Парфеньева И.Е. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ. М.: Учебное пособие, 2009
1. Общая характеристика обработки резанием
Общая характеристика обработки резанием. Сущность процесса резания. Виды стружек. Силы резания. Тепловые явления процесса резания. Наростообразование при резании. Вибрации при резании.
1.1. Общие сведения
Обработка металлов резанием – это процесс срезания режущим инструментом с поверхности заготовки слоя металла в виде стружки для получения необходимой геометрической формы, точности размеров, взаиморасположения и шероховатости поверхностей детали.
Заготовками для деталей служат отливки, поковки и штамповки, сортовой прокат. Используются как черные так и цветные металлы.
Слой металла, удаляемый с заготовки при резании, называется припуском .
В зависимости от применяемого инструмента различают следующие виды обработки материалов резанием:
1. Лезвийная обработка (резцы, фрезы, сверла и др.)
2. Абразивная обработка (круги, бруски, пасты и др.)
3. В физико-химических средах (электролиты, плазма, луч лазера и др.).
1.2.Сущность процесса резания
Резание металлов – сложный процесс взаимодействия режущего инструмента и заготовки, сопровождающийся определенными физическими явлениями. Упрощенно процесс резания можно представить в виде следующей схемы (рис.1.). В начальный момент процесса резания движущийся резец под действием силы Р вдавливается в металл, в срезаемом слое возникают упругие деформации. При дальнейшем движении резца упругие деформации, накапливаясь по абсолютной величине, переходят в пластические. В прирезцовом срезаемом слое материала заготовки возникает сложное упругонапряженное состояние. В плоскости, перпендикулярной траектории движения резца, возникают нормальные напряжения , а в плоскости, совпадающей с траекторией движения резца, - касательные напряжения . Наибольшие касательные напряжения действуют у вершины резца А , уменьшаясь до нуля по мере удаления от нее. Нормальные напряжения вначале действуют как растягивающие, а затем быстро уменьшаются и, переходя через нулевое значение, превращаются в напряжения сжатия.
Под действием нормальных и касательных напряжений срезаемый слой пластически деформируется. Рост пластической деформации приводит к сдвиговым деформациям, т.е. к смещению частей кристаллов относительно друг друга. Это происходит, когда возникающие напряжения превосходят предел прочности обрабатываемого материала. Сдвиговые деформации происходят в зоне стружкообразования АВС , причем они начинаются в плоскости АВ и заканчиваются в плоскости АС – скалыванием элементарного объема металла и образованием стружки. Далее процесс повторяется и образуется следующий элемент стружки и т.д.
Условно принято считать, что сдвиговые деформации происходят по плоскости ОО , которую называют плоскостью сдвига. Плоскость сдвига ОО располагается примерно под углом = 30? к направлению движения резца. Угол называют углом сдвига. Он не зависит от геометрических параметров режущего инструмента и свойств обрабатываемого материала.
Срезанный и превращенный в стружку слой металла дополнительно деформируется вследствие трения стружки о переднюю поверхность инструмента.
Рис.1. Схема упругонапряженного состояния металла при обработке резанием
Структура металла зоны АВС и стружки резко отличаются от структуры основного металла. Структура основного металла состоит из равноосных зерен. В зоне АВС зерна сильно измельчены и вытянуты в определенном направлении, совпадающем с направлением плоскости О1 О1 , которая с плоскостью сдвига составляет угол . Для хрупких материалов пластическая деформация практически отсутствует и угол близок к нулю, а при резании деталей из пластичных материалов значение угла доходит до 30 град. У передней поверхности резца слои стружки искривляются и располагаются почти параллельно ей.
Следовательно, резание может быть представлено как процесс последовательного упругого и пластического деформирования срезаемого слоя металла, а затем его разрушения.
1.3. Виды стружек
В зависимости от обрабатываемого материала, условий резания, геометрии режущего инструмента изменяется характер стружки. Стружка при резании может быть (рис.2):
сливная – сходит в виде ленты, закручивающейся в спираль. Поверхность ее, обращенная к резцу, чистая и гладкая. С обратной стороны она имеет небольшие зазубрины. Образуется при обработке пластичных материалов (мягкой стали, латуни, алюминия и др.) со значительными скоростями скольжения и небольшими подачами инструмента с оптимальными передними углами. Образованию сливной стружки способствует увеличение переднего угла , уменьшение толщины среза a , повышение скорости резания, а также увеличение пластичности обрабатываемого материала;
скалывания – состоит из отдельных связанных между собой элементов. Обращенная к резцу сторона ее гладкая, а противоположная имеет большие зазубрины. Образуется при обработке металлов средней твердости с невысокими скоростями резания и значительными подачами резцов, имеющих небольшие передние углы;
надлома – состоит из отдельных не связанных или слабо связанных между собой элементов стружки. Образуется при обработке хрупких материалов (чугуна, бронзы, некоторых сплавов алюминия). Обработанная поверхность имеет большие неровности.
