8.2.      Распределение тепла

Образовавшееся тепло распространяется из очагов теплообразования к более холодным областям, распределяясь между стружкой, деталью и инструментом (рис. 8.2). Часть тепла деформации (Qдеф) от условной плоскости сдвига переходит в стружку. Из зоны трения на передней поверхности в стружку переходит часть тепла трения, равная Qт.п – Qп, где Qп – тепло, уходящее в инструмент.

Таким образом, температура стружки определяется суммарным тепловым потоком:

Qс = Qд.с + Qт..п Qп,

где Qд.с – тепло, образовавшееся при деформации стружки.

Часть тепла деформации (Од.дет) от условной плоскости сдвига переходит в деталь. Туда же из зоны трения на задней поверхности переходит часть тепла трения, равная Qт.з – Qз, где – Qз тепло, уходящее в инструмент.

В результате этого интенсивность теплового потока в деталь равна:

Qдет = Qд.дет + Qт..з – Qз;

Тепловой поток в инструмент равен:

Qи = Qп + Q.

На основании этого можно написать выражение, описывающее расход образовавшегося при резании тепла:

Q = Qс + Qдет + Qи + Qср,                                               (8.2)

где Qcp – количество тепла, уходящего в окружающую среду.

Выражения (8.1) и (8.2) в совокупности описывают тепловой баланс при резании материалов.

Поскольку образовавшееся тепло пропорционально совершаемой работе, количество тепла зависит от рода и механических свойств материала обрабатываемой детали, геометрических параметров инструмента и режима резания. На процентное распределение тепла между стружкой, деталью и инструментом главное влияние оказывают механические и теплофизические свойства материала детали и скорость резания.

В 1915 г. Я.Г. Усачев установил, что наибольшее количество тепла переходит в стружку, составляя при обработке стали от 60 до 85 % от общего количества тепла. С увеличением скорости резания доля тепла, уходящего в стружку, увеличивается, а ее средняя температура растет.

При постоянной скорости резания (рис. 8.3) средняя температура стружки и распределение тепла между стружкой, инструментом и деталью зависят, главным образом, от работы, расходуемой на резание, и теплопроводности обрабатываемого материала. Средняя температура стружки при обработке стали значительно выше, чем при обработке чугуна и особенно алюминия, что вызвано как большей работой пластического деформирования, так и работой трения на передней поверхности.



Уменьшение количества тепла, уходящего в стружку, при обработке чугуна связано с элементным типом стружки при его резании. Вследствие более высокой теплопроводности алюминия по сравнению со сталью и чугуном тепло из зоны деформации интенсивно распространяется в деталь, тем самым, резко уменьшая количество тепла, остающегося в стружке.

Количество тепла, уходящего в инструмент, очень мало и при резании любых материалов с любыми режимами обработки намного меньше количества тепла, уходящего в стружку и деталь. Основной причиной низкой интенсивности теплоотвода в инструмент является более низкая теплопроводность инструментального материала по сравнению с обрабатываемым. Уменьшение количества тепла, отводимого в инструмент, при обработке хрупких материалов связано также с элементным видом стружки, при образовании которой отсутствует постоянный контакт между стружкой и передней поверхностью.

Распределение тепла между стружкой, деталью и инструментом (рис. 8.3) коренным образом изменяется при увеличении скорости резания: количество тепла, уходящего в стружку, возрастает, а в деталь и инструмент – уменьшается. Например, при точении стали 40Х со скоростью резания 20 – 50 м/мин в стружку уходит в среднем около 45 % тепла, а в деталь и инструмент соответственно 47 и 4,5 %; при скорости резания 100 – 300 м/мин в стружку уходит 75 % тепла, а в деталь и инструмент соответственно только 22 и 1,5 %.

По мере увеличения скорости резания клин инструмента все быстрее пересекает тепловой поток, и поэтому в деталь успевает перейти меньшее количество тепла и все большее количество тепла остается в стружке. Уменьшение доли тепла, уходящего в инструмент, при увеличении скорости резания связано с уменьшением ширины площадки контакта на передней поверхности, через которую тепло из стружки переходит в инструмент.

На теплосодержание стружки и ее среднюю температуру оказывает влияние режим резания: глубина резания, подача и скорость резания.

При увеличении глубины резания удельное количество тепла в стружке уменьшается, при увеличении подачи практически остается постоянным, а при увеличении скорости резания возрастает. Увеличение глубины резания и подачи сопровождается уменьшением средней температуры стружки.

При увеличении же скорости резания средняя температура стружки вначале интенсивно возрастает, а затем после достижения скоростью резания определенного значения рост температуры почти прекращается, и она мало зависит от дальнейшего увеличения скорости. При этом средняя температура стружки стремится к некоторому пределу, значение которого определяется родом и механическими свойствами обрабатываемого материала, геометрическими параметрами инструмента, глубиной резания и подачей.