 |
6.1.1 Температура при резании и ее зависимость от
|
|
|
|
6. 1. 1 Температура при резании и ее зависимость от
скорости, подачи и глубины резания
При обработке металлов резанием выделяется тепло, нагревающее режущий инструмент, деталь и стружку; часть выделяющегося тепла излучается непосредственно в окружающую среду. Общее количество выделяющегося при резании тепла 
, ккал/мин зависит от силы резания 
, Н и скорости резания 
, м/мин. С точностью, достаточной для практических целей, может быть определено по формуле:
,
где 
– коэффициент преобразования работы резания в теплоту (для стали 45 – 
[7]).
Тепловыделение является одним из важнейших факторов, сопровождающих процесс резания и оказывающих решающее влияние на выбор режимов обработки.
Формула, определяющая зависимость температуры резания 
(°С) от элементов процесса резания, может быть представлена в общем виде:
, (6. 1)
где 
– коэффициент, зависящий от материала заготовки, материала рабочей части резца и условий резания; – скорость резания, м/мин; 
– глубина резания, мм; 
– подача, мм/об; 
, 
, 
– показатели степеней, зависящие от материалов заготовки и резца, а также условий резания.
Формула является общей, учитывающей одновременное влияние всех элементов резания – , , . Частные формулы, определяющие зависимость температуры резания от изменения каждого элемента процесса резания, представляются следующим образом:
; 
; 
. (6. 2)
Степенные уравнения (6. 2) в прямоугольных координатах изображаются кривыми (рис. 6. 1).
|
Рис. 6. 1. Влияние скорости резания на температуру нагрева резца  , стружки  и заготовки 
|
Как известно, нагрев инструментальных сталей и сплавов вызывает изменение их твердости и износостойкости. При некотором значении температуры твердость инструмента может упасть настолько, что он окажется уже непригодным для работы. Поэтому значение степени влияния различных элементов процесса резания на нагрев инструмента имеет первостепенное практическое значение.
|
|
|
6. 1. 2 Методы определения температуры резания.
Экспериментальные методы изучения тепловых процессов и определения температуры при резании металлов
При экспериментальном изучении тепловых процессов в зоне резания объектами исследования в зависимости от поставленной задачи могут становиться тепловые потоки (их мощность, плотность), температуры (локальные, средние), температурные поля. Одним из первых методов, примененных для исследования тепловых потоков, был калориметрический метод (Н. Н. Саввин, 1908 г. – Россия; Я. Г. Усачев, 1914 г. – Россия; О. В. Бостон, 1936 г. – США). На рис. 6. 2 представлена установка для изучения распределения генерируемого в зоне резания тепла между изделием, стружкой и инструментом.
При этом определяется тепло 
, уходящее со стружкой, и тепло 
, переходящее в инструмент. Для оценки был применен специальный резец – калориметр с внутренней полостью, заполненной ртутью.
По длине резца устанавливались три термометра с опущенными в ртуть головками. По показаниям этих термометров определялись градиенты температур, что позволяло рассчитать мощность теплового потока, поступающего в резец. Общее количество тепла, генерируемого в зоне резания, находили через механическую мощность 
. Количество тепла, переходящего в изделие, определялось с помощью уравнения теплового баланса простым вычитанием.
Уравнение теплового баланса имеет вид:
,
где , 
, , 
– доля тепла, переходящая соответственно в стружку, изделие, инструмент и окружающую среду; 
– мощность источника в условной плоскости сдвига; 
– мощность источника в зоне трения на передней поверхности инструмента; 
– мощность источника в зоне трения на задней поверхности инструмента.
|
|
|
|
| Рис. 6. 2. Схема экспериментальной установки для исследования распределения тепла, выделяющегося при точении, между заготовкой, резцом и стружкой: 1 – заготовка; 2 – резец-калориметр; 3 – термометры; 4 – калориметр для сбора стружки; 5 – стружка |
На распределение тепла между стружкой, инструментом и заготовкой оказывает большое влияние скорость резания (рис. 6. 3).
С увеличением скорости резания количество тепла, уходящего в стружку, возрастает и при высоких скоростях резания достигает 99%. Из практики известно, что при низких скоростях заготовка сильно нагревается, а стружка остается лишь теплой, при высоких скоростях резания – наоборот.
|
| Рис. 6. 3. Диаграмма распределения генерируемого при резании тепла между заготовкой, резцом и стружкой в зависимости от скорости резания: 1 – тепло, уходящее в резец; 2 – тепло, уходящее в заготовку; 3 – тепло, уходящее в стружку |
Объясняется это тем, что с увеличением скорости резания температурное поле в зоне стружкообразования сжимается и, как следствие, все большая часть тепла задерживается в пределах срезаемого слоя и вместе с ним уходит в стружку (рис. 6. 4), [19].
Для количественной оценки тепловых потоков и температур, возникающих в зоне резания, созданы самые различные методы экспериментальных исследований, большинство из которых широко используется при изучении процесса резания (рис. 6. 5), [20].
|
| а |
|
| б |
| Рис. 6. 4. Температурное поле в заготовке при скоростях резания: а – низкой; б – высокой |
Все эти методы делятся на две группы: контактные и бесконтактные. Рассмотрим некоторые из них.