Рис.2. Виды стружек:
a - сливная; б - скалывания; в - надлома
Стружка, образующаяся в процессе резания, подвергается значительной деформации, одним из проявлений которой является ее усадка .
Усадка состоит в том, что длина стружки становится меньше длины обработанной поверхности, а толщина – больше толщины срезанного с заготовки слоя металла. Ширина стружки при этом практически не изменяется. Величина усадки характеризуется коэффициентом усадки:
где Lo – длина обработанной поверхности; L – длина стружки; ho –толщина срезаемого с заготовки слоя; h – толщина стружки.
Величина усадки стружки зависит от свойств обрабатываемого материала, режима резания, геометрических параметров инструмента и др. Для хрупких материалов , для пластичных . Использование СОЖ усадку стружки меньшает.
1.4. Силы резания
При обработке резанием металл оказывает сопротивление режущему инструменту. Это сопротивление преодолевается силой резания, приложенной к передней поверхности инструмента. Сила резания направлена перпендикулярна передней поверхности резца. Сила резания затрачивается на отрыв элемента стружки от основной массы металла и его деформацию, а также на преодоление трения стружки о переднюю поверхность резца и задней поверхности резца о поверхность резания.
В результате сопротивления металла процессу деформирования возникают реактивные силы, действующие на режущий инструмент (рис.3а).
Рис.3. Схема сил, действующих на резец (а ), и разложение силы резания на составляющие (б )
Это силы упругого (Ру1 и Ру2 ) и пластического (Рп1 и Рп2 ) деформирования, векторы которых направлены перпендикулярно к передней и главной задней поверхностям инструмента. Наличие нормальных сил обуславливает возникновение сил трения Т1 и Т2 , направленных по передней и главной задней поверхностям инструмента. Всю указанную систему сил приводят к равнодействующей силе резания: .
Точка приложения силы R находится на рабочей части главной режущей кромки инструмента. Абсолютная величина, точка приложения и направление в пространстве силы R под влиянием ряда факторов (неоднородность структуры и твердости заготовки, непостоянство срезаемого слоя металла и др.) являются переменными. Поэтому для расчетов используют не равнодействующую силу резания R , а ее составляющие, действующие по трем взаимно перпендикулярным направлениям – Рх , Ру , Рz . Для токарной обработки
ось Х – линия центров станка; ось У – горизонтальная линия, перпендикулярная линии центров станка; ось Z – линия, перпендикулярная плоскости ХОУ (рис.3б).
Сила РZ –вертикальная составляющая силы резания или просто сила резания. Действует в плоскости резания в направлении главного движения. По силе Рz определяют крутящий момент на шпинделе станка, эффективную мощность резания, деформацию изгиба заготовки в плоскости ХОZ , изгибающий момент, действующий на стержень резца, а также ведут динамический расчет механизмов коробки скоростей станка.
Сила РУ – радиальная составляющая силы резания. Действует перпендикулярно оси обрабатываемой заготовки в плоскости ХОУ. По силе Ру определяют величину упругого отжатия резца от заготовки, ведут расчет технологической системы на жесткость. Сила Ру стремится оттолкнуть резец от заготовки и деформировать ее. Учитывается при расчете прочности станины и суппорта, способствует появлению вибраций.
Сила РХ – осевая составляющая силы резания. Действует вдоль оси заготовки параллельно направлению продольной подачи. По силе Рz рассчитывают механизм подачи станка, а также изгибающий момент, действующий на стержень резца.
Равнодействующая силы резания определяется как диагональ параллепипеда, построенного на составляющих сил:
Каждая из составляющих силы резания определяется по эмпирическим формулам вида: 
, Н
где – коэффициент, учитывающий физико-механические свойства материала обрабатываемой заготовки;
– коэффициент, учитывающий факторы, не вошедшие в формулу (величины углов резца, материал резца и др.)
– глубина резания, мм;
S – подача, мм/об;
V – скорость резания, м/мин;
Показатели степеней.
