Образование и распределение тепла при резании металлов. Температура резания

В процессе резания металлов меха­ническая энергия, затрачиваемая на работу резания, переходит в тепловую. В зоне резания возникает тепло за счет работы, затрачиваемой на пластичес­кие деформации Q_д (рис. 11) и преодоление

Рис. 11. Распределение тепла (при резании) между стружкой, ин­струментом и заготовкой

трения по передней Q_т.п и зад­ней поверхностям резца Q_т.з. Нагрева­ются заготовка, режущий инструмент и стружка. При значительной скорости температура в зоне резания достигает значительных величин. При работе на высоких скоростях при точении и фре­зеровании можно наблюдать сходящую из-под резца или фрезы ярко-красную стружку, нагретую до 900 °С. На обра­ботанной поверхности стальной дета­ли появляются цвета побежалости, свидетельствующие о высокой темпе­ратуре поверхностного слоя детали во время соприкосновения ее с задней по­верхностью инструмента. Полученное тепло при точении распределяется сле­дующим образом: уходит в стружку 50—80 % (Q_дс+Q_тп);в резец 40—10 % (Q_п+Q_з), в обрабатываемую деталь 9—3% (Q_тз+Q_д) и в окружающую среду около 1 %. При затуплении инст­румента характер распределения тепла изменяется: резец и заготовка нагрева­ются в большей степени. Как в струж­ке, так в резце и в заготовке тепло распределяется неравномерно. В слоях стружки, ближе расположенных к пе­редней поверхности резца, температура выше, чем в слоях, удаленных от нее (рис. 12). Температура обрабатываемой

Рис. 12. Распределение темпе­ратур на передней поверхно­сти резца (по Б. И. Костецкому)

заготовки понижается по мере уда­ления рассматриваемой точки от по­верхности резания, а наибольшая тем­пература находится в месте контакта резца с заготовкой. Температура инст­румента также различна в различных точках. Самая высокая температура соответствует точке, лежащей в центре давления стружки на резец.

Температура резания. Под темпе­ратурой резания понимается средняя температура на поверхности контакта инструмента со стружкой. На темпера­туру резания Q влияют многие факто­ры: механические свойства обрабаты­ваемого материала, размер площади срезаемого слоя и скорость резания:

где c_q — коэффициент, характеризую­щий род и механические свойства об­рабатываемого материала, геометри­ческие параметры инструмента и свой­ства СОЖ; v — скорость резания, м/мин; т, п, q — коэффициенты степе­ней, причем m>n>q, т. е. на темпера­туру резания большее влияние оказы­вает скорость, затем толщина срезае­мого слоя а и наименьшее — ширина срезаемого слоя b.

Большое влияние на температуру резания оказывают механические свой­ства обрабатываемого металла. Чем выше предел прочности и твердость металла заготовки, тем большее сопро­тивление необходимо преодолеть при стружкообразовании, тем большую ра­боту надо затратить на резание, тем больше выделится тепла и будет выше температура резания. При резании твердых материалов стружка соприка­сается с передней плоскостью резца на меньшей площади, чем при резании мягких сталей. Это повышает давление на единицу поверхности контакта, а отвод тепла в тело резца и толщу стружки ухудшается, что приводит к повышению температуры в поверхност­ных слоях резца. Чем выше теплоем­кость и теплопроводность обрабатыва­емого металла, тем лучше отвод тепла в стружку и в обрабатываемую заго­товку и тем меньше температура на по­верхности резца.

Большое влияние на температуру резания. оказывают геометрические элементы резца: угол резания, глав­ный угол и радиус закругления при вершине резца. Отрицательный перед­ний угол по сравнению с положитель­ным вызывает большие деформации и приводит к большему выделению тепла. При работе с передним углом y =-10° температура резания повы­шается на 15° по сравнению с работой резцом, имеющим положительный угол у =+10°. При увеличении главного угла в плане уменьшается ширина стружки и длина активной части режу­щей кромки, что приводит к менее ин­тенсивному отводу тепла в заготовку и в тело резца, теплота концентрируется на меньшей ширине среза около вер­шины резца, и температура резания повышается. Наиболее резкое увели­чение температуры резания происхо­дит в пределах =20—60 °.

Радиус закругления при вершине резца в плане оказывает влияние на общее тепловыделение и на его отвод. Увеличение радиуса закругления хотя и увеличивает тепловыделение, но и увеличивает длину активной части ре­жущей кромки, объем головки резца улучшает отвод тепла в тело резца и в заготовку, что является преобладаю­ щим, и приводит к снижению темпе­ратуры резания. Чем больше площадь поперечного сечения тела резца, тем интенсивнее отвод тепла от мест его образования в тело резца, тем меньше температура резания.