Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Тепловые процессы на поверхности раздела инструмент - заготовка

03.11.2018

Теплота, выделяющаяся на поверхности раздела инструмент — заготовка, имеет основное значение для работы инструмента и особенно существенна для ограничения скорости съема металла при обработке чугуна, стали и других металлов и сплавов с высокой температурой плавления. В большинстве опубликованных работ выделение теплоты в этой зоне рассматривается на основе классической теории трения. В книге этот вопрос пересмотрен в свете данных о схватывании как о нормальном состоянии на поверхности раздела инструмент — заготовка. Прежде всего необходимо рассмотреть более детально процесс деформирования в зоне пластического течения, являющийся основным источником тепла, способствующим повышению температуры инструмента.

Сечение по поверхности раздела инструмент — стружка при мгновенном прекращении резания заготовки из низкоуглеродистой стали, обрабатываемой резцом с передним углом 6°, показано на рис. 3.10, а на рис. 5.2 показан фрагмент при большом увеличении. Скорость резания была 153 м/мин, а коэффициент утолщения стружки 4:1. Средняя скорость стружки, перемещающейся по передней поверхности, составляла 38 м/мин, в то время как на поверхности инструмента не было относительного перемещения двух поверхностей. Относительный сдвиг у и его измерение кратко рассмотрены в гл. 3 и схематически показаны на рис. 3.4 в зависимости от деформации в плоскости сдвига. Значение у в плоскости сдвига обычно составляет 2—4, и в данном примере у примерно равно 4. Толщина зоны пластического течения составляла в среднем 0,075 мм на большей части контакта схватывания, длина которого равна 1,5 мм. Деформации сдвига в зоне пластического течения наглядно можно представить, рассмотрев изменение формы элементарного куба с размером грани 0,075 мм, первоначально расположенного у режущей кромки на передней поверхности. Когда верхняя грань такого элементарного куба смещается на расстояние 1,5 мм в положение, в котором стружка сходит с по верхности резца, относительный сдвиг, равен 18 или в 4,5 раза больше, чем в плоскости сдвига. Однако это значение не полностью характеризует степень деформации в зоне пластического течения. Так как основание зоны пластического течения остается прикрепленным к поверхности инструмента, материал в этой части зоны, которая расположена очень близко к поверхности резца, продолжает неограниченно подвергаться деформации, по мере того как верхняя поверхность исходного элементарного куба смещается на контактной поверхности при сходе металла с резца. Таким образом, величина деформации в зоне пластического течения возле поверхности резца очень велика и не может быть определена методами, использующими модель с одной плоскостью сдвига.

Определенных данных об изменении величины деформаций в зоне пластического течения нет. Обычные способы измерения деформаций, такие, как нанесение сетки на поверхности и измерение изменения ее формы после деформирования, невозможно использовать в столь малом объеме металла, подвергающегося таким интенсивным деформациям. «Естественные отметки», структурные особенности в металле, такие, как границы зерен и пластические неметаллические включения, вытягиваются в зоне пластического течения почти параллельно поверхности резца настолько, что их угол наклона становится слишком малым для измерения по мере приближения к поверхности резца (см. рис. 5.2).

Микрофотографии сечений при мгновенном прекращении резания дают наилучшую информацию о распределении деформаций в зоне пластического течения, на основании которой может быть измерена толщина этой зоны и сделана ее общая качественная оценка. Однако ясно, что величина деформации в зоне пластического течения обычно на несколько порядков превышает деформации в плоскости сдвига. Величины деформаций далеко выходят за рамки тех значений, с которыми приходится сталкиваться при лабораторных механических испытаниях, где разрушение происходит при гораздо более низких деформациях. Способность металлов и сплавов выдерживать столь значительные относительные сдвиги без разрушения в зоне пластического течения должна быть отнесена за счет очень высоких напряжений сжатия в этой зоне, которые задерживают образование трещин и способствуют повторному завариванию тех небольших трещин, которые могут начать образовываться или уже имелись в материале заготовки перед обработкой. Так, например, отверстия в высокопористых деталях, полученных методом порошковой металлургии, часто полностью закрываются на контактной поверхности стружки и обработанной поверхности после прохождения зоны пластического течения. Напряжения сжатия на передней поверхности уменьшаются по мере удаления металла от режущей кромки. И в том случае, когда нормальные напряжения сжатия больше не задерживают образование трещин, стружка отделяется от инструмента, ее контактная поверхность образуется в результате разрушения при движении по поверхности инструмента или на участках концентрации напряжений в зоне пластического течения.

Скорость относительного сдвига в зоне пластического течения очень велика. В примере, приведенном на рис. 3.10, среднее значение деформации, равное 18, проходило за 2,4 мс так, что средняя скорость деформации составляла 7,5х10в3 с-1. Как и о величине деформации, так и об изменении скорости деформации в зоне пластического течения было получено мало данных и в основном путем изучения микрофотографий сечений, полученных при мгновенном прекращении резания. Изучение микрофотографий дает возможность предположить, что, несмотря на то, что на некоторых участках зоны пластического течения скорость деформации может быть постоянной по толщине зоны, имеются также участки «неподвижного металла» или зоны, где скорость деформации очень низкая, и зоны, где скорость деформации значительно выше средней. Например, на рис. 5.1, а неподвижный слой металла может находиться на передней поверхности вблизи от режущей кромки, но вокруг режущей кромки, где происходит образование поверхности детали, скорость деформации, по-видимому, очень высокая.

