Т 7 Теплові явища при різанні металів

Теплота є одним з основних чинників, що впливають на різання. Теплоутворення надає подвійну дію на процес різання. З одного боку, інтенсивне тепловиділення полегшує деформацію шару матеріалу, що зрізується, унаслідок чого зменшується знос інструменту і підвищується якість обробленої поверхні. З іншого боку висока температура в зоні головної ріжучої кромки. Яка досягає 800-1000⁰С, призводить до втрати ріжучих здібностей інструменту і прискореного зношування. Крім того, нагрів інструменту і заготовки веде до зміни їх розмірів, що так само впливає на точність обробки. Отже, тепловими явищами при різанні необхідно керувати так, щоб теплота полегшувала різання і не знижувала стійкість інструменту і точність обробки.

Джерело утворення теплоти

1. Механічна робота, витрачена на пластичну деформацію і руйнування металу в процесі стружкоутворення складає перше джерело теплоти Q₁ (генерується в площині сколювання);

2. Робота сил тертя на передній поверхні леза різця є другим джерелом виділення теплоти Q₂;

3. Робота сил тертя по задній поверхні леза інструменту є третім джерелом теплоти Q₃;

4. Робота, витрачена на пластичну деформацію металу перед площиною сколювання є четвертим джерелом теплоти Q₄;

Кількість теплоти, що виділяється в одиницю часу (Дж/сек) можна підрахувати по формулі , де Р_z – сила різання(Н), v - швидкість різання(м/с).

Теплота, що виділяється під час різання, розподіляється таким чином: q₁ – теплота, що відводиться із стружкою, q₂ – на нагрів інструменту, q₃ - на нагрів заготовки, q₄ – відведення тепла в навколишнє середовище.

Рівняння теплового балансу виглядає наступним чином:

.

Кількісний вираз складових рівняння теплового балансу залежить від умов різання і особливо від швидкості різання. В середньому при точінні теплота Q₁ складає 75-80% всієї прохідної частини балансу Q₂ – 18-22%, Q₃ – 2-3,5%, Q₄ – 0,5%.

З витратних частин теплового балансу найбільшою є теплота q₁ (68-77%) відводиться стружкою. Теплота q₂, що відводиться різцем складає 2-5%, теплота q₃ на нагрів заготовки складає 2-8% і теплота q₄, відводиться в навколишнє середовище, знижується зі зростанням швидкості різання і складає 9-24%. Значення доданків витратної частини рівняння теплового балансу залежить, перш за все, від виду операції. Наприклад, при свердленні найбільша кількість теплоти йде не зі стружкою, як при точінні, а в оброблювану заготовку. Застосування при різання ЗОР може істотно змінити співвідношення витратних частин теплового балансу.

Вплив різних чинників не температуру різання

1. Швидкість різання. Зі збільшенням швидкості різання зростає робота різання і загальна кількість тепла, що виділяється. Проте, температура різця росте у меншій мірі, ніж швидкість. При швидкостях різання до 400м/хв. температура інструменту підвищується швидко. При подальшому підвищенні швидкості її вплив помітно знижується. Експериментальні дослідження процесу різання показали, що навіть при різанні високоміцних матеріалів з надвисокими швидкостями (20000 і 10000 м/хв) процес протікає без теплообміну і температура різання складає всього 30-60⁰С.

2. Глибина різання і подача. Зі збільшенням подачі температура в зоні різання підвищується, але менш інтенсивно, ніж при підвищенні швидкості різання. Ще менший вплив на температуру робить глибина різання. Це пояснюється тим, що із збільшенням глибини різання зростає довжина активної частини ріжучої кромки інструменту, що покращує умови тепловіддачі. Для зниження температури різця слід працювати з можливо великим співвідношенням ширини шару, що зрізується, до його товщини (більше глибину, але менше подачу).

3. Передній кут γ. Зі збільшенням переднього кута знижується робота деформації а отже, кількості тепла, що виділяється, але одночасно погіршуються умови відведення тепла. Тому, з початку зі зростанням переднього кута температура знижується, а після досягнення кутом γ оптимального значення починає зростати. Аналогічно на температуру різання впливає задній кут.

Головний кут в плані φ. Зі збільшенням кута φ тепловиділення дещо знижується, оскільки зменшується усадка стружки і робота різання. Але одночасно погіршуються умови відведення тепла, оскільки зменшується довжина робочої частини ріжучого леза. В результаті температура різання зростає у всьому діапазоні збільшення кута φ

Радіус при вершині різця. Зі збільшенням r дещо зростає усадка стружки, робота деформації і тепловиділення, однак при цьому значно поліпшуються умови відведення у зв'язку зі збільшенням ширини зрізу і зростанням маси вершини різця. В результаті цього збільшення радіусу вершини різця призводить до зниження температури різання.

