14. Обработка металлов резанием

Несмотря на внедрение в машиностроение различных методов получения точных заготовок, обработка резанием остается основным методом окончательной обработки деталей. Обработка металлов резанием – процесс срезания режущим инструментом слоя металла с заготовки в виде стружки для получения необходимой геометрической формы и шероховатости поверхностей детали и точности размеров. Слой металла, который надо удалить, называют припуском на обработку. Удаление припуска ручным способом называют слесарной обработкой, обработку на станках – механической обработкой.

14.1. Основы резания металлов

Движения рабочих органов станков делятся на рабочие, установочные и вспомогательные. Рабочие движения сообщаются инструменту и заготовке для срезания слоя металла. Установочные – определяют положение инструмента и заготовки перед началом резания, вспомогательные – установка и снятие инструмента и заготовок. К рабочим движениям относят главное движение резания и движение подачи, т. е. поступательные или вращательные движения заготовки и инструмента.

Г лавное движение резания D_r определяет скорость деформирования и отделения стружки, движение подачи D_S обеспечивает непрерывность процесса резания. Главное движение на любом станке – одно, движений подачи может быть несколько. При точении главное движение резания – вращательное движение заготовки, а движения подачи совершает резец, перемещаясь прямолинейно и поступательно по одной из двух координат, относительно оси вращения заготовки (рис. 14.1,а).

При любом методе механической обработки на детали различают три вида поверхностей:

- обрабатываемая поверхность – поверхность заготовки, которая частично или полностью удаляется при обработке;

- обработанная поверхность образуется в результате обработки;

- поверхность резания образуется режущей кромкой инструмента.

Токарный резец состоит из рабочей и крепежной частей. Основные элементы рабочей части резца показаны на рис. 14.1,б.

Д ля определения углов режущей части инструмента вводится статическая система координат – прямоугольная система координат с началом на вершине режущей кромки. В эту систему входят координатные плоскости (рис. 14.2):

- основная плоскость Р_v – проводится через вершину режущей кромки перпендикулярно направлению скорости главного движения резания;

- плоскость резания Р_n – плоскость, касательная к режущей кромке и перпендикулярная основной плоскости;

- главная секущая плоскость Р_ – перпендикулярна линии пересечения основной плоскости и плоскости резания;

- рабочая плоскость Р_s образована взаимно перпендикулярными направлениями скоростей главного движения и движения подачи.

В главной секущей плоскости Р_ измеряют углы (рис. 14.3).

Г лавный передний угол  – угол между передней поверхностью резца и основной плоскостью. С увеличением угла  уменьшается деформация срезаемого слоя, снижаются силы резания, повышается качество обработанной поверхности, но снижается прочность лезвия, ухудшается отвод тепла от режущей кромки. Обычно угол  имеет значения от -10 до +20.

Главный задний угол  – угол между главной задней поверхностью резца и плоскостью резания. Наличие угла  уменьшает трение между главной задней поверхностью инструмента и поверхностью резания и уменьшает износ инструмента.

Угол заострения  – угол между передней и задней поверхностями.

В основной плоскости Р_v измеряют следующие углы (рис. 14.3).

Главный угол в плане  – образуется проекцией главной режущей кромки на основную плоскость и направлением движения подачи.

Вспомогательный угол в плане ₁ – образуется проекцией вспомогательной режущей кромки на эту же плоскость и направлением, противоположным движению подачи.

Угол в плане при вершине резца  – между проекциями режущих кромок на основную плоскость (угол заострения в плане).

Процесс образования стружки. Движущийся резец деформирует находящийся перед ним металл. Когда возникающее напряжение превышает силы внутреннего сцепления частиц металла, происходит сдвиг одного элемента стружки. При движении резца отделяются второй и последующие элементы стружки. Плоскость, по которой происходит скалывание отдельных элементов стружки, называют плоскостью скалывания, а угол между плоскостью скалывания и направлением скорости резания – углом скалывания.

При обработке вязких металлов (мягкая сталь, медь, алюминий) этот угол (30–35°) почти не зависит от геометрии резца и образуется сливная стружка в виде ленты, завивающейся в спираль.

При обработке менее вязких металлов (высокопрочные стали, некоторые марки латуней) образуется стружка скалывания: после образования нескольких витков она отламывается. Стружка надлома – совокупность отдельных частиц неправильной формы, получается при обработке хрупких металлов (чугун, бронза) и неметаллических материалов (мрамор, стекло).

Силы резания. Для отделения стружки режущий инструмент должен преодолеть силу сопротивления металла резанию, которая зависит от: усилий, возникающих при деформировании и отделении срезаемого слоя; силы трения стружки о переднюю поверхность режущего инструмента; силы трения поверхности резания о заднюю поверхность режущего инструмента.

