Источники и распределение теплоты в зоне резания

Процесс резания металлов сопровождается значительным тепловыделением в результате того, что механическая работа резания переходит в тепловую энер­гию. Основными источниками возникновения тепла в зоне резания являются:

1. внутреннее трение между частицами срезаемого слоя в результате его пластической деформации при образовании стружки (Q₁);

2. трение стружки о переднюю поверхность инструмента (Q₂);

3. трение поверхности резания и обработанной поверхности по задним поверхностям инструмента (Q₃).

Наиболее интенсивное выделение тепла происходит в области стружкообразования, прилегающей к плоскости скалывания 1-1. В этой области теплота выделяется в результате двух одновременно протекающих процессов: во-первых, в результате пластической деформации сдвига элементов образующейся стружки по плоскости скалывания; во-вторых, в результате пластической деформации сжатия и частично пластической деформации смятия тонкого слоя металла при­мыкающего к плоскости скалывания со стороны срезаемого слоя припуска. Этот слой показан на рис.5.2. и выделен штриховкой.

Схема расположения источников тепла в зоне резания представлена на рис.5.1.

Рис.5.1. Источники тепла в зоне резании.

Рис.5.2. Слой упруго-пластической деформации впереди зоны стружкообразования, перед плоскостью скалывания 1-1

Упругая деформация всегда предшествует пластической деформации и по­тому имеет место и при пластической деформации срезаемого слоя при резании металлов. Пластическая деформация в этом слое обнаруживается путем измере­ния микротвердости и существует по той же причине, что и деформация мате­риала под поверхностью резания и под обработанной поверхностью. Возможно количество тепла, выделяющегося в результате упругой деформации невелико, но предполагать вероятность этого процесса и учитывать его существование не­обходимо.

Общее количество выделяющегося при резании тепла равно сумме тепла, выделившегося во всех перечисленных выше источниках:

Q_общ. = Q₁ + Q₂ + Q₃^. (5.1)

Тепло, образующееся в процессе резания, не аккумулируется в местах его образования, а распространяется от точек с более высокой температурой к точ­кам с низкой температурой. Из зоны резания тепло уносится со стружкой (q₁), передается в заготовку (q₂) и инструмент (q₃) и распространяется в окружаю­щую среду (q₄).Тепловой баланс процесса резания может быть выражен уравне­нием:

Q₁ + Q₂ + Q₃ = q₁ + q₂ + q₃ + q₄ (5.2)

Соотношение количества тепла, отводимого со стружкой в деталь, в инстру­мент и окружающую среду, зависит от физико-механических свойств обрабаты­ваемого материала, режима резания, геометрии режущего инструмента и внеш­них условий, в которых осуществляется резание.

В начале обработки температура в зоне резания растет до какого-то опреде­ленного значения и устанавливается постоянной, соответствующей стационар­ному тепловому режиму, при котором выделение тепла равняется отводу его по перечисленным направлениям. Для практических целей наибольший интерес представляет температура рабочей части инструмента и обрабатываемой заго­товки. Тепло, переходящее в заготовку, увеличивает ее температуру и вызывает температурное изменение ее размеров и коробление, подчас являющееся причи­нами брака.

Рис.5.3. Зависимость образования и распределения теплоты, от скорости резания.

Теплота, переходящая в инструмент, при всей своей относительной незначи­тельности, концентрируясь в малых объемах материала инструмента, вызывает сильный разогрев его в этих объемах и снижение режущих свойств и износо­устойчивости инструмента. С увеличением скорости резания доля тепла, пере­ходящего в инструмент, уменьшается, но абсолютное его количество возрастает и температура в зоне резания увеличивается до значений, близких к температуре красностойкости металла инструмента.