8.3. Температура резания

Под температурой резания понимают среднюю температуру на поверхностях контакта инструмента. Решающее влияние на интенсивность изнашивания инструмента оказывает максимальная температура на поверхностях контакта инструмента. Однако для теории и практики часто необходимо знать температуру в любой рассматриваемой точке пространства, содержащего объекты процесса резания: заготовку, стружку и инструмент.

Существуют два метода определения температуры: экспериментальный и теоретический.

В связи с тем, что для оценки температуры чаще применяются эмпирические формулы, получаемые экспериментально, остановимся на рассмотрении экспериментального метода.

Методы измерения температуры весьма разнообразны, как по принципам, так и по техническому осуществлению. Они могут быть объединены в три группы: метод термопар; методы, основанные на измерении интенсивности излучения; методы, основанные на исследовании последствий нагрева инструмента.

Чаще всего применяется метод термопар как наиболее простой и надежный. Для измерения температуры применяются: естественная, искусственная, полуискусственная термопары.

Метод естественной термопары заключается в том, что в качестве элементов термопары используются инструмент и обрабатываемая заготовка. На рис.8.2 показан простейший вариант естественной термопары.

Заготовка 1, резец 2, изолированные от станка, соединены через регистрирующий прибор 3 в электрическую цепь. Поскольку материалы заготовки и резца различны, то место их контакта является источником термоэлектродвижущей силы (ТЭДС), которая однозначно связана с температурой контакта. Измерив ТЭДС с помощью прибора 3, определяют температуру контакта. При этом для каждого обрабатываемого материала надо предварительно выполнить градуировку термопары резец - заготовка, в результате которой получают либо градуировочный график (см. рис.8.3), либо аналитическую зависимость температуры от ТЭДС.

Рис.8.2. Схема измерения температуры резания методом естественной термопары	8.3. График градуировки естественной термопары

Точность этого метода во многом определяется точностью градуировки, которую обеспечить, как показывает практика, затруднительно.

На рис.8.4 показан другой вариант естественной термопары, основанный на методе двух резцов. Резцы 2 и 4 отличаются только материалом и работают при одинаковом режиме резания, поэтому температуры контакта их с заготовкой 1 можно считать с допустимой погрешностью одинаковыми. Резцы через регистрирующий прибор 3 и заготовку соединены в электрическую цепь. При обработке между резцами возникает ТЭДС, которая независимо от обрабатываемого материала однозначно определяется температурой контакта резцов с заготовкой. Выполнив градуировку резцов 1 и 2, можно измерять температуру при обработке любых электропроводных материалов. В этом заключается основное достоинство данного метода.

Рис.8.4. Схема измерения температуры резания методом двух резцов	Рис.8.5. Схема измерения температуры резания методом искусственной термопары

Измерение температуры искусственной термопарой (см. рис.8.5) состоит в том, что элементы термопары в виде тонких проволочек или пластин закладывается в инструмент или заготовку. Для этого в последних сверлят отверстия, либо делают их составными и на стыках устанавливают термопары. Проволочки термопары необходимо тщательно изолировать друг от друга. Достоинства искусственных термопар заключается в том, что отпадает необходимость их градуирования, обеспечивается высокая точность измерения и возможность измерения температуры в любой точке.

Для измерения применяются стандартные термопары, проволочки которых изготовляются из специальных материалов и используются в следующих сочетаниях: медь -константан, железо-константан, хромель-алюмель, хромель-копель и др. Каждая термопара характеризуется наибольшей измеряемой температурой. Так, для термопары медь-константан эта температура не превышает 500°С, хромель-алюмель - 1300°С, хромель-копель - 800°С.

На рис.8.6 показано устройство искусственной бегущей термопары. В пустотелой заготовке просверлены отверстия, в которые установлены термопары. Концы их К₁, К₂, К₃, К₄ присоединены к регистрирующим приборам. При обработке резец перерезает термопару, и концы ее при этом замыкаются через резец. Верхняя часть термопары К₁К₃ переходит в стружку и скользит по передней поверхности - происходит измерение температуры на поверхности контакта инструмента со стружкой. Нижняя часть термопары К₄ скользит по задней поверхности - происходит измерение температуры по задней поверхности. Таким устройством впервые наиболее достоверно была измерена температура на контактных поверхностях инструмента и установлены законы ее изменения по поверхностям контакта.

