Тема 6. Тепловые явления при резании металлов

Теплота является одним из основных факторов, влияющих на резание.

Теплообразование оказывает двойное воздействие на резание. С одной стороны,

интенсивное тепловыделение облегчает деформирование материала срезаемого

слоя, способствует образованию пограничного слоя на контактных

поверхностях стружки и заготовки, вследствие чего уменьшается износ

инструмента и повышается качество обработанной поверхности. С другой

стороны, тепловое воздействие на режущее лезвие инструмента приводит к

изменению структуры и физико-механических свойств инструментального

материала (снижению его твердости). Температура в зоне главной режущей

кромки достигает 800-1000 °С. Это приводит к потере режущих способностей

инструмента и ускоренному изнашиванию.

Кроме того, с повышением температуры инструмента увеличиваются его

размеры, что вызывает снижение точности обработки. Нагрев жестко закрепленной обрабатываемой заготовки ведет к изменению ее размеров и де-

формациям, что также влияет на точность обработки.

Тепловыми явлениями при резании необходимо управлять так, чтобы

выделяющаяся теплота облегчала резание и не снижала стойкости инструмента

и точности обработки. Погрешности обработки заготовки, возникающие

вследствие тепловыделения, необходимо учитывать при наладке станков,

особенно автоматов и полуавтоматов. Для определения погрешностей нужно

знать температуру инструмента и заготовки в процессе резания.

Почти вся механическая энергия, затрачиваемая на деформирование,

разрушение и трение, переходит в тепловую и только небольшая часть

накапливается в виде потенциальной энергии искаженной решетки материала в

зоне деформирования. Поэтому количество Q выделяющейся теплоты в единицу

времени (Дж/с) можно подсчитать по формуле:

Q = Pz ∙ v,

где Pz - сила резания, Н; v – скорость резания м ∕с.

Источниками теплоты при резании являются пластическое деформирование в

зоне стружкообразования, трение стружки о переднюю поверхность инструмента

и трение поверхности резания и обработанной поверхности о задние поверхности

лезвия инструмента (рис. 31).

Рис. 31. Источники образования и распределения теплоты при резании

Тепловыделениями за счет упругих деформаций и диспергирования

обычно пренебрегают ввиду их незначительной величины.

Уравнение теплового баланса можно представить следующим образом:

где Qд - количество теплоты, выделяющееся при пластическом

деформировании обрабатываемого материала; Qт.л. - количество теплоты,

выделяющееся при трении стружки о переднюю поверхность лезвия; Qт.з. - коли-

чество теплоты, выделяющееся при трении задних поверхностей лезвия о

заготовку; Qстр. - количество теплоты, уходящей в стружку; Qз - количество

теплоты, уходящей в заготовку; Qи - количество теплоты, уходящей в

инструмент; Qокр. - количество теплоты, передаваемой окружающей среде.

Количественное выражение составляющих уравнения теплового баланса

зависит от вида операции, физико-механических свойств материалов заготовки

и инструмента, режима резания, геометрических параметров режущего

инструмента и условий обработки. При обработке конструкционных сталей со

скоростями резания до 50 м/мин количество теплоты, выделяющейся при

пластическом деформировании, Qд = 0,75 Q, при v = 200 м/мин это количество

теплоты снижается до Qд = 0,25 Q. Следовательно, при скоростном резании

основным источником теплоты является трение.

Значение слагаемых правой части уравнения теплового баланса зависит

прежде всего от вида операции. Например, при точении различных

конструкционных материалов наибольшее количество теплоты уходит со струж-

кой, а при сверлении — в обрабатываемую заготовку.

Наибольшее влияние на температуру резания (среднюю температуру по

всей поверхности контакта инструмента и заготовки) оказывает скорость

резания. При скоростях резания до 400 м/мин температура инструмента

повышается быстро; при дальнейшем повышении скорости ее влияние заметно

снижается. С увеличением подачи температура в зоне резания повышается, но

менее интенсивно, чем при повышении скорости резания. Еще меньшее влияние

на температуру оказывает глубина резания. Это объясняется тем, что с

увеличением глубины резания возрастает длина активной части режущей кромки

инструмента, что улучшает условия теплоотвода. Уравнение температуры

резания в зависимости от режима обработки может быть записано в виде

эмпирической формулы:

где С — общий коэффициент, характеризующий условие обработки; z, y, x -

показатели степени, характеризующие интенсивность прироста температуры с

увеличением v, S и t.

С уменьшением переднего угла γ увеличивается сила резания и,

следовательно, температура резания. Вследствие увеличения угла заострения β

теплоотвод в данном случае тоже будет усиливаться, но в меньшей степени,

чем тепловыделение. С уменьшением угла в плане φ удлиняется активная часть

режущей кромки, увеличивается угол при вершине ε и за счет этого

улучшается теплоотвод.

