Источники и распределение теплоты в зоне резания

Процесс резания металлов сопровождается значительным тепловыделением в результате того, что механическая работа резания переходит в тепловую энер­гию. Основными источниками возникновения тепла в зоне резания являются:

1. внутреннее трение между частицами срезаемого слоя в результате его пластической деформации при образовании стружки (Q₁);

2. трение стружки о переднюю поверхность инструмента (Q₂);

3. трение поверхности резания и обработанной поверхности по задним поверхностям инструмента ( Q₃).

Наиболее интенсивное выделение тепла происходит в области стружкообразования, прилегающей к плоскости скалывания 1—1 в этой области теплота выделяется в результате двух одновременно протекающих процессов: во-первых, в результате пластической деформации сдвига элементов образующейся стружки по плоскости скалывания; во-вторых, в результате пластической деформации сжатия и частично пластической деформации смятия тонкого слоя металла при­мыкающего к плоскости скалывания со стороны срезаемого слоя припуска. Этот слой показан на рис.7.2. и выделен штриховкой.

Схема расположения источников тепла в зоне резания представлена на рис.7.1.

Рис.7.1. Источники тепла в зоне резании.

Рис.7.2. Слой упруго-пластической деформации впереди зоны стружкообразования, перед плоскостью скалывания 1-1

Упругая деформация всегда предшествует пластической деформации и по­тому имеет место и при пластической деформации срезаемого слоя при резании металлов. Пластическая деформация в этом слое обнаруживается путем измере­ния микротвердости и существует по той же причине, что и деформация мате­риала под поверхностью резания и под обработанной поверхностью. Возможно количество тепла, выделяющегося в результате упругой деформации невелико, но предполагать вероятность этого процесса и учитывать его существование не­обходимо.

Общее количество выделяющегося при резании тепла равно сумме тепла, выделевшегося во всех перечисленных выше источниках:

Q_общ. = Q₁ + Q₂ + Q₃^.

Тепло, образующееся в процессе резания, не аккумулируется в местах его образования, а распространяется от точек с более высокой температурой к точ­кам с низкой температурой. Из зоны резания тепло уносится со стружкой (q₁), передается в заготовку (q₂) и инструмент (q₃) и распространяется в окружаю­щую среду (q₄).Тепловой баланс процесса резания может быть выражен уравне­нием:

Q₁ + Q₂ + Q₃ = q₁ + q₂ + q₃ + q₄

Соотношение количества тепла, отводимого со стружкой в деталь, в инстру­мент и окружающую среду, зависит от физико-механических свойств обрабаты­ваемого материала, режима резания, геометрии режущего инструмента и внеш­них условий, в которых осуществляется резание.

Рис.7.3. Зависимость образования и распределения теплоты, от скорости резания.

В начале обработки температура в зоне резания растет до какого-то опреде­ленного значения и устанавливается постоянной, соответствующей стационар­ному тепловому режиму, при котором выделение тепла равняется отводу его по перечисленным направлениям. Для практических целей наибольший интерес представляет температура рабочей части инструмента и обрабатываемой заго­товки. Тепло, переходящее в заготовку, увеличивает ее температуру и вызывает температурное изменение ее размеров и коробление, подчас являющееся причи­нами брака.

Теплота, переходящая в инструмент, при всей своей относительной незначи­тельности, концентрируясь в малых объемах материала инструмента, вызывает сильный разогрев его в этих объемах и снижение режущих свойств и износо­устойчивости инструмента. С увеличением скорости резания доля тепла, пере­ходящего в инструмент, уменьшается, но абсолютное его количество возрастает и температура в зоне резания увеличивается до значений, близких к температуре красностойкости металла инструмента.

7.2 Методы измерения температуры в зоне резания

Существует несколько методов измерения температуры в зоне резания. Ка­лориметрический метод (Рис.7.4) заключается в том, что стружка собирается в калориметре с водой. Зная количество воды в калориметре, вес стружки и ее те­плоемкость, можно определить среднюю температуру стружки по разности температуры воды в калориметре до, и после резания.

