Источником выделения теплоты при снятии стружки есть механическая работа, затраченная на ее срезание. Как установлено исследованиями, до 99,5% механической работы преобразуется в тепло и лишь 0,5% уходит на преобразование кристаллической структуры обрабатываемого материала. Механическая работа, а, значит, выделение тепла, происходит в зоне первичной пластической деформации, зонах трения по передней и задней поверхностям.

Тепло Q_д, Q_1т, Q_2т, выделяемое в указанных трех зонах, распространяется к менее нагретым участкам инструмента, заготовки и стружки, а также рассеивается в окружающей среде. Пути распространения тепловых потоков без учета искусственного охлаждения инструмента и детали приведены на рис. 5.1 а.

Как видно, при резании наблюдается сложное переплетение тепловых потоков, поскольку теплота от каждого из трех основных источников, действующих независимо один от другого, может распределяться между всеми телами, участвующими в резании. Схему эту можно значительно упростить (рис. 5.1 б), введя понятие итоговых тепловых потоков, проходящих через контактные поверхности инструмента.

Зная количество теплоты, выделяемой в процессе резания и распространяемой между стружкой, обрабатываемой заготовкой, инструментом и средой, можно записать уравнение баланса тепловой энергии при резании:

Q=Q_д+Q_1т+Q_2т=Q_c+Q_и+Q_з+Q_cр,

где Q_c, Q_и, Q_з, Q_cр – количество теплоты, переходящее соответственно в стружку, инструмент, заготовку и окружающую среду.

Эксперименты показывают, что при обработке обычных конструкционных сталей с небольшой скоростью резания (до 30...40 м/мин) относительное количество теплоты составляет: Q_c = 60...70%; Q_и = 3%, Q_з = 30...40%; Q_cр = 1...2%. Установлено, что чем ниже теплопроводность обрабатываемого материала, тем больше теплоты уходит в инструмент (рис. 5.2).

Использование технологических сред позволяет значительно повысить Q_cр в общем тепловом балансе. В зависимости от условий подвода среды соответственно уменьшаются Q_c, Q_и, Q_з. По мере увеличения скорости резания значительно растет относительное количество теплоты, уходящей в стружку (см. рис. 5.2).

Уменьшение доли тепла, переходящего в заготовку при увеличении скорости резания, вызвано изменением соотношения между скоростью резания и скоростью распространения тепла из зоны деформации. Из очага теплообразования на условной плоскости сдвига (см. рис. 5.1) в заготовку течет тепловой поток Q_д.з. Скорость распространения тепла зависит от градиента температур на условной плоскости сдвига и в заготовке и теплопроводности обрабатываемого материала. Если скорость резания, т.е. скорость, с которой режущее лезвие инструмента пересекает тепловой поток, мала, тепло от условной плоскости сдвига беспрепятственно перейдет в заготовку. По мере увеличения скорости резания лезвие инструмента все быстрее пересекает тепловой поток, и поэтому в заготовку успевает перейти меньшее количество тепла и все большее количество тепла остается в стружке. Уменьшение доли тепла, уходящего в инструмент при увеличении скорости резания связано с уменьшением ширины площадки контакта на передней поверхности, через которую тепло из стружки переходит в инструмент.

Несмотря на то, что доля тепла, уходящего в инструмент, очень мала, инструмент является неподвижным телом и даже небольшая относительная часть тепла, действуя длительное время, прогревает его до высокой температуры. Поэтому средняя температура на передней поверхности инструмента в несколько раз превосходит среднюю температуру стружки.