Тепловые процессы при резании

Различают три способа теплообмена: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение.

Теплопроводность – перенос теплоты (или внутренней энергии) при непосредственном соприкосновении тел или частей одного тела с различной температурой.

Конвекция – наблюдается в движущихся жидкостях или газах. Перенос теплоты при этом происходит за счет перемещения вещества в пространстве, тогда как в процессе теплопроводности это не обязательно. Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью, так как при движении жидкости или газа имеет место соприкосновение частиц с различными температурами. Совместный процесс конвекции и теплопроводности называется конвективным теплообменом.

Тепловое излучение – перенос теплоты в виде электромагнитных волн с взаимным превращением тепловой энергии в лучистую и обратно.

Температурное поле – совокупность температур в данный момент времени для всех точек пространства. Если при этом температура зависит от длительности нагрева или охлаждения, поле называется неустановившимся или нестационарным. Если же температура не изменяется, поле называется установившимся или стационарным.

Градиент температур – предел отношения приращения температуры Dq к расстоянию между изотермами по нормали Dn: grad q=lim (Dq/Dn) _Dn®0=dq/dn (°С/м), он характеризует интенсивность изменения температуры внутри тела и является векторной величиной, направленной по нормали в сторону возрастания температуры.

Плотность теплового потока q=-l grad q (Вт/м²) – количество теплоты, проходящей через единицу площади в единицу времени – вектор, направленный в сторону, противоположную градиенту температуры.

Коэффициент теплопроводности l - количество теплоты, проходящей в единицу времени через единицу площади при градиенте температуры в один градус на единицу длины (Вт.

Коэффициент температуропроводности w (м²/с)

Коэффициент теплоотдачи a характеризует интенсивность конвективного теплообмена между твердым телом и жидкой (газообразной) средой; (Вт/м²×с).

Выделение теплоты при снятии стружки объясняется тем, что в теплоту преобразуется механическая работа, затраченная на срезание стружки: W=W_деф+W_т.п.п+W_т.з.п., где W_деф, W_т.п.п, W_т.з.п – работа, затрачиваемая соответственно на упругую и пластическую деформации срезаемого слоя, на преодоление сил трения по передней и задней поверхностям.

Практически в теплоту переходит вся работа резания (больше, чем 99,5 %).

Зная количество теплоты, выделяемой в процессе резания и распространяемой между стружкой, обрабатываемой деталью, инструментом и средой, можно записать уравнение баланса тепловой и механической энергии при резании: W_деф+W_т.п.п+W_т.з.п.=Q_с+Q_и+Q_д+Q_о.с.

Эксперименты показывают, что при работе с небольшой скоростью резания (до 30…40м/мин) относительное количество теплоты составляет: Q_с»60…70%; Q_и»3%; Q_д»30…40%; Q_о.с.»1…2%. Установлено, что чем ниже теплопроводность обрабатываемого материала, тем больше теплоты уходит в инструмент. По мере увеличения скорости резания значительно растет относительное количество теплоты, уходящей в стружку. По опытам С.С. Можаева при скорости =400…500 м/мин теплота распределяется так: Q_с»97…98%, а Q_и»1%.

Использование технологических сред позволяет значительно повысить Q_о.с. в общем тепловом балансе. В зависимости от условий подвода среды соответственно уменьшаются Q_с, Q_и и Q_д.

ТЕМПЕРАТУРА РЕЗАНИЯ И МЕТОДЫ ЕЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Температура резания – температура, возникающая в зоне резания. Рассмотрим некоторые из методов ее определения.

Калориметрический метод – позволяет определить количество теплоты, переходящей в стружку, деталь и инструмент, а также их средние температуры. Например, улавливая в калориметр горячую стружку, зная массы стружки и воды в калориметре и изменение температуры воды, можно определить среднюю температуру стружки. Есть также калориметры, в которые погружают деталь и инструмент.

Метод пленок – заключается в том, что на контактные площадки инструмента наносится в вакууме тонкий слой чистого металла с известной температурой плавления. Теплота, выделяющаяся при резании, оплавляет пленку в области, где достигается температура ее плавления, и тем самым обозначает соответствующую изотерму.

Метод термокрасок – принципиально аналогичен методу пленок, но вместо чистых металлов используются специальные составы, изменяющие свой цвет под действием температур.

Термоэлектрический метод – заключается в том, что если нагреть место спая двух проводников из различных металлов, оставляя при этом свободные концы при более низкой температуре, на последних возникает термоЭДС, которая зависит от разности температур спая и более холодных концов. Замыкая цепь через милливольтметр, можно измерить термоЭДС. Такая цепь называется термоэлектрической. Этот метод является наиболее распространенным и подразделяется на несколько разновидностей: метод искусственной термопары, полуискусственной термопары, естественной термопары.

Метод бесконтактного измерения температур представляет собой регистрацию теплового излучения отдельных участков детали или инструмента в процессе обработки.

 

Он основан на принципе собирания теплового излучения с участка нагретой поверхности 1 с помощью линз 2 и направления его на фотосопротивление 3. Под действием теплового изучения в фотоэлементе возникает ток, который повышается усилителем 4 и регистрируется измерительным устройством 5. Фотоэлектрический метод позволяет измерять температуру различных участков зоны резания и определять температурные поля передней и задней поверхности резца.

На основании приведенной общей схемы разработана конструкция и изготовлен прибор для измерения температуры в любой точке зоны резания.

Рис. 6.20. а.

 

Прибор состоит из корпуса 6, объектива 4, подвижного зеркала 5, фотоэлемента 7, окуляра 9 с сеткой 8. Кроме того, применен специальный резец 1 с прихватом 2 и пластиной 3 из прозрачного для инфракрасной области спектра материала (например, из лейкосапфира или алмаза) с полированными передней и нижней (опорной) плоскостями, причем опорная плоскость А выполнена зеркальной. Прибор позволяет измерять температуру в любой точке от 150 до 1200 ⁰С. Высокая точность измерения (±2…3%).