Тепловыделение в процессе резания

Рассмотрим простой пример – резец строгает заготовку.

Резец воздействует на заготовку силой P. Длина заготовки l. Ясно, что при каждом ходе вперёд (справа налево) резец совершает работу A=P⋅l. Предположим, что резец прострогал всю верхнюю грань заготовки. Для этого ему пришлось совершить много ходов вперёд-назад. При строгании совершена большая механическая работа. Строгание завершено: заготовка стала на 2…3 мм ниже, рядом с ней находится настроганная стружка. А где работа? Работа превратилась в теплоту: нагрелись стружка, деталь и резец. Посмотрим, как механическая работа превращается в теплоту в процессе резания.

Источники тепловыделения в процессе резания:
1 – зона внутреннего трения – зона опережающей деформации,
2 – зона внешнего трения – трение стружки о режущий клин,
3 – зона внешнего трения – трение режущего клина об обработанную поверхность.

Из школьного курса физики ясно, как выделяется теплота в зонах 2 и 3. Некоторого пояснения требует тепловыделение в зоне 1 – зоне опережающей деформации. В этой зоне, в верхней её части (примерно от середины и до границы AO), слои обрабатываемого материала пластически сдвигаются (проскальзывают) друг относительно друга. При этом, как и при проскальзывании друг по другу внешних поверхностей (стружки по режущему клину, режущего клина по обработанной поверхности), происходит тепловыделение за счёт работы сил трения. Количество теплоты, выделяющейся при резании, зависит, прежде всего, от свойств обрабатываемого материала. Чем обрабатываемый материал прочнее и твёрже, чем он более вязкий, тем больше требуется работа на отделение от его поверхности стружки, тем больше выделится теплоты. Количество выделяющейся теплоты зависит и от интенсивности процесса резания. Резание с большей скоростью и большей подачей, срезание более толстого слоя припуска требует большей работы, выделяется больше теплоты. Ещё тепловыделение зависит от остроты (правильнее сказать от геометрии) режущего клина. Чем клин острее, тем легче он внедряется в заготовку, тем меньше работа резания, тем меньше выделяется теплоты.

Выделившаяся в зоне резания теплота распределяется между стружкой, поверхностью обработанной детали и режущим клином. Распределение её зависит от теплопроводности обрабатываемого материала, теплопроводности материала режущего клина, толщины срезаемого слоя, формы режущего клина и мн. др. факторов. Большая часть теплоты (иногда почти вся теплота) уходит со стружкой. Остальная теплота в соизмеримых количествах распределяется между обработанной поверхностью и режущим клином.

Нагрев детали может частично устранить наклёп её поверхности, создать в поверхностном слое термические напряжения, которые суммируются с напряжениями наклёпа. Самое неприятное – нагрев детали снижает точность её обработки.

В режущий клин попадает от 5 до 15 % от выделившейся в зоне резания теплоты. Но эта теплота концентрируется в очень малом объёме – у вершины режущего клина. Режущий клин сильно разогревается, температура у его вершины достигает многих сотен градусов (может превысить +1000∘C). Поэтому зону резания надо принудительно охлаждать и для изготовления режущих инструментов следует применять материалы с высокой теплостойкостью.