Тепловыделение при резании и износ резцов

доменный печь титан лакокрасочный

Работа при резании металлов в основном состоит из работы, затрачиваемой на пластическое деформирование срезаемого слоя и обработанной поверхности и работы трения на контактных поверхностях инструмента. Эти две составляющие работы резания и являются основными источниками возникновения тепла.

Соответственно источниками возникновения тепла являются зоны деформации: объемы деформируемых частей срезаемого слоя и поверхностного слоя детали, а также контактные площадки инструмента со стружкой и обработанной поверхностью. Возникающее тепло по законам теплопередачи переходит от более нагретых мест к менее нагретым, при этом происходит нагрев частей (слоев) стружки, режущего инструмента и детали, удаленных от очагов возникновения тепла. Незначительная часть тепла нагревает крепежные приспособления, станок и окружающую среду.

Количество тепла, выделяющееся при резании металлов, можно приблизительно определить по формуле:

= ккал/мин,

где Е - механический эквивалент тепла, равный 427 кГм/ккал.

Следовательно, чем больше сила резания и выше скорость резания, тем больше выделится в зоне резания тепла. Нагрев режущего инструмента приводит к снижению твердости (размягчению) его рабочих поверхностей, вследствие чего сопротивление изнашиванию (износостойкость) и стойкость его снижаются. При значительной температуре нагрева, приближающейся к красностойкости материала режущей части данного инструмента, нормальные условия работы нарушаются, так как инструмент весьма быстро выходит из строя.

Нагрев поверхности обрабатываемой детали обычно повышает ее пластичность, меняет условия трения, что приводит к ухудшению чистоты поверхности; при сильном нагреве возможны структурные изменения. При чистовых работах термическое расширение инструмента и детали может оказать влияние на точность обработки. В то же время условия производительной обработки требуют работы с возможно большими размерами среза (глубиной резания и подачей) и скоростями резания.

Износ режущего инструмента значительно отличается от износа деталей машин, поскольку зона резания, в которой работает инструмент, характеризуется высокой химической чистотой трущихся поверхностей, высокими температурой и давлением в зоне контакта. Механизм износа инструмента при резании металлов сложен и включает в себя абразивный, адгезионный и диффузионный износ. Удельное влияние каждого из них зависит от свойств материала, инструмента и детали и условий обработки (прежде всего скорости резания).

Абразивный износ инструмента заключается в следующем: стружка внедряется в рабочую поверхность инструмента и путем микроцарапаний удаляет металл с этой поверхности. Интенсивность абразивного износа повышается при снижении скорости резания.

Адгезионный износ инструмента происходит в результате схватывания или прилипания трущихся поверхностей и последующего отрыва мельчайших частиц материала инструмента. Результатом этого износа, происходящего при температуре ниже 900 градусов С, являются кратеры на рабочих поверхностях инструмента, образующие при слиянии лунки. Адгезионный износ уменьшается при повышении твердости инструмента.

Диффузионный износ инструмента, происходящий при температуре 900-1200 градусов С, является результатом взаимного растворения металла детали и материала инструмента. Активность процесса растворения повышается при повышении температуры контактного слоя, т.е. при возрастании скорости резания. Поэтому диффузионный износ можно рассматривать как один из видов химического износа, приводящего к изменению химического состава и физико-химических свойств поверхностных слоев инструмента и снижающего его износостойкость.

Чем выше механические свойства обрабатываемого материала и содержание в нем углерода, хрома, вольфрама, титана, молибдена, тем интенсивней износ инструмента. Наибольшее влияние на интенсивность износа оказывает скорость резания, меньшее - подача и глубина резания. Как правило, инструмент изнашивается по задней и передней поверхностям. Преобладающий износ по задней поверхности обычно наблюдается при обработке с низкими скоростями резания сталей с малой (не более 0,15. мм) толщиной среза, а также при обработке чугуна. Преобладающий износ по передней поверхности резца наблюдается при большом давлении и при высокой температуре в зоне резания. Такие условия возникают при обработке с высокими скоростями резания и без охлаждения стали с большой (более 0,5 мм) толщиной среза.

Стойкость инструмента характеризуется его способностью без переточки длительное время обрабатывать заготовки в соответствии с техническими требованиями. Величина стойкости определяется временем непосредственной работы инструмента (исключая время перерывов) от переточки до переточки; это время называется периодом стойкости инструмента или стойкостью инструмента. Наибольшее влияние на стойкость инструмента оказывает скорость резания. Так, повышение скорости резания на 50% снижает стойкость инструмента примерно на 75%, в то время как аналогичное увеличение подачи снижает стойкость на 60%.