Существуют различные методы измерения температуры в зоне резания:

калориметрический, термопар (искусственных, полуискусственных,

естественных), термокрасок, цветов побежалости, оптический, радиационный и

др.

Наиболее распространенным и точным является метод термопар, впервые

предложенный в 1912 г. Я. Г. Усачевым. Спай искусственной термопары (рис.

32, а) вставляют в просверленное в определенном месте инструмента отверстие и

располагают его возможно ближе к источникам теплоты. Термопару

изолируют от стенок отверстия в инструменте слюдой или стеклянной трубкой.

Возникающую в цепи термоэлектродвижущую силу, пропорциональную

разности температур места спая и холодных концов проволок, измеряют

регистрирующим прибором. Для перевода электродвижущей силы в градусы

термопару тарируют.

При измерениях методом полуискусственной термопары одним элементом

является инструмент (рис. 32, б), другим - изолированная проволока, которую

расклепывают на задней или передней поверхности инструмента.

Рис.32. Схемы термопар:

а) искусственной; б) полуискусственной; в) естественной; 1 – спай термопары; 2

– проволока; 3 – изоляционная трубка; 4 – токосъемник; 5 – регистрирующий

прибор

В настоящее время для температурных исследований широко применяют

естественные термопары, состоящие из инструмента и детали. Спаем,

термопары является область контакта режущего клина с металлом заготовки

(рис. 32, в). Для повышения точности показаний инструмент и заготовку

изолируют от узлов станка. Для передачи термотока с вращающейся заготовки

регистрирующим приборам применяют специальные токосъемники: скользящие

контакты, ртутные ванночки, гибкие валики и т. п. Так как в разных точках

контакта инструмента с заготовкой температура различна, естественная термо-

пара измеряет некоторую усредненную температуру.

Кроме температуры, важным для теории и практики обработки резанием

является разработка методов расчета температурного поля в зоне резания. Под

температурным полем подразумевают совокупность различных значений

температур во всех точках определенного участка деформированного слоя или

инструмента в определенный момент времени. Температурное поле в зоне

резания можно получить измерением (например, термопарой), моделированием

процесса на аналоговых счетно-решающих устройствах и расчетом на основе

теории теплообмена в твердых телах.

Рис. 33. Температурное поле резца и стружки:

а) на передней поверхности; б) в главной секущей плоскости

На рис. 33 приведены изотермы температурного поля в зоне

деформирования при точении без охлаждения резцом из твердого сплава Т14К8

стали ШХ15 на режиме: v = 80 м/мин, t = 4,1 мм, S = 0,5 мм/об. Наибольшая

температура у места контакта стружки с передней поверхностью инструмента.

Смазочно-охлаждающие технологические средства (СОТС) при обработке

резанием значительно уменьшают изнашивание режущего инструмента и силы

резания, улучшают качество обработанной поверхности, повышают

эксплуатационные характеристики деталей. Применение СОТС является одним из

основных способов улучшения резания труднообрабатываемых материалов.

СОТС всех видов должны отвечать следующим требованиям: не вызывать

коррозию материала заготовки и оборудования; не оказывать вредного

физиологического влияния на рабочего (раздражение кожи и слизистых

оболочек, запах); быть устойчивыми при эксплуатации и хранении; не

воспламеняться при температурах, сопровождающих процесс резания.

В зависимости от технологического метода обработки, физико-

механических свойств обрабатываемого и инструментального материалов,

режима резания применяют различные смазочно-охлаждающие средства:

твердые, жидкие, пластичные и газообразные.

К твердым смазочно-охлаждающим средствам относятся: неорганические

материалы со сложной структурой (тальк, слюда, графит, бура, нитрид бора,

дисульфиды молибдена» вольфрама и титана, сульфат серебра и др.); твердые

органические соединения (мыло, воск, твердые жиры); полимерные пленки и

ткани (нейлон, полиамид, полиэтилен и др.); металлические пленочные

покрытия (медь, латунь, свинец, олово, барий, цинк); лед и перешедшие

при низких температурах в твердое состояние жидкости и газы.

К смазочно-охлаждающим жидкостям (СОЖ) относятся: водные

растворы минеральных электролитов, эмульсии; минеральные, животные и

растительные масла; минеральные масла с добавками фосфора, серы и хлора

(сульфофрезолы); керосин и растворы поверхностно-активных веществ в

керосине; масла и эмульсии с добавками твердых смазывающих веществ;

расплавы металла и др. Смазочно-охлаждающие жидкости получили

наибольшее применение при обработке резанием.