где Q_см – температура смеси воды и стружки (температура воды в калориметре после резания); Q_в – начальная температура воды; G_в – масса воды в калориметре; G_стр – масса стружки; С_стр – теплоемкость материала стружки.

Рис.7.4. Схема измерения температуры калориметрическим методом.

Температуру поверхности инструмента за пределами зоны его контакта с обрабатываемым изделием или стружкой можно определить с помощью термо­чувствительных красок, которые изменяют свой цвет при нагревании до опре­деленной температуры.

Метод измерения температуры с помощью термопар является наиболее удобным и более широко применяется в современных исследованиях. Метод измерения естественной термопарой (рис.7.5) наиболее прост по осуществле­нию, но для получения абсолютных значений температур требует проведения очень трудоемкой операции градирования термопары «инструмент — обраба­тываемый материал».

Рис.7.5 Схема измерения температуры в зоне резания методом естественной термопа­ры, где 1- обрабатываемая заготовка, 2- резец, 3-изоляция, 4-милливольтметр.

Для наблюдения за изменением температуры контактных слоев стружки при перемещении ее по длине контакта может применяться «бегущая термопара». Суть этого метода заключается в том, что в заготовку заделываются термопары, которые при перерезании их режущим лезвием инструмента образуют слой термопары, скользящий (бегущей) по передней и задней поверхностям. Схема метода представлена на рис.7.6.

Рис.7.6.Схема измерения температуры на передней и задней поверхностях инструмен­та методом бегущей термопары.

Разновидностью метода естественной термопары является «метод двух рез­цов» (рис.7.7), который сводится к резанию одновременно двумя резцами, изго­товленными из разных материалов. Этот метод позволяет исключить мучитель­ный процесс градирования термопары для каждого вида обрабатываемого мате­риала; термопара градируется один раз, и полученная градуировочная кривая используется для всех обрабатываемых материалов.

Рис.7.7. Схема измерения термопары методом «двух резцов»

7.3. Температурное поле после резца

Измерениями установлено, что теплота в зоне резания распределяется не­равномерно. Наибольшая температура действует на передней поверхности при удалении от главной режущей кромки на 1/3 длины контакта стружки с перед­ней поверхностью. Совокупность мгновенных значений температуры в различ­ных точках зоны резания называется температурным полем. Температурное по­ле дает наиболее яркую и полную картину температурной обстановки в зоне ре­зания.

Рис.7.8 Температурное поле (а) и распределение температуры в зоне резания (б).

7.4 Зависимость температуры от элементов режима резания

Многочисленные исследования зависимости температуры от различных факторов показывают, что температура в зоне резания зависит от физико- механических свойств обрабатываемого материала, режима резания, геометрии режущего инструмента и многих других условий. Наибольшее влияние на тем­пературу в зоне резания оказывает скорость резания, в меньшей степени влияет подача, а влияние глубины резания почти не обнаруживается. Из геометриче­ских параметров режущей части инструмента наиболее сильно на температуру резания влияют передний угол, главный угол в плане и радиус закругления при вершине, сопряжения главной и вспомогательной режущих кромок на вершине режущего лезвия инструмента.

Различными исследованиями предложен ряд аналитических и эмпирических формул для расчета температуры в зоне резания. Аналитические формулы сложны и включают в себя большое число не всегда известных величин. Эмпи­рические же формулы просты, но справедливы лишь в пределах условий прове­дения эксперимента. Структура эмпирических формул зависит от числа учтен­ных факторов, оказывающих какое-либо влияние на величину температуры в зоне резания. Наиболее общими являются формулы вида:

, С⁰,

где С_θ – константа, учитывающая условия резания;

t – глубина резания, мм;

s – подача, мм/мин;

V – скорость резания, м/мин;

x_θ, y_θ, z_θ – показатели степени, показывающие степень влияния каждого эле­мента режима резания на температуру в зоне резания.

