Назад: 7.4. Электростатические технологические процессы

8. ТЕРМОРЕЗАНИЕ

Терморезание – процесс резания, осуществляемый с предварительным нагревом срезаемого слоя до определенной оптимальной температуры. При нагреве происходит разупрочнение обрабатываемого материала, а также, ввиду более высокой температуры резания – и инструментального материала, но разупрочнение обрабатываемого материала происходит интенсивнее, чем инструментального. Температура нагрева, при которой относительные прочностные характеристики инструментального материала достигают максимальных значений, принимается за оптимальную температуру. Эта температура не должна вызывать структурных изменений в материале, поэтому обычно обработку с предварительным нагревом стараются производить до термообработки.

Различают сплошной и локальный нагрев заготовок. Сплошной нагрев заготовок требует использования в механических цехах нагревательных печей. Чтобы избежать этого, используют теплоту предыдущей технологической операции (литье, ковка, штамповка, прессование, прокатка).

Для локального нагрева используют индуктивный, электродуговой, электроконтактный, плазменный, электролитный и инфракрасный способы нагрева

Наиболее широкое применение находит индукционный нагрев, при котором локальный нагрев заготовки осуществляется под тепловым воздействием вихревых токов, индуктируемых в заготовке токами промышленной частоты в 50 Гц, а также повышенной частоты – свыше 500 Гц и высокой – свыше 10 кГц.

Электродуговой локальный нагрев заготовки реализуется использованием электрической дуги между электродами и поверхностью заготовки. Способ обеспечивает высокую температуру и узкую зону нагрева.

При электроконтактном нагреве заготовка нагревается путем пропускания через неё электрического тока. Подвод тока осуществляется через режущий инструмент или путем использования специальных стержневых и вращающихся электродов.

При плазменном нагреве происходит снижение прочности металла, что обеспечивает уменьшение силы резания и снижение нагрузки на режущие кромки инструмента, в результате чего появляется возможность интенсифицировать процесс резания без снижения стойкости режущего инструмента. От источника питания 1 (рис.8.1) ток подводится к электроду (катоду), расположенному внутри плазмотрона 2, и к токосъемнику 3, расположенному на шпинделе токарного станка 4, заготовку 5 и струю плазмы 6. Плазма 6 возникает вследствие ионизации газа (воздух, аргон), подаваемого в плазмотрон и выходящего в виде плазмы через сопло. Плазма 6 отличается резким и локальным тепловым воздействием, обеспечивающим высокие скорости нагрева и создающим значительные температурные градиенты (в среднем до 3000 при нагреве и 1200 – при охлаждении).

Рис. 8.1. Схема плазменного нагрева на токарном станке

На рис. 8.2 представлены схемы взаимного расположения режущего инструмента и плазменной горелки. Температура локального нагрева удаляемого слоя металла зависит от эффективной мощности теплового источника, расположения его относительно заготовки и скорости ее перемещения.

Рис.8.2. Схема плазменной обработки на токарном (а), строгальном (б), фрезерном (в) станках: 1 – обрабатываемая деталь; 2 – режущий инструмент;

3 – плазменная горелка

Резание с использованием электрических и магнитных воздействий. Ввиду разнородности обрабатываемого и инструментального материалов в процессе обработки при некоторой температуре резания возникает термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС). В ряде случаев термо-ЭДС приводит к снижению стойкости режущего инструмента за счет электроэрозионного и электродиффузионного износа. Электроэрозионный износ обусловлен периодическим эрозионным разрушением микроконтактов под действием электрических разрядов. Электродиффузионный износ происходит в результате перераспределения компонентов инструментального и обрабатываемого материала на контактных поверхностях под действием электрической диффузии, например, в виде миграций атомов углерода, обладающих большой подвижностью. Миграция атомов углерода ослабляет структуру материала инструмента и облегчает его разрушение в процессе резания. Отрицательное влияние термо-ЭДС на процесс резания может быть снижено двумя путями:

- подавлением термо-ЭДС путем разрыва электрической цепи в системе СПИД (станок – приспособление – инструмент – деталь), что обычно достигается изоляцией режущего инструмента или заготовки или обоих одновременно;

- введение в зону резания дополнительного тока противоположной полярности, от внешнего источника ЭДС; этот ток в зависимости от величины компенсирует термо-ЭДС, делая суммарный ток равным нулю или меняя суммарный ток на другую полярность.

Разрыв электрической цепи в системе СПИД позволяет повысить в несколько раз стойкость режущего инструмента ввиду уменьшения интенсивности электроэрозионного износа, под действием тока термо-ЭДС.

Другое направление улучшения обрабатываемости материалов, в том числе высокопрочных и твердых сталей – введение электрического тока низкого напряжения в зону резания оптимального напряжения и величины. Благоприятное влияние электрического тока в зоне резания объясняется тем, что сухое трение химически чистых поверхностей контактной пары режущий инструмент – заготовка заменяется полусухим трением, обусловленным появлением тонкой пластичной пленкой под действием выделяемой электрическим током теплоты согласно закону Ома. Увеличение силы тока свыше оптимальной величины приводит к значительному повышению температуры в зоне контакта инструмента и заготовки и росту интенсивности износа режущего инструмента.

Схема точения резцом 1 заготовки 2 с вводом низковольтного переменного тока промышленной частоты от понижающего однофазного трансформатора Тр приведена на pиc.8.3. Однофазный вариатор предназначен для изменения напряжения в пределах 1-8 В.. Напряжение к заготовке 2 подводится с помощью двух водоохлаждаемых роликов 3.

Рис.8.3. Схема точения с вводом электрического тока

Намагничивание режущего инструмента приводит к изменению его стойкости. При торцевом точении стали быстрорежущими резцами установлено, что если рабочая часть намагниченного резца имеет южную полярность, то его стойкость значительно снижается, а при обратной полярности стойкость резца значительно повышается. Это является результатом влияния на процесс резания эффекта Риги-Людека, который заключается в появлении поперечной по отношению к магнитному полю разности температур:

где S₁ – коэффициент эффекта; Н_х – напряженность магнитного поля по оси X.

Поэтому при наличии градиента температуры в перпендикулярном к передней поверхности режущего инструмента направление (ось Z) при у = 0 вследствие магнитного поля Н_х, направленного вдоль продольной оси резца, появляется градиент температуры (параллельно направлению подачи), вследствие чего поток теплоты отклоняется в сторону относительно начального градиента температуры. В зависимости от того, в какую сторону отклоняется тепловой поток (к вершине резца или от нее), температура на трущихся поверхностях либо повышается, либо понижается.

Так, при перемещении от задней бабки к передней симметрично заточенного относительно продольной оси резца (φ = φ₁, α = α₁, γ = λ ≈ 0) с северной полярности стойкость его повышается, так как тепловой поток отклоняется влево, т.е. от вершины резца. При направлении подачи резца от передней бабки к задней тепловой поток отклоняется также влево, но теперь к его вершине, и в этом случае стойкость резца повышается.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ (Глава 8)