Величины коэффициентов и показателей степеней выбираются из справочников для конкретных условий обработки. Аналогичные формулы существуют и для определения сил Ру и Рz .
Между указанными силами имеется примерно следующее соотношение:
Крутящий момент
на шпинделе станка: 
, н·м,
где D заг –диаметр заготовки, мм
Эффективной мощностью N е называют мощность, расходуемую на процесс деформирования и срезания с заготовки слоя металла. При точении цилиндрическойповерхности на токарно-винторезном станке эффективная мощность
, кВт
где n –частота вращения заготовки, об/мин.
Величина мощности от силы составляет 1-2% от всей мощности. Поэтому ею пренебрегают и мощность N е определяют по формуле:
Мощность, расходуемая электродвигателем ,
где - к.п.д. станка, равный 0,7 – 0,8.
1.5. Тепловые явления процесса резания
При резании вся механическая работа превращается в тепловую энергию. Количество теплоты Q , выделяющееся при резании в единицу времени (тепловая мощность), определяется по формуле: , Дж,
где РZ - сила резания, V - скорость резания.
Образующееся в зоне резания тепло распределяется между заготовкой, стружкой, режущим инструментом и окружающей средой.
Причинами образования теплоты являются упругопластическое деформирование в зоне стружкообразования, трение стружки о переднюю поверхность инструмента, трение задних поверхностей инструмента о заготовку. Тепловой баланс процесса резания можно представить следующим тождеством:
где: Q Д – количество теплоты, выделяющейся при упругопластическом деформировании обрабатываемого материала;
Q П.П – количество теплоты, выделяющейся при трении стружки о переднюю поверхность инструмента;
Q З.П . – количество теплоты, выделяющейся при трении задних поверхностей инструмента о заготовку;
Q С – количество теплоты, отводимое стружкой;
Q И – количество теплоты, отводимое режущим инструментом;
Q Л – количество теплоты, переходящее в окружающую среду (теплота лучеиспускания).
По данным многих исследований, количество теплоты, отводимое стружкой, составляет (25-85)% всей выделяющейся теплоты, заготовкой (10-50)%, режущим инструментом (2-8)%. Количественное распределение теплоты зависит главным образом от скорости резания (рис.4). С увеличением скорости резания отводимое стружкой тепло увеличивается, а заготовкой, инструментом, окружающей средой – уменьшается.
Рис.4. Распределение теплоты резания в зависимости от скорости резания
Соотношение членов в уравнении теплового баланса не постоянны и изменяются в зависимости от физико-механических свойств обрабатываемого материала, условий резания и материала инструмента, условий обработки и др.
Увеличение подачи S повышает температуру в зоне резания, но менее интенсивно, чем при увеличении скорости резания V . Еще меньшее влияние на температуру оказывает глубина резания t .
Влияние геометрии резца:
1.С увеличением угла резания и угла в плане температура в зоне резания возрастает.
2.С увеличением радиуса закругления при вершине температура в зоне резания уменьшается.
Теплообразование отрицательно влияет на процесс обработки. Обработка должна производится без перегрева режущего инструмента. Так для работы инструмента из углеродистой стали температура в зоне резания не должна превышать (200-250)град C, из быстрорежущей стали (550-600) град C, инструментом, оснащенным твердыми сплавами – (800-1000) град C, а минералокерамикой – (1000-1200) град C; абразивными материалами – (1800-2000) град C. Нагрев инструмента выше указанных температур вызывает структурные превращения в материале, из которого инструмент изготовлен, снижение его твердости и потерю его режущих способностей. Также происходит изменение геометрических размеров инструмента, что влияет на точность размеров и геометрическую форму обработанных поверхностей. Нагрев заготовки вызывает изменение ее геометрических размеров. Вследствие жесткого закрепления заготовки на станке она начинает деформироваться. А это приведет к снижению точности обработки.
Для уменьшения отрицательного влияния теплоты на процесс резания обработку следует вести в условиях применения смазочно-охлаждающих сред (СОЖ).
1.6. Наростообразование при резании
При резании пластичных материалов (сталь, латунь) происходит явление, получившее название наростообразования, когда на передней поверхности резца у режущей кромки образуется плотное скопление частиц металла, прочно укрепляющееся на передней поверхности инструмента. Образование нароста объясняется тем, что при некоторых условиях обработки (высокие давления, значительные температуры в зоне контакта стружки с резцом) силы трения между передней поверхностью инструмента и срезанным слоем металла становятся больше сил внутреннего сцепления, и при определенных температурных условиях металл прочно оседает на передней поверхности инструмента. Размеры и форма нароста постоянно меняются. Он периодически разрушается, уносится стружкой и образуется вновь.
