Особенности распространения тепла при резании металлов

Тепло, выделяющееся в процессе резания в плоскости сдвига и на поверхностях трения резца со стружкой и изделием, поступает в стружку, деталь и резец, рис. 2.3.

Тепловой поток Ф_1, уходит в стружку и деталь

Ф₁= Ф_1с+Ф_1д (2.8)

Поток Ф₂ распределяется между стружкой и резцом.

Ф₂=Ф_2с+Ф_2р (2.9)

	Рис.2.3. Схема распространения теплового потока при резании металлов

а поток Ф₃ − между деталью и резцом

Ф₃=Ф_3д+Ф_3р. (2.10)

Через первый источник тепла, расположенный в плоскости сдвига, проходит весь объём металла, переходящего в стружку. Вследствие этого тепло Ф₁ распределяется равномерно по всему объёму стружки и только часть этого потока Ф_1д уходит в деталь. В связи с тем, что тепловой источник наклонен к линии среза под углом в изделие попадает лишь наибольшая часть потока Ф₁, особенно при больших скоростях резания. Таким образом, почти все тепло из зоны деформации поступает в стружку, равномерно прогревая её по всему объёму. Второй и третий источники тепла расположены касательно к движущейся стружке и детали. Поэтому, несмотря на меньшие мощности этих источников, повышение температуры контактных поверхностей от трения резца со стружкой и изделием может быть большим, чем от деформации в плоскости сдвига.

Важнейшая особенность процесса распространения тепла при резании связана с тем, что деталь и стружка движутся с большими скоростями относительно источников тепла, тогда как резец неподвижен относительно этих источников.

Время, в течение которого частица стружки проходит вдоль передней поверхности резца, измеряется тысячными долями секунды. При столь малых значениях времени нагрева распределение температуры стружки по нормали к источнику тепла будет крайне неравномерным, градиент температуры стружки на поверхности её контакта с резцом будет очень большим.

Градиент температуры стружки будет тем больше, чем выше скорость резания и чем меньше связанное с этой скоростью время нагрева элемента стружки.

Время нагрева резца, как правило, в тысячи и десятки тысяч раз превышает время нагрева частиц стружки. Поэтому распределение температуры в резце будет более равномерным, чем в стружке. Градиент температуры резца на поверхности его контакта со стружкой будет значительно меньше градиента температуры стружки.

Согласно закону Фурье тепловой поток пропорционален градиенту температуры (2.11).

. (2.11)

В связи с этим потоки тепла Ф_1с и Ф_2с в стружку и Ф_1д,, Ф_3д в деталь будут много больше, чем потоки тепла Ф_2р, Ф_3р в резец. В результате такой особенности температура контактных поверхностей резца определяется процессом распространения тепла в стружке и изделии и очень слабо зависит от распространения тепла в резце. Деталь и стружка являются мощными стоками тепла и с увеличением скорости резания теплоотвод в деталь и стружку улучшается. Поэтому при больших скоростях в стружку уходит 75-80% всего тепла, образующегося в процессе резания, то есть практически все тепло от плоскости сдвига и передней поверхности резца, в деталь около 20% − все тепло от зоны трения задней поверхности резца с деталью, в резец же поступает лишь несколько процентов, а зачастую даже доли процента теплового потока, эквивалентного мощности резания.

С уменьшением скорости резания и теплофизических характеристик обрабатываемого материала доля тепла, отводящегося резцом, увеличивается (так как уменьшается разница между градиентами температуры стружки и резца, детали и резца). Отвод тепла из зоны резания через инструмент может быть ещё более увеличен с помощью охлаждения режущего инструмента.

Увеличение теплоотвода через инструмент охлаждением инструмента является одним из способов уменьшения температуры резания. Применение охлаждения инструмента оказывается эффективным лишь в тех случаях, когда доля тепла, отводящегося инструментом, достаточно велика (при малых скоростях резания, малой температуропроводности обрабатываемого или высокой температуропроводности инструментального материала).

С увеличением скорости резания эффективность охлаждения инструмента падает. Поверхностное охлаждение детали или стружки (например, с помощью охлаждающей жидкости) вообще не оказывает никакого влияния на температуру контактных поверхностей резца со стружкой и изделием.

2.4. Расчёт температуры резания

В процессе резания тепло образуется в трёх источниках – в плоскости сдвига ОА, на передней поверхности ОС и на задней поверхности резца Оh [1]

рис. 2.4.

Рис.2.4. Расчётная схема. 1 – резец, 2 – деталь, V – скорость резания, V₁ – скорость схода стружки, K – коэффициент усадки стружки, а – толщина срезаемого слоя¸ а ₁ – толщина стружки, ОА – длина плоскости сдвига, C = ОС – длина контакта стружки с передней поверхностью резца, h = oh – ширина площадки (фаски) износа задней поверхности резца, q_1, q_2, q₃ – интенсивности тепловых потоков в плоскости сдвига на передней и задней поверхности резца соответственно, – угол наклона плоскости сдвига.

Допущения, принятые при построении расчётной схемы

1. Схема резания такова, что процесс стружкообразования можно считать плоским и рассматривать его в каком-либо одном сечении, параллельном вектору скорости резания V и вектору схода стружки V₁.

2. Процесс резания будем считать установившимся.

3. Выделение тепла деформации и тепла трения локализовано в полосовых источниках, которые проектируются на плоскость чертежа в отрезках OА, OC, и Oh.

4. Касательные напряжения в условной плоскости сдвига и на гранях инструмента распределены равномерно.

5. Будем считать, что скорость резания достаточно велика, и для расчёта температур на гранях инструмента можно применить метод быстродвижущихся источников тепла. Критерий Пекле Pe для стружки , для задней грани .

6. Перетоки тепла через режущий клин малы по сравнению с мощностью теплоисточников OC и Oh и при расчёте контактных температур их можно не учитывать.

7. Прочностные характеристики обрабатываемого материала будем считать не зависящими от температуры.