Исследование температуры в зоне резания при точении

Тольяттинский филиал

Самарского Государственного Педагогического Университета

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

Дисциплина: МИСИ.

На тему: Исследование температуры в зоне резания

при точении на токарном станке.

Студент: В.В.

Группа: Тз-441

Тольятти - 1999 г.

СОДЕРЖАНИЕ

1. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ ПРИ РЕЗАНИИ МЕТАЛЛОВ.

ТЕПЛОТА РЕЗАНИЯ.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ РЕЗАНИЯ.

3. ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ТЕМПЕРАТУРУ РЕЗАНИЯ
ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ ДАННЫМ.

4. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ РЕЗАНИЯ.

1. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ ПРИ РЕЗАНИИ МЕТАЛЛОВ.

ТЕПЛОТА РЕЗАНИЯ

Один из главнейших факторов, определяющих процесс резания, — теплота, образующаяся в результате работы резания. Законы теплообразования объясняют ряд явлений, связанных с нагрузкой резца, его стойкостью, качеством обработанной поверхности. Чтобы правильно использовать режущий инструмент, необходимо знать эти законы.

Теплота Q в процессе резания образуется в результате:

внутреннего трения между частицами обрабатываемого металла в процессе деформации Qдеф;

внешнего трения стружки о переднюю поверхность резца Qп.т.

внешнего трения поверхности резания и обработанной поверхности о задние поверхности резца Qз.тр.;

отрыва стружки, диспергирования Qдисп (образования новых поверхностей)

Предполагая, что механическая работа резания полностью переходит в теплоту, получим

ккал/мин,

где Q— количество теплоты в ккал/мин; R — работа резания в кгс м/мин (R = Р_zv);

Е — механический эквивалент теплоты (Е = 427 кгс м/ккал).

В действительности в теплоту обращается не вся работа резания: небольшая часть ее переходит в потенциальную энергию искаженной кристаллической решетки. Поэтому более правильно формулу выразить гак:

где — коэффициент, учитывающий указанные потери, незначительные по величине. В обычных расчетах этой потерей пренебрегают.

Для успешного воздействия на процесс резания важно знать не только количество теплоты, но и распределение ее, т. е. степень концентрации теплоты в различных участках изделия, стружки
и резца. Если бы вся образующаяся теплота быстро и равномерно распределялась по всему объему изделия и инструмента, она быстро отводилась бы в пространство, не причиняя им вреда. В действительности процесс протекает иначе: большое количество теплоты концентрируется в определенных зонах, сильно повышая их температуру. Здесь неизбежны потеря резцом твердости и затупление его и даже возможно изменение структуры тончайшего слоя обработанной поверхности, если не будут приняты соответствующие меры.

Некоторые исследователи (А. Я. Малкин) полагают, что регулированием потока теплоты можно воздействовать на процесс резания в благоприятную сторону и тем облегчить работу
инструмента и повысить качество обработанной поверхности.

На основе теоретического и экспериментального исследований процесса теплообразования можно выявить законы изменения температуры резания (на поверхности контакта стружки с передней гранью резца), а также температуры режущего инструмента и обрабатываемой детали в зависимости от различных факторов.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ТЕМПЕРАТУРЫ РЕЗАНИЯ

Надо полагать, что в процессе образования сливной стружки теплота концентрируется в трех основных зонах (рис.1): в зоне сдвига элементов стружки АМ, где происходит пластическая
деформация; на площади контакта стружки по передней поверхности инструмента АО; на площади контакта задней грани инструмента с обрабатываемой деталью.

Работой диспергирования обычно пренебрегают.

Каждый источник теплоты имеет свою сферу непосредственного воздействия (рис. 1)

Следовательно, наиболее высокая температура — температура резания — должна наблюдаться в стружке в зоне контакта ее с передней поверхностью инструмента, так как здесь концентрируется

наибольшее количество теплоты,

образующейся в результате деформации стружки и трения ее по передней поверхности резца. Например, наибольшее количество теплоты, образующейся вследствие деформации (на поверхности АМ), остается в стружке и частично поглощается обрабатываемой деталью. Теплота трения стружки (на поверхности АО) остается в основном в стружке и частично (3—5%) направляется в инструмент. Теплота трения по задним граням инструмента (поверхность АР) направляется в деталь и резец. При обработке металлов с низкой теплопроводностью, например жаропрочных и титановых сплавов, в резец отводится до 20—40% всей теплоты.

