Вопрос 7 Теплофизика процесса резания и ее связь с фундаментальными науками

При резании материалов возникающие на поверхностях инструментов температуры определяют работоспособность инструмента и ограничивают производительность обработки. Тепловые расчеты при резании в знач мере основываются на теории теплопроводности и, в частности, на теории движущихся источников тепла.

Передача тепла теплопроводностью описывается дифференциальным уравнением теплопроводности, вытекающим из закона сохранения кол-ва тепловой энергии и основного закона теплопроводности (закона Фурье).

Основными объектами рассмотрения при изучении тепловых процессов при резании металлов являются: кол-во выделяемой при резании теплоты и ее распределение м/у стружкой, деталью и инструментом; температура, имеющая место на контактных поверхностях РИ; температура поля в зоне деформации и режущем клине РИ. При резании металлов более 99,5% работы переходит в теплоту. Кол-во теплоты можно описать выражением: Q = Qд + Qтп + Qтз, где Qд – теплота деформации, образующаяся на условной плоскости сдвига, Qтп – теплота трения, образующаяся на передней поверхности инструмента в пределах контакта м/у стружкой и РИ, Qтз – теплота трения на задней поверхности режущего инструмента в пределах площадки контакта м/у задней поверхностью и поверхностью резания.

Теплота распространяется из очагов теплообразования к более холодным областям м/у стружкой, деталью и инструментом. М/у ними устанавливаются тепловые потоки. Поскольку образовавшаяся теплота пропорциональна совершаемой работе, ее кол-во зависит от физико-механических свойств материала детали, геометрических параметров инструмента и режима резания. Я.Г. Усачев установил, что наиб кол-во теплоты переходит в стружку, составляя при обработке стали от 60 до 85 % от общего кол-ва теплоты. С увеличением v резания доля теплоты, уходящей в стружку, увеличивается, а ее средняя температура растет. При постоянной v резания распределение теплоты зависит главным образом от работы, расходуемой на резание, и теплопроводности обраб материала. Кол-во теплоты, уходящей в РИ намного меньше теплоты, уходящей в стружку и деталь при любых режимах резания. Основная причина этого – меньшая теплопроводность материала РИ, также это связано с видом стружки (при образовании элементной стружки отсутствует постоянный контакт м/у стружкой и передней поверхностью РИ. Распределение теплоты м/у стружкой, деталью и инструментом изменяется с увелич v: теплота, уходящая в стружку – возрастает, а уходящая в деталь и РИ - уменьшается. Это вызвано изменением соотношения м/у v резания и v распространения теплоты из зоны деформации. Из очага теплообразования ну условной плоскости сдвига в деталь течет тепловой поток. Если v резания, т.е. v, с которой режущий клин РИ пересекает тепловой поток, мала, то теплота от условной плоскости сдвига беспрепятственно перейдет в деталь. По мере увелич v резания клин РИ все быстрее пересекает тепловой поток, и поэтому в деталь успевает перейти меньшее кол-во теплоты и все большее кол-во остается в стружке.

На теплосодержание стружки и ее ср температуру оказывают влияние параметры режима резания. При увелич t удельное кол-во теплоты в стружке уменьшается, а при увелич s практически остается постоянным, при увелич v – возрастает.

Температура передней поверхности реж лезвия является результатом действия двух быстродвижущихся источников тепла. Первый равномерно распределен в зоне стружкообразования (в условной плоскости сдвига), второй расположен на поверхности контакта инструмента со стружкой. При теплофиз подходе считают, что законы распределения удельных мощностей этих источников в зоне стружкообразования и на поверхности контакта стружки с инструментом известны и не зависят от температуры. Одна из проблем заключалась в разделении мощностей источников тепла на составляющие. Первый источник тепла необходимо было разделить на 2 потока: поступающий в стружку и в заготовку. Действие этого источника приводит к равномерному повышению температуры стружки. Второй источник тепла также должен быть разделен на 2 потока: в стружку и в инструмент. Температурное поле в стружке может быть рассчитано методом быстродвижущихся источников тепла. Температурное поле в инструменте не может быть сведено к одномерному нестационарному процессу распространения тепла в стержне и требует применения сложных расчетов. Однако необходимость в этом возникает крайне редко.

Температура задней поверхности режущего лезвия является результатом действия трех источников тепла: зоны стружкообразования, наклоненной к линии среза под углом , застойной пластической области, соприкасающейся с линией среза на участке h1, и фаски износа h3. Влияние первого источника тепла несущественно, а учет влияния источника тепла, расположенного на участках застойной пластической области, имеет принципиальное значение. При отсутствии упрочняющей фаски на передней поверхности РИ закон распределения плотностей тепловых потоков может быть представлен в виде двух равномерно распределенных источников тепла: плотностью q0 на участке (0, h1) и плотностью q3 на участке (h1, h3), действующих на поверхности движущейся со скоростью v заготовки. Влияние застойной зоны выражается в том, что из-за разности плотностей тепловых потоков на участках застойной зоны и фаски износа температура достигает максимума непосредственно на режущей кромке. При средних и толстых срезах именно это значения этой макс температуры определяют допустимую скорость резания. По мере износа инструмента температура уменьшается, достигает точки минимума, а затем снова увеличивается. Если не учитывать влияние застойной зоны, то различным значениям толщины срезаемого слоя должны были бы соответствовать одинаковые температуры задней поверхности.