- •Введение
- •Основы теории резания материалов
- •1. Движения, происходящие при обработке резанием
- •2. Инструментальные материалы
- •2.1. Требования, предъявляемые к инструментальным материалам
- •2.2. Инструментальные стали
- •Углеродистые инструментальные стали
- •2.2.2. Легированные инструментальные стали
- •Быстрорежущие стали
- •2.3. Металлокерамические твердые сплавы
- •2.4. Дисперсионно -твердеющие сплавы
- •2.5. Минералокерамика
- •2.6. Сверхтвердые материалы (стм)
- •2.7. Выбор инструментального материала
- •3. Геометрия режущего инструмента
- •3.1 Общие сведения
- •3.2. Устройство проходного токарного резца
- •3.3. Общие понятия и определения
- •3.4. Геометрия проходного токарного резца
- •3.5. Назначение углов
- •3.6. Зависимости между углами, измеряемыми в различных координатных и секущих плоскостях
- •3.7. Влияние установки резца на станке на его геометрию
- •3.7.1. Резец повернут в основной плоскости
- •3.7.2. Резец смещен по вертикали от оси вращения шпинделя токарного станка
- •3.8. Влияние различных движений, составляющих движение резания, на геометрию
- •3.8.1. Влияние движения подачи
- •3.8.2. Влияние движения формообразования при нарезании резьбы резцом
- •3.8.3. Влияние вибрационного движения
- •3.9. Конструкция и геометрия спирального сверла
- •3.9.1. Конструкция
- •3.9.2. Геометрия
- •3.10. Геометрия фрез
- •3.10.1. Общие признаки
- •3.10.2. Цилиндрическая фреза с прямыми зубьями
- •3.10.3. Фреза с винтовыми зубьями
- •3.10.4. Торцовая фреза со вставными ножами
- •Элементы режима резания и геометрия срезаемого слоя
- •4.1. Общие понятия и определения
- •4.2. Строгание
- •4.2.1.Элементы режима резания
- •4.2.2. Геометрия срезаемого слоя
- •4.2.3. Геометрическая шероховатость
- •4.3. Точение
- •4.3.1. Режим резания
- •4.3.2. Геометрия срезаемого слоя
- •4.3.3. Геометрическая шероховатость
- •4.4. Обработка цилиндрической фрезой с прямыми зубьями
- •4.4.1. Элементы режима резания
- •4.4.2. Элементы фрезерования
- •4.4.3. Геометрия срезаемого слоя
- •4.4.4. Геометрическая шероховатость
- •4.5. Два вида фрезерования – попутное и встречное
- •4.6. Обработка цилиндрической фрезой с винтовыми зубьями
- •4.6.1. Элементы режима резания
- •4.6.2. Геометрия срезаемого слоя
- •4.7. Равномерное фрезерование
- •4.8. Торцовое фрезерование
- •4.8.1. Виды торцового фрезерования
- •4.8.2. Элементы режима резания
- •4.8.3. Элементы фрезерования
- •4.8.4. Геометрия срезаемого слоя
- •4.8.5. Геометрическая шероховатость
- •4.9. Круглое наружное шлифование
- •4.9.1. Понятие об абразивном инструменте
- •4.9.2. Кинематика и элементы режима резания
- •4.9.3. Толщина срезаемого слоя
- •4.10. Нарезание резьбы
- •4.10.1. Нарезание резьбы резцом
- •4.10.2. Нарезание резьбы гребенкой
- •4.10.3. Нарезание резьбы метчиками и плашками
- •4.10.4. Нарезание резьбы гребенчатыми фрезами
- •4.11. Сверление
- •4.12. Зенкерование и развертывание
- •5. Процесс образования стружки
- •5.1. Характеристика стружек
- •5.2. Механизм пластической деформации
- •В процессе пластической деформации
- •5.3. Механизм образования стружки
- •5.4. Причины образования различных стружек
- •5.9. Влияние угла сдвига на толщину стружки
- •5.5. Показатели деформации срезаемого слоя
- •5.5.1. Усадка
- •5.5.2. Относительный сдвиг
- •5.6 Прогнозирование вида и размеров стружки при резании металлов
- •5.7. Скорость деформации
- •5.7.1 Общие сведения
- •5.7.2 Оценка средней скорости пластической деформации при резании металлов
- •5.8. Исследование деформации срезаемого слоя методом координатных сеток
- •5.9. Зона стружкообразования
- •5.10. Влияние факторов процесса резания на деформацию срезаемого слоя
- •5.11. Внутреннее строение стружки
- •5.12 Определение угла текстуры стружки
- •5.13. Определение угла сдвига
- •5.14. Определение среднего коэффициента трения при резании металлов
- •5.15 Оценка предельного значения угла сдвига при резании материалов
- •6. Явления, сопутствующие процессу резания и влияющие на качество обработки
- •6.1. Общая характеристика
- •6.2. Нарост
- •6.3. Образование остаточных напряжений