Рис.5. Схема образования нароста
Металл нароста деформирован, и твердость его значительно (иногда в 2-3 раза) превосходит твердость обрабатываемого металла.
Угол резания на наросте меньше угла резания на резце , вследствие этого несколько уменьшаются затраты мощности на резание. Нарост защищает вершину резца и режущую кромку от преждевременного изнашивания. Точность и качество обработки поверхностей при наросте ухудшаются. Возрастает шероховатость поверхностей. Поэтому при черновой обработке, где качество поверхности не имеет особого значения, нарост благоприятно влияет на резание, а при чистовой обработке, когда качество обработанной поверхности важно, образование нароста вредно и его следует избегать.
Установлено, что интенсивность образования нароста в значительной степени зависит от скорости резания. Наибольшее наростообразование имеет место при скоростях резания 18-30 м/мин, а при скоростях резания до 10-12 м/мин и более 50-70 м/мин нарост на режущем инструменте практически не образуется. Поэтому чистовую обработку выполняют на повышенных скоростях резания.
С увеличением подачи S размеры нароста увеличиваются. Поэтому при чистовой токарной обработке рекомендуются подачи 0,1 - 0,2 мм/об.
Глубина резания t существенного влияния на размеры нароста не оказывает.
С увеличением угла резания нарост увеличивается. Применение СОЖ уменьшает нарост.
При прерывистом резании (строгание, фрезерование) нарост обычно не удерживается на режущей кромке.
1.7. Вибрации при резании
Вследствие нежесткости элементов технологической системы СПИД (станок–приспособление–инструмент–деталь) всегда возникают колебания инструмента относительно заготовки, которые называют вибрациями при резании.
Вибрации отрицательно влияют на процесс резания:
- снижают качество обработанной поверхности
- усиливается динамический характер силы резания, а нагрузки на движущиеся детали и сборочные единицы станка усиливаются в десятки раз – особенно в условиях резонанса, когда частота собственных колебаний системы СПИД совпадает с частотой колебаний при обработке резанием
- резко снижается стойкость инструмента, особенно с пластинками из твердых сплавов
- возникает шум, утомляюще действующий на окружающих людей, и производительность труда снижается.
Основные меры борьбы с вибрациями:
- повышение жесткости технологической системы
- уменьшение массы колебательных систем
- применение виброгасителей (динамических, гидравлических, упругих)
- подбор оптимальных режимов резания и геометрии режущего инструмента.
Однако при обработке труднообрабатываемых материалов вибрации играют положительную роль. Для обработки таких материалов применяют вибрационное резание. Сущность вибрационного резания состоит в том, что в процессе обработки создаются искусственные колебания инструмента с регулируемой частотой и заданной амплитудой в определенном направлении. Источники колебаний – механические вибраторы или высокочастотные генераторы. Частоту колебаний задают от 200 до 20000 Гц, амплитуду колебаний – от 0,02 до 0,002 мм. Колебания задают по направлению подачи или по направлению скорости резания.
FirelineКак указывалось выше, процесс резания металлов при фрезеровании не имеет принципиальных отличий от процесса резания при точении. Остановимся на некоторых явлениях, сопровождающих процесс резания.
Срезанный слой металла в виде стружки, как известно, может иметь различный вид в зависимости от условий обработки. По классификации проф. И. И. Тиме, стружка может быть следующих типов: сливная, скалывания и надлома.
Нарост при резании металлов
. При резании вязких металлов в некоторых случаях на передней поверхности инструмента образуется так называемый нарост. Это прикрепившийся (приварившийся) к передней поверхности резца сильно деформированный кусочек обрабатываемого материала в виде клина большой твердости (рис. 243). Этот кусочек металла непрерывно сходит со стружкой и снова образуется. Он по существу является режущей частью инструмента и предохраняет режущую кромку от износа. Однако если на передней поверхности инструмента образовался нарост, то ухудшается качество обработанной поверхности. Поэтому при чистовой обработке металлов, а также при нарезании резьбы нарост является вредным явлением. Для его ликвидации следует тщательно доводить переднюю поверхность инструмента или изменять скорость резания (чаще в сторону ее увеличения до 30 м/мин и выше), а также применять соответствующие условиям обработки смазывающеохлаждающие жидкости.
