Тепловыделение и распределение теплоты при резании металлов

Источником теплоты при резании металлов является работа, затрачиваемая:

• на пластические и упругие деформации в срезаемом слое и в слоях, прилегающих к обработанной поверхности и поверхности резания;
• на преодоление трения по передней и задней поверхностям резца.

В связи с меньшими пластическими деформациями и меньшим трением от сыпучей стружки надлома общее количество теплоты, образующейся при обработке чугунов, меньше, чем при обработке сталей (при прочих равных условиях), что подтверждается формулой количества теплоты, выраженной через работу и механический эквивалент теплоты:

Q = P_zv/E — кал/мин,

где Q — количество теплоты, образующейся при резании, в кал/мин; P_zv — работа резания в Дж/мин; Р_z — сила резания, совпадающая с направлением движения резания, в кгс; v—скорость резания в м/мин; Е — механический эквивалент теплоты, равный 427 Дж/кал.

При одинаковых условиях резания сила Р_z при обработке чугунов меньше, чем при обработке сталей, а, следовательно, меньшим будет и количество теплоты. Теплота, выделяющаяся в процессе резания, согласно законам физики, распространяется от участка с высшей температурой к участкам с низшей температурой.

Тепловой баланс при резании может быть выражен следующим уравнением:

Q = Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄

где Q — общее количество теплоты, образующейся при резании; Q₁ — количество теплоты, уносимой со стружкой; Q₂ — количество теплоты, остающейся в резце; Q₃ — количество теплоты, остающейся в заготовке; Q₄ — количество теплоты, уходящей в окружающую среду при излучении.

Еще Я. Г. Усачев показал, что в стружку уходит от 60 до 86% общего количества теплоты, причем чем больше скорость резания, тем выше этот процент. В среднем при токарной обработке в стружку уходит 50—86% общего количества теплоты, в резец 40—10%, в заготовку 9—3% и в окружающую среду около 1%. На распределение теплоты между объектами влияет ряд факторов, наиболее важными из которых являются скорость резания и толщина среза; при чистовой обработке в заготовку уходит теплоты больше, чем при черновой обработке.

Теплота, переходящая в резец, размягчает его (снижает твердость) и делает менее износостойким. На стойкость инструмента в основном влияет высокая температура, создаваемая в тонких поверхностных слоях *, подвергающихся износу. Под действием высокой температуры (температуры резания) в этих слоях могут происходить отпуск и соответствующие структурные изменения, сильно влияющие на твердость, а, следовательно, и на интенсивность износа режущего инструмента.

*Температура в тонких поверхностных слоях зависит от общего количества теплоты, переходящей в резец, и от интенсивности его отвода; чем больше теплоты, меньше объем головки резца и менее интенсивен отвод теплоты (в тело резца – вследствие теплопроводности или применения охлаждающей жидкости), тем выше температура в поверхностных слоях.

Так, твердая структура мартенсит (HRC 62—65), получаемая в результате соответствующей термической обработки быстрорежущей стали, начиная с температуры 550—600° С, интенсивно распадается на менее твердые и износостойкие структуры (троостит, троосто-мартенсит), что делает инструмент из быстрорежущих сталей неработоспособным (быстроизнашивающимся), если его поверхности трения будут нагреваться в процессе резания до 600° С и выше.

Выделяясь в зоне стружкообразования и в местах контакта стружки с инструментом и инструмента с заготовкой, теплота влияет на состояние трущихся поверхностей (изменяя коэффициент трения), на точность обработки, на весь процесс резания и связанные с ним явления (деформации, наростообразование, упрочнение, износ инструмента и др.).

В связи с этим необходимо знать влияние различных факторов на тепловыделение, распределение температурных полей и методы определения температуры в процессе резания.