- •6.4. Влияние остаточных напряжений на эксплуатационную прочность деталей машин
- •6.5. Измерение остаточных напряжений
- •6.6. Вибрации при резании металлов
- •6.7. Вибрационное резание
- •6.8. Деформационное упрочнение (наклёп)
- •7. Силы резания
- •7.1. Значение вопроса
- •7.2. Силы, действующие на лезвие проходного токарного резца
- •7.3. Эмпирические формулы для расчета сил резания
- •7.4. Удельное давление резания
- •7.5. Соотношение между составляющими силы резания
- •7.6. Экспериментальное исследование сил резания
- •7.6.1. Принцип измерения сил и типы динамометров
- •7.6.2. Методика проведения эксперимента
- •7.6.3. Обработка результатов измерения
- •7.7. Расчет сил, действующих на лезвие инструмента
- •7.7.1. Постановка вопроса
- •7.7.3. Расчет сил, действующих по задней поверхности лезвия
- •7.7.4. Теоретические формулы для расчета составляющих силы резания
- •7.7.5 Прогнозирование радиуса скругления режущей кромки инструмента
- •7.7.6. Расчет сил, действующих при косоугольном резании
- •7.7.7 Влияние угла наклона режущей кромки на главную составляющую силы резания
- •7.8. Определение расчетных нагрузок при проектировании элементов технологических систем
- •7.8.1. Общие положения
- •7.8.2. Расчет сил резания при обработке фрезами с прямыми зубьями
- •7.8.3. Расчет сил, действующих при обработке фрезами с винтовыми зубьями
- •7.8.4. Расчет сил, действующих при торцовом фрезеровании
- •7.8.5. Расчет сил, действующих при протягивании
- •7.8.6. Расчет сил, действующих при сверлении
- •8.3. Температура резания
- •8.4. Расчет температуры на контактных поверхностях лезвия режущего инструмента
- •8.4.1. Общие сведения
- •8.4.2. Понятие о температурном поле
- •8.4.3. Понятие о градиенте температуры
- •8.4.4. Основной закон теплопроводности
- •8.4.5. Дифференциальное уравнение теплопроводности
- •8.4.6. Условия однозначности при решении дифференциального уравнения теплопроводности
- •8.4.7. Схематизация формы и теплофизических характеристик тел, участвующих в теплообмене
- •8.4.8. Фундаментальное решение дифференциального уравнения теплопроводности
- •8.4.9. Описание формы тел и условий на граничных поверхностях с помощью системы отраженных источников
- •8.4.10. Конвективный теплообмен
- •8.4.10.1. Общие сведения
- •8.4.10.2. Теплоотдача при естественной конвекции
- •8.4.10.3. Теплоотдача при вынужденном движении жидкости или газа
- •8.4.10.4. Регулярный режим охлаждения
- •8.4.10.5. Теплообмен при изменении агрегатного состояния жидкости
- •8.4.10.6. Теплообмен при конденсации пара
- •8.4.10.7. Лучистый теплообмен
- •8.4.11. Расчет интенсивности источников тепла в зоне резания
- •Расчет средних температур на контактных площадках лезвия резца [25]
- •9. Износ и стойкость режущего инструмента
- •9.1. Природа и виды изнашивания режущего инструмента
- •9.2. Геометрия износа
- •9.3. Измерение износа инструмента
- •9.4. График износа инструмента. Понятие о стойкости инструмента и критерии его затупления
- •9.5. Зависимость стойкости от факторов процесса резания
- •9.6. Оптимальная стойкость инструмента
- •9.6.1. Постановка вопроса
- •9.6.2. Определение экономической стойкости
- •9.6.3. Определение стойкости, наибольшей производительности
- •9.7. Обрабатываемость резанием
- •9.8. Методы улучшения обрабатываемости материалов резанием
- •9.9. Прочность лезвия инструмента
- •9.9.1. Общие сведения
- •9.9.2. Хрупкое разрушение лезвия
- •9.9.3. Пластическое разрушение лезвия
- •10. Определение оптимального режима резания
- •10.1. Обоснование методики выбора элементов режима резания
- •10.2. Токарная обработка
- •10.2.1. Общие указания
- •10.2.2. Выбор геометрии режущей части
- •10.2.3. Глубина резания
- •10.2.4. Определение наибольшей технологически допустимой подачи
- •10.2.4.1. Определение подачи, допускаемой шероховатостью обработанной поверхности
- •10.2.4.2. Определение подачи из условия обеспечения заданной точности обработки
- •10.2.5. Выбор сечения стержня резца
- •10.2.6. Определение силы подачи
- •10.2.7. Определение скорости резания
