2.3. Тепловые явления. Способы измерения температуры в зоне резания
При резании почти вся механическая энергия, затрачиваемая на деформирование, разрушение и трение, переходит в тепловую. Исследования процессов теплообразования при резании позволили определить направление и интенсивность тепловых потоков, градиенты температур в контактных областях и характеристики температурного поля в зоне резания, деталью и окружающей средой, а также получить качественное и количественное представление о тепловом балансе при резании различных материалов. Знание этих закономерностей имеет большое значение для рационального конструирования и эксплуатации режущих инструментов, применения эффективных методов смазки и охлаждения, повышения точности и качества поверхности обработанных деталей.
Уравнение теплового баланса можно представить следующим образом(рис.6);
Q1+Q2+Q3=q1+q2+q3+q4 (1)
где Q1 - количество тепла, эквивалентное энергии, затраченной на деформирование и разрушение при стружкообразовании и формировании поверхностного слоя;
Q2 - количество тепла, эквивалентное работе сил трения при контакте передней поверхности клина и деформированного материала;
Q3 - количество тепла, эквивалентное работе сил трения на задней поверхности клина при переходе деформированного материала в поверхностный слой детали;
q1 - количество тепла, уходящее в стружку;
q2 - количество тепла, идущее в деталь;
q3 - количество тепла, переходящего в режущий инструмент;
q4 - количество тепла, передающееся окружающей среде.
Рис.6.
Схема распространения тепловых потоков
Количественное выражение уравнения теплового баланса зависит от физико-химических свойств материалов заготовки и инструмента, геометрических параметров режущего инструмента, режимов резания и условий обработки. Например, при резании различных конструкционных материалов и сплавов наибольшее количество тепла уходит со стружкой, а в процессе шлифования - в деталь. При резании жаропрочных и титановых сплавов, имеющих плохую теплопроводность и низкие коэффициенты температуропроводности, значительное количество тепла концентрируется в контактной зоне или переходит в режущий инструмент.
Исследования тепловых явлений при механической обработке металлов сложно из-за высоких контактных (инструмент-стружка) давлений и температур в зоне резания. Поэтому используемые электрические и математические методы определения температур дают только относительные представления о температурных явлениях при резании.
Наиболее распространенными являются методы, позволяющие измерять температуру отдельных участков зоны резания и режущего инструмента. К ним относятся: методы термопар (рис.7) и рентгено-структурного анализа, радиационно-оптический метод. Измерение температур в узких областях зоны резания с помощью термопар впервые предложено Я.Г.Усачевым в 1912 году. В случае применения "искусственной термопары" в режущей части инструмента просверливается отверстие, в которое вставляется термопара с изолированными проводниками диаметром 0,3-0,5 мм. Место спайки термопары располагают, как можно ближе к нагретым поверхностям инструмента. Температуру оценивают по изменению величины термоэлектродвижущей силы.
Рис.7.
Схемы термопар:
а - искусственная; b - полуискусственная; c - естественная.
В другом варианте термопары, получившем название "полуискусственная", один изолированный проводник выводится на заднюю или переднюю поверхности инструмента и расклепывается. Вторым проводником является тело инструмента, что значительно упрощает схему измерения. Идеи Я.Г.Усачева нашли дальнейшее применение и развитие в исследованиях отечественных и зарубежных ученых (созданы конструкции привариваемых, прижимных, защемленных, подвижных, бегущих и других видов термопар). Значительное распространение получила так называемая "естественная термопара". Здесь проводниками являются инструмент и деталь, а спаем термопары - область контакта задней и передней поверхности режущего клина с металлом заготовки.
Вопросы теоретического расчета температурного поля при резании представляют значительный научный интерес. Под термином "температурное поле" в зоне резания подразумевается совокупность различных значений температур во всех точках деформированного объема материала в данный момент времени.
Первые попытки расчета поля температур сводились к использованию решений классических задач теории теплообмена в твердых телах. Температура резания определялась решением общего уравнения теплопроводности:
(2)
где: a =l /(c r) - коэффициент температуропроводности;
λ - коэффициент теплопроводности;
c - теплоемкость;
ρ - удельный вес материала;
Для решения этого уравнения необходимо задаться определенными граничными условиями, связанными с характеристиками реального процесса резания. Математическое описание условий теплообмена на граничных поверхностях зоны деформации представляет значительные трудности. Поэтому многие исследователи вводили целый ряд допущений и упрощений, значительно снижая ценность решения задачи. Конечные формулы отличались громоздкостью, содержали большое количество трудноопределяемых коэффициентов и были неудобны для практического использования.
Наиболее плодотворным методом интегрирования уравнения теплопроводности является метод источников тепла. Линеаризация уравнения (2) производится путем осреднения теплофизических коэффициентов в узком интервале температур, выражение мощности источников через линейную функцию температуры и принятия постоянной скорости перемещения источника. При этом не учитываются тепловые эффекты фазовых и структурных превращений. Метод источников тепла дает возможность путем несложных преобразований представить температуру поля в виде определенного интеграла или сходящегося ряда и таким образом количественно описать процессы распространения тепла при резании линейных, плоских и пространственных задач. Источники тепла рассматриваются как местные, сосредоточенные или распределенные, неподвижные и подвижные, мгновенные н длительного действия.
Распространение тепла от подвижного сосредоточенного источника рассматривается, как совокупность наложенных друг на друга процессов выравнивания теплоты мгновенных элементарных источников. При этом координаты точек температурного поля x , у , z перемещаются вместе с подвижным источником ( рис. 8).
Тепло Q, внесенное в точечный элемент (R = 0) неограниченного теплопроводного тела в момент времени t = 0, выравнивается по экспоненциальному закону
(3)
где R2 = x2 + y2 + z2 - радиус-вектор, т.е. расстояние элемента поля (точка А) от источника (точка В). Уравнение (3) является главным решением метода источников.
На рис.9 приведены температурные поля, полученные разными исследователями экспериментальным путем (радиационно-оптическим методом) и рассчитанные по методу источников при свободном резании (точении) стали в одинаковых условиях. Характер распределения температур в зоне резания хорошо согласуется с современными представлениями о поле деформаций, а наибольшие температуры возникают в области максимальных деформаций и на контактных площадках.