Властивості оброблюваного і інструментального матеріалів

Із зростанням міцності і пластичності оброблюваного матеріалу збільшується робота деформації і кількості теплоти, що виділяється. Умови відведення тепла залежать від теплопровідності як оброблюваного, так і інструментального матеріалів. Крім того, температура залежить також від умов тертя між різцем, стружкою і заготовкою. Чим вищий коефіцієнт тертя, тим більше тепла виділяється на контактних поверхнях і тим вище буде температура різання.

Методи вимірювання температури різання. Існують різні методи вимірювання температури в зоні різання: (калориметричний), термопар (штучних і природних), термокрасок, кольорів мінливості, оптичний та інші. Найбільш поширеним і точним є метод термопар. Метод штучної термопари застосовується через складність пристрою і неможливості зміряти температуру безпосередньо ріжучої кромки.

Елементами природної термопари служать різець і заготовка, матеріал яких різнорідний. Місцем спаю термопари служить поверхня контакту різця із заготовкою. При підвищенні температури в місці контакту виникає термострум. ЕРС термоструму вимірюють гальванометром. До недоліків цього методу відноситься складність тарування і необхідність його проведення для кожного оброблюваного металу і різця. Для конструювання і раціональної експлуатації ріжучого інструменту важливо знати не тільки загальну температуру різання, але і розподіл її в різних точках поверхонь ріжучої частини інструменту, тобто визначити температурне поле. Температурне поле різця показує, що ізотерми з максимальною температурою мають вид витягнутого еліпса, розташованого уздовж контакту стружки з передньою поверхнею інструменту.

Для зниження температури різця застосовують ЗОР, збільшують переріз тіла різця для покращення відведення тепла від леза інструменту. Для підвищення теплопровідності застосовують леговані матеріали для ріжучої частини і корпусу різця (легування Мо, Со,Ti).

Спрацювання і стійкість інструменту

Спрацювання інструменту при різанні відбувається в результаті тертя стружки об передню поверхню леза інструменту і задніх поверхонь леза об поверхню заготовки. Тертя відбувається при великому контактному тиску і високих температурах. Розрізняють наступні види спрацювання:

1. Абразивне спрацювання відбувається в результаті механічного стирання окремих ділянок поверхні інструменту твердими включеннями, що знаходяться в оброблюваному матеріалі, а також частинками зруйнованого наросту. Здатність вуглецевих сталей стирати зростає із збільшенням вмісту вуглецю, а легованих сталей із збільшенням карбідоутворюючих елементів вольфраму, молібдену, марганцю, ванадію і хрому.

2. Адгезійне спрацювання – злипання виражається в схоплюванні поверхневих шарів ріжучого інструменту з оброблюваним матеріалом в результаті дії адгезійних (молекулярних) сил. При безперервному русі стружки по різцю в умовах високої температури і тиску в місцях контакту виникають напруження зрізу і в результаті на передній поверхні інструменту вириваються дрібні частинки металу і видаляються зі стружкою.

3. Дифузійне спрацювання. В процесі різання відбувається безперервне і направлене дифузійне перенесення вуглецю, вольфраму, кобальту, титану з інструментального матеріалу леза в контактуючий з ним шар оброблюваного металу. Найбільш активному дифузійному спрацюванню піддаються тверді сплави, коли температура контактних шарів більше 900-950⁰С.

4. Окислювальне спрацювання. При високих температурах і охолоджуванні відбувається окислення верхніх шарів поверхонь інструменту, що труться. Окислені плівки, володіючи крихкістю, руйнуються силами тертя, оголюючи шари що розташовані нижче, які в свою чергу піддаються руйнуванню.

Залежно від умов обробки інструмент може зношуватися таким чином:

1 Переважно по задній поверхні і частково по передній

2 Переважно по передній поверхні і частково по задній

3 Одночасно по передній і задній поверхнях.

4 Округляється лезо.

Інструменти спрацьовуються по задній поверхні переважно при обробці пластичних матеріалів з товщиною зрізу менше 0,1мм., а також при обробці крихких металів, коли утворюється стружка надлому (сипуча стружка) (використовують ЗОР).

Спрацювання по передній поверхні переважно при обробці пластичних матеріалів з товщиною зрізу більше 0,5мм. При цьому лунка на передній поверхні поступово збільшується, і коли ширина перемички f досягає нуля, відбувається повний знос різця (з високою швидкістю без охолоджування).

Спрацювання одночасно по передній і задній поверхнях відбувається при обробці пластичних металів з товщиною зрізу 0,1-0,5мм. (середньої швидкості і ЗОР).

Початок спрацювання завжди супроводжується збільшенням радіусу округлення вершини і ріжучих кромок інструменту за рахунок мікровикришування.

Спрацювання по задній поверхні є основною причиною затуплення інструменту. Тому критерієм спрацювання на операціях попередньої обробки слугує розмір h₃ спрацьованого майданчика на задній поверхні. Наприклад при обробці, конструкційних сталей різцем з твердих сплавів h₃=0,8-1,0 мм.

Для обдирних робіт застосовують критерій блискучої смужки. При затупленні інструменту в початковий період руйнування ріжучої кромки (викришування) на поверхні різання сталі з'являється блискуча смужка, а оброблюваного чавуну – темні плями.

