Какая температура в зоне резания
Главная / ЧПУ станок / Обработка резанием / Температура резания на токарном станке
Температура резания – температура, возникающая в зоне резания заготовки токарного станка. Равенство интенсивности деформационного упрочнения температурному разупрочнению соответствует положению максимума на кривой τк=f(x) (см. “Обработка металлов резанием на токарном станке, схема резания“. рис. 2, в) и достижению в этой точке температуры θд, именуемой температурой Дебая. Температура Дебая является некоторым температурным интервалом, разделяющим состояние металла по характеру тепловых колебаний на две различные области, где характер теплового движения атомов качественно меняется. В работе Талантова Н.В. “Физические основы процесса резания, изнашивания и разрушения инструмента” указывается, что закономерность изменения τк=f(x) для различных сталей зависит не только от закономерности роста температуры θ=f(x), но и от температуры Дебая. В промышленных сталях на величину θд значительное влияние оказывает наличие дисперсных металлических и неметаллических включений. С увеличением их содержания θд увеличивается. На рисунках 1. а, б схематично показаны кривые нарастания температуры резания до температуры Дебая в зоне контактных пластических деформаций.
Рис. 1. Влияние режимов обработки и условий резания на характер кривых θк=f(x): а) обработка стали инструментом с различной теплопроводностью; б) обработка сталей с различным пределом прочности инструментом с одинаковой теплопроводностью; θк – температура в зоне контактных пластических деформаций.
На рисунке 1, а – пример обработки стали одной марки, но инструментом с различной теплопроводностью. Кривая 1 – обработка инструментом, имеющим более высокую теплопроводность (например, ВК8). Интенсивность нарастания температуры резания при токарной обработке и достижение уровня температурного разупрочнения (θд) “растянуто” во времени или по пути перемещения срезаемого объема стали из-за повышенного теплоотвода в инструмент. Это приводит к увеличению длины участка упрочнения С2’, увеличению площади всего пластического контакта С1’. Больше будет и высота зоны КПД из-за высокой теплопроводности сплава, что в итоге увеличивает объем зоны, при этом суммарное значение касательных напряжений τ по длине контакта увеличится, увеличивая силу F.
Кривая 2 на рисунке 1, а представляет обработку той же стали инструментом, имеющим пониженную теплопроводность, например, Т15К6. Интенсивность нарастания температуры выше, время (или путь) достижения уровня температурного разупрочнения (θд) – меньше. Меньше будет и длина участка упрочнения С2’’, меньше длина (площадь) всего пластического контакта С1’’, меньше высота зоны контактных пластических деформаций и соответственно ниже интегральная сумма касательных напряжений , меньше сила F.
На рисунке 1, б – пример обработки сталей с различной механической прочностью инструментом из твердого сплава, имеющего одинаковую теплопроводность. Кривая 1 – обработка стали с низкой механической прочностью, с более низким уровнем температуры Дебая (θд1). Интенсивность нарастания температуры резания пониженная, участок упрочнения С2’ удлиненный, площадь (длина) пластического контакта С1’ увеличенная. Кривая 2 – обработка стали с повышенной механической прочностью инструментом с той же пластиной. Интенсивность нарастания температуры при работе на токарном станке выше, чем в предыдущем случае. И хотя уровень температурного разупрочнения у нее выше (θд2), участок упрочнения С2’’ короче, площадь (длина) пластического контакта С1’’ меньше, соответственно меньше и сумма касательных напряжений , меньше сила F.
На рисунках 2 и 3 представлены фотографии микрошлифов корней стружек, зафиксировавшие процесс пластического деформирования срезаемых объёмов стали ЭИ961 (13Х11Н2В2МФ) по секущей плоскости, проходящей через середину активной части главной режущей кромки при резании её твёрдосплавными инструментами с различной теплопроводностью используя токарный станок ЧПУ.
Рис. 2. Границы и размеры зоны стружкообразования для пары ВК8-сталь ЭИ961 (13Х11Н2В2МФ) Режимы резания (V=60 м/мин; S=0,3 мм/об; t=2 мм). 1 – Сс – зона стружкообразования.
Рис. 3. Границы и размеры зоны стружкообразования для пары Т15К6-сталь ЭИ961 (13Х11Н2В2МФ). Режимы резания (V=60 м/мин; S=0,3 мм/об; t=2 мм). 1 – Сс – зона стружкообразования.
