3. Теоретическая часть

3.1. Постановка задачи описания тепловых процессов при механической обработке материалов

3.1.1. Физическая модель. Балансовые соотношения

Задача совершенствования технологических процессов в машиностроении вызывает необходимость изучения тепловых явлений, которые возникают при механической обработке деталей. Повышение прочности и вязкости конструкционных материалов, а также интенсификация режимов обработки приводят к тому, что температура процесса становится одним из факторов, которые ограничивают производительность процесса и оказывают существенное влияние на качество и точность изделия [4].

Суть процессов, происходящих в зоне механической обработки детали очень сложна.

• Во-первых, потому, что происходит превращение одних видов энергии в другие (механической в потенциальную энергию кристаллической решетки и тепловую вследствие наличия трения).

• Во-вторых, потому что слишком большое количество факторов оказывает влияние на результирующую картину (теплофизические свойства материала заготовки и инструмента, параметры механической обработки (скорость, подача, глубина и др.), состояние материала в поверхностном слое заготовки, наличие или отсутствие влияния технологических сред или других источников воздействия на зону механической обработки).

Между механической мощностью процесса N[Н(м/с)] и ее тепловым эквивалентомQ(Дж/c) теоретически нет полной количественной идентичности, т. к. часть механической энергии переходит в поглощенную энергию деформации кристаллической решетки обрабатываемого материала. Однако, ряд исследований показал, что при больших степенях деформации, характерных для процессов механической обработки, поглощенная энергия незначительна (0,53 %), и с достаточной для практики точностью можно полагать, что вся механическая мощность переходит в теплоту.

Рассмотрим схему возникновения и распространения тепловых потоков при обработке заготовки лезвийным инструментом [4] (рис. 1.1). В качестве основных источников тепла в зоне резания можно выделить деформирование материала, трение стружки о переднюю поверхность инструмента и заготовки о заднюю его поверхность. Распределяется образующееся тепло в три основных элемента системы резания: заготовку, стружку, инструмент, а также в окружающую среду. Таким образом, для зоны резания может быть составлено уравнение теплового баланса в виде (1.1).

Рис. 1.1. Схема возникновения и распределения тепловых

потоков в технологической системе резания

, (1.1)

где – количество теплоты, эквивалентное энергии, затраченной на дефор-

мирование и разрушение при стружкообразовании поверхностного слоя;

–количество теплоты, эквивалентное работе сил трения при контакте передней поверхности лезвия и деформированного материала;

–количество теплоты, эквивалентное работе сил трения на задней поверхности лезвия при переходе деформированного материала в поверхностный слой изделия;

Q₁ – количество теплоты, уходящее в стружку;

Q₂ – количество теплоты, уходящее в деталь;

Q₃– количество теплоты, уходящее в инструмент;

Q₄ – количество теплоты, уходящее в окружающую среду.

На распределение тепла между стружкой, деталью и инструментом главное влияние оказывают механические и теплофизические свойства материала детали и скорость резания. В 1915 г. Я. Г. Усачов [1] установил, что наибольшее количество тепла переходит в стружку (для стали 60-80 % от общего количества тепла). С увеличением скорости резания доля тепла, уходящего в стружку, увеличивается, а ее средняя температура растет. Сказанное выше иллюстрируется в табл. 1 и 2. Из табл. 1, например, видно, что распределение тепла между стружкой, деталью и резцом сильно зависит от коэффициента теплопроводности λ обрабатываемого материала. Из табл. 2 следует, что увеличение скорости резания приводит к возрастанию доли тепла, отводимого в стружку.

Таблица 1

Общее количество выделяемого тепла, средняя температура стружки

и распределение тепла между стружкой, деталью и инструментом

при точении (t = 1,5 мин; S = 0,12 мм/об; V = 100 м/мин)

материал обрабатываемой детали	, Вт/(м∙К)	общее коли- чество тепла, кДж/мин	средняя температура стружки, С	количество тепла (%)
				в стружке	в детали	в резце
Сталь 40Х Чугун Алюминий	33,9 39,8 209	52 52 36	420 290 140	71 42 21	26 50 73	1.9 1.5 2.2

Таблица 2

Удельное количество тепла, уходящего в стружку в зависимости от

скорости резания V (t= 1,5 мм; S = 0,126 мм/об при точении стали 40Х)

V, м/мин	10,2	204	50,1	240	390
q, кДж/мин (удельное)	0,8	1,1	1,3	2,4	2,7