К пластичным смазочным веществам относятся густые мазеобразные

продукты, занимающие по консистенции промежуточное положение между

твердыми и жидкими смазочными веществами. Их получают загущением мине-

ральных и синтетических масел. Применяют в основном четыре вида

загустителей: мыльные, углеводородные, неорганические и органические.

К газообразным смазочным веществам относятся воздух, азот, двуокись

углерода, кислород, пары поверхностно-активных веществ, распыленные

жидкости.

Улучшение обрабатываемости материалов при использовании в

процессе резания СОТС является результатом их физико-химических

воздействий на обрабатываемый материал, основными из которых являются:

смазывающее, охлаждающее, режущее, защитное и упрочняющее.

Выбор СОТС определяется физико-механическими свойствами

обрабатываемого и инструментального материалов и технологического метода

обработки. Для каждого конкретного случая подбирают определенное, наибо-

лее эффективное СОТС.

При черновой и получистовой обработке, когда необходимо эффективное

охлаждающее действие, применяют водные растворы электролитов и

поверхностно-активных веществ, масляные эмульсии.

При чистовой обработке, когда требуется получить высокое качество

обработанной поверхности, основное значение приобретают смазочные

свойства СОТС. В этих случаях применяют чистые и активированные

минеральные масла и сульфофрезол. При чистовой обработке с высокими

скоростями резания рекомендуется применять эмульсии с 5—10 %-ным

раствором эмульсола.

При черновой обработке хрупких материалов (чугунов, бронзы), когда

образуется стружка надлома, а также при прерывистой обработке заготовок

твердосплавным инструментом в качестве СОТС применяют газы: сжатый

воздух, углекислоту. Газ охлаждает зону резания и одновременно удаляет

стружку в специальные стружкосборники. Конкретные рекомендации по

правильному выбору СОЖ при различных видах обработки конструкционных

материалов даны в работе [3]. Эффективность действия СОЖ в значительной

степени зависит от способа подвода их в зону резания. Наиболее

распространенным способом подачи СОЖ является полив свободной струей

(рис. 34, а). Этот метод подачи жидкости в зону резания малоэффективен и

обладает следующими недостатками: большой расход жидкости (10—16 л/мин),

разбрызгивание жидкости, слабое смазочное действие.

Более эффективным является высоконапорное охлаждение. Жидкость

подают под давлением 1,5—2,0 МПа со стороны задней поверхности

инструмента через отверстие диаметром 0,4—0,5 мм (рис. 35, б). При этом

способе расход жидкости составляет примерно 0,5 л/мин. В результате

высокого давления частицы жидкости интенсивнее проникают в

микротрещины и зазоры, быстрее превращаются в пар и охлаждают нагретые

поверхности. Однако струйное охлаждение имеет и недостатки: необходимость

применения насосов; сильное разбрызгивание жидкости, требующее

применения специальных защитных устройств; необходимость тщательной

очистки жидкости.

Рис. 34. Способы подвода СОТС в зону резания:

а) полив свободной струей; б) струйное охлаждение;

в) внутреннее охлаждение резца; г) охлаждение распылен-

ной жидкостью

В некоторых случаях, например при глубоком сверлении, жидкость

под давлением 2,0—2,5 МПа подают в зону резания по каналам, сделанным

внутри инструмента, или по трубкам, вмонтированным в инструмент. В

этом случае охлаждаются инструмент и зона резания и одновременно

вымывается стружка.

Иногда применяют внутреннее охлаждение инструментов (при сверлении

или точении хрупких материалов). Для этого в инструменте делают каналы, по

которым прокачиваются сильно охлаждающие жидкости

(рис. 34, в).

Охлаждение распыленной жидкостью производят о помощью инжектор-

ной установки. Распыленная эмульсия подается в зону резания со стороны задней

поверхности инструмента (рис. 34, г). При выходе из сопла воздушно-жидкостная

смесь расширяется, вследствие чего происходит понижение ее температуры на

10—12 °С. При попадании на нагретые поверхности заготовки и инструмента

частицы жидкости мгновенно испаряются и отводят большое количество теплоты.

При небольшом расходе жидкости (200—400 г/ч) полно и эффективно

используются ее смазывающие и охлаждающие свойства. Стойкость инструмента

при охлаждении распыленной жидкостью по сравнению со стойкостью при

охлаждении свободной струей значительно увеличивается. Этот метод требует

тщательного соблюдения правил техники безопасности. Для защиты

работающего от воздействия тумана на станках устанавливают специальные

отсасывающие установки.

Дата добавления: 2014-12-17