Видео:Урок 112 (осн). Уравнение теплового балансаСкачать

Тепловые явления при резании

Теплота, возникающая при резании, влияет на износ инструмента, на качество обработанной поверхности, изменение физико-механических свойств материала, на усадку стружки и так далее. Количество теплоты, выделяемое в процессе резания, пропорционально работе затраченной на упругое и пластическое деформирование материала заготовки, преодоление трения и образование новых поверхностей.

Тепловой баланс процесса резания можно записать так:

Q₁ – теплота, выделяемая в результате деформирования материала срезаемого слоя,

Q₂ – теплота, выделяемая за счет трения по передней поверхности стружки,

Q₃ – теплота, выделяемая за счет трения по задней поверхности стружки,

Q₄ – теплота, выделяемая при деформации поверхностного слоя,

q₁ – теплота, отводимая стружкой,

q₂ –теплота, отводимая инструментом,

q₃ – теплота, отводимая заготовкой,

q₄ – теплота, отводимая атмосферой.

В зависимости от условий процесса резания, выделяемое тепло может распределиться так:

Температура резания

В процессе обработки в результате трения поверхностей резца о заготовку и стружку теплота, выделяемая в результате этой работы, накапливается, при этом происходит рост температуры инструмента. Максимального значения температура достигает в центре давления резца, т.е. в той точке передней поверхности, где происходит контактирование её с огибающей режущую кромку стружкой.

В среднем, температура передней поверхности достигает 200 о С. Температура резания значительно влияет на способность резца осуществлять резание в течение определенного времени без переточки. Кроме того, температура резания влияет на усадку стружки, упрочнение и т.д. Температура резания повышается при увеличении режимов резания. При этом наибольшее влияние оказывает скорость резания, наименьшее – глубина. Геометрия резца также влияет на температуру резания. Так с ростом величины переднего и заднего углов температура резания до определенной величины может уменьшаться за счет уменьшения работы по внедрению режущего инструмента в материал. Но при значительном увеличении углов уменьшается теплоотвод. Снижает температуру резания уменьшение главного угла в плане, так как при этом увеличивается площадь контакта, что способствует теплоотводу. Значительное влияние на температуру резания оказывают механические свойства материала заготовки (твердость, прочность и др.), определяющие объем работы, необходимый для деформирования материала, влияют и свойства материала режущей части инструмента, особенно теплопроводность.

Смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ)

Введение в зону резания СОЖ выполняет следующие функции:

· уменьшение трения между поверхностями инструмента и заготовки

· уменьшение температуры резания

· производит охрупчивание материала заготовки (СОЖ способствует разрыхлению материала, т.е. улучшает условия резания)

· способствует процессу стружкообразования.

В зависимости от назначения все СОЖ делятся на две группы:

· охлаждающие – различные растворы и эмульсии

· смазочные – различные масла, керосин и сульфофрезол (масло с добавкой серы).

Охлаждающие СОЖ применяются при черновых работах, когда имеет место значительное усилие и температура резания и т.д. Смазочные СОЖ применяют при чистовых работах. При больших скоростях резания и подачах применение СОЖ вообще не рекомендуется.

Все применяемые СОЖ должны быть безвредны для исполнителя и не должны вызывать коррозии материала инструмента и станка.

Износ режущего инструмента

В процессе резания в результате трения передней и задней поверхностей инструмента о стружку и материал заготовки, происходит изменение геометрии режущей части инструмента. При этом на передней поверхности образуется лунка, износ же по задней поверхности приводит к изменению величины заднего угла a и появлению площадки на задней поверхности, где угол a близок к 0.

Износ инструмента по задней поверхности является определяющим. Износ определяется различными явлениями, происходящими при резании, поэтому существует несколько теорий износа:

1. Абразивный износ. При трении стружки и заготовки об инструмент, их твердые микровключения (частички нароста, цементит, сложные карбиды и т.д.) постоянно разрушают верхние слои инструмента. Длительное истирание приводит к уносу массы материала инструмента, который и определяет изменение его геометрии.

2. Адгезионый износ.При контакте чистых движущихся поверхностей происходит схватывание между отдельными частичками материала резца и стружки или заготовки, то есть происходит постоянное образование и разрушение металлических связей, что и приводит к износу инструмента.

