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.
