Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Теплота при стружкообразовании

03.11.2018

Работа, затрачиваемая, во-первых, на деформацию срезаемого слоя и образование стружки, и, во-вторых, на перемещение стружки и свежеобразованной поверхности вдоль поверхностей инструмента, почти вся превращается в теплоту. Вследствие очень большой величины пластических деформаций маловероятно, чтобы больше 1% совершаемой работы переходило в потенциальную энергию упруго деформированного тела, остальные 99% идут на нагрев стружки, инструмента и заготовки.

При обычных режимах резания наибольшая часть совершаемой работы идет на образование стружки. В упрощенной модели процесса материал заготовки в плоскости сдвига нагревается мгновенно во время его срезания и вся теплота уносится стружкой. Согласно этой модели повышение температуры стружки Tс описывается уравнением

где k — касательное напряжение при пластической деформации; у — относительный сдвиг; J — механический эквивалент теплоты; рС — удельная объемная теплоемкость.

По этой упрощенной зависимости может быть с достаточной точностью проведен расчет повышения температуры в теле стружки для многих условий резания, особенно при сравнительно высоких скоростях резания. Температура стружки может оказывать влияние на характеристики резца только до тех пор, пока стружка находится с ним в контакте; теплота, остающаяся в стружке, после того как контакт прерван, уносится из системы. Любой элемент стружки, нагреваясь при прохождении зоны стружкообразования, в дальнейшем не подвергается деформации и нагреву, а время, необходимое для прохождения площадки контакта, очень мало. Например, при скорости резания 50 м/мин, если коэффициент утолщения стружки равен 2, то скорость стружки составляет 25 м/мин. Если длина контакта на передней поверхности равна 1 мм, то элемент стружки проходит эту площадь всего за 2 мс. За такой короткий промежуток времени очень малое количество теплоты может быть отдано стружкой за счет излучения или конвекции в воздух или за счет теплопроводности в инструмент.

В одном научном исследовании измерение температуры свободной поверхности стружки проводилось при помощи радиационного пирометра. С этой целью низкоуглеродистая сталь обрабатывалась при следующих режимах: скорость резания 160 м/мин, подача 0,32 мм/об, глубина резания 3 мм. Температура свободной поверхности стружки составляла 335° С. По мере прохождения металла по площадке контакта на передней поверхности резца было зарегистрировано очень небольшое увеличение его температуры, всего на 2° С. Тепло может также передаваться от металла в инструмент через площадку контакта. Однако, как будет показано, при многих режимах резания, особенно при большой скорости съема металла, работа, совершаемая для преодоления силы подачи Ff, приводит к нагреву зоны пластического течения под контактной поверхностью стружки до температуры, превышающей температуру всего деформированного металла. Эта теплота затем распространяется в тело стружки от ее контактной поверхности, и не происходит передачи теплоты от стружки к инструменту.

Часть теплоты, генерируемой в условной плоскости сдвига, передается в приближающийся недеформированный металл, который таким образом предварительно нагревается перед тем как происходит его срезание и превращение в стружку. Если бы зона стружкообразования действительно была плоскостью, проходящей от режущей кромки к поверхности заготовки, как это принято в идеализированной модели, то количество теплоты, отдаваемое обратно в заготовку, было бы незначительным при достаточно большом угле сдвига. В действительности деформации не ограничены строго плоскостью сдвига, а происходят в конечном объеме металла, форма которого меняется в зависимости от свойств обрабатываемого материала и режимов резания. Изучение микрошлифов корней стружек, полученных при мгновенном прекращении резания, показывает, что деформированная зона не ограничена режущей кромкой. Пластическое течение вокруг режущей кромки инструмента при обработке стали с очень низким содержанием углерода со скоростью резания 16 м/мин и подачей 0,25 мм/об видно на рис. 3.14, а на рис. 5.1 показана зона вокруг режущей кромки при большем увеличении. Деформированная зона заметно распространяется в материал заготовки вблизи режущей кромки на глубину более 100 мкм. Эта зона деформированного и нагретого материала остается и под обработанной поверхностью заготовки. При многих операциях, таких как, например, токарная обработка, большая часть нагретого за один оборот заготовки металла срезается во время следующего оборота, и эта часть теплоты также переходит в стружку. Однако некоторое количество теплоты из деформированного слоя заготовки передается обратно в заготовку и повышает ее температуру. Иногда необходимо охлаждать заготовку для обеспечения размерной точности.

Величина деформированного объема на заготовке очень непостоянна. В качестве примера на рис. 5.1,б приведено сечение при мгновенном прекращении резания для того же материала заготовки, что и на рис. 5.1, а, но при скорости резания 110 м/мин и при уменьшенной длине контакта за счет применения резца специальной формы.

Заметно деформированная зона на поверхности заготовки под режущей кромкой простирается на глубину не более 20 мкм, и нагрев этой поверхности должен быть соответственно меньшим. Низкая скорость резания, малая величина переднего угла и другие факторы, способствующие образованию малого угла сдвига, приводят к увеличению теплового потока в заготовку. Легирование и термическая обработка, снижающие пластичность обрабатываемого материала, как правило, приводят к уменьшению остаточных деформаций в заготовке.

Суммируя сказанное выше, можно отметить, что большая часть теплоты, выделяющейся в результате механической работы, совершаемой в плоскости сдвига и расходуемой на образование стружки, переходит в стружку и уносится ею, в то время как небольшая, но переменная часть теплоты переходит в заготовку, способствуя повышению ее температуры. Эта часть работы резания вносит сравнительно небольшой вклад в нагрев режущего инструмента.
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: