Исследование температуры в зоне резания при точении

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[pic] 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 [pic] увеличивается сила резания, следовательно,

должны повышаться количество образующейся теплоты и температура резания.

Отвод тепла в данном случае также будет усиливаться с увеличением угла

клина [pic] (угла заострения), но в меньшей степени, чем теплообразование,

и в результате температура будет расти.

Величина угла в плане [pic] также влияет на температуру резания. С

уменьшением угла [pic] несколько увеличивается нагрузка на резец и,

казалось бы, нагрев его должен усиливаться. Однако

на самом деле получается обратное: с уменьшением угла [pic] удлиняется

режущая кромка, увеличивается угол при вершине [pic] 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 [pic] от различных факторов

при нормальной обработке стали

быстрорежущим резцом

[pic].

Здесь [pic]; г — радиус закругления вершины резца; F — площадь поперечного

сечения резца; [pic] — постоянная, зависящая от обрабатываемого материала и

инструмента, или в упрощенном виде для стали ([pic] = 77 кгс/мм2, [pic] =

22%)

[pic]

и для чугуна (приблизительно)

[pic].

4. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ РЕЗАНИЯ

Среди многочисленных методов измерения температуры резания можно

выделить две группы.

К первой группе относятся методы, с помощью которых измеряется средняя

температура стружки, а также определенных участков изделия или резца:

калориметрический метод; метод

цветов побежалости; метод термокрасок.

Ко второй группе принадлежат методы, которыми измеряются температура

узкоограниченных участков зоны резания или резца, например: метод термопар;

оптический и радиационный методы.

Калориметрический мет од, впервые примененный в лаборатории ЛПИ,

иногда используется и в настоящее время. В этом случае температура стружки

рассчитывалась по

формуле

[pic]

где [pic] — температура стружки; [pic]— вес воды; [pic] — вес стружки;

[pic] — начальная температура воды; [pic] — температура смеси (воды и

стружки); [pic] — теплоемкость стружки.

Этот метод может дать только среднюю температуру стружки и,

следовательно, непригоден для исследования температуры на разных участках

стружки и инструмента. Им иногда пользовались для подсчета силы резания;

при этом количество теплоты делилось на механический эквивалент теплоты и

определялась работа.

Простой метод определения температуры по цветам побежалости не требует

каких-либо приспособлений. Цвета побежалости появляются в результате

образования тончайших пленок окислов на нагретой стружке; их цвета зависят

от степени нагрева стружки.

Цвета побежалости и соответствующие им температуры (в °С):

Чуть желтый 200

Светло-желтый 220

Темно-желтый 240

Пурпуровый 270

Темно-синий .... 290

Светло-синий . . 320

Синевато-серый . 350

Светло-серый,

переходящий в белый .... 400

Считают, что при наличии некоторого опыта по цветам побежалости стружки

нелегированной стали можно определить температуру с точностью ±5°, т. е.

около 2%. Однако в действительности этот метод дает значительно большую

погрешность, доходящую иногда, как показали опыты Б. Т. Прушкова, даже до

20—30% в зависимости от толщины среза, времени работы и др. Столь большие

отклонения вызваны тем, что цвета побежалости выражают лишь температуру

поверхности стружки, определяющую толщину пленки окисла, а тем самым и ее

цвет. Цвет побежалости меняется в зависимости не только от температуры, но

и от продолжительности действия тепла. При охлаждении стружки смазочно-

охлаждающими жидкостями цвета побежалости

могут совсем исчезнуть, между тем как стружка сохраняет на поверхности

контакта с резцом высокую температуру.

Неточным является и метод термокрасок, когда для выявления температуры

пользуются свойством специальных красок менять цвет при определенных

температурах. Например,

при 155° С цвет из пурпурного переходит в голубой, при 190° С из белого — в

зелено-коричневый, при 255° С из зеленого — в темно-коричневый, при 305° С

из желтого — в красно-коричневый, при 440° С из фиолетового — в белый.

При пользовании этим методом краска смешивается с алкоголями и

наносится ровным слоем на грани исследуемых резцов. Некоторая погрешность в

данном случае заключается в том, что

оттенок переходящих красок меняется в зависимости от продолжительности

действия тепла.