На микрошлифах (рисунок 2 и 3) четко просматриваются различные толщины зоны стружкообразования при обработке стали ЭИ961 инструментами ВК8 и Т15К6. Её размер связан с теплопроводностью твердого сплава и составляет для сплава ВК8 Сс=0,24 мм, для Т15К6 Сс=0,15 мм, что в свою очередь определяет различное интегральное значение нормальных и касательных напряжений в зоне стружкообразования.
В целях доказательства одного из положений реальной схемы резания о влиянии теплопроводности инструментального материала на составляющие силы резания, чего не отражает условная схема резания, была проведена серия опытов по измерению этих сил при обработке стали ЭИ961 (13Х11Н2В2МФ) твёрдосплавными инструментами с одинаковой геометрией, но с различной теплопроводностью. Режимы резания те же, при которых были получены корни стружек, представленные на рисунках 2 и 3. Результаты измерений представлены в таблице 1.
Таблица 1. Значения составляющих силы резания при обработке стали ЭИ961 (13Х11Н2В2МФ) твердосплавным инструментом с различной теплопроводностью (V=60 м/мин; S=0,3 мм/об; t=2 мм).
Результаты экспериментов полностью подтвердили одно из главных положений реальной схемы резания: влияние температуры резания детали и теплопроводности контактных пар (через сток тепла) на контактные процессы и их количественные величины.
Н. В. Талантовым предложено величину касательной силы F и нормальной силы N определять как интегральную сумму контактных напряжений по длине полного контакта С по уравнениям:
где B ширина резания мм, τ – касательные напряжения, σ – нормальные напряжения
Уравнения дают качественную картину изменения составляющих силы резания. Решение их затруднено, т.к. нет способов получения данных о кривых τ=f(x) и σ=f(x) в процессе резания. Но, они представляют физическую сущность явлений, происходящих в зоне стружкообразования (сила N) и в зоне контактных пластических деформаций (сила F).
Таким образом, реальная схема процесса резания на токарном станке объясняет однозначную связь величины составляющих силы резания с теплофизическими свойствами контактируемых пар через интенсивность тепловыделения и интенсивность стока тепла в процессе высокоскоростного пластического деформирования срезаемых объемов стали.
В технической литературе часто встречаются публикации, в которых указывается на неоднозначное влияние прочности обрабатываемых сталей на количественное значение составляющих силы резания. В одних случаях они растут, в других случаях снижаются.
Неоднозначное влияние прочностных и теплофизических характеристик стали на нормальную силу N (Pz при =0) также связано с закономерностями пластического деформирования в зоне стружкообразования. Н. В. Талантовым доказано, что размер участка упрочнения C2 зоны контактных пластических деформаций определяет размер (толщину) зоны стружкообразования Cc (см. “Обработка металлов резанием на токарном станке, схема резания“, рис. 3). Казалось бы, что с увеличением участка C2 интегральная сумма нормальных сил должна увеличиваться, а с уменьшением его размеров – уменьшаться. Но такое может быть только в том случае, если обрабатываемая сталь одновременно обладает пониженной теплопроводностью и пониженной механической прочностью, или, наоборот, сталь имеет высокую теплопроводность и высокое значение прочностных свойств. Как правило, углеродистые, конструкционные и низколегированные стали имеют повышенную теплопроводность при невысоких прочностных свойствах.
Стали коррозионностойкие, жаропрочные, износостойкие обладают высокой механической прочностью и низкой теплопроводностью. Начальная низкая теплопроводность этих сталей приводит к тому, что при обработке на токарном станке размер участка упрочнения C2 у них мал, длина пластического контакта C1 мала, что уменьшает горизонтальные составляющие силы резания. При этом малая длина C2 обусловливает малую толщину зоны стружкообразования Cc, но интегральная величина нормальных сил N у них высока. Это связано с тем, что уровень нормальных напряжений для сталей с повышенной прочностью находится под воздействием нескольких факторов: высокого начального уровня сопротивления пластическому деформированию в зоне стружкообразования и степени деформационного упрочнения.
Интегральная сумма нормальных сил N неоднозначно связана как с прочностными свойствами сталей, так и их теплопроводностью. В зависимости от того, какой фактор преобладает: толщина зоны стружкообразования (площадь условных плоскостей сдвига) или уровень нормальных напряжений в этой зоне, сила Pz может в одном случае увеличиваться с уменьшением прочностных свойств, в другом случае с увеличением прочностных свойств возрастать. Поскольку величины теплопроводностей и прочностных свойств большинства марок сталей изменяются в противоположном друг от друга направлении это и предопределяет неоднозначное влияние прочностных свойств стали на силу Pz.
