Автор: Т.Г. Ивченко
Источник: Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем. Збірник наукових праць. – Краматорськ, ДДМА. вип.26, 2010. – с.90-96.
The calculation method of the hermal streams and the cutting temperature at sharpening with the use of lubricating-coolings liquids is presented. Influence of heat emission coefficient on the the cutting temperature is set. The estimation of the appli-cation efficiency of lubricating-coolings liquids on the basis of coefficient of tempera-ture decline is executed.
В повышении эффективности функционирования системы резания весьма важную роль играют тепловые явления, оказывающие влияние на работоспособность режущего инструмента, качество поверхностного слоя деталей и производительность обработки.
Применение смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) – наиболее эффективный путь снижения температуры в зоне резания. Для охлаждения преимущественно используются СОЖ на основе водных растворов, имеющих тепло-физические свойства, близкие к свойствам воды. В настоящее время при обработке лезвийным инструментом наиболее распространены подача СОЖ в зону резания свободным поливом и напорной струей [1].
Несмотря на то, что современные методы исследования теплового состояния режущего инструмента достаточно хорошо разработаны, аналитические расчеты, учитывающие действие СОЖ в зоне резания, практически отсутствуют. Существующая методика анализа тепловых потоков [1, 2] обосновывает общий подход к их определению и не содержит информации об особенностях определения тепловых потоков с учетом СОЖ.
Имеющиеся сведения о закономерностях изменения тепловых потоков на передней и задней поверхностях лезвия режущего инструмента [3, 4], а также температур резания [5] в различных условиях обработки, в том числе в связи с изнашиванием инструмента в процессе эксплуатации, не представляют возможности учитывать действие СОЖ.
Необходимо дальнейшее развитие методики определения тепловых потоков и температур в зоне резания с учетом СОЖ.
Целью представленной работы является установление закономерностей формирования тепловых потоков на передней и задней поверхностях лезвия режущего инструмента, а также определение температур резания при точении с учетом действия СОЖ при различных способах ее подачи в зону резания.
Основное содержание работы. Источниками теплоты в зоне резания, представленными на рис.1, являются:
Рис. 1. Схема расположения источников теплоты и распределения тепловых потоков
в зоне резания с использованием СОЖ
Ось X в рассматриваемой системе координат ориентируется в направлении передней поверхности перпендикулярно главной режущей кромке; l – длина контактной площадки в направления схода стружки; h – износ по задней поверхности; а – толщина среза; а1 – толщина стружки; Φ – угол сдвига. Температура в режущем лезвии инструмента формируется под воздействием потоков q1 и q2, плотности которых принимаются равномерно распределенными по площадкам bxl и bxh (b – ширина среза)
При подаче СОЖ свободным поливом со стороны передней поверхности образуется сток теплоты с равномерным по площадке lо1xlо1 распределением плотностей тепловыделения qо1. В соответствии с законом Ньютона-Рихмана, описывающим процесс конвективного теплообмена:
где Θср1 – средняя температура на передней поверхности контакта инструмента с СОЖ; 
- коэффициент теплоотдачи на этой поверхности:
w – скорость потока СОЖ; l = BH/2(B+H) – характерный размер при условии поперечного обтекания тела, определяемый с учетом ширины В и высоты Н державки резца.
При струйно-напорной подаче СОЖ со стороны задней поверхности образуется сток теплоты с равномерным по площадке lо2xlо2 распределением плотностей тепловыделения qо2:
где Θср2 – средняя температура на задней поверхности контакта инструмента с СОЖ; 
- коэффициент теплоотдачи на этой поверхности: l = Н – характерный размер при условии продольного обтекания тела жидкостью.
Для определения плотностей тепловыделения qо1 и qо2 необходимо использовать заранее неизвестные значения средних температур Θср1 и Θср2 передней и задней поверхностей контакта инструмента с СОЖ. Для их определения принимаем:
Θср1 = mo1Θ1; Θср2 = mo2Θ2
где mo1 = ρ1-0,86, ρ1 = 2lo1/(b+l,) mo2 = ρ2-0,86, ρ2 = 2lo2/(b+l) – безразмерные параметры, сопоставляющие размеры зон охлаждения с размерами контактных площадок на передней изадней поверхностях лезвия инструмета: Θ1 и Θ2 – средние температуры на передней и задней поверхностях лезвия.
Тогда плотности тепловыделения: 
С учетом действия стока теплоты при свободном поливе СОЖ средние температуры на передней Θ11 и задней Θ12 поверхностях лезвия могут быть определены следующим образом:
где λи – коэффициент теплопроводности инструмента; M1, M2, N1, N2 – безразмерные функции, определяющие нагрев площадок на передней и задней поверхностях лезвия инструмента; Mо, Nо – безразмерные функции, определяющие охлаждение площадки на передней поверхности под действием СОЖ [1].
С учетом (3) выражение (4) может быть представлено следующим образом:
где
Плотности тепловых потоков на передней q1 и задней q2 поверхностях лезвия инструмента, определяются из системы уравнений:
где 
,
,λд, λи, ωд, ωи – коэффициенты теплопроводности и температуропроводности материалов детали и инструмента соответственно; k – коэффициент усадки стружки; V – скорость резания; с – коэффициент, учитывающий подогрев слоев металла стружки за один оборот детали; Тд – безразмерная функция распределения температур в детали, вызванных теплотой деформации; b' – коэффициент относительного количества теплоты, уходящего в стружку. Кс1 – коэффициент, учитывающий закон распределения плотности теплового потока на передней поверхности (для комбинированного закона Кс1 = 0,77); Кс2 – коэффициент, учитывающий закон распределения плотности теплового потока на задней поверхности (для несимметричного нормального закона Кс2 = 0,55).