3. Диффузионный износ. При высоких температурах резания создаются условия, при которых материал инструмента или его связка (у твердых сплавов) и материал заготовки взаимно проникают (диффундируют) друг в друга. При длительном резании этот процесс происходит достаточно интенсивно.

4. Окислительный износ. При нагреве инструмента в среде кислородного воздуха на его поверхности образуются малопрочные окислы (в 40-60 раз меньше, чем у твердых сплавов). Эти окислы легко разрушаются под действием движущейся стружки или заготовки.

5. Усталостный износ. При контакте между движущимися микронеровностями, в материале режущей части возникают волны деформации. Перед микронеровностью материал сжимается, а после – растягивается. Такое циклическое чередование волн приводит к усталостному износу.

В реальных условиях износ инструмента, вероятней всего, есть результат действия всех перечисленных факторов. На скорость износа влияют свойства обрабатываемого материала, геометрия резца, качество обработки и материал режущей части инструмента, элементы режима резания и применение СОЖ.

Силы резания

В результате сопротивления срезаемого материала, упругой пластической деформации, трения между поверхностями резца и заготовки возникают силы резания.

При работе токарного резца сила резания Р может быть представлена в виде трех составляющих, где модуль силы Р вычисляется как корень квадратный из суммы квадратов составляющих:

P_z — сила касательная к поверхности резания и по направлению совпадает с направлением главного движения;

Р_x – осевая сила, параллельная оси заготовки;

P_y – радиальная сила, направленная перпендикулярно к оси заготовки.

Обычно P_y, Р_x принято выражать в долях P_z:

Р_y=0,4¸0,5 P_z

Для приближенных расчетов достаточно определить P_z. При продольном точении

P_i=C_Pi×t x i ×S y i ×V n i ×k_i, тогда

P_z=C_Pz×t xp z ×S ypz ×V np ×k_P

i — индекс составляющей силы резания,

C_P — коэффициент, значение которого опре-деляется при значении всех факторов (коэффициентов), определяющих условия резания равным единице.

t — глубина резания,

S – подача резания,

V — скорость резания,

x,y,n – степенные показатели, определяющиеся по таблице,

x – влияние глубины резания,

y – влияние подачи на силу резания,

n – отрицательный показатель, что говорит о том, что с ростом скорости реза-ния, усилие уменьшается.

Существует также обобществленный коэффициент, учитывающий изменение значения факторов, определяющих резание и отличный от факторов, включенных в C_Pi.

Тепловые явления при резании металлов

Видео:Решение задач на уравнение теплового баланса. Физика 8 классСкачать

1. 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:

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

трение стружки о переднюю поверхность инструмента ();

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

Схема расположения источников тепла в зоне резания представлена на рис. 1.

Рис. 1. Источники тепла в зоне резании

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. 2 и выделен штриховкой.

Рис. 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:

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 (q 1 ), передается в заготовку (q 2 ) и инструмент (q 3 ) и распространяется в окружающую среду (q 4 ).Тепловой баланс процесса резания может быть выражен уравнением:

Q 1 + Q 2 + Q 3 = q 1 + q 2 + q 3 + q 4

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. 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.

Видео:89 НЕ ЗНАЮТ этого в Физике: Что такое Количество Теплоты, Теплоемкость, Уравнение Теплового БалансаСкачать

2. Методы измерения температуры в зоне резания

Существует несколько методов измерения температуры в зоне резания. Калориметрический метод (Рис. 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: средняя температура стружки,

— температура смеси воды и стружки в калориметре,

— вес воды в калориметре,

— вес стружки в калориметре.

Рис. 4. Схема измерения температуры калоритмическим 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.

Рис. 5 Схема измерения температуры в зоне резания методом естественной термопары, где 1- обрабатываемая заготовка, 2- резец, 3-изоляция, 4-милливольтметр

Метод измерения температуры с помощью термопар является наиболее удобным и более широко применяется в современных исследованиях. Метод измерения естественной термопарой (Рис. 5) наиболее прост по осуществлению, но для получения абсолютных значений температур требует проведения очень трудоемкой операции градирования термопары «инструмент — обрабатываемый материал».

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. 6.