Наиболее часто величина показателей степени для каждого из элементов ре­жима резания находиться в пределах: x_θ = 0,1…0,2; y_θ = 0,2…0,25; z_θ = 0,4…0,6.

Это показывает, что наиболее сильно на температуру в зоне резания влияет скорость резания, слабее влияет подача, а глубина резания не оказывает на нее существенного влияния. Это объясняется тем, что с увеличением глубины реза­ния пропорционально ей увеличивается длина рабочего участка главной режу­щей кромки, и напряженность процесса резания не изменяется, остается преж­ней.

[1] Тиме Иван Августович - 11(23) июля 1838 — 5 ноября 1920 - Окончил Санкт-Петербургский горный кадетский корпус (1858), горный инженер. Награжден орденами Св. Анны III степени (1868), Св. Станислава II степени (1870), Св. Станислава II степени с императорской короной (1874), Св. Анны II степени (1877), Св. Владимира III степени (1886), Св. Станислава I степени (1889), Св. Анны I степени (1896), Св. Владимира II степени (1900), Белого Орла (1904). Тайный советник (1893). В 1858 г. — практикант на Екатеринбургской механической фабрике. В 1859 г. командирован для осмотра уральских заводов и рудников, назначен смотрителем Васильевского прииска на Березовских золотых промыслах, где построил золотопромывальную фабрику, и смотрителем Нижне-Исетского завода, где занимался строительством пудлингово-сварочной фабрики, спроектировал и построил турбину Жонваля, вентилятор Шиле и т.д. С 1861 г. — помощник главного механика Уральских заводов, с 1862 г. — механик Екатеринбургского округа и преподаватель Уральского горного училища. В 1864—1867 гг. находился в заграничной командировке. В 1867—1870 гг. проектировал машины и механизмы для Луганского и Лисичанского заводов. С 1870 г. — ординарный профессор Горного института по кафедре «Прикладная и горнозаводская механика», с 1873 г. — член Горного ученого комитета и механик-консультант Петербургского монетного двора. Разрабатывал проекты для частных предприятий, в том числе проект водоотливной машины для Березовских приисков Асташева, заказывал за границей машины для различных заводов, в том числе машины для Надеждинского завода. С 1895 г. — заслуженный профессор. В 1898 г. оставил преподавательскую деятельность, в 1899 г. вновь вернулся в Горный институт. Автор более 600 научных трудов, опубликованных в различных технических журналах и вышедших отдельными изданиями. Работы Тиме И.А..: "Сопротивление металлов и дерева резанью" (1870), "Мемуар о строгании металлов" (1877) и "Образование стружек при пластичных материалах" (1884) имели большое значение для создания совр. теории резания металлов и дерева. Крупную роль в развитии технологии машиностроения в России сыграли работы Т. "Очерк современного состояния механического дела за границей" (ч.1, 1867), "Теория и построение железопрокатных машин" (1872). Широкую известность получили его труды "Практический курс паровых машин" (2 тт., 1886—87), "Курс гидравлики" (2тт., 1891 — 1894) и "Основы машиностроения" (2 тт., 1883—85). В 1879 было издано соч. Т. "Горнозаводская механика. Справочная книга для горных инженеров и техников по горной части".

[2]

