ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ РЕЗАНИИ.

 

Процесс резания сопровождается выделением теплоты, в которую превращается практически вся механическая работа, затрачиваемая на резание:

Q= P_zV, (Дж/ мин).

Выделившаяся теплота накапливается в заготовке и инструменте, повышая их температуру, что приводит к снижению твердости и износостойкости инструмента, понижению точности обработки (вследствие тепловой деформации).

Очагами выделения теплоты при резании являются следующие зоны:

Q_Д - зона стружкообразования (зона наибольших сдвиговых деформаций);

Q_ПП - зона контакта стружки с передней поверхностью инструмента;

Q_ЗП - зона контакта задней поверхности инструмента с заготовкой (см. рис.1.13).

Большая часть выделившейся в процессе резания теплоты (30-80%) уходит со стружкой (Q_c), часть теплоты распространяется в заготовку Q₃ =20-50%, инструмент Q_П = 2-30% и в окружающую среду путем лучеиспускания или конвенции при изменении охлаждения Q_oкр (около 1%).

Тепловой баланс процесса резания:

 

Q= Q_Д+ Q_ПП+ Q_ЗП= Q_c+ Q₃+ Q_П+ Q_oкр, Дж

 

Цвет стружки, как правило, отличается от цвета металла, от которого она получена. Это получается вследствие того, что в процессе резания выделяется много теплоты, причем большую часть её поглощает стружка. Под влиянием нагрева на чистой металлической поверхности стружки образуются тонкие пленки окислов, приобретающие различный цвет, в зависимости от степени нагрева стружки. Так, например, стальная стружка принимает светло-желтый цвет, нагреваясь до температуры 220⁰С, темно-синий- при 290⁰С, и при температуре 400⁰С она имеет светло-серый цвет.

Наибольшее влияние на температуру в зоне резания оказывает скорость резания. При обработке сталей на больших скоростях резания (сотни м/мин) температура резания, в местах соприкосновения стружки с инструментом, может достигать 800-1000⁰С, температура стружки при этом составляет 400-500⁰С.

Рис 1.13 Источники образования и распределения теплоты резания

 

При высоких температурах (800-1000⁰С) снижается твердость инструмента и быстро теряется его режущая способность. Кроме того, температурные деформации инструмента, заготовки, приспособлений и станка, снижают точность обработки. Поэтому обработку следует вести на таких режимах, чтобы не происходил значительный нагрев режущего инструмента.

С увеличением подачи температура в зоне резания повышается, но менее интенсивно, чем при увеличении скорости резания.

Еще меньшее влияние на температуру оказывает глубина резания. Это объясняется тем, что с увеличением подачи и особенно глубины резания возрастает поверхность контактирования обрабатываемой детали с инструментом, что улучшает условия теплооотвода от наиболее нагретых участков рабочей поверхности инструмента.

Для стали 40ХН проф. М. А. Даниелян получил следующую экспериментальную зависимость, показывающую степень влияния отдельных элементов режима на температуру в зоне резания:

 

 

Из геометрических параметров инструмента наибольшее влияние на температуру резания оказывает угол резания δ;, главный угол в плане φ; и радиус закругления вершины резца. С увеличением δ; и φ; температура в зоне резания возрастает, а с увеличением радиуса закругления вершины резца падает.

Имеет значение также площадь поперечного сечения тела инструмента: с ее увеличением происходит белее интенсивный отвод тепла от места его образования в тело резца.

Теплопроводность материала резца так же оказывает существенное влияние на теплоотвод при резании. Так, например, омедненные резцы имеют стойкость в 2-3 раза большую, чем не омеднённые, вследствие большего теплооотвода, снижению температуры резания и как следствие повышение стойкости.

Еще большее влияние на температуру резания оказывает теплопроводность металла обрабатываемой детали. Чем она меньше, тем большая доля тепла уходит в инструмент и тем больше повышается его температура. Так, например, теплопроводность нержавеющей стали Х18Н10Т в 3 раза, а титанового сплава ВТ-2 в 10 раз меньше теплопроводности стали 45. Поэтому при обработке деталей из стали Х18Н10Т и сплава ВТ-2 температура инструмента повышается в 1, 5-2, 5 раза.

Таким образом, при выборе режима резания целесообразно увеличивать глубину резания, затем подачу и в последнюю очередь скорость резания.

Для уменьшения температуры в зоне резания используют смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ) и реже другие сказочно-охлаждающие среды: газы, твердые и пластичные вещества-смазки.

СОЖ выполняют следующие функции:

I. Охлаждения - отвод тепла,

2. Смазка - уменьшение сил трения,

3. Моющие - удаление стружки и продуктов износа инструмента из зоны резания.

В результате применения СОЖ резко возрастают стойкость инструмента, уменьшается шероховатость обработанной поверхности и повышается точность обработки.

В зависимости от вида обработки применяют те или иные СОЖ.

При обработке на больших скоростях резания V =30-60 м/мин, а также при черновых операциях, когда основным является отвод тепла, применяют водные растворы: 1-5 процентные растворы соды, буры, мыла и др. веществ, способствующих улучшению смачиваемости водой металлических поверхностей, защищающих от коррозии и повышающих смазочные свойства жидкости.

Эмульсии: растворы в воде 2-10% минеральных масел и др. веществ, препятствующих слиянию капель масла в сплошной слой.

Чем выше содержание масла (эмульсола), тем выше смазывающее действие и меньше охлаждающее.

При обработке на малых скоростях резания V= 30-60 м/мин, когда температура невелика особенно при чистовой обработке фасонным инструментом с большой контактной поверхностью(нарезание резьбы и зубьев, развертывание, протягивание) применяют различные масла: минеральные, растительные с добавками активных веществ. Масляные жидкости обладают хорошими смазывающими и низкими охлаждающими свойствами.

Подвод СОЖ в зону обработки осуществляются по-разному (см. рис.1.14). Полив свободно падающей струей малоэффективен, т. к. струя не попадает на контактные поверхности инструмента. Более совершенный способ- подвод СОЖ под давлением 2-4 МПа или распыленной струей (туманом) со стороны задней и передней поверхностей, В некоторых случаях, например, при сверлении глубоких отверстий, когда охлаждение зоны резания затруднено, применяют подачу СОЖ через полый режущий инструмент.

Рис.1.14 Способы охлаждения: а–свободно падающей струёй; б–под большим давлением со стороны задней поверхности; в–под большим давлением со стороны передней поверхности