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; Ф- угол сдвига.

      Температура в режущем лезвии инструмента формируется под воздействием источников q₁ и q₂, плотность которых для практических расчетов принимается равномерно распределенной по площадкам bxl и bxh (b – ширина среза). Плотности тепловых потоков на передней q₁ и задней q₂ поверхностях лезвия инструмента, определяются из системы уравнений [3, 4]:

где _д, _и, _д, _и – коэффициенты теплопроводности и температуропроводности материалов детали и инструмента соответственно; M₁, M₂, N₁, N₂ - безразмерные функции, определяющие нагрев площадок на передней и задней поверхностях лезвия инструмента; 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.

      В результате решения системы уравнений (1) установлены аналитические выражения плотностей тепловых потоков на передней q₁ и задней q₂ поверхностях лезвия инструмента в зависимости от основных параметров процесса резания:

      На основании установленных плотностей тепловых потоков с учетом взаимосвязи всех параметров, входящих в формулу (2), с условиями обработки выполнен анализ влияния режимов резания – глубины t , подачи s и скорости V на закономерности формирования тепловых потоков на передней q₁ и задней q₂ поверхностях лезвия.

      Расчеты выполнялись для следующих условий: обрабатываемый материал - сталь 45; = 750МПа; коэффициент усадки k = 2,0; инструментальный материал Т15К6; параметры резцов: углы в плане = ₁ = 45°; передний угол = -7°; задний угол = 7°; угол заострения = 90°; износ по задней поверхности h = 0,5 мм.

      Представленные на рис. 2 двумерные зависимости плотностей тепловых потоков на передней q₁ и задней q₂ поверхностях лезвия инструмента свидетельствуют о достаточно сложном характере их взаимосвязи с режимами резания.

      С увеличением глубины резания тепловой поток на передней поверхности убывает, а на задней поверхности – возрастает, находясь в области отрицательных значений. С увеличением подачи тепловой поток на задней поверхности убывает, а на передней – в области малых подач, характерных для чистовой обработки, взрастает, а затем убывает. С увеличением скорости резания тепловой поток на задней поверхности в области малых подач возрастает, в области больших – убывает; тепловой поток на передней поверхности убывает при малых подачах и возрастает при больших. Такой сложный характер изменения тепловых потоков обусловлен неоднозначным влиянием режимов резания на все параметры, входящие в формулу (2) и определяющие значения тепловых потоков.

      С изменением условий обработки, использованных для расчетов, как значения тепловых потоков, так и характер их взаимосвязи с режимами резания также существенно меняется. Наибольшее влияние на значения и характер изменения тепловых потоков имеет износ по задней поверхности лезвия инструмента (рис. 3).

      Расчеты выполнены для черновой обработки при режимах резания: V = 100м/мин, S = 0,8мм/об, t = 5мм; инструментальный материал - Т5К10; для чистовой обработки: V = 250м/мин, S = 0,3мм/об, t = 3мм; инструментальный материал - Т15К6.

      Отрицательное значение плотности теплового потока на задней поверхности лезвия (q₂ < 0) свидетельствует о направлении потока в сторону детали, что способствует охлаждению лезвия. При некотором значении износа он становится равным нулю, а затем меняет знак (q₂ > 0). Теплота поступает в инструмент со стороны обеих контактных площадок, что приводит к существенному повышению температуры резания и катастрофическому изнашиванию лезвия инструмента.

      При чистовой обработке тепловые потоки в области малых износов имеют большее значение, быстрее убывают и имеют значительно меньший критический износ, чем при черновой.

      При анализе взаимосвязей тепловых потоков с режимами резания весьма важно знать влияние на них свойств обрабатываемого и инструментального материалов.

      Для анализа степени влияния параметров обрабатываемого и инструментального материалов на значения тепловых потоков предлагается безразмерный коэффициент их относительного изменения, представляющий собой отношение значений тепловых потоков q_i к некоторому значению, принятому за базу q_б: К_i = q_i/q_б.

      Закономерности изменения плотности тепловых потоков на передней q₁ и задней q₂ поверхностях лезвия в зависимости от прочности обрабатываемого материала представлены на рис. 4 а).

Рисунок 4 - Графики зависимости плотности тепловых потоков на передней q1 и задней q2 поверхностях лезвия и коэффициентов их относительного изменения К от прочности обрабатываемого материала .