Зворыкин Константин Алексеевич - инженер-технолог, род. в 1861 г., окончил курс в СПб. технологическом институте в 1884 г. В 1889 г. со званием адъюнкт-профессора занял кафедру по механической технологии в Харьковском технологическом институте и получил в 1894 г. звание ординарного профессора. В 1898 г. перешел в качестве профессора и декана механического отделения в Киевский политехнический институт, где принимал участие в строительной комиссии Института. В 1904 г. занял должность директора Института, а в 1905 г. вышел в отставку. Напечатал: "Вертикальная форсунка З." ("Ниж. Вестник Пар. и Промышлен.", 1888, № 8); "Способ опытного определения коэффициента полезного действия и других величин, характеризующих судовые двигатели" (ib., 1889, №№ 5 и 6); "По поводу формулы для вычисления площадей колесных гребных плиц" (ib., 1893, № 2); "О некоторых изменениях в конструкции гребного винта при применении его для мелководных судов" ("Техн. Сборн. и Вестн. Промышлен.", 1893, №№ 10 и 11); "Работа и усилие, необходимые для отделения металлических стружек" (ib., 1893, приложение, и отдельно); "Курс по мукомольному производству" (Харьков, 1894); "Керосиновые двигатели на сельскохозяйств. харьковской выставке" ("Зап. Харьков, отделения Импер. Рус. Техн. общ.", 1894); "Детали машин" (1900, курс, читанный в Киевском полит. институте); "Мелкие стальные отливки из печи Piat" ("Известия Южно-Русск. Общ. технологов", № 2, 1902); "Расход работы на вращение приводного вала или трансмиссии" (ib., 1903, № 6).

Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона. — С.-Пб.: Брокгауз-Ефрон. 1890—1907.

[3] Брикс Андрей Александрович – математик и физик, генерал-майор. Родился в 1858 г.; образование получил в Михайловской артиллерийской академии; состоит профессором и инспектором классов Михайловского артиллерийского училища. Участвовал в турецкой кампании 1877 - 78 годов. Кроме ряда статей в ""Артиллерийском журнале"" и ""Морском Сборнике"" Брикс напечатал: ""Курс гидравлики и гидравлических двигателей"" (СПб., 1892); ""Сопротивление металлов резанию"" (1897). Издал литографированный курс ""Подъемных машин"" и ""Таблицы четырехзначных логарифмов"".

[4] УСАЧЁВ, Яков Григорьевич (17(29).Х.1873 – 28.Х.1941) — физик, специалист в области резания металлов. Родился в с. Никольском Курского уезда Курской губернии (ныне — Октябрьского р-на Курской области) в крестьянской семье. Получил трехклассное образование в церковноприходской школе, затем учился у кустаря-ремесленника. Самостоятельно изучил высшую математику, физику, прикладную механику и металловедение. Счастливый случай помог умельцу продолжить образование. Известный в Курске профессор В. В. Скобельцын помог У. устроиться механиком в Высшее горное училище Екатеринослава, а в 1902 — мастером в руководимую им физическую лабораторию Петербургского политехнического института. В исследованиях, проведенных У. в период с 1908 по 1915, впервые в мире были определены основные закономерности изменения температурных режимов в зависимости от скорости резания металлов, было выведено уравнение теплового баланса при резании металлов, впервые был применен микроскоп для изучения процессов резания металла. При микроструктурном анализе корней стружек У. обратил внимание на явление образования нароста на передней поверхности резца, которое он охарактеризовал как явление приспособляемости металла к условиям резания и указал, что «…нарост образуется всегда, если форма резца не соответствует условиям наименьшего сопротивления резанию...». У. обнаружил явление наклепа поверхностных слоев деформируемого металла и стружки и др. В 1912 У. создал динамометр оригинальной конструкции для измерения тангенциальных усилий на токарный резец, при помощи которого многие ученые проводили исследования металлов. Ему принадлежит также приоритет в создании термопары для измерения температуры рабочей части резца, первым в мире установил основные закономерности измерения температуры в зависимости от скорости резания и подачи. Во время 1-й мировой войны У. создал много изобретений в самолетостроении и морском флоте, изготовил магнето для русской авиации. В частности, он предвосхитил на много лет идею создания вертолета, применив принцип гироскопа. Итоги многолетней работы У. изложил в научном труде «Явления, происходящие при резании металлов». За вклад в развитие советской науки и техники в 1936 У. был награжден орденом Ленина. До самой смерти продолжал трудиться в одном из НИИ Ленинграда.