Рис. 6.Схема измерения температуры на передней и задней поверхностях инструмента методом бегущей термопары

Разновидностью метода естественной термопары является «метод двух резцов» (рис. 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. Схема измерения термопары методом «двух резцов»

Видео:Задача на Тепловой обмен. физика 8 классСкачать

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

Видео:🔴 ЕГЭ-2022 по физике. Уравнение теплового балансаСкачать

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:

где: — температура в зоне резания, С;

— глубина резания, мм;

— подача, ;

— скорость резания, ;

— константа, учитывающая условия резания.

— 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:

;

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.

Данный материал основан на лекциях Подгоркова Владимира Викторовича (д.т.н., проф. кафедры ТАМ, Ивановский государственний энергетический университет)

Видео:Урок 113 (осн). Задачи на уравнение теплового балансаСкачать

Реферат: Исследование температуры в зоне резания при точении

Самарского Государственного Педагогического Университета

Видео:Уравнение теплового баланса. Тепловые явления. ЕГЭ по физике 2023Скачать

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

На тему: Исследование температуры в зоне резания

при точении на токарном станке.

Видео:Тепловые явления - Урок 7 - Уравнение теплового балансаСкачать

Группа: Тз-441

Тольятти — 1999 г.

1. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ ПРИ РЕЗАНИИ МЕТАЛЛОВ.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯТЕМПЕРАТУРЫ РЕЗАНИЯ.

3. ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВНА ТЕМПЕРАТУРУ РЕЗАНИЯ
ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ ДАННЫМ.

4. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ РЕЗАНИЯ.

1. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ ПРИ РЕЗАНИИ МЕТАЛЛОВ.

Один из главнейших факторов, определяющих процесс резания, — теплота, образующаяся в результате работы резания. Законы теплообразования объясняют ряд явлений, связанных с нагрузкой резца, его стойкостью, качеством обработанной поверхности. Чтобы правильно использовать режущий инструмент, необходимо знать эти законы.

Теплота Q в процессе резания образуется в результате:

1) внутреннего трения между частицами обрабатываемогометалла в процессе деформации Qдеф;

2) внешнего трения стружки о переднюю поверхность резца Qп.т.

3) внешнего трения поверхности резания и обработаннойповерхности о задние поверхности резца Qз.тр.;

4) отрыва стружки, диспергирования Qдисп (образования новых поверхностей)

Предполагая, что механическая работа резания полностью переходит в теплоту, получим

ккал/мин,

где Q—количество теплоты в ккал/мин; R — работа резанияв кгс м/мин ( R = Р _z v );

Е— механический эквивалент теплоты(Е = 427 кгс м/ккал).

В действительности в теплоту обращается не вся работа резания: небольшая часть ее переходит в потенциальную энергиюискаженной кристаллической решетки. Поэтому более правильноформулу выразить гак:

где — коэффициент, учитывающий указанные потери, незначительные по величине.В обычных расчетах этой потерей пренебрегают.

Для успешного воздействия на процесс резания важно знатьне только количество теплоты, но и распределение ее, т. е. степеньконцентрации теплоты в различных участках изделия, стружки
и резца. Если бы вся образующаяся теплота быстро и равномернораспределялась по всему объему изделия и инструмента, онабыстро отводилась бы в пространство, не причиняя им вреда.Вдействительности процесс протекает иначе: большое количествотеплоты концентрируется в определенных зонах, сильно повышаяих температуру. Здесь неизбежны потеря резцом твердости и затупление его и даже возможно изменение структуры тончайшегослоя обработанной поверхности, если не будут приняты соответствующие меры.

Некоторые исследователи (А. Я. Малкин) полагают, чторегулированием потока теплоты можно воздействовать на процесс резания в благоприятную сторону и тем облегчить работу
инструмента и повысить качество обработанной поверхности.

На основе теоретического и экспериментального исследованийпроцесса теплообразования можно выявить законы изменениятемпературы резания (на поверхности контакта стружки с передней гранью резца), а также температуры режущего инструментаи обрабатываемой детали в зависимости от различных факторов.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Надо полагать, что в процессе образования сливной стружкитеплота концентрируется в трех основных зонах (рис.1): в зонесдвига элементов стружки АМ, где происходит пластическая
деформация; на площади контактастружки по передней поверхностиинструмента АО; на площади контакта задней грани инструмента собрабатываемой деталью.

Работой диспергирования обычнопренебрегают.

