Зависимость силы и температуры резания от режима резания

Сила резания P_z является функцией свойств обрабатываемого сплава; площади сечения срезаемого слоя и геометрии резца. Если свойства материала неизменны и обработка ведется одним и тем же резцом, то сила резания будетзависеть лишь от площади сечения срезаемого слоя. Номинальная площадь сечения срезаемого слоя ƒ_ном. = S·t, то есть, чем больше подача и глубина, тем больше площадь поперечного сечения срезаемого слоя и объём деформируемого металла, тем больше сопротивление стружкообразованию и сила резания. В общем случае для расчёта силы резания используют эмпирическую формулу:

,

причём x_p =1, y_p < 1, а z_p → 0, т.е. глубина резания оказывает большее влияние на силу резания, чем подача. От скорости резания сила резанияпрактически не зависит, так как при возрастании скорости площадь поперечного сечения не изменяется, однако при V > 160...180 об/мин P_z уменьшается, что вызвано снижением прочности материала из-за повышения температуры резания.Коэффициент C_p учитывает условия резания (геометрию режущей части, свойств материала и т.п.); значения C_p, x_p и y_p определяются по справочникам.

Сила резания определяется динамометрами (механическими, гидравлическими и электрическими).

Механическая энергия, затрачиваемая на срезание с заготовки припуска, почти полностью превращается в тепловую энергию. Небольшая её часть (менее 10 %) переходит в скрытую энергию наклёпа поверхности обработанного материала, стружки, инструмента).

Тепловой баланс процесса резания (рис.4.14):

,

где Q – общее количество тепла, выделяемое в зоне трения, Q_I – тепло, выделяемое в зоне пластической деформации, Q_II – тепло, выделяемое в зоне трения передней поверхности резца по стружке, Q_III – тепло, выделяемое в зоне трения задней поверхности резца по обработанной поверхности; q₁, q₂, q₃ и q₄ – тепло, отводимое в стружку, заготовку, инструмент и в окружающую среду соответственно.

Рис.4.14. Зоны выделения тепла и схема тепловых потоков при резании металла.

Соотношение слагаемых в средней и правой части уравнения теплового баланса зависит от свойств обрабатываемого материала и материала инструмента, режима резания, геометрии инструмента, условий обработки и т.д. Например, при обработке пластичных металлов со скоростью резания V =50 м/мин тепло, выделяемое в зоне пластической деформации, Q_I = 0, 75 · Q, а при V = 200 м/мин q₂ = 0,25 · Q, т.е. при скоростном резании основным источником теплоты является трение.

Количественное соотношение q₁ : q₂ : q₃: q₄ зависит в основном от скорости резания, а так же от вида операции, например при точении наибольшее количество теплоты уходит со стружкой, причём при V = 50 м/мин q₁ : q₂ : q₃: q₄ ≈ 50: 20: 20: 10, а при V = 300м/мин q₁ : q₂ : q₃: q₄ ≈ 75: 8: 10: 7, а при сверлении – в обрабатываемую заготовку.

Температура резания – наивысшая температура нагрева инструмента. Температура резания может быть очень высокой, так как режущее лезвие постоянно находится в зоне наибольшего тепловыделения, а теплопроводность инструментальных материалов сравнительно невелика.

Температура резания в зависимости от режима обработки определяется по эмпирической формуле:

,

где коэффициент C_Т характеризует условия обработки (свойства обрабатываемого материала, применение смазочно-охлаждающих жидкостей, геометрические параметры инструмента). Показатели степени: z_T > y_T > x_Т, т.е. на температуру резания наибольшее влияние оказывает скорость резания, меньше – подача, а наименьшее влияние имеет глубина резания. Последнее объясняется тем, что с увеличением глубины резания возрастает длина активной части режущей кромки инструмента, что улучшает условия теплоотвода.

Геометрия режущей части влияет следующим образом. При уменьшении главного переднего угла γ сила P_z возрастает, а значит возрастает температура резания. При возрастании угла заострения β теплоотвод будет усиливаться, но в меньшей степени, чем тепловыделение температура будет повышаться. При уменьшении главного угла в плане φ активная часть режущей кромки возрастает, следовательно увеличивается угол при вершине ε, возрастает теплоотвод, и понижается температура.

Существуют различные методы измерения температуры в зоне резания: калориметрический, термопар (искусственных, полуискусственных, естественных), термокрасок, цветов побежалости и др. Наиболее точный и распространенный – метод искусственной термопары, предложенный еще в 1912 году Я.Г.Усачевым. Спай искусственной термопары вставляют в просверленное в определенном месте инструмента отверстие, располагая его возможно ближе к источнику тепла, и изолируют его от стенок отверстия слюдой или стеклянной трубкой. Возникающую в цепи термоэлектродвижущую силу, пропорциональную разности температур места спая и холодных концов проволок, измеряют гальванометром. Для перевода термоэлектродвижущей силы в градусы термопару предварительно тарируют.

Лекция № 9

Тема 7: Физические основы процесса резания металлов (продолжение).

Основные вопросы, рассматриваемые на лекции: