Температура передней поверхности инструмента

Температура передней поверхности режущего лезвия является результа­том действия двух быстродвижущихся источников теплоты.

Первый равномерно распределен в зоне стружкообразования (в условной плоскости сдвига). Второй источник теплоты расположен на поверхности кон­такта инструмента со стружкой (см. рис. 5.6).

При теплофизическом подходе считают, что законы распределения удель­ных мощностей этих источников в зоне стружкообразования и на поверхности контакта стружки с инструментом известны и не зависят от температуры. Одна из проблем заключалась в разделении мощностей источников теплоты на со­ставляющие. Первый источник теплоты, расположенный в условной плоскости сдвига, необходимо было разделить на два потока: уносимый стружкой и по­ступающий в деталь.

Поток теплоты из зоны стружкообразования в деталь уже оценивался в §5.1, причем было показано, что при расчете температуры деформации вели­чиной этого потока в большинстве случаев можно пренебречь. Таким образом, проходя через зону стружкообразования, деформируемый материал будет на­греваться до температуры, которая определяется только удельной работой деформации и теплоемкостью. Действие этого источника, как это уже было показано выше, приводит к равномерному (однородному) повышению темпера­туры стружки.

Второй источник теплоты (в зоне контакта инструмента со стружкой) также должен быть разделен на два потока: в стружку и в инструмент. Температурное поле в стружке может быть рассчитано методом быстродвижущихся источников теплоты, описанным в § 5.2. Температурное поле в инструменте не может быть сведено к одномерному нестационарному процессу распространения тепла в стержне и требует применения более сложных расчетов. Однако необходи­мость в этом возникает крайне редко. Это связано с тем, что доля теплоты, отводимой из зоны резания режущим инструментом, уменьшается с увеличе­нием отношения пути резания к длине площадки контакта инструмента со стружкой и деталью и при практически применяемых режимах резания состав­ляет незначительную часть от потоков, поступающих в стружку и деталь.

А. Н. Резниковым [85] рассмотрена задача распределения теплоты между полуограниченным стержнем В шириной £, неподвижно связанным с равномер­но распределенным по ширине источником теплоты, и полупространством А, движущимся относительно стержня со скоростью V-] (рис. 5.12).

Температура передней поверхности инструмента

Рис. 5.12. Схема к определению теплообмена между полуограничен­ным стержнем и быстродвижущейся полуплоскостью

При этом время нагрева элементарного «стержня», выделенного в движущейся по­луплоскости, не превышает М>, . При таких малых значениях времени т производная дв/дхА и тепловой поток в полуплоскость велики. Время нагрева «стержня» В, непод­вижно связанного с источником, может мно­гократно превосходить величину £А> 1, вслед­ствие чего распределение температуры в стержне В более пологое.

Этому соответствуют меньшие значения производной dQ/dxB и, следовательно, меньший тепловой поток в стержень. Доля теплоты, поступающего в стержень, опре­деляется формулой

1

6* =

(5.14)

1 + —- 2 Хв

Здесь ХА лХв- коэффициенты теплопроводности полупространства и стержня, т — время действия источника (время резания). Принимая для типичных усло­вий обработки сталей твердосплавными инструментами ХА /Хв = 1, v = 1 м/с, I = =1 мм, т = 10 с, находим, что Ь = 0,0066. Таким образом, в данных условиях резания после 10 с резания в инструмент поступает менее 1 % теплоты, выде­лившейся на поверхности контакта инструмента со стружкой и деталью. С увеличением времени резания доля потока в инструмент будет еще меньшей. Это дает основание пренебречь тепловыми потоками в инструменте и счи­тать, что вся теплота, выделившаяся на поверхности контакта инструмента со стружкой, поступает только в стружку. Аналогично вся теплота, выделившаяся на поверхности контакта инструмента с деталью, поступает только в де­таль. В тех случаях, когда потоки теплоты в инструмент столь существенны, что их необходимо учитывать, задача может быть решена методом последова­тельных приближений.

Сначала определяется контактная температура при допущении, что вся те­плота поступает в движущуюся полуплоскость, т. е. решается задача с гранич­ными условиями второго рода. Затем по известной температуре на торце стержня (на поверхности режущего лезвия) определяется тепловой поток в инструмент — решается задача с граничными условиями первого рода.

Далее уточняется доля теплоты, поступающей в движущуюся полуплос­кость: из мощности теплового источника вычитается величина потока, посту­пившего в инструмент. Затем рассчитывается новое значение контактной тем­пературы. При необходимости итерации повторяются до достижения требуе­мой точности.

Еще одна проблема заключается в допущении о том, что распределение плотности теплового потока на всей контактной поверхности не зависит от рассчитываемой температуры. Учет взаимосвязи температуры и предела теку­чести при резании приводит к необходимости решать нелинейные уравнения теплопроводности. Для этого используются более сложные численные методы. Они будут рассмотрены в разделе «Термомеханика резания». Однако в неко­торых случаях вместо громоздких термомеханических методов целесообразно применять упрощенные формулы, полученные на основе теплофизического подхода. Допускаемые при этом ошибки могут быть скомпенсированы введени­ем эмпирических или расчетных констант. Необходимо учитывать, что эти по­правки справедливы лишь в узкой области условий резания, для которой они определялись.