Потери теплоты от конвекции и радиации в процессе резания ничтожно малы; невелико количество теплоты, уходящей в деталь, так как стружка весьма быстро формируется в зоне
резания и столь же быстро проходит зону контакта с резцом. Однако теплота, поглощаемая изделием из жаропрочных сталей и сплавов, резко возрастает и при малых скоростях может достичь 35—45% всей теплоты резания.

Пренебрегая работой трения по задним граням инструмента (которая мала при достаточно острой режущей кромке и большом заднем угле), можно полагать, что подавляющее количество
теплоты должно сосредоточиваться в стружке. Опыты Н. Н. Савина, Я. Г. Усачева, С. С. Можаева и др., определявших количество теплоты в стружке калориметрическим методом, показали,
что в зависимости от скорости резания, глубины резания и подачи при обработке конструкционной стали в стружке содержалось 60—80% всей теплоты резания, а при скоростных режимах резания свыше 90%.

На рис. 2, а показана схема сил, действующих в зоне резания. Считая, что вся работа резания в единицу времени , работа трения стружки по передней поверхности — усадка стружки), получим работу деформации стружки

Но (пренебрегаем силой трения по задней поверхности резца) и, следовательно, работа деформации стружки

,

где .

Повышение температуры стружки благодаря ее деформации составит в среднем

где — средняя температура стружки, когда последняя покидает зону деформации, в °С;

— температура окружающей среды в °С; — коэффициент, учитывающий потерю теплоты
на скрытую энергию деформации (принимаем = 0,95); — коэффициент, учитывающий переход части тепла в изделие (по Вейнеру = 0,1 при v = 100 м/мин, = 0,05 при

v = 300 м/мин); Е — механический эквивалент теплоты (Е = 427 *10 ^-3 кгс м/ккал);

с — теплоемкость нагретой стружки в ккал/кгс град; d — плотность стружки (7,8 *10^-6 кгс/мм³);

b — ширина среза в мм; а — толщина среза в мм.

Рис. 2. Схема сил, действующих в процессе резания (а)

и схема контакта стружки и резца (б)

Принимая — р кгс/мм² (удельная сила резания) и пренебрегая значением , получим

Покидая зону деформации, нагретая до температуры стружка трется по передней поверхности резца со скоростью на площади контакта шириной b и длиной l (рис. 2, б).

Теплота работы силы трения по передней грани в единицу времени

Чтобы определить температуру на передней поверхности резца, полученную в результате трения стружки, будем рассматривать резец как твердый стержень с поперечным сечением, равным bl,на одной стороне которого поддерживается постоянная температура . Для решения поставленной задачи используется уравнение теплопроводности

,

где — температуропроводность; — теплопроводность резца; с' — теплоемкость резца; d'— плотность; — время, в течение которого стружка проходит площадь контакта длиной l;

.

Решая уравнение по М. П. Левицкому, при начальных и граничных условиях при x = 0, при , получим уравнение

,

где — температура, возникающая от теплоты трения в данной точке и в данный момент времени ; — глубина, на которую проникает теплота трения за время .

Минуя промежуточные вычисления и пренебрегая температурой внешней среды, получим

.

Суммируя температуры деформации стружки и трения ее по передней поверхности инструмента, получим температуру резания, т. е. среднюю температуру на площади контакта стружки и инструмента,

.

Формула показывает закономерность изменения температуры резания в зависимости от разных факторов. На основе ее построены графики изменения составляющих температуры
резания в зависимости от скорости резания для минералокерамического (рис.3, а) и для твердосплавного резца (рис. 3, б). Как видим, с увеличением скорости резания уменьшается температура деформации, но возрастает температура трения. В результате температура резания повышается, но в значительно меньшей степени, чем сама скорость.