Усадка стружки
. При резании металлов стружка деформируется и оказывается короче того участка, с которого она срезана (рис. 244).
Это явление укорочения стружки по длине называется продольной усадкой стружки.
Объем металла при деформировании практически не меняется. Следовательно, укорачивание стружки по длине должно сопровождаться увеличением площади поперечного сечения стружки. Увеличение площади поперечного сечения называется поперечной усадкой стружки.
Деформирование стружки приводит к ее завиванию. Канавки режущих инструментов (сверл, протяжек, фрез и др.) должны обеспечивать возможность свободного размещения завивающейся стружки.
Тепловые явления при резании металлов
. В процессе резания металлов обрабатываемая деталь, режущий инструмент и стружка нагреваются. При увеличении скорости резания, особенно во время снятия тонких стружек, температура в зоне резания увеличивается до 60°. При дальнейшем повышении скорости резания в ряде случаев можно наблюдать сходящую стружку, нагретую до ярко-красного каления (900°С).
На обработанной поверхности стальной детали при этом могут быть заметны оттенки всех цветов побежалости, свидетельствующие о высокой температуре тончайшего поверхностного слоя детали в момент соприкосновения ее с задней поверхностью инструмента. Повышение температуры в зоне резания происходит в результате превращения затрачиваемой на процесс резания механической энергии в тепловую. Еще Я. Г. Усачев установил, что в стружку уходит от 60 до 86% общего количества теплоты, образующейся при резании, в режущий инструмент - от 10 до 40% общего количества теплоты, а в обрабатываемую заготовку - от 3 до 10%. Необходимо отметить, что как в стружке, так и в инструменте теплота распределяется неравномерно. В режущем инструменте при непрерывной его работе устанавливается постоянный тепловой режим за несколько минут работы. Практически выравнивание температуры в обрабатываемой детали заканчивается уже после ее обработки. Образующееся в зоне резания тепло оказывает большое влияние на весь процесс резания и связанные с ним явления (наростообразование, износ инструмента и др.) Поэтому в теории резания металлов тепловым явлениям при резании металлов уделяется большое внимание.
Шероховатость обработанной поверхности
. Проблема улучшения качества выпускаемой продукции наряду с непрерывным повышением производительности труда является важнейшей в машиностроении.
При оценке качества готовой детали учитывают следующие основные показатели: точность размера, точность геометрической формы и шероховатость поверхности.
Шероховатость обработанной поверхности зависит от следующих факторов: правильного выбора геометрических параметров (углов заточки) инструмента и прежде всего переднего угла. углов в плане, правильного выбора подачи, скорости резания, а также применения соответствующих смазывающеохлаждающих жидкостей.
Для получения высокого класса чистоты поверхности необходимо также, чтобы передняя и задние поверхности инструмента были тщательно доведены (обработка алмазными кругами или пастой карбида бора).
Вибрации при резании металлов
. В процессе резания металлов при определенных условиях возникают вибрации (колебания). Появление вибраций во многих случаях является основной причиной, ограничивающей возможность повышения режимов резания и производительности труда. Вибрации при резании металлов вредно отражаются на стойкости инструмента. Даже слабые вибрации препятствуют достижению высокого класса чистоты обработанных поверхностей. При прочих равных условиях возможность возникновения вибраций при обработке чугуна значительно меньше, чем при обработке стали.
Вибрации можно устранить или уменьшить путем применения инструмента с малыми задними и большими передними углами, а также выбором соответствующих скоростей резания и условий охлаждения, при которых снижается интенсивность колебаний. Для устранения или уменьшения вибраций применяют специальные устройства виброгасители.
Лекция № 3
Сущность процессов резания
3.1.Конструкционные и инструментальные материалы
3.2. Процесс резания
3.3. Физические явления, сопровождающие процесс резания
Конструкционные и инструментальные материалы
Резанием обрабатываются заготовки, полученные из следующих конструкционных материалов – углеродистые стали качественные и обыкновенного качества, легированные стали, теплостойкие стали и труднообрабатываемые материалы.
Широкое распространение имеет углеродистая сталь, как соединение железа (Fe) с углеродом (C), содержание которого в стали не более 0,7%. Эталонной углеродистой сталью является сталь 45, обрабатываемость которой принята за единицу.
