Тепловые явления при резании металлов

Механическая энергия, расходуемая на процесс резания, в основном превращается в теплоту, и многие экономические и технические проблемы механической обработки вызваны прямо или косвенно этим тепловым воздействием. Стоимость механической обработки в значительной степени зависит от скорости съема металла и может быть уменьшена за счет увеличения скорости резания и подачи (независимо или совместно), верхний предел которых обусловлен резким снижением стойкости инструмента. Это не является основным ограничением при обработке алюминия и магния и некоторых их сплавов, при обработке которых возникает проблема удаления большого количества быстро сходящей стружки, что может ограничить скорость съема металла. Однако большая часть обработки резанием производится на стали и чугуне, и именно при обработке этих металлов, а также никелевых сплавов возникают наиболее серьезные технические и экономические проблемы. При обработке этих металлов и сплавов, имеющих более высокую температуру плавления, инструменты нагреваются до высоких температур с увеличением скорости съема, и при превышении определенной критической скорости наступает быстрое их разрушение под воздействием напряжений и температуры. То, что теплота играет значительную роль в механической обработке, было четко выявлено к 1907 г. в статье Ф.У. Тэйлора «Об искусстве резания металлов», в которой он дал обзор работ, способствовавших созданию новых быстрорежущих сталей. Эти стали, позволяющие резать сталь и чугун инструментом, работающим при значительно более высокой температуре, способствовали повышению допустимой скорости съема металла в 4 раза. Ограничения, налагаемые возникающей при резании температурой, являлись стимулом для разработки инструментальных материалов за последние 70 лет. Однако проблемы остались, и даже при современных инструментальных материалах скорости резания ограничены величиной 15 м/мин или менее при обработке некоторых сплавов с высоким пределом текучести.

Поэтому важно понять факторы, влияющие на тепловыделение, распространение теплоты и распределение температуры в инструменте, стружке и заготовке вблизи режущей кромки. Дж. Т. Никольсон, изучавший процесс резания металлов в Манчестере, в журнале «The Engineer» в 1904 г. писал: «He приходится сомневаться, что, когда законы распределения температуры в стружке и инструменте с различными углами резания, размеры и форма срезаемого слоя и скорость абразивного износа... будут окончательно определены, можно будет установить, как должен быть заточен инструмент, чтобы наиболее эффективно работать... при различных условиях, встречающихся на практике». Однако, определение температуры и температурного поля в особенно важной зоне — вблизи режущей кромки — технически трудно, и прогресс был медленным в течение тех 70 лет, после того как проблема была сформулирована. Современные исследования вносят ясность в некоторые основные положения, но проведенная до сих пор работа является только началом требуемых фундаментальных исследований.