Вместе с тем при одних и тех же условиях температура резания получается более высокой при работе минералокерамическим резцом (рис. 3, а) сравнительно с твердосплавным (рис. 3, б),
что подтверждается практикой.

Надо ожидать, что температура резания в действительности должна быть более высокой, чем это получается расчетом по теоретической формуле, так как здесь не учтена теплота трения по задней поверхности резца. Последняя будет все более проявляться с увеличением скорости резания по мере затупления резца; при этом особенно заметно будет повышаться температура обрабатываемой детали.

Обрабатываемая деталь нагревается в основном теплотой деформации. Очевидно температура детали должна уменьшаться с увеличением скорости резания, поскольку при этом уменьшается (рис. 3). Подобный вывод подтверждается на практике при работе острым резцом в нормальных условиях. Однако по мере затупления резца и значительного уменьшения

100 200 300 100 200 500
Скорость резания v, м/мин Скорость резания v, м/мин

Рис. 3. Изменение составляющих температур резания при обработке стали: а — для

минералокерамического резца; б — для твердосплавного резца; сталь ОХН4М; t = 2 мм;

s = 0,14 мм/об; = 10°

заднего угла и угла в плане положение меняется. В этом случае с увеличением силы трения заметно растут работа и теплота трения по задней поверхности резца, и поэтому температура детали повышается с увеличением скорости резания v. На рис. 4 показано изменение температуры детали при фрезеровании резьбы вращающимся резцом (вихревое нарезание). Замечаем неизменное повышение температуры детали по мере затупления резца. Вместе с тем температура обрабатываемой детали уменьшается с увеличением подачи s. Это вполне закономерно, так как с увеличением s сила трения на задней поверхности резца остается почти неизменной, но при определенной длине детали сокращается относительный путь резца (время обработки) и, следовательно, уменьшается работа силы резания.

Сложнее обстоит дело с температурным полем резца. Можно было бы предполагать, что наибольшая температура должна быть вблизи режущей кромки, так как здесь располагаются основные источники теплоты На рис. 5 схематично представлено температурное поле стружки и резца, составленное Н. И. Резниковым по опытным данным других исследователей. Линии постоянных температур т ... т (изотермы) в стружке расположены параллельно поверхности сдвига (ориентировочно), а у резца почти концентрично вокруг режущей кромки. В этом случае согласно теории теплопроводности тепловые потоки должны быть направлены нормально изотермам; в схеме они показаны соответствующими кривыми со стрелками: п — в деталь; п' — в стружку; k — в резец.

Наиболее высокие температуры наблюдаются вблизи режущей кромки и в зоне нароста В действительности положение более сложное, так как температура резания зависит и от длины кон-
такта поверхности резания и стружки по задней и передней поверхностям инструмента. Чем
меньше длина контакта на задней поверхности, тем ниже среднее значение температуры
резания и тем ближе к режущей кромке располагается ее максимум. С уменьшением длины контакта стружки с передней поверхностью средняя температура также снижается, но максимум температуры удаляется от режущей кромки. При скоростной обработке температура в зоне резания доходит до 800° С, а на поверхности трения по передней грани достигает даже 1200° С
и выше. Низкая теплопроводность твердых сплавов и особенно минералокерамики является

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
Износ по задней грани h₃, мм

Рис. 4 Температура обрабатываемой детали при резании вращающимся резцом в зависимости от подачи s и износа резца

причиной того, что теплота резания сосредоточивается в передней части резца, прилегающей к его вершине, что способствует ее пластической деформации. При этом режущие способности инструмента сохраняются ввиду его значительной красностойкости. Однако очень высокий температурный градиент, свойственный минералокерамическому резцу, способствует тепловому
удару, разрушающему режущую кромку инструмента.

Любопытно, что нагрев державки с малотеплопроводной режущей пластиной из твердого сплава и особенно минералокерамики происходит не только посредством контактной передачи
тепла от пластины к державке, но и в значительной степени через лучеиспускание от стружки и поверхности резания, перемещающихся мимо резца и передающих ему часть теплоты. Это имеет
существенное значение для стойкости режущего инструмента и точности обработки детали, зависящей от температурной деформации резца.

На рис. 6 показаны кривые температурного удлинения минералокерамического резца при обработке стали ОХН4М. Можно заметить значительное уменьшение деформации резца

Рис. 5 Температурное поле в зоне резания и резца.

5 10 15 20
Продолжительность работы резца Т, мин

Рис, 6 Кривые температурного удлинения минералокерамического резца:

1 — l = 1,5 мм, 2 — l = 3 мм, 3 — стружка отводилась от резца
или задние грани державки изолировались

с удалением режущей кромки от державки резца или при изоляции задней поверхности резца.

Эффект лучеиспускания в большой степени зависит от способности тела поглощать тепловые лучи. Например, абсолютно черное тело поглощает все падающее на него тепло — условный коэффициент = 1:

Значения для различных тел

Чугун шероховатый, сильно окисленный ……….0,94
Железо матовое окисленное ……………………...0,96
Железо блестящее отполированное………………0,29
Медь полированная…………………………….0,13—0,17

Медь прокатанная………………………………….0,64
Медь шероховатая…………………………………0,76
Серебро……………………………………………..0,03

Сажа, уголь…………………………………………0,95

Эти данные представляют значительный интерес, так как показывают большую роль блестяще обработанных граней, режущего инструмента в отношении его стойкости и качества обработанной поверхности.

При весьма низкой температуре всего изделия и больших скоростях резания тонкий слой его обработанной поверхности может иметь достаточно высокую температуру, способную изменить структуру этого слоя. Поэтому, назначая режим резания, необходимо учитывать последующую чистовую обработку, при которой будет удален поврежденный слой детали.

Теоретический расчет температуры резания встречает значительные трудности, так как в соответствующих расчетных формулах независимые переменные являются в действительности
взаимозависимыми параметрами. Так, теплоемкость С увеличивается, а теплопроводность уменьшается с возрастанием температуры. Длина контакта стружки и резца уменьшается
с увеличением скорости резания, но заметно растет по мере износа резца и образования лунки на передней поверхности резца.

Значения постоянных коэффициентов также изменяются в зависимости от различных факторов. К этому надо добавить, что температура резания зависит и от вида процесса
резания: при несвободном резании резец нагревается больше, чем при свободном резании. Поэтому для расчета температуры резания чаще пользуются эмпирическими формулами, показывающими закономерности изменения температуры резания в зависимости от различных факторов и справедливыми в определенных границах и условиях.

3. ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ТЕМПЕРАТУРУ РЕЗАНИЯ
ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ ДАННЫМ

Как уже отмечено, температура резания растет менее интенсивно, чем скорость. По мере нагрева резца разность температур стружки и резца падает, а поэтому интенсивность передачи теплоты от стружки резцу уменьшается. Следовательно, с увеличением скорости резания v температура резца значительно поднимается, но в меньшей степени, чем скорость. Современные экспериментальные исследования процесса резания высокопрочных сталей с ультравысокими скоростями (до 72 000 м/мин), когда процесс происходил адиабатически (без теплообмена),

Рис. 7. Влияние скорости резания на температуру резания Ст.3:

1 — а = 0,5 мм; l = 4 мм; 2 — а = 0,2 мм

показали температуру в зоне резания на уровне 30—65° С, вполне допустимом стойкостью быстрорежущего резца¹. Надо полагать, что кривые 9—v с повышением скорости резания будут приближаться к уровню температуры плавления обрабатываемого материала, а затем снижаться с дальнейшим повышением скорости (рис. 7). Последние графики получены по опытным данным Д. X. Касрадзе² при резании Ст.3 при v = 1000-60 000 м/мин. Подобное явление сопровождается резким снижением сил резания и значительным охрупчиванием металла в зоне резания. Этот процесс способствует быстрому отрыву стружки при полном отсутствии пластической деформации (усадки) стружки. Наблюдающаяся отрицательная усадка (удлинение стружки) могла быть вызвана центробежными силами при весьма больших скоростях.