Рис.8.6. Схема измерения контактной температуры искусственной бегущей термопарой	Рис.8.7. Графики изменения температуры по длине контакта по передней θП и задней θЗ поверхностям

На рис.8.7 показаны типичные графики изменения температуры на передней и задней поверхностях инструмента, полученные с помощью бегущих термопар. Из рис.8.7 можно заключить, что температура на передней поверхности в 1,5…2 раза превышает температуру на задней поверхности и что максимальную температуру на передней поверхности имеют участки лезвия, расположенные примерно посередине поверхности контакта, наибольшую температуру на задней поверхности при чистовой обработке имеют участки фаски износа, наиболее удаленные от режущей кромки.

Рис.8.8. Измерение температуры

полуискусственной термопарой

Для измерения температуры часто применяется полуискусственная термопара, состоящая из одной проволочки (см. рис.8.8). Другим элементом термопары является инструмент или заготовка. Полуискусственная термопара является наиболее компактной, так как применяются проволочки минимального диаметра 0,05…0,08мм. Однако полуискусственную термопару необходимо градуировать для каждого материала инструмента или заготовки.

Измерения температуры производятся либо с целью проверки теоретических расчетов, либо с целью оценки температуры резания и нахождения связи ее с элементами режима резания, выражающейся формулой температуры резания. В общем виде она имеет вид

θ = С V^X S^Y t^Z , (8.2)

где С - постоянная величина, X, Y, Z - показатели степеней.

Установлено, что показатели степеней при самых различных условиях обработки принимают устойчивые значения, изменяющиеся в узком интервале: 0,4 X 0,6; 0,2 Y 0,3; 0,1 Z 0,15.

При этом является устойчивым и такое соотношение X=2Y=4Z. Для анализа влияния элементов режима резания на температуру резания рекомендуется пользоваться средними значениями, при которых формула температуры резания имеет вид

θ = С V^0,5 S^0,25 t^0,125 (8.3)

Формула температуры резания имеет большое значение: с помощью ее можно оптимизировать процесс резания. Профессор А. Д. Макаров сформулировал в качестве одного из законов наивыгоднейшего резания положение: оптимальному режиму резания соответствует оптимальная температура резания независимо от того, каким сочетанием факторов она получена. Обработку резанием, как следует из вышесказанного, необходимо производить при оптимальной температуре.

Оптимальная температура резания - это температура, обеспечивающая наименьшую стоимость обработки. В связи с этим необходимо определить качественную зависимость стоимости обработки от температуры, которая выражается суммой

С_О = С_З + С_И + С_С,

где С_З, С_И, С_С - расходы соответственно на зарплату, инструмент и эксплуатацию станка, необходимые для обработки одной заготовки.

Проанализируем связь этих слагаемых с температурой резания. Увеличить температуру резания при обработке можно путем увеличения одного или нескольких факторов - скорости резания, подачи или глубины. Это неизбежно приводит к повышению производительности труда, сокращению времени обработки одной детали, т.е. штучного времени. Зарплата определяется штучным временем. Таким образом, повышение температуры резания неизбежно ведет к уменьшению штучного времени и зарплаты за обработку одной заготовки, хотя зарплата рабочего при этом не уменьшается, а наоборот, увеличивается, однако в меньшей степени, чем производительность труда. Наглядно такая связь может быть выражена графиком, показанным на рис.8.9.

Увеличение температуры резания повышает затраты на режущий инструмент (см. рис.8.10), так как при этом снижается твердость инструментального материала и увеличивается интенсивность его изнашивания. При этом уменьшается количество деталей, обработанных одним инструментом за полный период стойкости.

Затраты на эксплуатацию станка складываются из затрат на его обслуживание, электроэнергию, смазочные материалы, ремонт и затрат на его амортизацию. Эти затраты включаются в стоимость обработки деталей, изготовленных за срок службы станка независимо от их количества. Увеличение температуры резания вследствие повышения режима резания и производительности труда сопровождается увеличением количества обработанных деталей за срок службы станка и, следовательно, уменьшением затрат, приходящихся на одну деталь (см. рис.8.11.).

Зависимость суммы затрат С_О от температуры показана на рис.8.12, где виден ярко выраженный минимум при оптимальной температуре θ_О.

Обработку необходимо производить при оптимальной температуре. Чем выше эта температура, тем больше производительность. Поэтому необходимо повышать эту температуру. Для этого необходимо знать количественную зависимость ее от факторов обработки, которая в общем виде может быть выражена следующей формулой:

θО =	К θД ССq	(8.4)
	СИm

где К – коэффициент;

θ_Д - допустимая температура для материала инструмента;

С_И - стоимость инструмента или инструментальной наладки в целом;

С_С - затраты на эксплуатацию станка;

q, m - показатели степеней.

Как следует из (8.4.), повышение производительности обработки резанием должно идти по линии повышения теплостойкости инструментальных материалов и их рационального применения. Увеличение стоимости инструмента, увеличение количества инструментов в наладке приводят к снижению оптимальной температуры из-за увеличения при этом С_И и к снижению скорости резания.

Производительность обработки резанием можно характеризовать объемом стружки, срезаемой в единицу времени: П = V S t. Из этой зависимости видно, что скорость резания, подача и глубина резания одинаково влияют на производительность. В любых условиях обработки необходимо обеспечить заданное качество обработки и удовлетворить двум условиям.

1. Обеспечить максимальную производительность.

2. Обеспечить оптимальную температуру резания.

Эти условия можно выразить в следующем виде:

П_max = V_max S_max t_max , θ_O = С V_max^0,5 S_max^0,25 t_max^0,125

Из этих выражений можно получить следующее:

П_max = (V_max^0,5 S_max^0,25 t_max^0,125) (V_max^0,5 S_max^0,75 t_max^0,875)

Поскольку для конкретных условий обработки, характеризующихся маркой обрабатываемого материала, маркой материала режущей части инструмента и его стоимостью, типом и моделью металлорежущего станка и другими, оптимальная температура определенна, то отношение θ_O/С также является определенной и постоянной величиной. Обозначив его С₁ = θ_O/С, получим зависимость для определения наибольшей производительности при оптимальной температуре:

П_max = С₁ V_max^0,5 S_max^0,75 t_max^0,875, (8.5)

или

Пmax	= С1 = const
Vmax0,5 Smax0,75 tmax0,875

В качестве примера рассмотрим следующие варианты.

Пусть	при С1 = 1	V = 1	S = 1	t = 1	П = 1
	при	V = 2	S = 1	t = 1	П = 1,41
	при	V = 1	S = 2	t = 1	П = 1,68
	при	V = 1	S = 1	t = 2	П = 1,83

Из этого примера и выражения (8.5) видно, что наибольшую производительность обработки резанием при оптимальной температуре можно обеспечить за счет увеличения глубины резания, меньшую - за счет увеличения подачи, и наименьшую производительность обеспечивает увеличение скорости резания. Поэтому при выборе элементов режима резания необходимо в первую очередь обеспечить максимально возможную глубину резания t_max, затем подачу S_max, а скорость резания выбрать такой, чтобы обеспечивалась оптимальная температура. Следовательно, выбор глубины резания и подачи не связан с температурой резания. Глубина и подача имеют свои ограничения, скорость резания ограничивается оптимальной температурой резания.

Рис.8.9. Влияние температуры резания на зарплату рабочего за одну деталь	Рис.8.10. Влияние температуры резания на затраты на инструмент
Рис.8.11. Влияние температуры резания на затраты по эксплуатации станка, приходящиеся на одну деталь	Рис.8.12. Влияние температуры резания на стоимость обработки резанием одной детали