Режущие инструменты изготавливаются из инструментальных материалов следующих типов:
Ø инструментальные стали,
Ø твердые сплавы,
Ø металлокерамика,
Ø алмазы,
Ø сверхтвердые материалы (эльбор),
Ø абразивные материалы.
Основные требования к инструментальным материалам – это высокие физико-технические характеристики по прочности, твердости и теплостойкости. Физико-технические характеристики инструментальных материалов должны быть в 2 раза выше таких же характеристик обрабатываемых заготовок.
Инструментальные стали получили широкое распространение для изготовления массовых типов режущего инструмента. Основными инструментальными сталями являются:
Ø Углеродистые стали марок – У7, У8…У13.
Ø Легированные стали марок – ШХ-15, 9ХС, ХВГ.
Ø Быстрорежущие стали марок – Р18, Р6М5, Р6М5К5.
Процесс резания
Процессом резания называется работа, выполняемая режущим инструментом по отделению припуска от заготовки в виде стружки и преодолению сил трения.
Главным элементом режущего инструмента является режущий клин.
Главным параметром режущего клина является угол заострения (β)
Главными углами режущего клина являются:
· передний угол (α)
· задний угол (γ)
β + α + γ= 90°
Рис. 1. Параметры режущего клина
Рис.2. Схема режущего клина
На схеме режущего клина показаны главные поверхности и углы.
Линия 1,2 – это след плоскости, которая называется передней поверхностью.
Линия 3,4 – это след плоскости, которая называется задней поверхностью.
Эти две поверхности фактически никогда не сходятся в точку, так как между ними, при заточке режущего клина образуется радиусное сопряжение величиной до 500 мкм, определяемое кристаллической решеткой инструментального материала.
Такая форма режущего клина характерна для всех видов режущих инструментов, при работе которых происходит отделение припуска в виде стружки.
Стружкообразование
Слой металла, удаляемый с заготовки с целью придания ей формы и размеров готовой детали, называется припуском.
В процессе резания припуск превращается в стружку. Припуск может сниматься как за один , так и за несколько проходов режущего клина.
На обрабатываемой заготовке различают следующие поверхности:
ü обработанную – поверхность, с которой снята стружка;
ü обрабатываемую – поверхность, с которой снимается стружка;
ü поверхность резания , образованную непосредственно режущей кромкой режущего инструмента.
Изобразим графически (Рис.3.) отделение припуска от основной заготовки
Рис.3. Схема отделения припуска от основной заготовки
На схеме обозначены точками следующие элементы:
3,5 – обработанная поверхность
7,8 – обрабатываемая поверхность
3,8,9,2 – зона деформации
2,9,10,11,2 – стружка
1,2,3,4 – режущий клин
6,7,8,3 – припуск
1,2 – передняя поверхность режущего клина
3,4 – задняя поверхность режущего клина
r – радиус закругления режущей кромки
α – передний угол
β – угол заострения
γ – задний угол
В процессе резания на вершине режущего клина возникает сила резания R, преодолевающая силу сопротивления припуска отделению от заготовки и силы трения стружки о переднюю поверхность и трения задней поверхности режущего клина об обработанную поверхность. При этом в снимаемом припуске протекают сложные процессы упругого и пластического деформирования. Укажем на представленном выше рисунке 3. две зоны деформации припуска.
8,9 – зона пластической деформации
9,10 – зона сдвига частиц снимаемого припуска по плоскостям межкристаллических связей (12,13).
Рис. 4. Виды стружки.
В процессе резания заготовка и режущий инструмент находятся в относительном движении. Процесс резания выполняется при наличии основных и вспомогательных движений.
Основные движения, совершаемые заготовкой и режущим инструментом, делятся на главное движение и движение подачи.
Главное движение – это движение заготовки или инструмента, совершаемое с наибольшей скоростью.
Главное движение обозначается Dr. Главное движение - скорость наибольшая.
Движение подачи имеет меньшую скорость – скорость подачи S. Это движение обеспечивает врезание режущего клина инструмента в новые слои металла и обозначается DS. Движение подачи обеспечивает врезание в новые слои металла
По характеру и Dr, и DS могут быть вращательными или прямолинейно-поступательными.
При разных методах обработки главное движение и движение подачи осуществляются или обрабатываемой заготовкой, или режущим инструментом.
Например:
· при точении Dr совершается заготовкой, а DS – режущим инструментом (резцом) рис. 4.
Рис. 4 Схема точения.
