4. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ ПРИ РЕЗАНИИ

Работа резания затрачивается на диспергирование (отрыв стружки и образование новых поверхностей); упругие деформации, которые преобразуются в затухающие упругие колебания; пластические деформации срезаемого и поверхностного слоя; трение по передней и задним поверхностям инструмента.

Работа диспергирования и работа упругих сил малы по сравнению с общей работой резания и ими можно пренебречь.

При резании стали работа пластической деформации составляет в среднем 46–62 %, работа сил трения по передней поверхности — 38–33 %, по задней — 16–5 % от общей работы резания.

Работа сил трения и бóльшая часть работы пластического деформирования переходят в тепло. Лишь небольшая часть энергии деформирования (0,5–5 %) накапливается в форме потенциальной энергии искаженной кристаллической решетки.

            В результате при резании лишь 0,5–3 % механической энергии затрачивается полезно, остальные 99,5–97 % превращаются в тепло.

            Источниками возникновения тепла при резании являются зона пластической деформации; площадка контакта стружки с передней поверхностью инструмента; площадка контакта задних поверхностей инструмента с поверхностью резания и обработанной поверхностью.

            Тепло распределяется между стружкой, заготовкой, инструментом и непосредственно излучается в окружающую среду.

            Уравнение теплового баланса имеет следующий вид:

               ,      (III.17)

где  — общее количество тепла при резании;  — тепло пластического деформирования;  — тепло трения на передней поверхности;  — тепло трения на задних поверхностях;  — тепло, передаваемое стружке;  — тепло, переходящее в заготовку;  — тепло, переходящее в инструмент;  — тепло, излученное в окружающую среду.

            Упрощенная схема тепловых потоков показана на рис. III.13. Тепло, эквивалентное работе пластической деформации, распределяется между стружкой  и заготовкой . Тепло, возникающее в результате трения по передней поверхности, уходит в стружку  и в инструмент .

            Количество тепла, поступившего в заготовку, стружку и инструмент, определяется по формулам

;

;

,

где  — тепло деформации, переходящее в заготовку;  — тепло трения по задней поверхности, переходящее в заготовку;  — тепло трения по задней поверхности, переходящее в инструмент.

Интенсивность каждого источника тепла можно определить расчетно-аналитическим методом. Тепло, поглощаемое каждым элементом системы инструмент — заготовка — стружка, может быть определено расчетно-аналитическим и экспериментальным методами [45].

  Температура при резании может быть измерена непосредственно или определена косвенными экспериментальными и расчетно-аналитическими методами.

Непосредственно температура резания измеряется с помощью термопар и дистанционных фотоэлектрических устройств [45].

 Естественная термопара (рис. III.14,a) позволяет наиболее просто и доступно измерить температуру резания. Элементами термопары являются инструмент и заготовка, поверхность соприкосновения которых служит местом горячего спая. ЭДС, регистрируемая гальванометром, пропорциональна температуре резания. Ток от вращающейся заготовки или инструмента передается подвижными ртутными контактами.

Закладные термопары (рис. III.14,б) широко используются для измерения температуры малых объемов (точек), исследования температурных полей в инструменте и заготовке, а также на поверхностях контакта.

  Бегущая термопара (рис. III.14,в) позволяет исследовать закон распределения температуры на поверхности стружки и поверхности резания.

  С помощью фотоэлектрических устройств (пирометров) можно непрерывно измерять температуру участков зоны резания диаметром до 1 мм с дистанционной передачей и обработкой выходного сигнала (рис. III.15). Эти свойства могут быть использованы для автоматизации измерения и управления ходом технологического процесса по заданной температуре.

  К косвенным методам определения температуры относится микроструктурный метод, основанный на появлении остаточных изменений микроструктуры и твердости режущей части инструмента при нагревании. Он позволяет получить качественную картину температурных полей стальных инструментов.

 Для приближенного определения температуры на поверхности в пределах 150–700 °С применяются термокраски, которые под действием тепла приобретают определенный оттенок, не изменяющийся при остывании. Определение температур стружки по цветам побежалости основано на том, что на нагретой стружке образуются тончайшие разноцветные пленки окислов.

  Расчетно-аналитические методы основаны на решении дифференциального уравнения теплопроводности [45].

Аналитическое исследование температурных полей позволяет составить тепловой баланс при резании. На рис. III.16 показана диаграмма изменения количества тепла с изменением скорости резания при точении стали ШХ15 острым резцом из твердого сплава Т14К8, построенная расчетно-аналитическим методом.

 При электрическом моделировании тепловых явлений используется аналогия между математическим описанием процессов распространения тепла в твердом теле и процессов протекания электрического тока в проводящей среде.