Джерела і стоки теплоти

Загальна потужність тепловиділення W при різанні дорівнює еквівалентній механічній роботі деформування матеріалу, яка виконується за одиницю часу в зонах 2, 3 і 6 і роботі сил тертя за одиницю часу на контактних поверхнях інструмента, тобто

W = P_z V, (1)

де Р_z – головна складова сили різання, Н; V- швидкість різання, м/с. У свою чергу,

W = W_g + W_1T + W_2T, (2)

де W_g, W_1T, W_2T – відповідно потужності тепловиділення джерел, які виникають як результат переходу в теплоту роботи деформування, роботи сил тертя на передній і задній поверхнях клина. Якщо в технологічних процесах обробки матеріалів комбінується кілька видів енергії, крім основної (механічної) роботи різання, то замість формули (2) одержуємо

, (3)

де W_B – потужність додаткових (зовнішніх) джерел; при цьому знак «+» у даному випадку означає, що має місце процес різання з додатковою енергією. Слід зазначити, що якщо режим різання і геометричні параметри інструмента зберігаються такими ж, як і при звичайному процесі, то,
W_g⁺ ¹ W_g, W ¹ W_1T і W ¹ W_2T, оскільки додаткова енергія (наприклад, нагрів променем лазера, потоком плазми та ін.) впливає на роботу тертя і деформування в зоні різання. На практиці потужність теплоутворюючих джерел відповідно до законів механіки розраховують за формулами:

W_1T = F₁×V₁; W_2T = F₂×V₂;

W_g = (P_z - F₂)×V - F₁×V₁; (4)

де F₁ і F₂ – сили тертя на контактних поверхнях інструмента; Р_z, F₁,F₂ – сили, значення яких визначають експериментальним шляхом за загальноприйнятими у технології різання методиками.

У загальному випадку теплота W (чи W⁺) витрачається на нагрівання стружки (W_c), інструмента (W_і), заготівки (W_з) і розсіюється в навколишнє середовище (W₀) за рахунок конвективного і радіаційного теплообмінів. Тому

W = W_c + W_и + W_з + W₀ (5)

Підставляючи (2) і (4) у (5), одержуємо

F₁V₁ + F₂ + (Р_z – F₂)×V - F₁×V₁ = W_c + W_и + W₃ + W₀ (6)

При цьому якщо складові лівої частина рівняння (6) визначаються безпосередньо в процесі різання, то для визначення величин додатків у правій частині рівності (6) необхідні спеціальні теплофізичні розрахунки чи експериментальні дослідження.

Як показують численні технологічні експерименти, теплові явища при різанні можна досить просто й ефективно регулювати за двома напрямками: шляхом сумарної зміни (зниження, підвищення) температури в зоні обробки, зокрема температури різання, а також шляхом локальних змін окремих ділянок заготівки й інструмента, тобто здійснюючи спрямовану зміну температури в зоні різання яке може виявитися необхідним для того, щоб створити оптимальні умови на поверхнях контакту інструмента з заготівкою, оскільки, як показують дослідження, для кожної пари інструмент-заготівка існує оптимальне значення температури різання. Локальна зміна (зниження) температури дозволяє зменшити термічні деформації тих елементів технологічного процесу, які найбільше впливають на точність обробки, а також підвищити стійкість інструмента та ін.

Основні способи керування термічним режимом процесу різання при роботі лезовими інструментами представлені в таблиці 1.

Таблиця 1 – Основні способи керування тепловими режимами при різанні лезовими інструментами