· при цилиндрическом фрезеровании Dr совершается режущим инструментом (фрезой), а DS – заготовкой; Рис. 5.
Рис. 5 Схемы обработки резанием
· при сверлении, возможно, что оба движения совершает режущий инструмент (сверло), а заготовка неподвижна.
Совокупность движений Dr и DS обеспечивает получение поверхности требуемой формы. С учетом величины скорости и направлений движений Dr и DS можно рассматривать результирующее движение De.
De – суммарное движение режущего инструмента относительно движущейся заготовки. Движение De характеризуется скоростью результирующего движения Ue .
Эффективность и производительность процесса резания зависит от:
Ø физико-технических свойств металла (материала заготовки и инструмента) HRC, HB, T °C;
Ø геометрических параметров режущей части инструмента;
Ø параметров режима резания (v, s, t);
Ø условий обработки.
Физические явления, сопровождающие процесс резания
В процессе резания выполняется работа, затрачивается энергия. Эта энергия распределяется между двумя видами работ.
N = Aпол + Aвсп, где:
Апол – полезная работа по отделению припуска от заготовки в виде стружки
Авсп – вспомогательная работа по преодолению сил трения, сил сопротивления упругой и пластичной деформации.
Совершаемая работа сопровождается целым комплексом физических явлений.
Основными физические явлениями, сопровождающими процесс резания, являются:
1. сила резания (R)
2. температура резания (T ˚С)
3. износ инструмента (режущего клина) (h3)
4. усадка стружки (l)
Обработка резанием представляет совокупность действий, направленных на изменение формы заготовки путем снятия припуска режущим инструментом на металлорежущих станках с целью получения детали требуемой формы и размеров. Припуском на обработку называется слой металла, который срезается с заготовки в процессе изготовления де-тали. Величина припуска определяется разностью размеров заготовки и обработанной детали.
Кроме общего припуска различают промежуточный припуск. Промежуточный припуск — это слой металла, необходимый для осуществления определенной технологической операции. На величину припуска оказывают влияние такие факторы, как вид заготовки (отливка, штамповка, поковка, прокат и др.), материал заготовки, технологический процесс обработки, сложность конфигурации детали, требуемые точность и чистота обрабатываемых поверхностей и т. д.
При резании снятием стружки усилие резания воспринимается только одной (передней) поверхностью резца, благодаря чему отгибается и отводится в сторону слой снимаемого материала, т. е. образуется стружка. Вторая поверхность (задняя) оказывает давление на деталь и скользит по уже обработанной поверхности.
Пластической деформации подвергается весь отделяемый слой металла, превращающийся в стружку, а также те слои, которые непосредственно примыкают к острию клина инструмента, т. е. впереди стружки и на подрезцовой поверхности.
В зоне соприкосновения рабочих поверхностей инструмента и срезаемого слоя заготовки происходят упруго-пластические деформации, развивающиеся вплоть до отделения частиц металла и образования элементов стружки.
Токарные станки служат вот именно для такой обработки, при воздействии резца передней поверхностью на элемент срезаемого слоя вначале происходят упругие, а затем пластические деформации в ограниченной области вплоть до отделения стружки. В связи с относительной малостью упругой деформации в сравнении с пластической первой обычно пренебрегают и считают, что резание представляет процесс пластической деформации, доведенной до разрушения срезаемого слоя металла.
В процессе обработки резанием под влиянием внешней силы станка, приложенной к инструменту, на передней и задних поверхностях инструмента возникают нормальные силы и силы трения, которые вызывают деформацию срезаемого слоя и образование стружки, трение по передней и задней поверхностям инструмента, деформацию поверхностного слоя заготовки.
Процесс резания сопровождается выделением большого количества тепла, образуемого в результате деформации и трения по контактирующим поверхностям инструмента.
Деформации и тепловые явления определяют силы резания, расходуемую мощность, влияют на износ и стойкость инструмента, на характер температурного поля в зоне ре-зания, что приводит к изменению механических свойств обрабатываемого слоя металла около режущего инструмента.
Процесс стружкообразования сопровождается большим трением, завиванием и усадкой стружки, наростообразованием и износом режущего инструмента, упрочнением по-верхностного слоя и детали.
Для увеличения стойкости режущих инструментов , повышения класса чистоты обработанных поверхностей, уменьшения сил резания, облегчения процесса пластического де-формирования и удаления стружки при обработке резанием применяются смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ).