Влияние глубины резания и подачи. Не трудно предугадать зависимость между глубиной резания t, подачей s и температурой, если рассмотреть изменение прироста и отвода теплоты на резце с изменением t и s. С увеличением подачи возрастает давление стружки на резец, а вместе с ним и работа деформации. Но при этом, как известно, усадка стружки уменьшается и, следовательно, работа деформации, приходящаяся на 1 мм³ стружки, также уменьшается. К тому же трение на задней поверхности инструмента с увеличением подачи мало изменяется. Поэтому количество теплоты, образующейся в стружке, будет увеличиваться в меньшей степени сравнительно с увеличением подачи. В то же время с утолщением стружки отвод теплоты улучшается, т.к. площадь контакта стружки с резцом расширяется. В результате температура резания повышается с увеличением подачи, но в меньшей степени, чем при повышении скорости.

Еще меньше влияет на температуру резания глубина резания, т.к. нагрузка на единицу длины режущей кромки не изменяется: с увеличением глубины резания при постоянном угле в плане пропорционально увеличивается длина работающей и режущей кромки, почти в такой же степени усиливается теплоотвод от нее и, следовательно, на единицу длины режущей кромки увеличение притока теплоты будет весьма незначительным; в результате температура мало изменится с увеличением глубины резания.

Влияние материала резца и обрабатываемого материала на температуру резания. Естественно ожидать, что при резании хрупких металлов, например чугуна, когда работа пластической деформации весьма мала и удельные силы резания незначительны, температура резания заметно ниже, чем при обработке стали. Давление чугунной стружки сосредотачивается непосредственно на режущей кромке или вблизи нее, но это весьма неблагоприятное обстоятельство влияет больше на абразивно-механический износ режущей кромки, чем на температуру резания.

Само собой разумеется, что нагрев инструмента зависит от теплоемкости и особенно от теплопроводности материала изделия и самого инструмента. Например, при обработке цветных металлов температура резания должна быть сравнительно низкой не только из-за малой нагрузки, но и вследствие большой теплопроводности цветных металлов. И, наоборот, при резании жаропрочных сталей и сплавов, обладающих низкой теплопроводности, значительно повышается

температура резания (в два – три раза) сравнительно с конструкционными сталями. То же можно сказать относительно инструмента: чем ниже теплопроводность, тем выше температура его режущей кромки.

По этой причине температура резания при работе твердосплавными резцами получается более низкой по сравнению с минералокерамическими (рис. 3). То же самое можно сказать и о влиянии резца на температуру резания. Последняя уменьшается с увеличением площади поперечного сечения резца.

¹ Более того, оказывается возможным работать резцами из цветных металлов, поскольку

при v = 27 000—36 000 м/мин силы резания резко снижались.

² См.: Термические явления при сверхскоростном резании металлов. Труды ГИСХ, XIV, Сухуми, 1970 г.

Влияние геометрии резца на температуру резания. Как известно, с увеличением угла резания увеличивается сила резания, следовательно, должны повышаться количество образующейся теплоты и температура резания. Отвод тепла в данном случае также будет усиливаться с увеличением угла клина (угла заострения), но в меньшей степени, чем теплообразование, и в результате температура будет расти.

Величина угла в плане также влияет на температуру резания. С уменьшением угла несколько увеличивается нагрузка на резец и, казалось бы, нагрев его должен усиливаться. Однако
на самом деле получается обратное: с уменьшением угла удлиняется режущая кромка, увеличивается угол при вершине и как следствие значительно улучшается теплоотвод.

В заключение надо отметить заметное влияние на температуру резания смазочно-охлаждающих жидкостей. При этом падение температуры вызвано как охлаждающим эффектом, так и уменьшением трения в процессе резания.

Путем математической обработки опытных графиков А М. Даниелян вывел общую формулу зависимости температуры резания от различных факторов при нормальной обработке стали
быстрорежущим резцом

.

Здесь ; г — радиус закругления вершины резца; F — площадь поперечного сечения резца; — постоянная, зависящая от обрабатываемого материала и инструмента, или в упрощенном виде для стали ( = 77 кгс/мм², = 22%)

и для чугуна (приблизительно)

.