Исследование температуры в зоне резания при точении (стр. 2 из 5)

где

— температуропроводность; — теплопроводностьрезца; с' — теплоемкость резца; d'— плотность; — время, в течение которого стружка проходит площадь контакта длиной l;

.

Решая уравнение по М. П. Левицкому, при начальныхи граничных условиях

при x = 0, при , получим уравнение

,

где

— температура, возникающая от теплоты трения в данной точке и в данный момент времени ; — глубина, на которуюпроникает теплота трения за время .

Минуя промежуточные вычисления и пренебрегая температурой внешней среды, получим

.

Суммируя температуры деформации стружки и трения ее попередней поверхности инструмента, получим температуру резания, т. е. среднюю температуру на площади контакта стружкии инструмента,

.

Формула показывает закономерность изменения температуры резания в зависимости от разных факторов. На основеее построены графики изменения составляющих температуры
резания в зависимости от скорости резания для минералокерамического (рис.3, а) и для твердосплавного резца (рис. 3, б).Как видим, с увеличением скорости резания уменьшается температура деформации, но возрастает температура трения. В результате температура резания повышается, но в значительно меньшейстепени, чем сама скорость.

Вместе с тем при одних и тех же условиях температура резания получается более высокой при работе минералокерамическимрезцом (рис. 3, а) сравнительно с твердосплавным (рис. 3, б),
что подтверждается практикой.

Надо ожидать, что температура резания в действительностидолжна быть более высокой, чем это получается расчетом по теоретической формуле, так как здесь не учтена теплота трения позадней поверхности резца. Последняя будет все более проявлятьсяс увеличением скорости резания по мере затупления резца; приэтом особенно заметно будет повышаться температура обрабатываемой детали.

Обрабатываемая деталь нагревается в основном теплотойдеформации. Очевидно температура детали должна уменьшатьсяс увеличением скорости резания, поскольку при этом уменьшается

(рис. 3). Подобный вывод подтверждается на практике приработе острым резцом в нормальных условиях. Однако по мерезатупления резца и значительного уменьшения

100 200 300 100 200 500
Скорость резания v, м/минСкорость резания v, м/мин

Рис. 3. Изменение составляющих температур резания при обработке стали: а — для

минералокерамического резца; б — для твердосплавного резца; сталь ОХН4М; t = 2 мм;

s = 0,14 мм/об;

= 10°

заднего угла

и угла в плане положение меняется. В этом случае с увеличением силы трения заметно растут работа и теплота трения по задней поверхности резца, и поэтому температура детали повышается с увеличением скорости резания v.На рис. 4 показаноизменение температуры детали при фрезеровании резьбы вращающимся резцом (вихревое нарезание). Замечаем неизменноеповышение температуры детали по мере затупления резца. Вместес тем температура обрабатываемой детали уменьшается с увеличением подачи s. Это вполне закономерно, так как с увеличением s сила трения на задней поверхности резца остается почти неизменной, но при определенной длине детали сокращается относительный путь резца (время обработки) и, следовательно, уменьшаетсяработа силы резания.

Сложнее обстоит дело с температурным полем резца. Можнобыло бы предполагать, что наибольшая температура должна бытьвблизи режущей кромки, так как здесь располагаются основныеисточники теплоты

На рис. 5 схематичнопредставлено температурное поле стружки и резца, составленноеН. И. Резниковым по опытным данным других исследователей. Линии постоянных температур т ... т (изотермы) в стружкерасположены параллельно поверхности сдвига (ориентировочно), ау резца почти концентрично вокруг режущей кромки. В этом случаесогласно теории теплопроводности тепловые потоки должны быть направлены нормально изотермам; в схеме они показаны соответствующими кривыми со стрелками: п — в деталь; п' —в стружку; k — в резец.

Наиболее высокие температуры наблюдаются вблизи режущейкромки и в зоне нароста В действительности положение болеесложное, так как температура резания зависит и от длины кон-
такта поверхности резания и стружки по задней и переднейповерхностям инструмента. Чем
меньше длина контакта назадней поверхности, тем нижесреднее значение температуры
резания и тем ближе к режущей кромке располагается еемаксимум. С уменьшением длины контакта стружки с переднейповерхностью средняя температура также снижается, номаксимум температуры удаляется от режущей кромки. При скоростной обработке температура в зоне резания доходит до 800° С, а наповерхности трения по переднейграни достигает даже 1200° С
и выше. Низкая теплопроводность твердых сплавов и особенно минералокерамики является

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,70,8 0,9
Износ по задней граниh₃, мм

Рис. 4 Температура обрабатываемойдеталипри резании вращающимся резцом в зависимости от подачи s и износарезца

Любопытно, что нагрев державки с малотеплопроводной режущей пластиной из твердого сплава и особенно минералокерамики происходит не только посредством контактной передачи
тепла от пластины к державке, но и в значительной степени черезлучеиспускание от стружки и поверхности резания, перемещающихся мимо резца и передающих ему часть теплоты. Это имеет
существенное значение для стойкости режущего инструмента иточности обработки детали, зависящей от температурной деформации резца.

На рис. 6 показаны кривые температурного удлинения минералокерамического резца при обработке стали ОХН4М. Можно заметить значительное уменьшение деформации резца

Рис. 5 Температурное поле в зоне резания и резца.

5 10 15 20
Продолжительность работы резца Т, мин

Рис, 6 Кривые температурного удлинения минералокерамического резца:

1 — l = 1,5 мм, 2 — l = 3 мм, 3 — стружка отводилась от резца
или задние грани державки изолировались

с удалением режущей кромки от державки резца или при изоляциизадней поверхности резца.

Эффект лучеиспускания в большой степени зависит от способности тела поглощать тепловые лучи. Например, абсолютно черноетело поглощает все падающее на него тепло — условный коэффициент

= 1:

Значения

для различных тел

Чугун шероховатый, сильно окисленный ……….0,94
Железо матовое окисленное ……………………...0,96
Железо блестящее отполированное………………0,29
Медь полированная…………………………….0,13—0,17

Медь прокатанная………………………………….0,64
Медь шероховатая…………………………………0,76
Серебро……………………………………………..0,03

Сажа, уголь…………………………………………0,95

Эти данные представляют значительный интерес, так как показывают большую роль блестяще обработанных граней, режущегоинструмента в отношении его стойкости и качества обработаннойповерхности.

При весьма низкой температуре всего изделия и большихскоростях резания тонкий слой его обработанной поверхностиможет иметь достаточно высокую температуру, способную изменить структуру этого слоя. Поэтому, назначая режим резания,необходимо учитывать последующую чистовую обработку, прикоторой будет удален поврежденный слой детали.

Теоретический расчет температуры резания встречает значительные трудности, так как в соответствующих расчетных формулах независимые переменные являются в действительности
взаимозависимыми параметрами. Так, теплоемкость С увеличивается, а теплопроводность

уменьшается с возрастаниемтемпературы. Длина контакта стружки и резца уменьшается
с увеличением скорости резания, но заметно растет по мереизноса резца и образования лунки на передней поверхностирезца.