Источник
Под температурой резания понимают среднюю температуру на контактных площадках режущего инструмента. Она характеризует уровень нагрева режущего инструмента и в значительной степени влияет на износ инструмента по передней и задней поверхностям. Наиболее просто температуру резания можно определить экспериментально – путем измерения.
Способы измерения температуры резания условно деляг на прямые и косвенные. К прямым способам относят измерения с помощью различного типа термопар, а к косвенным способам – оценку температуры: по цветам побежалости стружки; с помощью термокрасок, меняющих цвет в зависимости от температуры; путем измерения инфракрасного излучения наружной поверхности стружки фотоэлектрическими датчиками и радиационными пирометрами; путем измерения микрогвердосги зоны термических превращений в режущем инструменте, происходящих под воздействием высоких температур.
Косвенные способы измерения температуры имеют низкую точность, поэтому на практике чаще всего применяют прямые способы измерения и, в частности, искусственные, полуискусст- венные и естественные термопары.
Принцип действия термопары (рис. 4.5) заключается в следующем: если в месте плотного стыка 2 двух разнородных электропроводящих материалов (термоэлектродов) 1 поместить источник теплоты, концы этих электродов 3 присоединить к регистрирующему прибору 4, а затем охладить или держать при комнатной температуре, то в замкнутой цепи возникнет гермо-ЭДС. При этом величина термо-ЭДС, регистрируемая прибором 4, будет тем большей, чем больше разница температур горячего и холодного спаев. Если в этой цепи имеются дополнительные спаи, то во избежание их влияния на термо-ЭДС, они также должны находиться при одинаковой температуре.
Рис. 4.5. Принципиальная схема термопары:
/ — термоэлектроды; 2 – «горячий» спай; 3 — холодные спаи; 4 – регистрирующий прибор
Величина термо-ЭДС мала и ее обычно регистрируют милливольтметром или записывают на осциллографе. В качестве электродов термопары можно использовать практически любые материалы, отличающиеся химическим составом или физическими свойствами. Так, например, стандартные термопары изготавливают из специальных высокочувствительных сплавов на основе меди: «хромель-алюмель», «хромель-конель» и др. Хорошей чувствительностью к температуре обладает также термопара «железо- константан».
Для измерения температуры в различных точках инструмента используют искусственные термопары в виде тонких проводов, которые устанавливают в отверстие диаметром 0,5…0,7 мм с максимально возможным (0,2…0,5 мм) приближением «горячего» спая к точке измерения (рис. 4.6, а). При этом спай прижимают с усилием не менее 50 Н, а провода пары надежно изолируют друг от друга и от корпуса инструмента.
Обеспечить надежное прижатие термопары удается не всегда, и поэтому часто применяют полуискусственную термопару (рис. 4.6, 6). В последней один электрод пары приваривают к поверхности инструмента в точке, где требуется измерить температуру, а вторым электродом является сам инструмент. Перед использованием искусственной термопары ее тарируют (градуируют) с помощью стандартной контрольной термопары (рис. 4.7).
Рнс. 4.6. Термопары для измерения температуры резания:
а – искусственная; 6 – полуискусственная; в – естественная
Искусственные и иолуискуссгвенные термопары не позволяют измерять температуру непосредственно на контактных поверхностях инструмента, где она значительно выше из-за концентрации теплоты в тончайших поверхностных слоях и высокого градиента температуры. Попытки вывести рабочий спай термопары на переднюю поверхность инструмента оказались неудачными из-за затекания металла стружки в просверленные для этого отверстия. Поэтому температура, регистрируемая с помощью таких термопар, оказывается значительно меньше фактической и ее необходимо уточнять методом экстраполяции.
В экспериментах по измерению температуры резания и изучению влияния на нее режимов резания широко применяют естественную термопару, в которой в качестве электродов выступает пара «инструмент-заготовка» (см. рис. 4.6, в). При этом по сравнению с термопарой «быстрорежущая сталь-обрабатываемая сталь» более чувствительной из-за своего химического состава и других свойств является термопара «твердый сплав-обрабагываемая сталь».
Естественную термопару получают следующим образом (см. рис.4.6, в). Резец и заготовку изолируют от станка, один провод регистрирующего прибора присоединяют к инструменту, а второй – к заготовке. В случаях, когда заготовка вращается, используют токосъемник специальной конструкции (на рисунке не показан), не вносящий искажения в показания термопары. Рабочим спаем естественной термопары являются площадки контакта инструмента с заготовкой по передней и задней поверхностям.
