Исследование температуры в зоне резания при точении

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

Потери теплоты от конвекции и радиации в процессе резания ничтожно малы; невелико количество теплоты, уходящей в 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 сталей и 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 большом заднем 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 подачи при обработке конструкционной стали в стружке содержалось 60—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 деформации составит в среднем

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

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

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

с — теплоемкость нагретой стружки в ккал/кгс град; d —плотность стружки (7,8 *10^-6 кгс/мм³);

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/мм² (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 рассматривать резец как твердый стержень с поперечным сечением, равным bl,на одной стороне которого поддерживается постоянная температура . Для решения поставленной задачи используется уравнение теплопроводности

,

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

.

Решая уравнение по М. П. Левицкому, при начальных и граничных условиях при x = 0, при , получим уравнение

,

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

Минуя промежуточные вычисления и пренебрегая температурой внешней среды, получим

.

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

.

Формула показывает закономерность изменения температуры резания в зависимости от разных факторов. На основе ее 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 меньшей степени, чем сама скорость.

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

Надо ожидать, что температура резания в действительности должна быть более высокой, чем это получается расчетом по теоретической формуле, так как здесь не учтена теплота трения по задней поверхности резца. Последняя будет все более проявляться с увеличением скорости резания по мере затупления резца; при этом особенно заметно будет повышаться температура обрабатываемой детали.

Обрабатываемая деталь нагревается в основном теплотой деформации. Очевидно температура детали должна уменьшаться с увеличением скорости резания, поскольку при этом уменьшается (рис. 3). Подобный вывод подтверждается на практике при работе острым резцом в нормальных условиях. Однако по мере затупления резца и значительного уменьшения