3.7.4. Источники и стоки теплоты в технологической системе резания

Анализ теплофизической обстановки начинают с рассмотрения теплообмена в зоне резания при работе простым режущим клином, поскольку инструмент любой формы и сложности состоит из системы простых режущих клиньев.

Современное представление о процессе формоизменения материала может дать схема, приведенная на рис. 7.8. В зоне 3 материал заготовки подвергается пластическому деформированию, которое возникает не только в этой зоне, но и в тонком слое материала заготовки 1, расположенном под задней поверхностью режущего клина 5. Зона 3 окружена областью 2, в которой возникают упругопластические и упругие деформации.

С

Рис. 7.8. Схема зоны резания

тружка 4 перемещается по передней поверхности резца. В прирезцовом слое 6 ее материал испытывает вторичное деформирование вследствие процессов, происходящих на площадке контакта с инструментом. На участке, расположенном вблизи режущей кромки, может возникать нарост 7, как результат застойных явлений в материале заготовки в этой части зоны резания. Наличие или отсутствие нароста, его размеры, твердость и устойчивость зависят от свойств материала заготовки и инструмента, геометрии режущего клина, режима резания, наличия смазочно- охлаждающей жидкости. От этих же факторов зависит коэффициент укорочения стружкиk, т. е. отношение между толщинойа₁стружки и толщинойасрезаемого слоя металла. Коэффициент укорочения определяет скорость перемещения стружкиv₁ =v/k. Как правило,k>1, следовательно,

Скорость движения стружки v₁меньше скорости резанияv.

Стружка имеет суставчатую форму, т. е. состоит из отдельных элементов, сильнее или слабее связанных между собой. При высоких скоростях резания и обработке пластичных материалов толщина этих элементов невелика, они тесно связаны друг с другом, стружка имеет вид сплошной ленты. Такую стружку называют сливной. При схематизации теплообмена ее представляют в виде бесконечного стержня.

Общую мощность тепловыделения при резании полагают эквивалентной

механической работе деформирования материала в зонах 2, 3 и 6 и работе сил трения на контактных поверхностях инструмента, т. е.:

, (7.19)

где P_Z– главная составляющая силы резания, Н;

v – скорость резания, м/с.

В свою очередь:

, (7.20)

где W_Д– мощность тепловыделения источника, возникающего как результат перехода в теплоту работы деформирования, Вт;

W_1Т– мощность тепловыделения источника, возникающего как результат перехода в теплоту работы сил трения на передней поверхности резца, Вт;

W_2Т– мощность тепловыделения источника, возникающего как результат перехода в теплоту работы сил трения на задней поверхности резца, Вт.

Все источники тепловыделения при резании являются трехмерными, но часто при теплофизическом анализе их полагают двумерными (плоскими). Учет трехмерности источников приводит к усложнению математического аппарата, используемого при теплофизическом анализе процесса резания, которое пока не окупается повышением точности расчетов. При высоких скоростях обработки форма источников тепловыделения стремится к двумерным фигурам. Например, конфигурация зоны деформирования 3 (рис. 7.8) стремится к двумерной поверхности, мало отличающейся от плоскости, которую называют плоскостью сдвига.

На основании изложенных соображений в дальнейшем источники тепловыделения при резании будем считать двумерными, распределенными по тому или иному участку поверхности резца, стружки или заготовки.

В соответствии с законами механики мощности теплообразующих источников рассчитывают по формулам:

, (7.21)

где F₁ – сила трения на передней контактной поверхности инструмента, Н;

F₂– сила трения на задней контактной поверхности инструмента, Н.

Главную составляющую силы резания P_Z, находят по формуле [5]:

, (7.22)

где С_рz, x_рz, y_рz, и n_рz– коэффициенты, зависящие от условий обработки;

t –глубина резания, мм;

S– подача, мм/об;

v –скорость резания, м/мин;

K_p– поправочный коэффициент.

Силу трения на передней контактной поверхности инструмента F₁определяют по формуле:

, (7.23)

где – угол действия. Угол действия – это угол между действительным направлением силы резания и ее составляющейP_Z.

Угол действия находят по формуле [1]:

, (7.24)

где P_Y– составляющая силы резания, Н.

Составляющую P_Y силы резания определяют по формуле:

, (7.25)

где С_{р y} x_рy y_рyиn_рy – коэффициенты, зависящие от условий обработки.

Силу трения по задней контактной поверхности инструмента F₂ опреде-

ляют как силу P_Z при толщине срезаемого слоя, стремящейся к нулю[3].

Теплота W, распространяясь по технологической системе, расходуется на нагревание стружки (W_С), инструмента (W_И), заготовки (W_З) и рассеивается в окружающую среду (W_О). Поэтому:

. (7.26)

Мощности W_Д, W_1T и W_2T при резании известны, а мощности W_С, W_И, W_З и W_О могут быть рассчитаны только с помощью теплофизического анализа.