Виды движений при токарной обработке. Для осуществления процесса резания при токарной обработке необходимо иметь два одновременно действующих рабочих движения, одно из которых вращательное, а второе - поступательное. Вращение обрабатываемой заготовки называется главным движением, а скорость ее вращения — скоростью резания.
Поверхности на обрабатываемых деталях. В процессе резания на детали различают три поверхности:
- обрабатываемая поверхность, т. е. поверхность детали, которая подлежит обработке;
- поверхность резания, которая образуется на детали непосредственно режущей кромкой резца;
- обработанная поверхность, полученная после снятия стружки.
Процесс резания (стружкообразования) является сложным физическим процессом, сопровождающимся большим тепловыделением, деформацией металла при образовании стружки, износом режущего инструмента и наростообразованием на резце. Знание закономерностей процесса резания и сопровождающих его явлений позволяет рационально управлять этим процессом и обрабатывать детали более качественно, производительно и экономично.
В процессе резания различных материалов могут образовываться следующие основные виды стружек: сливные, скалывания и надлома.
Рис 1. Типы стружек: а -- сливная, б -- скалывания, в -- надлома
Сливная стружка (рис. 1 а) образуется при резании вязких и мягких материалов, например мягкой стали, латуни. Резание протекает обычно при высокой скорости. Чем больше скорость резания и вязкость обрабатываемого металла, меньше угол резания и толщина среза, выше качество смазочно-охлаждающей жидкости, тем стружка ближе к сливной.
Стружка надлома (рис. 1 в) образуется при резании хрупких металлов, например серых чугунов. Такая стружка состоит из отдельных, почти не связанных между собой элементов. Обработанная поверхность при образовании такой стружки получается шероховатой, с большими впадинами и выступами. В определенных условиях, например при обработке чугунов средней твердости, стружка надлома может получиться в виде колец. Сходство со сливной стружкой здесь только внешнее, так как достаточно слегка сжать такую стружку в руке и она легко разрушится на отдельные элементы.
Стружка скалывания (рис. 1 б) занимает промежуточное положение между сливной стружкой и стружкой надлома и образуется при обработке некоторых сортов латуни и твердых сталей с большими подачами и относительно малыми скоростями резания. С изменением условий резания стружка скалывания может перейти в сливную и наоборот.
Под действием режущего инструмента срезаемый слой металла подвергается сжатию. Процессы сжатия (как и процессы растяжения) сопровождаются упругими и пластическими деформациями.
При обработке режущий инструмент деформирует не только срезаемый слой, но и поверхностный слой материала обрабатываемой детали. Глубина деформации поверхностного слоя металла зависит от различных факторов и может достигать от сотых долей до нескольких миллиметров.
Под действием деформации поверхностный слой металла упрочняется, увеличивается твердость и уменьшается пластичность, происходит так называемый наклеп обрабатываемой поверхности.
Чем мягче и пластичнее обрабатываемый металл, тем большему наклепу он подвергается. Чугуны обладают значительно меньшей способностью к упрочнению, чем стали. Величина и глубина наклепа увеличиваются с увеличением подачи и глубины резания и уменьшаются с увеличением скорости резания. Глубина наклепа увеличивается примерно в 2--3 раза при работе тупым режущим инструментом, чем при работе острым. Смазочно-охлаждающие жидкости уменьшают глубину и степень упрочнения.
При некоторых условиях резания на передней поверхности режущей кромки резца налипает обрабатываемый материал, образуя так называемый нарост . Он имеет клиновидную форму, по твердости превышает в 2--3 раза твердость обрабатываемого материала. Являясь как бы продолжением резца, нарост изменяет его геометрические параметры (д 1 <д), участвует в резании металла, влияет на результаты обработки, износ резца и силы, действующие на резец.
Усадка стружки является важным параметром, определяющим ход протекания процесса резания. Так, изменение усадки стружки влечет за собой изменение сил резания, качества обработанной поверхности, стойкости режущего инструмента и т. п. Коэффициент усадки стружки определяется отношением длины обработанной поверхности к длине стружки и может быть в пределах от 1,1 до 10. Чем больше коэффициент усадки стружки, тем ниже твердость материала, выше пластичность, а обрабатываемость резанием - лучше.
На коэффициент усадки стружки влияют различные параметры резания, например, при увеличении переднего угла резца коэффициент усадки уменьшается, а при увеличении радиуса закругления вершины резца - увеличивается, при увеличении толщины среза коэффициент усадки уменьшается.