различных факторов показывают, что температура в зоне резания зависит от физико-механических свойств обрабатываемого материала, режима резания, геометрии режущего инструмента и многих других условий. Наибольшее влияние на температуру в зоне резания оказывает скорость резания, в меньшей степени влияет подача, а влияние глубины резания почти не обнаруживается. Из геометрических параметров режущей части инструмента наиболее сильно на температуру резания влияют передний угол, главный угол в плане и радиус закругления при вершине, сопряжения главной и вспомогательной режущих кромок на вершине режущего лезвия инструмента.

Различными исследованиями предложен ряд аналитических и эмпирических формул для расчета температуры в зоне резания. Аналитические формулы сложны и включают в себя большое число не всегда известных величин. Эмпирические же формулы просты, но справедливы лишь в пределах условий проведения эксперимента. Структура эмпирических формул зависит от числа учтенных факторов, оказывающих какое-либо влияние на величину температуры в зоне резания. Наиболее общими являются формулы вида:

где: — температура в зоне резания, С;

— глубина резания, мм;

— подача, ;

— скорость резания, ;

— константа, учитывающая условия резания.

— показатели степени, показывающие степень влияния каждого элемента режима резания на температуру в зоне резания.

Наиболее часто величина показателей степени для каждого из элементов режима резания находиться в пределах:

;

Это показывает, что наиболее сильно на температуру в зоне резания влияет скорость резания, слабее влияет подача, а глубина резания не оказывает на нее существенного влияния. Это объясняется тем, что с увеличением глубины резания пропорционально ей увеличивается длина рабочего участка главной режущей кромки, и напряженность процесса резания не изменяется, остается прежней.

Данный материал основан на лекциях Подгоркова Владимира Викторовича (д.т.н., проф. кафедры ТАМ, Ивановский государственний энергетический университет)