Термоиндикаторы – это вещества, реагирующие на температуру поверхностей, на которые они нанесены. К термоиндикаторам относятся термокраски, лаки, карандаши, вещества, которые в определенном интервале температур переходят в жидкокристаллическое состояние – термоиндикаторы плавления. К ним также относятся люминесцентные вещества – люминофороы, которые в зависимости от температуры изменяют яркость свечения или цветовой фон.
|
|
|
Фотоэлектрические устройства работают по принципу измерения плотности потока инфракрасного излучения, которое, в свою очередь, зависит от температуры поверхности тела.
|
| Рис. 6. 5. Классификация методов экспериментальных исследований тепловых потоков и температур |
В настоящее время созданы бесконтактные приборы – так называемые тепловизоры (рис. 6. 6), позволяющие наблюдать температурное поле на поверхности твердого тела. Тепловое изображение объектов в этихприборах проецируется на экран, покрытый тонким слоем вещества, меняющего свои оптические характеристики под воздействием теплового излучения. В качестве температурно-чувствительных веществ используют жидкие кристаллы, люминофоры, полупроводниковые пленки и др.
|
| Рис. 6. 6. Измерение температуры с помощью тепловизора |
Метод цветов побежалости. Является одним из наиболее простых методов определения средней температуры стружки, так как не требует специальных приспособлений и устройств. Цвета побежалости появляются в результате возникновения тонких пленок окислов на поверхности стружки. Их цвета зависят от степени нагрева стружки при резании. Данный метод определения температуры дает погрешность измерения 20¸ 25%.
Например, температура нелегированной стали определяется по цвету стружки следующим образом:
| - светло-желтый, (+220°С) |
|
- темно-желтый (+240°С) |
|
- пурпурный (+270°С) |
|
- темно-синий (+290°С) |
|
- светло-синий (+320°С) |
|
- синевато-серый (+350°С) |
|
- светло-серый, переходящий в белый (+400°С) |
Акустический метод. При этом методе измерения температуры от генератора акустических колебаний импульс звука определенной длины волны 
, направляют на объект, температуру которого измеряют. Отраженный импульс имеет длину волны 
, зависящую от температуры отраженной поверхности. По величине разности 
судят о температуре поверхности твердого тела.
|
|
|
Пневматический метод. В основу такого метода измерения температуры положен эффект изменения д инамической вязкости воздуха в пневматическом дросселе в зависимости от температуры его стенок.
В последние годы предложены методы измерения температуры с помощью термопреобразователей сопротивления (электрические, сопротивления которых существенно изменяются с ростом температуры), волоконно-оптических датчиков температуры, кварцевых термометров, термотранзисторов и др. В волоконно-оптических датчиках оптический характер световолокна (показатель преломления, коэффициент поглощения и др. ) зависит от температуры. Эти датчики выполняют функцию измерительных преобразователей температуры и каналов для дистанционной передачи оптического сигнала от объекта к детектору теплового излучения.
Метод термопар. Является наиболее распространенным методом экспериментальных исследований температур при резании. Этот метод используется для определения локальных и средних температур в изделии и инструменте. Принцип действия термопары основан на возникновении в месте плотного контакта разнородных электропроводящих материалов так называемой контактной разности электрических потенциалов, зависящей от температуры контакта. Термопара представляет собой замкнутую электрическую цепь, состоящую из двух разнородных проводников (термоэлектродов), концы которых спаяны (рис. 6. 7).
Если температуры спаев 1 и 2 одинаковы, то в каждом из них возникают одинаковые контактные разности потенциалов, но противоположные по знаку, и ток в цепи будет отсутствовать.
Если же контактные температуры неодинаковы, то возникает термоэлектродвижущая сила (термоЭДС) тем большая, чем больше разность этих температур. В цепь термопары включаются присоединительные провода и регистрирующий прибор (рис. 6. 8) [21].
Различают искусственные, полуискусственные и естественные термопары. Искусственные термопары состоят из внешних термоэлектродов, выполненных из разных токопроводящих материалов (медь– константан, медь–копель, хромель–копель, хромель–константан, хромель–алюмель). Обычно искусственная термопара вставляется в отверстие тела, для которого измеряется температура, так, чтобы её рабочий спай находился вблизи соответствующего места.
|
|
| Рис. 6. 7. Замкнутая электрическая цепь из двух электродов: 1 – «горячий» спай; 2 – «холодный» спай | Рис. 6. 8. Принципиальная схема термоэлектрического устройства (термопары): 1 – термоэлектроды; 2 – «горячий» спай; 3 – «холодный» спай; 4 – регистрирующий прибор |
|
|
|
В полуискусственной термопаре функции одного из термоэлектродов выполняет само исследуемое тело (инструмент, заготовка и др. ). Впервые искусственная и полуискусственная термопары при исследовании температуры в инструменте были применены Я. Г. Усачевым в 1915 г. (рис. 6. 9).
Для изучения распределения температур на рабочих поверхностях инструмента также используются перерезаемые термопары. Это закладные искусственные и полуискусственные термопары, расположенные на пути движения инструмента. Перерезая термоэлектроды, инструмент замыкает спай. Таким образом, термопара, в электрическую цепь которой включают самописец, регистрирует температуры в окрестностях точек, где произошло перерезание.
А. Н. Резниковым была разработана оригинальнаяконструкция перерезаемой термопары, названная бегущей термопарой [11]. Принципиальная схема этого устройства приведена на рис. 6. 10, где показаны два положения бегущей термопары – до и после перерезания. После перерезания проводников режущей кромкой резца они замыкаются между собой передней и задней поверхностями инструмента.
Перемещение проводников по поверхности инструмента позволяет записать изменение температуры на этой поверхности.
Более простым методом измерения температуры при резании является метод естественной термопары, предложенной в 1926 г. почти одновременно Г. Гербертом в Англии и Е. Готвейном в Германии.
Спаем естественной термопары является поверхность естественного контакта между обрабатываемым материалом и инструментом. При этом обрабатываемый и инструментальный материалы выполняют роль термоэлектродов (рис. 6. 11).
|
|
|