Следует отметить, что способом естественной термопары измеряют не максимальную, а некоторую усредненную температуру на контактных площадках инструмента, которая, однако, по данным [8, 26] достаточно близка к максимальной температуре.
Перед использованием естественной термопары ее также тарируют с помощью контрольной термопары 2 (рис.4.7). Для этого электроды 1 рабочей термопары, изготовленные в виде стержней из материалов инструмента и заготовки, помещают в расплавленный легкоплавкий металл (например, свинец) или в расплав солей 3. При этом если в качестве легкоплавкого металла используют
Рис. 4.7. Тарировка рабочей термопары с помощью контрольной термопары:
I – рабочая термопара;
- 2 – контрольная термопара;
- 3 – раеиравленная соль или
легкоплавкий металл
свинец, го из-за хорошей проводимости такого расплава концы электродов тарируемой термопары не сваривают.
Способ естественной термопары позволяет оценить влияние на температуру режимов резания и геометрических параметров инструмента. Пользуясь методом однофакторного эксперимента, с обработкой полученных данных в логарифмических координатах, для расчета температуры резания были получены эмпирические зависимости типа
где Со – температурный коэффициент, характеризующий влияние механических и теплофизических свойств обрабатываемого и инструментального материалов; v, s, t – соответственно скорость, подача и глубина резания; т, п, q – показатели степени, характеризующие влияние на температуру режимов резания; Кан, Ксотс – коэффициенты, характеризующие влияние на температуру резания соответственно геометрии инструмента и применяемых СОТС.
Для примера приведем два уравнения такого типа, полученные для случая точения конструкционной стали [9]:
• резцом из быстрорежущей стали Р18
• резцом, оснащенным твердым сплавом Т15К6,
Из этих уравнений следует, что показатели степеней при v, .v и t меньше 1 и но степени влияния на температуру располагаются в следующей последовательности: т > п> q. Разные значения показателей степеней для быстрорежущего и твердосплавного инструментов объясняются тем, что последние работают в области высоких скоростей, когда температура резания 9 > 600°. В этом случае с дальнейшим ростом скорости резания в значительной мере снижаются деформации металла, сила резания, коэффициент трения и поэтому показатели степени становятся меньше.
Наибольшее влияние на температуру резания оказывают скорость и свойства обрабатываемого и инструментального материалов, в частности их теплопроводность, прочность и пластичность.
Теплопроводность материалов характеризуется коэффициентом теплопроводности X, под которым понимают величину, численно равную количеству теплоты, переданной в единицу времени через слой единичной толщины при разности температур поверхностного слоя в 1 °С, если площадь поверхности слоя равна 1. Коэффициент X характеризует способность материалов проводить теплоту и играет большую роль в теплообмене тел. Этот коэффициент у разных материалов различен. Так, например, у конструкционных сталей X = 62,8 Вт/(м • °С), а у меди -Х = 389,6 Вт/(м • °С).
На рис. 4.8 приведены типовые кривые влияния скорости на температуры резания 0 некоторых обрабатываемых материалов. Указанные кривые располагаются в соответствии с коэффициентом теплопроводности X этих материалов: чем коэффициент теплопроводности меньше, гем круче кривая. При этом каждая из кривых имеет очень крутой начальный участок, который соответствует такому изменению скорости резания, когда она меньше скорости распространения теплоты (v
Рис. 4.8. Влияние скорости v на температуру резания 0 при чистовом точении некоторых металлов:
1 – алюминий; 2 – латунь; 3 – малолегированная сталь; 4 — высоколегированная сталь; 5 – титановый сплав ВТЗ-1
На расположение и уровень кривых (см. рис.4.8) кроме теплопроводности влияют также (через изменение тепловой мощности источников теплообразования) и такие механические свойства материалов, как прочность и пластичность.
Влияние подачи s и глубины резания t на температуру резания 9 менее заметно, что видно из рис. 4.9, а также из уравнений (4.5) и (4.6) [9]. Различие во влиянии подачи s и глубины резания t объясняется тем, что с ростом глубины резания t пропорционально
Рис. 4.9. Влияние подачи л и глубины t на температуру резания 0:
а – сталь 40, / = 4 мм; б – сталь 45, Т15К6, v = 100 м/мин увеличивается площадь контакта стружки с инструментом и, следовательно, улучшается теплоотвод из зоны контакта, при этом температура резания изменяется весьма незначительно. С ростом же подачи s возрастает объем деформируемого материала, давление на передней поверхности резца, а также тепловая мощность источников теплоты в первичной и вторичной зонах деформаций. Размеры контактной площадки хотя и несколько увеличиваются, но не пропорционально величине подачи 5, и поэтому теплоотвод изменяется слабо. Таким образом, с увеличением подачи s температура резания 0 расчет более заметно, чем при увеличении глубины резания /, но в значительно меньшей степени, чем с увеличением скорости резания v.