Достаточно точное определение суммарного количества теплоты, выделяющегося на поверхности раздела инструмент — деталь, может быть проведено по измеренной силе и толщине стружки. Для нулевого переднего угла количество выделяющейся теплоты составит

Температура стружки может быть определена большой точностью из уравнения (5.1), так как допущение о равномерном распределении скорости деформации в плоскости сдвига и пренебрежении потерями тепла за короткий промежуток времени не приводит к большим погрешностям. Такое допущение не может быть принято для определения температуры в зоне пластического течения по трем причинам.

1. Распределение энергии в зоне пластического течения может быть существенно неравномерным, и данные, по которым оно может быть определено, ненадежны вследствие предельных значений деформаций, скорости деформации и т. д.

2. Толщина зоны пластического течения и количество проходящего через нее металла точно неизвестны.

3. Теплоотвод из зоны пластического течения может быть большим и трудноподдающимся расчету.

Было предпринято много попыток для определения температурных полей и градиентов температуры на передней поверхности резца, и был достигнут прогресс на пути создания более реальной модели и уменьшения источников ошибок. Даже для плоской задачи при прямоугольном (ортогональном) резании следует подвергать большому сомнению точность определения температуры. Несмотря на то, что количественная оценка температуры расчетным путем приближенна, для понимания многих аспектов стойкости резца и обрабатываемости полезно рассмотреть общие свойства зоны пластического течения как источника тепла.

Материал, из которого состоит зона пластического течения, непрерывно заменяется. Новый материал поступает к режущей кромке, непрерывно деформируется и разрушается, движется пo передней поверхности и покидает инструмент в виде тонкого слоя на контактной поверхности стружки. В отличие от материала в теле стружки он непрерывно срезается и постепенно нагревается вследствие совершаемой работы, и поэтому можно ожидать повышения температуры по мере его удаления от режущей кромки.

Повышение температуры определяется величиной совершаемой работы и количеством металла, проходящего через зону пластического течения. Толщина зоны пластического течения дает некоторое представление о количестве металла, и чем тоньше зона пластического течения, тем большая температура будет соответствовать той же величине совершаемой работы. В зависимости от обрабатываемого материала толщина зоны пластического течения может значительно меняться от 100 до 12 мкм и менее. Толщина этой зоны увеличивается при низких скоростях, но незначительно меняется с изменением подачи. Вообще толщина контактной зоны пластического течения очень мала по сравнению со стружкой — обычно около 5% толщины стружки. Так как работа, совершаемая на передней поверхности резца, обычно составляет около 20% работы, совершаемой в условной плоскости сдвига, то в зоне пластического течения были определены гораздо большие температуры, чем в стружке, особенно при высокой скорости резания. В настоящее время накоплено мало данных о влиянии таких факторов, как обрабатываемый материал, геометрия инструмента или материал инструмента, на толщину контактной зоны пластического течения, и в этой области необходимо проводить исследования.

На температуру в зоне пластического течения в значительной мере влияют потери тепла за счет теплопроводности. Тепло выделяется в очень тонком слое металла, имеющем большую площадь металлического контакта как с деформируемым металлом, так и с инструментом. Так как температура этого слоя выше, чем температура срезаемого материала, особенно в зоне, достаточно удаленной от режущей кромки, максимальная температура в зоне пластического течения уменьшается вследствие отвода теплоты в стружку. После того как металл сходит с поверхности инструмента и превращается в стружку, та часть зоны пластического течения, которая уходит вместе с контактной поверхностью стружки, охлаждается очень быстро до температуры стружки вследствие очень эффективного охлаждения за счет теплопроводности. Повышение температуры стружки вследствие тепла, передаваемого из контактной зоны пластического течения, незначительно из-за сравнительно большого объема стружки.

Условия передачи теплоты из зоны пластического течения в инструмент отличаются от условий на поверхности раздела зона пластического течения — стружки вследствие того, что теплота распространяется непрерывно в один и тот же небольшой объем материала инструмента. В гл. 3 было показано, что на этой поверхности раздела часто возникает сплошной металлический контакт, и там, где это справедливо, температура инструмента будет фактически соответствовать температуре материала зоны пластического течения на поверхности контакта. Инструмент действует как сток теплового потока, в который теплота переходит из зоны пластического течения, и в инструменте устанавливается устойчивый температурный градиент. Количество теплоты, переходящей из зоны пластического течения в инструмент, зависит от удельной теплопроводности инструмента, формы инструмента и разнообразных способов охлаждения, применяемых для понижения температуры инструмента. Теплота, переходящая в инструмент из зоны пластического течения, приводит к повышению температуры в инструменте, что является наиболее важным фактором, ограничивающим скорость съема металла при обработке металлов с более высокой температурой плавления.
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: