18. Тепловые процессы в зоне 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 и преодоление

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 Температура обрабатываемой

Р аспределение 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.

19. Методы измерения температуры в зоне резания

Температура различных точек на площадках контакта инструмента со стружкой дет. различна. На переднюю поверхность максимум приходится на середину площади контакта. Поэтому часто при экспериментальных методах используют понятие при температуре резания, под которой понимают среднюю температуру по всей поверхности контакта рабочей грани инструмента с заготовкой. Такое понятие используется, когда не ставится цель изучения закона распределения температур. Широкое распределение среди экспериментальных методов получили методы термопар:

Метод подведенной термопары. Используются сплавы: хром-алюминий; медь константой подводится к поверхности контакта;

Метод естественной термопары. В процессе резания возникают большие контактные давления, образуются сплавы, то есть термопара.

1 – заготовка;

2 – инструмент;

3 – изолирующие прокладки;

4 – токосъемник;

5 – измерительный прибор.

Достоинство: простота конструкции. Недостатки: сложность тарировки.

Метод двух резцов.

Измеряется термо-ЭДС между резцами, изготовленные из различных материалов. Недостаток: он менее точен. ЭДС возникает вследствие отличия термоэлектрических свойств инструментов. Тарирование проводится один раз (участвуют материалы инструмента)

Метод бегущих термопар. В трубе выполняют отверстия 0,5-0,7 мм. В них вставляются трубки из материала заготовки, в которой размещены проволочки d=0,1 мм из материала медь-константан или хромеля-алюмеля. Концы проволок подключены к измерительным приборам. В процессе обработки происходит перерезание этих проволок, смятие трубок и образование спая между проволочками, то есть стандартная термопара. Одна темопара движется по передней поверхности, другая – по задней. Они фиксируют температуру.

Метод электрического моделирования. Основан на том, что процесс распространения тепла в твердом теле и электрического тока при неустановившемся режиме описывается одними и теми же уравнениями. Для этого используют аналоговые машины.

Колориметрические;

Металлографический метод. Изменение структуры;

Метод термокрасок.