При чистовій обробці встановлений технологічний критерій затуплення – інструмент спрацьований, коли розміри і чистота оброблюваної заготовки не задовольняють вимогам креслення.

Спрацювання ріжучих інструментів на підставі численних досліджень можна розділити на три періоди. 1- період припрацювання – початкове спрацювання. 2 – нормальне спрацювання крива спрацювання зростає поступово. 3 – період – посилене спрацювання.

Величина зносу h₃ відповідаючи початку прискореного зносу буде критерієм зносу. Стійкістю інструменту Т називають період роботи інструменту в хвилинах без переточування.

Стійкість інструменту залежить від фізико-механічних властивостей оброблюваного і інструментального матеріалу, геометричних параметрів інструменту, режиму різання і умов обробки. Найбільший вплив на інтенсивність зношування чинить швидкість різання.

Чим вище швидкість різання тим менше стійкість різців з інструментальних сталей. Для твердосплавного інструменту ця залежність має складніший характер (див. графіки).

 

Охолоджування і змазування при різанні

Змащувально-охолоджуючі рідини при різанні сприяють зменшенню зносу інструменту, зниження сили різання і підвищенню якості обробленої поверхні. Рідина не повинна викликати корозію верстата, інструменту і заготовки, а також руйнування слизистих оболонок і шкіряного покриву у робочих.

В результаті взаємодії поверхневоактивних речовин рідини (тваринні жири, рослинні масла, жирні кислоти) з металом утворюються міцні плівки. За наявності таких змащувальних плівок коефіцієнт μ тертя при різанні може бути знижений в 3-5раз.(Молекули рідини адсорбуються на поверхні твердого тіла, утворюючи на ньому плівку).

Щоб підвищити температуру плавлення змащувальних плівок, в змащувально-охолоджуючі рідини вводять добавки, що містять сірку і хлор.

Взаємодіючи з металом ці добавки утворюють плівки, що складаються з сульфідів або хлоридів. Сульфідні плівки(з'єднання металів з сіркою) зберігають ефективність при температурах до 800⁰С, а хлоридні до 400⁰С (сульфід – FeS₂ має назву пірит).

Охолоджуюча здатність рідини визначається її теплопровідністю. Залежно від складу застосованої рідини і умов обробки температура різання може бути знижена на 70-130⁰С.

Змиваюча дія рідини полягає в тому, що її молекули, охоплюючи частинки стружки, перешкоджають злипанню, полегшуючи видалення стружки із зони різання.

Розрізняють змащувально-охолоджуючі рідини з високими охолоджуючими здібностями, але з низькими змащувальними, і навпаки.

Рідини з високими охолоджуючими, але низькими змащувальними здібностями бувають:

а) 3-5% содовий розчин.

б) розчин емульсола в кип'яченій воді з содою або зеленим милом. Емульсол представляє собою мінеральне масло (нафтопродуктів) змішане з водним розчином їдкого натра (каустичної соди). Найбільш споживані емульсії містять 5, 10, 15% емульсола.

Рідини з високими змащувальними властивостями і низькими охолоджуючими властивостями є:

а) мінеральні масла;

б) сульфофрезали - осірчені рослинно-мінеральні масла.

При обдирних роботах використовують емульсії, а для чистових операцій – рідини з високими змащувальними здібностями.

При обробці (чорновій) чавуну і інших крихких металів рідини не використовують, оскільки вони не дуже підвищують стійкість інструменту, але змішуючись з дрібними частинками вільного вуглецю чавуну, забруднюють верстат. При чистових операціях обробки чавуну і алюмінієвих сплавів рекомендується використовувати скипидар і гас.

Кількість охолоджуючої рідини, що підводиться, складає (л/хв): для токарної обробки 8…12, чистових операцій – 2…6, знятті стружки великих перерізів до 30.

Найбільш поширений спосіб подачі ЗОР є полив вільним струменем до місця відділення стружки з боку передньої поверхні різця.

Ефективнішим є високонапірне охолоджування. Рідина подається під тиском 1,5-2,0 МПа з боку задньої поверхні інструменту. Через отвір діаметром 0,4-0,5мм. При цьому способі витрата рідини складає приблизно 0,5 л/хв. Недолік – сильне розбризкування (потрібен спеціальний захисний пристрій), необхідність застосування насосів, ретельного очищення рідини.

На практиці використовуються різці наступної стійкості Т (хв).

З швидкорізальної сталі 30-60.

Оснащених твердим сплавом 45-90.

З металокерамічною пластиною 30-40.

Різьбових і фасонних -120.

Залежність між швидкістю різання і стійкістю інструменту виражає експериментальна формула: (м/хв)

Де С_v – постійний коефіцієнт, залежний від властивостей оброблюваного матеріалу, геометрії і матеріалу інструменту;

Т – стійкість інструменту (хв),

m – показник відносної стійкості, який залежить від оброблюваного матеріалу, глибини різання і подачі, матеріалу інструменту і характеру обробки.