      В качестве базового значения q_б для расчета коэффициентов относительного изменения тепловых потоков от прочности обрабатываемого материала К принимается значение тепловых потоков при = 750 МПа. Коэффициенты относительного изменения тепловых потоков на передней и задней поверхностях лезвия, представленные на рис. 4 б), равны: К ₁ = q₁ ()/q₁ (750), К ₂ = q₂ ()/ q₂ (750).

      С использованием регрессионного анализа установлена линейная зависимость коэффициентов относительного изменения тепловых потоков от прочности, которая практически совпадает для потоков на передней и задней поверхностях лезвия:

      Закономерности изменения плотности тепловых потоков на передней q₁ и задней q₂ поверхностях лезвия в зависимости от коэффициента усадки стружки k обрабатываемого материала представлены на рис. 5 а).

      В качестве базового значения q_бk для расчета коэффициентов относительного изменения тепловых потоков от коэффициента усадки стружки К_k принимается значение тепловых потоков при k = 2. Коэффициенты относительного изменения тепловых потоков на передней и задней поверхностях лезвия, представленные на рис. 5 б), равны: К_k1 = q₁ (k)/q₁ (2), К_k2 = q₂ (k)/q₂ (2).

      Регрессионная линейная зависимость коэффициентов относительного изменения тепловых потоков от коэффициента усадки стружки, совпадающая для потоков на передней и задней поверхностях лезвия:

      Закономерности изменения плотности тепловых потоков на передней q₁ и задней q₂ поверхностях лезвия в зависимости от коэффициента теплопроводности инструментального материала представлены на рис. 6 а).

Рисунок 6 - Графики зависимости плотности тепловых потоков на передней q1 и задней q2 поверхностях лезвия и коэффициентов их относительного изменения Ки от коэффициента теплопроводности инструмента и.

      В качестве базового значения q_б для расчета коэффициентов относительного изменения тепловых потоков от коэффициента теплопроводности инструментального материала К_и принимается значение тепловых потоков при = 27.2 Вт/мС для твердого сплава Т15К6. Коэффициенты относительного изменения тепловых потоков на передней и задней поверхностях лезвия, представленные на рис. 6 б), равны: К_и1 = q₁ (_и)/q₁ (27.2), К_и2 = q₂ (_и)/q₂ (27.2).

      Регрессионная линейная зависимость коэффициентов относительного изменения тепловых потоков от коэффициента теплопроводности инструментального материала, совпадающая для потоков на передней и задней поверхностях лезвия:

      Установленные (погрешность не превышает 10%) значения коэффициентов относительного изменения тепловых потоков (3), (4), (5) существенно упрощают расчеты тепловых потоков на передней и задней поверхностях лезвия режущего инструмента с учетом параметров обрабатываемого и инструментального материалов.

Выводы

      На основании разработанной методики расчета тепловых потоков в зоне резания с использованием созданного программного обеспечения установлены закономерности изменения плотности тепловых потоков на передней и задней поверхностях лезвия режущего инструмента от режимов резания с учетом износа по задней поверхности лезвия в условиях черновой и чистовой токарной обработки конструкционных сталей твердосплавными резцами.

      Обоснованы и предложены для практического применения коэффициенты относительного изменения тепловых потоков на передней и задней поверхностях лезвия режущего инструмента в зависимости от параметров обрабатываемого и инструментального материалов: прочности и коэффициента усадки стружки обрабатываемого материала; теплопроводности инструментального материала.

      Разработанная методика может быть широко использована для прогнозирования закономерностей формирования тепловых потоков в зоне резания в зависимости от свойств обрабатываемого и инструментальных материалов, режимов резания, износа по задней поверхности лезвия для любых видов режущих инструментов.

Литература

1. Резников А.Н., Резников Л.А. Тепловые процессы в технологических системах. - М.: Машиностроение, 1990. –288с.

2. Резников А.Н. Теплофизика резания. - М.: Машиностроение, 1969. –288с.

3. Ивченко Т.Г. Исследование закономерностей формирования тепловых потоков зоне резания при точении // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем. Збірник наукових праць. Вип.20. – Краматорськ: ДДМА, 2006. - С.88 - 94.

4. Ивченко Т.Г. Закономерности изменения тепловых потоков в зоне резания в зависимости от износа режущего инструмента // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. - Донецк: ДонНТУ, 2008. Вып. 34.

5. Ивченко Т.Г. Совершенствование методики аналитического определения температуры резания // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. – Донецк: ДонНТУ, 2007. Вып. 33. – с.103 - 110.