На изменение отношения sit оказывает влияние главный угол в плане ф, с уменьшением которого толщина стружки а уменьшается, а ширина b увеличивается. При этом условия теплоотвода улучшаются, а температура резания 0 снижается (рис. 4.10, а). Аналогичное влияние на температуру резания оказывает и увеличение радиуса закругления при вершине резца г в плане (рис. 4.10, б) [8].
Выявленные закономерности влияния v, 5 и / на температуру резания 0 позволили установить следующий порядок назначения режимов резания:
Рис. 4.10. Влияние главного угла в плане ф и радиуса при вершине резца г на температуру резания 0:
а – сталь 45, Т15К6; б – сталь 45, Р6М5
- 1) устанавливают максимальную толщину срезаемого слоя t, исходя из припуска на обработку и условия прочности режущего инструмента;
- 2) выбирают наибольшую подачу s, допускаемую прочностью инструмента и режущей пластины;
- 3) рассчитывают скорость резания v, допускаемую заданной стойкостью инструмента.
Передний угол у влияет на температуру резания 9 следующим образом. С его увеличением снижается мощность источника теплообразования в зоне первичной деформации и несколько ухудшаются условия отвода теплоты в инструмент в районе главной режущей кромки. Поэтому на температуру резания передний угол у не оказывает большого влияния.
Еще меньшее влияние на температуру резания оказывает угол наклона главной режущей кромки X. При геометрическом косоугольном резании увеличение этого угла до А. = 60° практически не влияет ни на степень деформации металла е, ни на главную составляющую силы резания Р-. Поэтому при неизменной мощности источника теплообразования температура резания практически не зависит от угла ). [3], хотя на практике эго не всегда находит подтверждение.
В случае косоугольного кинематического резания, осуществляемого в результате перемещения режущей кромки, например, при ротационном точении круглыми вращающимися резцами, с ростом угла Хк температура резания заметно снижается за счет уменьшения сил трения на передней поверхности резца, снижения степени деформации металла и охлаждения режущего лезвия в момент его выхода из-под стружки.
Следует отметить, что измерение температуры резания с помощью термопар не позволяет точно замерять температуры на площадках контакта и получать точные картины распределения температуры в режущем клине, заготовке и стружке. Эго очень важно знать при оценке интенсивности износа отдельных участков инструментов с целью выбора их оптимальных геометрических параметров и назначения оптимальных режимов резания. Часгичное решение этой задачи дает применение метода термочувствительных покрытий (термоиндикаторов) и радиационного метода.
Метод термочувствительных покрытий основан на способности ряда веществ изменять свой цвет под воздействием температуры. Если нанести тонкий слой термокраски на боковую поверхность резца, то, используя тарировочные таблицы и оценивая изменение цвета под действием температуры на разных участках с помощью инструментального микроскопа, можно построить изотермы – кривые постоянных температур в режущем клине. Однако при этом следует помнить, что этот метод определения температуры резания недостаточно точен при определении температуры вблизи контактных поверхностей режущего клина.
Радиационный метод основан на измерении температуры с помощью оптических фотоэлектрических датчиков и специальных приборов, позволяющих измерять температуру в инфракрасной части спектра в отдельных точках боковой поверхности резца и зоны резания. Результаты таких измерений, выполненных Г. Буг- ройдом (Великобритания), показаны на рис.4.11.
Рис. 4.11. Температурное ноле в зоне резании, полученное с помощью радиационного метода (сталь, v = 23 м/мнн, s = 0,6 мм/об, у = 30°)
Теплофизические расчеты показали, что абсолютные значения температур, измеренные радиационным методом, и особенно на условной плоскости сдвига сильно завышены. Кроме того, с помощью этого метода нельзя замерить температуру резания непосредственно на площадках контакта [26].
Измерения температуры резания, выполненные с помощью радиационных пирометров, показали, что эти приборы из-за низкой разрешающей способности при сравнительно малых площадях измерения дают еще меньшую точность.
Источник