Температура передней поверхности инструмента

Наиболее просто может быть описано распределение температуры на пе­редней поверхности резца со стабилизирующей фаской f при равномерном распределении плотности теплового потока (рис. 5.13):

(5.15)

Определим приращение средней температуры

Температура передней поверхности инструмента

V * О I I и It у

f о sb V «С

где Kf = f/c — коэффициент укорочения передней поверхности, с/а — полная относительная длина контакта стружки с резцом, А- и Ре — безразмерные ком-

. Sb 0 va плексы: А — ——, Ре = —.

cvT™ ю

Температура передней поверхности инструмента

В формулу (5.16) входит группа мало изменяющихся физических характери­стик, которые целесообразно заменить одной эмпирической константой

(5.17)

Теоретически полученная степень 0,5 в формуле (5.16) фаісгически не­сколько меньше из-за влияния температуры на распределение плотности теп­лового потока. Это также может быть эмпирически скорректировано введением
эмпирического показателя степени а. При этом формула приращения средней температуры примет вид

(5.18)

Д0П =к(а1уірєкг )“ 7ПЛ.

Температура передней поверхности инструмента

Рис. 5.13. Схема к расчету температуры на пе­редней поверхности инструмента от равномерно распределенного источника теплоты

Недостатком формул такого типа является то, что они не могут использоваться в широ­ком диапазоне изменения ус­ловий резания. Например, для твердосплавных инструментов и инструментов из более теп­лостойкой оксидной минерало — керамики должны применяться различные эмпирические кон­станты К и а. Однако такое достоинство, как простота, так­же имеет важное значение и обеспечивает таким формулам широкое применение. Так, для условий резания сталей твердосплавными резцами (qF/Sb = 0,6, С = 2,0, с/а = 2,8) вместо значений констант К = 0,53, а = 1, полученных без учета влия­ния температуры на предел текучести, следует использовать уточненные зна­чения этих констант К=0,44, а=0,66, справедливые для диапазона изменения средней температуры 800-1000 °С.

С учетом температуры деформации, полученной стружкой в зоне стружко­образования, средняя температура передней поверхности может быть определена по формуле

k(aVS)T

(5.19)

еп =

^ + ^-2siny

э +

S cosy

Как следует из формулы (5.19), только один фактор — отношение действи­тельного предела прочности к удельной объемной теплоемкости — оказывает влияние на оба слагаемых формулы температуры: с ростом А, или Sb/Cv уве­личиваются и температура деформации, и приращение температуры на пе­редней поверхности. В связи с этим прочность обрабатываемого материала является одним из основных факторов, наиболее сильно влияющих на темпе­ратуру. При увеличении отношения Sb/Cv увеличивается доля температуры деформации в общей температуре передней поверхности. Так, для сырых (не­закаленных) сталей на ферритной основе температура деформации обычно

составляет всего 25-30 % от температуры передней поверхности, а для высо­копрочных сплавов на никелевой основе до 50-60 % и более. В связи с этим, например, увеличение переднего угла у оказывает на температуру передней поверхности большее влияние при резании сплавов на никелевой основе, чем при резании сталей. Сочетание высокой прочности обрабатываемого материа­ла и малых передних углов режущего лезвия также способствует повышению температуры деформации и тем самым — температуры передней поверхности. В связи с этим при обработке закаленных сталей не следует чрезмерно умень­шать передний угол инструмента. Увеличение переднего угла в этом случае может дать значительный положительный эффект.

Температура передней поверхности наряду с температурой задней поверх­ности ограничивает режимы резания, допускаемые формоустойчивостью и износостойкостью режущего инструмента. Роль температуры передней поверх­ности возрастает при увеличении толщины срезаемого слоя и уменьшении переднего угла.

Температура передней поверхности инструмента

Рис. 5.14. Распределение плотностей тепловых потоков и температур по передней и задней по­верхностям режущего лезвия и застойной зоны

Например, при черновой токарной обработке поковок прокатных валков с глубиной резания f=35 мм подачей S=1,2mm/o6 и скоростью резания v=30 м/мин, применялись твердосплавные резцы Т5К10 с углом в плане ф = 60 °, передним углом у = 10° и криволинейной формой передней поверхно­сти. Замена криволинейной поверхности прерывистой с упрочняющей и стаби­лизирующей фасками и стружкозавивающей плоскостью, расположенной усту­пом (рис. 5.14), позволила при той же предельной температуре на передней поверхности увеличить подачу до 2 мм/об (а в некоторых случаях и более) при незначительном уменьшении скорости резания (до 25 м/мин). В этом случае прерывание контакта инструмента со стружкой ограничивает увеличение тем­пературы передней поверхности.

Комментирование и размещение ссылок запрещено.

Комментарии закрыты.