Теплообмен в зоне резания металлов

[2] с.67-85

 

При обработке металлов резанием возникает теплота как результат превращения механической энергии в тепловую. Возникая как результат деформации и трения, теплота, свою очередь, оказывает влияние на ход процесса резания. Повышение температуры ведет к изменению физических свойств обрабатываемого металла, что изменяет силы резания. С повышением температуры изменяются условия трения на контактных площадках инструмента, вызывая изменение характера его износа.

Как известно из курса «Теория резания», основным источником теплоты является зона стружкообразования (рис. 6.1).

 

Рис. 6.1 – Схема зоны стружкообразования

 

На рисунке 6.1. показаны – OL – длина контакта стружки и передней поверхности, OS – длина контакта задней поверхности и поверхности резания, ON – поверхность сдвига.

На рисунке показаны источники теплообразования в зоне резания – I₁ – поверхность сдвига, где протекают пластические деформации и срезаемый слой превращается в стружку, I₂ – контактная площадка на передней поверхности и I₃ – на задней поверхности, где теплота возникает как результат работы сил трения.

Стружка перемещается по передней поверхности со скоростью v_c. В результате усадки стружки скорость v_c меньше скорости резания v.

 

,

 

где k_l – коэффициент укорочения стружки.

 

В зоне стружкообразования действуют силы – Р_z – главная составляющая, совпадающая со скоростью резания, Т₁ и Т₂ – силы трения на контактных площадках лезвия. Общая мощность тепловыделения в зоне резания

W = P_zν

 

В свою очередь, общая мощность тепловыделения эквивалентна механической работе

, (6.1)

 

где – мощность, затрачиваемая на пластическое деформирование срезаемого слоя,

W_T1, W_T2 – мощности, затрачиваемые на трение контактных площадок. Составляющие общей мощности тепловыделения могут быть определены следующим образом.

Тепловая мощность источников I₂ и I₃

 

(6.2)

(6.3)

 

Тепловую мощность источника I₁ можно определить как

 

(6.4)

 

Силы P_z, T₁ и T₂ рассчитываются по формулам теории резания или определяются экспериментально.

Различные участки зоны резания нагреваются неодинаково. В связи с этим внутри зоны стружкообразования проходят тепловые потоки различной интенсивности и направления. Наибольший интерес вызывают тепловые потоки, проходящие через лезвие инструмента, так как они непосредственно влияют на его работоспособность.

Через лезвие инструмента проходят два итоговых тепловых потока. Итоговые тепловые потоки представляют собой сумму потоков от всех трех источников теплоты. Итоговый тепловой поток q_n через переднюю поверхность всегда направлен в лезвие. Итоговый тепловой поток q₃ через заднюю поверхность складывается из потоков, направленных в разные стороны, и при определенных условиях может иметь направление как в лезвие, так и в заготовку. Направление итогового потока q₃ в большой степени зависит от износа инструмента h₃ по задней поверхности.

На рисунке 6.2 показана типичная картина изменения во времени плотности итоговых потоков q_n и q₃.

 

 

 

Рис. 6.2 – Схема изменения плотности итоговых тепловых потоков во времени.

 

На рисунке 6.2 в верхней части показана схема износа лезвия инструмента по задней поверхности. Период времени от 0 до τ₁ – носит название периода приработки, период τ₁ – τ₂ – период установившегося износа, период более τ₂ – период катастрофического износа. Как видно из схемы, поток q_n во все время работы инструмента направлен в лезвие и мало изменяется с течением времени. В период приработки тепловой поток q₃ направлен в лезвие, пока инструмент холодный. Затем в момент τ₁ поток меняет направление из лезвия в заготовку, т.е. заготовка является охладителем. В период τ₁ – τ₂ тепловой поток q₃ меняется мало. Это соответствует периоду установившегося износа и установившемуся теплообмену. По мере увеличения ленточки износа по задней поверхности h₃ интенсивность теплового источника I₃ увеличивается, и в момент τ₂ тепловой поток q₃ изменяет направление, теплота поступает в лезвие. Это ведет к резкому возрастанию температуры, наступает катастрофический износ.