Один из наиболее точных и в то же время относительно простой способ —

измерение температуры резца с помощью термопары, впервые примененной Я. Г.

Усачевым. Как известно, при нагреве места спая проволок из двух разнородных

металлов, например железо — константан, медь — константан, платина — иридий

и т. д., в нем образуются заряды противоположных знаков. Если свободные

концы проволок соединить, то в цепи возникает термоток, электродвижущая

сила которого пропорциональна разности температур места спая и холодных

концов проволок.

[pic]

Рис. 8. Термопара Я. Г. Усачева

Величину электродвижущей силы или напряжения можно измерять с помощью

гальванометра или милливольтметра. Для перевода величины электродвижущей

силы в градусы термопару

необходимо тарировать. На рис. 8, а показана термопара Я. Г. Усачева. Здесь

спай двух различных металлических проволок, изолированных слюдой или

стеклянной трубкой, вставлен в канал, просверленный в резце снизу. Дно

этого канала располагают возможно ближе к передней грани и режущей кромке

резца, чтобы измерить температуру возможно ближе к источникам теплоты.

Недостатки этого способа: удаленность спая термопары от участка

максимальной температуры и необходимость поддерживать постоянным давление

между спаем и дном отверстия.

Более удачной оказалась другая термопара (рис. 8, б), в которой

проволока, например константановая, также изолированная от стенок канала,

расклепывается на задней грани резца возможно ближе к режущей кромке. Здесь

термопарой являются проволока и материал самого резца. С помощью такой

термопары Я. Г. Усачев провел ряд температурных исследований с достаточной

точностью. Ею воспользовался ряд наших исследователей при определении

температурного поля резца. Для этого в головке резца просверливалось вдоль

главной и вспомогательной режущих кромок определенное количество отверстий,

куда вставлялись термопары. К головке резца сверху прикреплялась тонкая

пластина (толщиной примерно 2 мм), служившая передней поверхностью резца.

На рис. 9 показано температурное поле передней поверхности, полученное А.

М. Даниеляном при обработке стали со скоростью v = 38 м/мин, t = 2 мм; s =

0,54 мм/об.

Этот способ измерения имеет свои недостатки; измеряется температура на

одном ограниченном участке и, к тому же несколько удаленном от основных

источников теплообразования; необходимо иметь специальные резцы;

недолговечность резцов,

так как после одной-двух переточек термопара разрушается.

[pic] [pic]

Рис. 9. Температурное поле на передней поверхности резца Рис.

10. Схема естественной термопары

В настоящее время температурные исследования производятся с помощью,

так называемой естественной термопары, состоящей из самого изделия и

режущего инструмента (рис. 10). В процессе резания в месте контакта

разнородных материалов изделия и резца вследствие нагрева возникает

электродвижущая сила. Термоток в этом случае направляется по обрабатываемой

детали 1 через медное кольцо 2, а затем через ртуть в ванне 3, служащей для

контакта вращающегося кольца 2 с проволокой 4. При этом милливольтметр

покажет напряжение термотока, по которому можно судить о температуре

резания. Обрабатываемое изделие изолировано от патрона и заднего центра, а

резец от суппорта — при помощи прокладок.

В практике этот метод измерения был значительно упрощен тем, что

отказались от изолирования обрабатываемого изделия от станка.

Контактирование через кольцо и ртуть, как показано на рис. 10, а также

изолирование заднего центра от изделия были продиктованы желанием

освободиться от второй дополнительной термопары, получающейся в месте

контакта заднего центра и изделия; казалось бы, при этом дополнительный

термоток должен нарушить правильность показаний основной термопары. Но в

действительности роль второй термопары оказалась ничтожной вследствие

слабого разогревания заднего центра по сравнению с резцом, и поэтому

практически стало вполне возможным работать и без изоляции заднего центра

(рис. 11). Это значительно упростило все устройство, освободив его от

дополнительных приспособлений, так как теперь второй провод присоединялся к

любой точке станка.

В этом виде метод естественной термопары был бы вполне пригоден для

применения, если бы не сложность тарирования подобного устройства,

заключающаяся в том, что для каждого обрабатываемого материала и резца

необходимо строить свою тарировочную кривую зависимости между температурой

и показаниями милливольтметра. Для этого применяют различные методы

тарирования.