Каждый источник теплоты имеет свою сферу непосредственного воздействия(рис. 1)

Следовательно, наиболее высокая температура — температура резания — должна наблюдаться в стружке в зоне контакта еес передней поверхностью инструмента, так как здесь концентрируется

наибольшее количество теплоты,

образующейся в результате деформации стружки и трения ее по передней поверхностирезца. Например, наибольшее количество теплоты, образующейсявследствие деформации (на поверхности АМ), остается в стружкеи частично поглощается обрабатываемой деталью. Теплота трениястружки (на поверхности АО) остается в основном в стружкеи частично (3—5%) направляется в инструмент. Теплота тренияпо задним граням инструмента (поверхность АР) направляетсяв деталь и резец. При обработке металлов с низкой теплопроводностью, например жаропрочных и титановых сплавов, в резецотводится до 20—40% всей теплоты.

Потери теплоты от конвекции и радиации в процессе резания ничтожно малы; невелико количество теплоты, уходящейв деталь, так как стружка весьма быстро формируется в зоне
резания и столь же быстро проходит зону контакта с резцом.Однако теплота, поглощаемая изделием из жаропрочных сталейи сплавов, резко возрастает и при малых скоростях может достичь 35—45% всей теплоты резания.

Пренебрегая работой трения по задним граням инструмента(которая мала при достаточно острой режущей кромке и большомзаднем угле), можно полагать, что подавляющее количество
теплоты должно сосредоточиваться в стружке. Опыты Н. Н. Савина, Я. Г. Усачева, С. С. Можаева и др., определявших количество теплоты в стружке калориметрическим методом, показали,
что в зависимости от скорости резания, глубины резания и подачипри обработке конструкционной стали в стружке содержалось60—80% всей теплоты резания, а при скоростных режимах резания свыше 90%.

На рис. 2, а показана схема сил, действующих в зоне резания. Считая, что вся работа резания в единицу времени , работа трения стружки по передней поверхности —усадка стружки), получим работу деформации стружки

Но (пренебрегаем силой трения по задней поверхности резца) и, следовательно, работа деформации стружки

,

где.

Повышение температуры стружки благодаря ее деформациисоставит в среднем

где — средняя температура стружки, когда последняя покидает зону деформации, в °С;

—температура окружающейсреды в °С; — коэффициент, учитывающий потерю теплоты
на скрытую энергию деформации (принимаем = 0,95); —коэффициент, учитывающий переход части тепла в изделие (поВейнеру = 0,1 при v = 100 м/мин, = 0,05 при

v = 300 м/мин); Е — механический эквивалент теплоты (Е = 427 *10 -3 кгсм/ккал);

с—теплоемкость нагретой стружкив ккал/кгсград; d — плотность стружки (7,8 *10 -6 кгс/мм 3 );

b — ширина среза в мм; а — толщина среза в мм.

Рис. 2. Схема сил, действующих в процессе резания (а)

и схема контакта стружки и резца (б)

Принимая — р кгс/мм 2 (удельная сила резания) и пренебрегая значением , получим

Покидая зону деформации, нагретая до температуры стружка трется по передней поверхности резца со скоростью на площади контакта шириной b и длиной l (рис. 2, б).

Теплота работы силы трения по передней грани в единицу времени

Чтобы определить температуру на передней поверхности резца,полученную в результате трения стружки, будем рассматриватьрезец как твердый стержень с поперечным сечением, равным bl, на одной стороне которого поддерживается постоянная температура . Для решения поставленной задачи используетсяуравнение теплопроводности

,

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

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 планеположение 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:

Значениядля различных тел

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

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.

Значения постоянных коэффициентовтакже изменяются в зависимости от различных факторов. К этому надодобавить, что температура резания зависит и от вида процесса
резания: при несвободном резании резец нагревается больше,чем при свободном резании. Поэтому для расчета температурырезания чаще пользуются эмпирическими формулами, показывающими закономерности изменения температуры резания в зависимости от различных факторов и справедливыми в определенных границах и условиях.

3. ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ТЕМПЕРАТУРУ РЕЗАНИЯ
ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ ДАННЫМ

Как уже отмечено, температура резания растет менее интенсивно, чем скорость. По мере нагрева резца разность температурстружки и резца падает, а поэтому интенсивность передачи теплотыот стружки резцу уменьшается. Следовательно, с увеличениемскорости резания v температура резца значительно поднимается,но в меньшей степени, чем скорость. Современные экспериментальные исследования процесса резания высокопрочныхсталей с ультравысокими скоростями (до 72 000 м/мин), когдапроцесс происходил адиабатически (без теплообмена),

Рис. 7. Влияние скорости резания на температуру резания Ст.3:

1 — а = 0,5 мм; l = 4 мм; 2 — а = 0,2 мм

показалитемпературу в зоне резания на уровне 30—65°С, вполне допустимом стойкостью быстрорежущего резца 1 . Надо полагать, что кривые 9—v с повышением скорости резания будут приближатьсяк уровню температуры плавления обрабатываемого материала,а затем снижаться с дальнейшим повышением скорости (рис. 7).Последние графики получены по опытным данным Д. X. Касрадзе 2 при резании Ст.3 при v = 1000-60 000 м/мин. Подобное явлениесопровождается резким снижением сил резания и значительным охрупчиванием металла в зоне резания. Этот процесс способствует быстрому отрыву стружки при полном отсутствии пластической деформации (усадки) стружки. Наблюдающаяся отрицательная усадка (удлинение стружки) могла быть вызвана центробежными силами при весьма больших скоростях.

Влияние глубины резания и подачи. Не трудно предугадать зависимость между глубиной резания t, подачей s и температурой, если рассмотреть изменение прироста и отвода теплоты на резце с изменением t и s. С увеличением подачи возрастает давление стружки на резец, а вместе с ним и работа деформации. Но при этом, как известно, усадка стружки уменьшается и, следовательно, работа деформации, приходящаяся на 1 мм 3 стружки, также уменьшается. К тому же трение на задней поверхности инструмента с увеличением подачи мало изменяется. Поэтому количество теплоты, образующейся в стружке, будет увеличиваться в меньшей степени сравнительно с увеличением подачи. В то же время с утолщением стружки отвод теплоты улучшается, т.к. площадь контакта стружки с резцом расширяется. В результате температура резания повышается с увеличением подачи, но в меньшей степени, чем при повышении скорости.

Еще меньше влияет на температуру резания глубина резания, т.к. нагрузка на единицу длины режущей кромки не изменяется: с увеличением глубины резания при постоянном угле в плане пропорционально увеличивается длина работающей и режущей кромки, почти в такой же степени усиливается теплоотвод от нее и, следовательно, на единицу длины режущей кромки увеличение притока теплоты будет весьма незначительным; в результате температура мало изменится с увеличением глубины резания.

Влияние материала резца и обрабатываемого материала на температуру резания . Естественно ожидать, что при резании хрупких металлов, например чугуна, когда работа пластической деформации весьма мала и удельные силы резания незначительны, температура резания заметно ниже, чем при обработке стали. Давление чугунной стружки сосредотачивается непосредственно на режущей кромке или вблизи нее, но это весьма неблагоприятное обстоятельство влияет больше на абразивно-механический износ режущей кромки, чем на температуру резания.

Само собой разумеется, что нагрев инструмента зависит от теплоемкости и особенно от теплопроводности материала изделия и самого инструмента. Например, при обработке цветных металлов температура резания должна быть сравнительно низкой не только из-за малой нагрузки, но и вследствие большой теплопроводности цветных металлов. И, наоборот, при резании жаропрочных сталей и сплавов, обладающих низкой теплопроводности, значительно повышается

температура резания (в два – три раза) сравнительно с конструкционными сталями. То же можно сказать относительно инструмента: чем ниже теплопроводность, тем выше температура его режущей кромки.

По этой причине температура резания при работе твердосплавными резцами получается более низкой по сравнению с минералокерамическими (рис. 3). То же самое можно сказать ио влиянии резца на температуру резания. Последняя уменьшаетсяс увеличением площади поперечного сечения резца.

1 Более того, оказывается возможным работать резцами из цветных металлов,поскольку

при v = 27 000—36 000 м/мин силы резания резко снижались.

2 См.: Термические явления при сверхскоростном резании металлов. Труды ГИСХ, XIV, Сухуми, 1970 г.

Влияние геометрии резца на температуру резания. Как известно, с увеличением угла резания увеличивается сила резания,следовательно, должны повышаться количество образующейсятеплоты и температура резания. Отвод тепла в данном случаетакже будет усиливаться с увеличением угла клина (угла заострения), но в меньшей степени, чем теплообразование, и в результате температура будет расти.

Величина угла в плане также влияет на температуру резания. С уменьшением угла несколько увеличивается нагрузкана резец и, казалось бы, нагрев его должен усиливаться. Однако
на самом деле получается обратное: с уменьшением угла удлиняется режущая кромка, увеличивается угол при вершине и как следствие значительно улучшается теплоотвод.

В заключение надо отметить заметное влияние на температурурезания смазочно-охлаждающих жидкостей. При этом падениетемпературы вызвано как охлаждающим эффектом, так и уменьшением трения в процессе резания.

Путем математической обработки опытных графиков А М. Даниелян вывел общую формулу зависимости температуры резания от различных факторов при нормальной обработке стали
быстрорежущим резцом

.

Здесь ; г — радиус закругления вершины резца; F — площадь поперечного сечения резца; — постоянная, зависящая от обрабатываемого материала и инструмента, или в упрощенном виде для стали (= 77 кгс/мм 2 , = 22%)

и для чугуна (приблизительно)

.

4. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ РЕЗАНИЯ

Среди многочисленных методов измерения температуры резания можно выделить две группы.

К первой группе относятся методы, с помощью которых измеряется средняя температура стружки, а также определенныхучастков изделия или резца: калориметрический метод; метод
цветов побежалости; метод термокрасок.

Ко второй группе принадлежат методы, которыми измеряютсятемпература узкоограниченных участков зоны резания или резца,например: метод термопар; оптический и радиационный методы.

Калориметрический мет од , впервые примененный в лаборатории ЛПИ, иногда используется и в настоящеевремя. В этом случае температура стружки рассчитывалась по
формуле

где — температура стружки; — вес воды; — весстружки; — начальная температура воды; — температурасмеси (воды и стружки); — теплоемкость стружки.

Этот метод может дать только среднюю температуру стружкии, следовательно, непригоден для исследования температуры наразных участках стружки и инструмента. Им иногда пользовалисьдля подсчета силы резания; при этом количество теплоты делилосьна механический эквивалент теплоты и определялась работа.

Простой метод определения температуры по цветам побежалости не требует каких-либо приспособлений. Цветапобежалости появляются в результате образования тончайшихпленок окислов на нагретой стружке; их цвета зависят от степенинагрева стружки.

Цвета побежалости и соответствующие им температуры (в °С):

Чуть желтый200
Светло-желтый220
Темно-желтый240
Пурпуровый270

Темно-синий . 290
Светло-синий . . 320
Синевато-серый . 350
Светло-серый,

переходящий в белый . 400

Считают, что при наличии некоторого опыта по цветам побежалости стружки нелегированной стали можно определить температуру с точностью ±5°, т. е. около 2%. Однако в действительности этот метод дает значительно большую погрешность, доходящую иногда, как показали опыты Б. Т. Прушкова, даже до20—30% в зависимости от толщины среза, времени работы и др.Столь большие отклонения вызваны тем, что цвета побежалостивыражают лишь температуру поверхности стружки, определяющую толщину пленки окисла, а тем самым и ее цвет. Цвет побежалости меняется в зависимости не только от температуры,но и от продолжительности действия тепла. При охлаждениистружки смазочно-охлаждающими жидкостями цвета побежалости
могут совсем исчезнуть, между тем как стружка сохраняет наповерхности контакта с резцом высокую температуру.

Неточным является и метод термокрасок , когдадля выявления температуры пользуются свойством специальныхкрасок менять цвет при определенных температурах. Например,
при 155° С цвет из пурпурного переходит в голубой, при 190° Сиз белого — в зелено-коричневый, при 255° С из зеленого —в темно-коричневый, при 305° С из желтого — в красно-коричневый, при 440° С из фиолетового — в белый.

При пользовании этим методом краска смешивается с алкоголями и наносится ровным слоем на грани исследуемых резцов.Некоторая погрешность в данном случае заключается в том, что
оттенок переходящих красок меняется в зависимости от продолжительности действия тепла.

Один из наиболее точных и в то же время относительно простойспособ — измерение температуры резца с помощью термопары, впервые примененной Я. Г. Усачевым. Как известно,при нагреве места спая проволок из двух разнородных металлов,например железо — константан, медь — константан, платина —иридий и т. д., в нем образуются заряды противоположных знаков. Если свободные концы проволок соединить, то в цепи возникаеттермоток, электродвижущая сила которого пропорциональнаразности температур места спая и холодных концов проволок.

Рис. 8. Термопара Я. Г. Усачева

Величину электродвижущей силы или напряжения можно измерять с помощью гальванометра или милливольтметра. Для перевода величины электродвижущей силы в градусы термопару
необходимо тарировать. На рис. 8, а показана термопараЯ. Г. Усачева. Здесь спай двух различных металлических проволок, изолированных слюдой или стеклянной трубкой, вставленв канал, просверленный в резце снизу. Дно этого канала располагают возможно ближе к передней грани и режущей кромкерезца, чтобы измерить температуру возможно ближе к источникамтеплоты. Недостатки этого способа: удаленность спая термопарыот участка максимальной температуры и необходимость поддерживать постоянным давление между спаем и дном отверстия.

Более удачной оказалась другая термопара (рис. 8, б), в которой проволока, например константановая, также изолированнаяот стенок канала, расклепывается на задней грани резца возможно ближе к режущей кромке. Здесь термопарой являютсяпроволока и материал самого резца. С помощью такой термопарыЯ. Г. Усачев провел ряд температурных исследований с достаточной точностью. Ею воспользовался ряд наших исследователейпри определении температурного поля резца. Для этого в головкерезца просверливалось вдоль главной и вспомогательной режущих кромок определенное количество отверстий, куда вставлялись термопары. К головке резца сверху прикреплялась тонкаяпластина (толщиной примерно 2 мм), служившая передней поверхностью резца. На рис. 9 показано температурное поле передней поверхности, полученное А. М. Даниеляном при обработкестали со скоростью v = 38 м/мин, t = 2 мм; s = 0,54 мм/об.

Этот способ измерения имеет свои недостатки; измеряетсятемпература на одном ограниченном участке и, к тому же несколько удаленном от основных источников теплообразования;необходимо иметь специальные резцы; недолговечность резцов,
так как после одной-двух переточек термопара разрушается.

Рис. 9. Температурноеполе на передней поверхности резца Рис. 10. Схема естественной термопары

В настоящее время температурные исследования производятсяс помощью, так называемой естественной термопары, состоящейиз самого изделия и режущего инструмента (рис. 10). В процессерезания в месте контакта разнородных материалов изделия ирезца вследствие нагрева возникает электродвижущая сила. Термоток в этом случае направляется по обрабатываемой детали 1 через медное кольцо 2, а затем через ртуть в ванне 3, служащейдля контакта вращающегося кольца 2 с проволокой 4. При этоммилливольтметр покажет напряжение термотока, по которому можно судить о температуре резания. Обрабатываемое изделиеизолировано от патрона и заднего центра, а резец от суппорта —при помощи прокладок.

В практике этот метод измерения был значительно упрощентем, что отказались от изолирования обрабатываемого изделия отстанка. Контактирование через кольцо и ртуть, как показано нарис. 10, а также изолирование заднего центра от изделия былипродиктованы желанием освободиться от второй дополнительнойтермопары, получающейся в месте контакта заднего центра иизделия; казалось бы, при этом дополнительный термоток долженнарушить правильность показаний основной термопары. Нов действительности роль второй термопары оказалась ничтожнойвследствие слабого разогревания заднего центра по сравнениюс резцом, и поэтому практически стало вполне возможным работатьи без изоляции заднего центра (рис. 11). Это значительно упростило все устройство, освободив его от дополнительных приспособлений, так как теперь второй провод присоединялся к любойточке станка.

В этом виде метод естественной термопары был бы вполнепригоден для применения, если бы не сложность тарированияподобного устройства, заключающаяся в том, что для каждого обрабатываемого материала и резца необходимо строить своютарировочную кривую зависимости между температурой и показаниями милливольтметра. Для этого применяют различные методы тарирования.

Рис. 11. Упрощенная схема естественной термопары

Наиболее простой из них состоит в следующем:в ванну с расплавленным оловом (или алюминием для тарировки выше 600° С) погружаются сливная стружка, снятая с обрабатываемой детали, и резец. Стружка и резец соединяются проволоками с гальванометром. При нагреве ванны (например, в электропечи) температура ее регистрируется контрольной термопарой,и одновременно записываются показания гальванометра. В дальнейшем оказалось, что при тарировании вместо стружки можноиспользовать брусок обрабатываемого материала.