Плотности равномерно распределенных по площадкам bxl и bxh тепловых потоков на передней q1 и задней q2 поверхностях лезвия инструмента в случае подачи СОЖ свободным поливом:
где
,
,
С учетом действия стока теплоты при подаче СОЖ напорной струей средние температуры на передней Θ12 и задней Θ22 поверхностях лезвия могут быть определены следующим образом:
С учетом (3) выражение (8) может быть представлено следующим образом:
где
,
Плотности тепловых потоков на передней q1 и задней q2 поверхностях лезвия инструмента, определяются из системы уравнений:
Плотности равномерно распределенных по площадкам bxl и bxh тепловых потоков на передней q1 и задней q2 поверхностях лезвия инструмента в случае подачи СОЖ напорной струей:
где
Полученные аналитические зависимости для расчета плотностей тепловых потоков на передней q1 и задней q2 поверхностях лезвия инструмента при различных способах подачи СОЖ позволяют устанавливать их взаимосвязи с различными параметрами обработки.
Рис. 2. Графики зависимости плотности тепловых потоков на передней q1 и задней q2 поверхностях лезвия
от износа по задней поверхности h при обработке без СОЖ и с применением СОЖ:
свободным поливом q1полив и q2полив; напорной струей q1напор и q2напор
Графики зависимости плотности тепловых потоков на передней q1 и задней q2 поверхностях лезвия от износа по задней поверхности h при обработке без СОЖ и с применением СОЖ: свободным поливом q1полив и q2полив; напорной струей q1напор и q2напор представлены на рис. 2. Расчеты выполнялись для следующих условий: обрабатываемый материал - сталь 45; σв = 750МПа; коэффициент усадки k = 2,0; инструментальный материал Т15К6; параметры резцов: углы в плане φ = φ1 = 45°; передний угол γ =-5°; задний угол α = 5°; угол заострения β = 90°; износ по задней поверхности h = 0,1 мм; глубина резания t = 3мм; подача S = 0,3мм/об.
Плотности равномерно распределенных по площадкам bxl и bxh тепловых потоков на передней q1 и задней q2 поверхностях лезвия инструмента без ис-пользования СОЖ могут быть рассчитаны по методике [3, 4] и являются частными случаями полученных решений (7) и (11) при αо1 = 0 и αо2 = 0:
где
Из графиков (рис. 2а) следует, что плотности тепловых потоков на передней и задней поверхностях лезвия при обработке с применением СОЖ как свободным поливом q1полив и q2полив, так и напорной струей q1напор и q2напор больше, чем при обработке без СОЖ в сравнении с q1 и q2. Причем, для плотностей q2полив и q2 это различие весьма незначительно и может быть проиллюстрировано только при увеличении масштаба (рис. 2б). Увеличение плотности тепловых потоков, направленных в инструмент, объясняется тем, что за счет охлаждения поверхностей лезвия СОЖ, их температура снижается, и тепловые потоки со стороны стружки на передней поверхности и детали на задней поверхности лезвия усиливаются.
По рассчитанным тепловым потокам (7), (11) могут быть определены средние температуры на передней и задней поверхностях лезвия при подаче СОЖ свободным поливом Θ11 и Θ12 (4) и напорной струей Θ12 и Θ22 (8). Температура резания Θпредставляет собой среднюю температуру на передней и задней поверхностях лезвия и для рассмотренных способов подачи СОЖ:
,
Графики зависимости температуры резания от коэффициента теплоотдачи αо при обработке с применением СОЖ свободным поливом и напорной струей представлены на рис. 3а. Для указанных условий при работе без СОЖ температура резания Θ = 820оС. Как следует из графиков, с увеличением коэффициента теплоотдачи температура резания снижается, причем для подачи СОЖ напор-ной струей может быть достигнуто болшее снижение температуры резания.
Для количественной оценки степени возможного уменьшения температуры предлагаются коэффициенты снижения температуры резания, представленные в зависимости от коэффициента теплоотдачи αо на рис. 3б:
,
Рис. 3. Графики зависимости температуры резания и коэффициенты снижения температуры резания от коэффициента теплоотдачи αо
при обработке с подачей СОЖ свободным поливом и напорной струей
На основании предложенных коэффициентов может оцениваться степень снижения температуры резания при известных значениях коэффициентов теплоотдачи. При заданном уровне снижения температуры резания может регламентироваться требуемый уровень коэффициентов теплоотдачи, регулируемый скоростью истечения жидкости за счет изменения параметров устройств подачи СОЖ.
Заключение. На основании разработанной методики установлены основные закономерностей формирования тепловых потоков на передней и задней по-верхностях лезвия режущего инструмента и температур резания при точении с учетом действия СОЖ при подаче ее в зону резания свободным поливом и напорной струей. Определено влияние коэффициента теплоотдачи при подаче СОЖ при различных способах ее подачи в зону обработки на температуру резания.
Разработнаная методика быть использована для расчета тепловых пото-ков и температуры резания при различных видах обработки с применением СОЖ.