Равнодействующая всех сил, действующих на режущий инструмент, называется силой резания Р. С увеличением твердости, прочности и вязкости обрабатываемого материала возрастает и сила резания. Применение различных смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) уменьшает силу резания на 3–25 % по сравнению с работой всухую. Знание сил резания необходимо при расчете на прочность инструментов, прис пособлений, определения необходимой мощности станка.

Для удобства экспериментального определения силы резания, ее раскладывают на составляющие, выходящие из вершины резца (рис. 14.4). Касательная составляющая силы резания Р_z действует в направлении скорости главного вращательного движения резания. Осевая составляющая силы резания Р_x действует параллельно оси главного вращательного движения резания. Радиальная составляющая силы резания Р_y направлена по радиусу главного вращательного движения резания.

Параметры режима резания

Скорость главного движения резания (V) – скорость перемещения точки режущей кромки инструмента относительно обрабатываемой поверхности в направлении главного движения. Для вращательного движения скорость резания (м/мин):

V =  · D · n ·10^-3.

Скорость движения подачи – скорость перемещения рассматриваемой точки режущей кромки в направлении движения подачи.

Подача (S) – перемещение инструмента в направлении движения подачи за один оборот (мм/об).

Глубина резания (t) – расстояние между обрабатываемой и обработанной поверхностями, пройденное за один проход инструмента и измеренное перпендикулярно к последней (мм).

Выбор режима резания. Для каждого случая обработки существуют свои оптимальные режимы резания, которые зависят от материала обрабатываемой детали, материала инструмента и его геометрии, особенностей станка, требований к точности и качеству обработанной поверхности. В зависимости от материала детали выбирается и инструментальный материал. Существуют эмпирические формулы для расчета режимов резания. Практически режимы резания определяются по нормативным таблицам, приведенным в справочниках.

Образование нароста при резании. При резании пластичных металлов на передней поверхности инструмента скапливаются частицы обрабатываемого металла – образуется нарост. Металл прочно закрепляется на поверхности когда силы трения между передней поверхностью инструмента и срезанным слоем металла становятся больше сил внутреннего сцепления материала стружки (рис. 14.5,а). Размеры и форма нароста постоянно меняются, нарост периодически скалывается и возникает вновь.

Образование нароста полезно при черновой обработке, когда снимается большой слой металла и сила резания значительно возрастает. Нарост увеличивает угол заострения резца, при этом снижается сила резания и уменьшается износ инструмента. При чистовой обработке он вреден. Шероховатость обработанной поверхности увеличивается, точность обработки снижается, так как размеры и форма нароста постоянно меняются.

У прочнение при резании. При обычных методах заточки режущая кромка имеет радиус закругления R  0,02 мм (рис. 14.5,б). Инструмент срезает с заготовки стружку при условии, когда глубина резания больше или соизмерима с радиусом R. В стружку переходит слой металла, лежащий выше линии среза CD. Слой металла, лежащий между линиями AB и CD, будет упруго деформироваться. При работе режущая кромка затупляется и радиус возрастает. Расстояние между линиями AB и CD увеличивается, упругая деформация переходит в пластическую, на обработанной поверхности детали возникает наклеп. Упрочнение проявляется в повышении поверхностной твердости в 1,5–2 раза; глубина наклепанного слоя – 0,02–0,2 мм.

Твердость и толщина упрочненного слоя зависят от способа обработки (максимальные – при сверлении), материала заготовки, геометрии инструмента, режима резания. При перемещении резца происходит упругое восстановление деформированного слоя на величину h_у, в результате образуется контактная площадка шириной Н между обработанной поверхностью и задней поверхностью инструмента. Со стороны обработанной поверхности возникают силы нормального давления N и трения F. Чем больше упругая деформация, тем больше сила трения. Для уменьшения силы трения и предусматривается вспомогательный задний угол на инструменте.

Износ и стойкость инструмента. Износ инструмента (рис. 14.6) происходит по передней поверхности (образуется лунка шириной b) или по главной задней поверхности (образуется ленточка износа шириной h). Образование ленточки уменьшает глубину резания, изменяет вылет резца – точность обработки снижается.

Критерий износа – допустимая ширина ленточки износа h или лунки b. Для токарных резцов из инструментальных сталей h, b = 1,5–2 мм, для резцов с пластинами из твердого сплава h, b = 0,8–1,5 мм.

Период стойкости инструмента (время между переточками) зависит от материала и геометрии инструмента и заготовки, режима резания, условий обработки. Нормативная стойкость токарных резцов – 30–90 мин., фрез – 6–8 час, абразивного инструмента – 1–80 мин. Износ инструмента приводит к росту силы резания, увеличивает деформацию и заготовки и инструмента. Увеличивается глубина наклепанного слоя на заготовке, силы трения на рабочих поверхностях резца, что приводит к дополнительному разогреву инструмента и детали.