В действительности условия нагрева в процессе резания отличаются от условий тарирования, поскольку в обоих случаях необеспечиваются одинаковые площади контакта обрабатываемого металла с резцом. К тому же при тарировании измеряется постоянная температура контакта образца и инструмента, между тем какна площади контакта стружки и передней поверхности инструмента в процессе резания развивается температура различнойнапряженности в разных точках контакта и естественная термопара измеряет некоторую усредненную температуру.

На рис. 12 показана схема полуестественной термопары, примененной в ЛПИ для измерения температуры резания при тонкомточении минералокерамическим резцом.

Оптический и радиационный методы. Оптические пирометры для измерения температуры резания применяются при скоростной обработке металла, когда стружка и резец нагревались весьма сильно вплоть до светлого каления. Однако опыт использования этого метода недостаточен, чтобы можно было сделать определенные выводы.

Радиационный метод измерения температуры, предложенный Ф. Швердом, основан на измерении теплоты лучеиспускания (рис. 13). Он дает возможность измерять температуру
резания на любом участке стружки и резца. Необходимо лишь изолировать другие лучи, отражаемые не из фиксируемых точек. Схема устройства этого прибора проста. Тепловой луч, направленный от наблюдаемого участка, проходит через две линзы, отверстие на экране и падает на фотоэлемент. Высокочувствительный гальванометр, соответственно проградуированный, показывает температуру наблюдаемого участка. Этот метод позволяет детальнее исследовать температуру стружки и инструмента, но он не получил широкого распространения из-за следующих недостатков.

1. Появление тонких окислов на поверхности стружки искажает правильность показаний прибора.

Рис. 12. Термопара для измерения температуры резания минералокерамическим резцом

1 — резец, 2 — обрабатываемая деталь, 3 — минералокерамическая пластина, 4 — элемент термопары (алюмель), 5 — провод, 6 — диск, 7 — ртуть, 8 — ванна, 9 — гальванометр

2. Значительные затруднения представляет собой тарирование прибора, поскольку теплота излучения зависит не только от температуры нагретого участка, но еще от цвета и состояния

Рис. 93. Радиационный метод измерения температуры

его поверхности; шероховатая поверхность стружки излучает больше теплоты, чем гладкая тарируемая поверхность.

3. Крепление прибора на резце неудобно, а при установке его вне резца колебания последнего в процессе резания мешают измерению температуры определенной точки.

4. Прибор сравнительно сложен.

Оригинальный способ измерения температуры в процессе резания путем анализа микроструктуры тончайшего слоя обработанной поверхности, претерпевающей заметные изменения предостаточно большом нагреве, применил Б. И. Костецкий. Но и этот метод пока не получил распространения, так как его можно использовать только при высоких режимах резания, когда поверхность резания или обработанная поверхность нагревается выше критических точек.

Необходимо отметить, что степень изменения температуры резания в процессе работы является в известной мере критерием обрабатываемости металла и качества режущего инструмента. Однако не всегда имеется закономерная связь между температурой резания и интенсивностью затупления режущего инструмента, так как затупление в значительной степени зависит от микроструктуры обрабатываемого материала.

1. А.М. Вульф »Резание металлов» – М.: Машиностроение,1973

2. А.Н. Резников »Теплофизика резания» – М.: Машиностроение,1969

3. Г.И. Грановский »Резание металлов» – М.: Высшая школа,1985

🔥 Видео

ЕГЭ физика. Уравнение теплового баланса (термодинамика)Скачать

Количество теплоты, удельная теплоемкость вещества. 8 класс.Скачать

❗ Количество теплоты ❗ Уравнение теплового баланса + РЕШЕНИЕ задачСкачать

Уравнение теплового баланса, термодинамика в изопроцессах | Физика ЕГЭ 10 класс | УмскулСкачать

Печь дровяная теория горения / Burning flame in the furnace theoryСкачать

Урок 175. Уравнение теплового балансаСкачать

Урок 143 (осн). Электрический ток. Источники токаСкачать

10 класс, 11 урок, Уравнение теплового баланса с учетом изменения агрегатного состояния веществаСкачать

Расчёт количества теплоты, необходимого для нагревания тела или выделяемого им при охлажденииСкачать

Урок 127 (осн). Задачи на уравнение теплового баланса - 1Скачать

Уравнение теплового балансаСкачать

Количество теплоты, удельная теплоемкость вещества. Практическая часть - решение задачи. 8 класс.Скачать