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)

Тепловые явления при резании

Теплота, возникающая при резании, влияет на износ инструмента, на качество обработанной поверхности, изменение физико-механических свойств материала, на усадку стружки и так далее. Количество теплоты, выделяемое в процессе резания, пропорционально работе затраченной на упругое и пластическое деформирование материала заготовки, преодоление трения и образование новых поверхностей.

Тепловой баланс процесса резания можно записать так:

Q₁ – теплота, выделяемая в результате деформирования материала срезаемого слоя,

Q₂ – теплота, выделяемая за счет трения по передней поверхности стружки,

Q₃ – теплота, выделяемая за счет трения по задней поверхности стружки,

Q₄ – теплота, выделяемая при деформации поверхностного слоя,

q₁ – теплота, отводимая стружкой,

q₂ –теплота, отводимая инструментом,

q₃ – теплота, отводимая заготовкой,

q₄ – теплота, отводимая атмосферой.

В зависимости от условий процесса резания, выделяемое тепло может распределиться так:

Температура резания

В процессе обработки в результате трения поверхностей резца о заготовку и стружку теплота, выделяемая в результате этой работы, накапливается, при этом происходит рост температуры инструмента. Максимального значения температура достигает в центре давления резца, т.е. в той точке передней поверхности, где происходит контактирование её с огибающей режущую кромку стружкой.

В среднем, температура передней поверхности достигает 200 о С. Температура резания значительно влияет на способность резца осуществлять резание в течение определенного времени без переточки. Кроме того, температура резания влияет на усадку стружки, упрочнение и т.д. Температура резания повышается при увеличении режимов резания. При этом наибольшее влияние оказывает скорость резания, наименьшее – глубина. Геометрия резца также влияет на температуру резания. Так с ростом величины переднего и заднего углов температура резания до определенной величины может уменьшаться за счет уменьшения работы по внедрению режущего инструмента в материал. Но при значительном увеличении углов уменьшается теплоотвод. Снижает температуру резания уменьшение главного угла в плане, так как при этом увеличивается площадь контакта, что способствует теплоотводу. Значительное влияние на температуру резания оказывают механические свойства материала заготовки (твердость, прочность и др.), определяющие объем работы, необходимый для деформирования материала, влияют и свойства материала режущей части инструмента, особенно теплопроводность.

Смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ)

Введение в зону резания СОЖ выполняет следующие функции:

· уменьшение трения между поверхностями инструмента и заготовки

· уменьшение температуры резания

· производит охрупчивание материала заготовки (СОЖ способствует разрыхлению материала, т.е. улучшает условия резания)

· способствует процессу стружкообразования.

В зависимости от назначения все СОЖ делятся на две группы:

· охлаждающие – различные растворы и эмульсии

· смазочные – различные масла, керосин и сульфофрезол (масло с добавкой серы).

Охлаждающие СОЖ применяются при черновых работах, когда имеет место значительное усилие и температура резания и т.д. Смазочные СОЖ применяют при чистовых работах. При больших скоростях резания и подачах применение СОЖ вообще не рекомендуется.

Все применяемые СОЖ должны быть безвредны для исполнителя и не должны вызывать коррозии материала инструмента и станка.

Износ режущего инструмента

В процессе резания в результате трения передней и задней поверхностей инструмента о стружку и материал заготовки, происходит изменение геометрии режущей части инструмента. При этом на передней поверхности образуется лунка, износ же по задней поверхности приводит к изменению величины заднего угла a и появлению площадки на задней поверхности, где угол a близок к 0.

Износ инструмента по задней поверхности является определяющим. Износ определяется различными явлениями, происходящими при резании, поэтому существует несколько теорий износа:

1. Абразивный износ. При трении стружки и заготовки об инструмент, их твердые микровключения (частички нароста, цементит, сложные карбиды и т.д.) постоянно разрушают верхние слои инструмента. Длительное истирание приводит к уносу массы материала инструмента, который и определяет изменение его геометрии.

2. Адгезионый износ.При контакте чистых движущихся поверхностей происходит схватывание между отдельными частичками материала резца и стружки или заготовки, то есть происходит постоянное образование и разрушение металлических связей, что и приводит к износу инструмента.

3. Диффузионный износ. При высоких температурах резания создаются условия, при которых материал инструмента или его связка (у твердых сплавов) и материал заготовки взаимно проникают (диффундируют) друг в друга. При длительном резании этот процесс происходит достаточно интенсивно.

4. Окислительный износ. При нагреве инструмента в среде кислородного воздуха на его поверхности образуются малопрочные окислы (в 40-60 раз меньше, чем у твердых сплавов). Эти окислы легко разрушаются под действием движущейся стружки или заготовки.

5. Усталостный износ. При контакте между движущимися микронеровностями, в материале режущей части возникают волны деформации. Перед микронеровностью материал сжимается, а после – растягивается. Такое циклическое чередование волн приводит к усталостному износу.

В реальных условиях износ инструмента, вероятней всего, есть результат действия всех перечисленных факторов. На скорость износа влияют свойства обрабатываемого материала, геометрия резца, качество обработки и материал режущей части инструмента, элементы режима резания и применение СОЖ.

Силы резания

В результате сопротивления срезаемого материала, упругой пластической деформации, трения между поверхностями резца и заготовки возникают силы резания.

При работе токарного резца сила резания Р может быть представлена в виде трех составляющих, где модуль силы Р вычисляется как корень квадратный из суммы квадратов составляющих:

P_z — сила касательная к поверхности резания и по направлению совпадает с направлением главного движения;

Р_x – осевая сила, параллельная оси заготовки;

P_y – радиальная сила, направленная перпендикулярно к оси заготовки.

Обычно P_y, Р_x принято выражать в долях P_z:

Р_y=0,4¸0,5 P_z

Для приближенных расчетов достаточно определить P_z. При продольном точении

P_i=C_Pi×t x i ×S y i ×V n i ×k_i, тогда

P_z=C_Pz×t xp z ×S ypz ×V np ×k_P

i — индекс составляющей силы резания,

C_P — коэффициент, значение которого опре-деляется при значении всех факторов (коэффициентов), определяющих условия резания равным единице.

t — глубина резания,

S – подача резания,

V — скорость резания,

x,y,n – степенные показатели, определяющиеся по таблице,

x – влияние глубины резания,

y – влияние подачи на силу резания,

n – отрицательный показатель, что говорит о том, что с ростом скорости реза-ния, усилие уменьшается.

Существует также обобществленный коэффициент, учитывающий изменение значения факторов, определяющих резание и отличный от факторов, включенных в C_Pi.