[pic]

Рис. 11. Упрощенная схема естественной термопары

Наиболее простой из них состоит в следующем: в ванну с расплавленным оловом

(или алюминием для тарировки выше 600° С) погружаются сливная стружка,

снятая с обрабатываемой детали, и резец. Стружка и резец соединяются

проволоками с гальванометром. При нагреве ванны (например, в электропечи)

температура ее регистрируется контрольной термопарой, и одновременно

записываются показания гальванометра. В дальнейшем оказалось, что при

тарировании вместо стружки можно использовать брусок обрабатываемого

материала.

В действительности условия нагрева в процессе резания отличаются от

условий тарирования, поскольку в обоих случаях не обеспечиваются одинаковые

площади контакта обрабатываемого металла с резцом. К тому же при

тарировании измеряется постоянная температура контакта образца и

инструмента, между тем как на площади контакта стружки и передней

поверхности инструмента в процессе резания развивается температура

различной напряженности в разных точках контакта и естественная термопара

измеряет некоторую усредненную температуру.

На рис. 12 показана схема полуестественной термопары, примененной в ЛПИ

для измерения температуры резания при тонком точении минералокерамическим

резцом.

Оптический и радиационный методы. Оптические пирометры для измерения

температуры резания применяются при скоростной обработке металла, когда

стружка и резец нагревались весьма сильно вплоть до светлого каления.

Однако опыт использования этого метода недостаточен, чтобы можно было

сделать определенные выводы.

Радиационный метод измерения температуры, предложенный Ф. Швердом,

основан на измерении теплоты лучеиспускания (рис. 13). Он дает возможность

измерять температуру

резания на любом участке стружки и резца. Необходимо лишь изолировать

другие лучи, отражаемые не из фиксируемых точек. Схема устройства этого

прибора проста. Тепловой луч, направленный от наблюдаемого участка,

проходит через две линзы, отверстие на экране и падает на фотоэлемент.

Высокочувствительный гальванометр, соответственно проградуированный,

показывает температуру наблюдаемого участка. Этот метод позволяет детальнее

исследовать температуру стружки и инструмента, но он не получил широкого

распространения из-за следующих недостатков.

1. Появление тонких окислов на поверхности стружки искажает

правильность показаний прибора.

[pic]

Рис. 12. Термопара для измерения температуры резания

минералокерамическим резцом

1 — резец, 2 — обрабатываемая деталь, 3 — минералокерамическая

пластина, 4 — элемент термопары (алюмель), 5 — провод, 6 —

диск, 7 — ртуть, 8 — ванна, 9 — гальванометр

2. Значительные затруднения представляет собой тарирование прибора,

поскольку теплота излучения зависит не только от температуры нагретого

участка, но еще от цвета и состояния

[pic]

Рис. 93. Радиационный метод измерения температуры

его поверхности; шероховатая поверхность стружки излучает больше теплоты,

чем гладкая тарируемая поверхность.

3. Крепление прибора на резце неудобно, а при установке его вне резца

колебания последнего в процессе резания мешают измерению температуры

определенной точки.

4. Прибор сравнительно сложен.

Оригинальный способ измерения температуры в процессе резания путем

анализа микроструктуры тончайшего слоя обработанной поверхности,

претерпевающей заметные изменения предостаточно большом нагреве, применил

Б. И. Костецкий. Но и этот метод пока не получил распространения, так как

его можно использовать только при высоких режимах резания, когда

поверхность резания или обработанная поверхность нагревается выше

критических точек.

Необходимо отметить, что степень изменения температуры резания в

процессе работы является в известной мере критерием обрабатываемости

металла и качества режущего инструмента. Однако не всегда имеется

закономерная связь между температурой резания и интенсивностью затупления

режущего инструмента, так как затупление в значительной степени зависит от

микроструктуры обрабатываемого материала.

Использованная литература:

1. А.М. Вульф ''Резание металлов'' – М.: Машиностроение,1973

2. А.Н. Резников ''Теплофизика резания'' – М.: Машиностроение,1969

3. Г.И. Грановский ''Резание металлов'' – М.: Высшая школа,1985

Страницы: 1, 2