- •10.2.8. Определение потребной мощности станка
- •10.2.9. Выбор станка
- •10.2.10. Определение параметров настройки токарного станка
- •10.3. Определение режима резания для многоинструментальной обработки
- •10.4. Фрезерование
- •10.4.1. Общие указания
- •10.4.2. Определение подачи
- •10.4.3. Определение скорости резания и выбор станка
- •10.5. Сверление
- •10.5.1. Общие рекомендации
- •10.5.2. Определение подачи
- •10.5.3. Определение скорости резания, мощности и силы подачи
- •10.6. Зенкерование и развертывание
- •10.6.1. Общие рекомендации
- •10.6.2. Определение подачи
- •10.6.3. Определение скорости резания, мощности станка и его настроечных данных
- •10.7. Шлифование
- •10.7.1. Общие рекомендации
- •10.7.2. Определение глубины резания
- •10.7.3. Выбор подачи
- •10.8. Нарезание резьбы
- •10.8.1. Общие указания
- •10.8.2. Нарезание резьбы резцами, плашками и винторезными головками
- •10.8.3. Нарезание резьбы гребенчатыми фрезами
- •10.8.4. Нарезание резьбы метчиками
- •10.9. Особенности обработки резанием пластмасс
- •Основные физико-механические свойства некоторых пластмасс
- •Рекомендуемые геометрические параметры режущего инструмента для обработки пластмасс резанием
- •Режимы резания при обработке пластмасс
- •11. Процессы физико-химической обработки
- •11.1. Общая характеристика физико-химических методов обработки (фхо)
- •11.2. Электроэрозионная обработка (ээо)
- •11.2.1. Общая характеристика ээо
- •11.2.2. Основные виды технологических процессов ээо
- •11.2.3. Оборудование для ээо
- •11.3. Электрохимическая обработка (эхо)
- •11.4. Ультразвуковая обработка материалов (узом)
- •11.5. Лучевая обработка
- •11.5.1. Лазерная обработка
- •11.5.2. Электронно-лучевая обработка
- •11.6 Комбинированные методы обработки (кмо)
- •Приложение
- •Библиографический список
- •Содержание
- •6. Явления, сопутствующие процессу резания и влияющие
- •Процессы механической и физико-химической обработки материалов
- •107077, Г. Москва, Стромынский пер., 4
6.6. Вибрации при резании металлов
При некоторых условиях процесс резания теряет устойчивость и сопровождается вибрацией. Вибрации при резании - колебания одного или нескольких элементов технологической системы (ТС). Вибрация - это вредное явление, так как сопровождается звуком, ухудшающим условия труда людей; приводит к выкрашиваниям и поломкам режущего инструмента, снижает его стойкость, снижает качество обработки, являясь причиной образования волнистости и шероховатости, повышает динамическую нагрузку станков и способствует их преждевременному износу и поломке.
По физической природе вибрации при резании металлов делятся на два типа: вынужденные колебания и автоколебания.
Вынужденные колебания возникают и происходят под действием вынуждающей периодической силы с частотой, равной частоте внешней вынуждающей силы. Причинами вынужденных колебаний являются:
неравномерность припуска;
прерывистый характер процесса резания, например при фрезеровании либо при обработке прерывистой обрабатываемой поверхности;
дисбаланс вращающихся деталей станка, приспособления, инструмента;
элементный характер образования стружки, когда сила резания изменяется от минимального до максимального значений при образовании каждого элемента стружки;
периодичность образования и разрушения нароста;
колебания в механизме привода станка, возникающие вследствие циклической погрешности изготовления зубчатых колес, плохом состоянием ременных передач и т.п.;
передача колебаний от рядом стоящего оборудования.
Для устранения передачи колебаний от рядом стоящего оборудования точные станки необходимо установить на индивидуальном фундаменте.
Причины вынужденных колебаний многообразны. Выше приведены далеко не все. Для исключения вынужденных колебаний надо устранить их причину. Если устранить причину вынужденных колебаний не представляется возможным, то необходимо режим резания выбрать так, чтобы собственная частота колебаний элементов ТС не была равна частоте возмущающей силы. В противном случае наступит резонанс, характеризующийся наибольшей амплитудой колебаний. Методику определения режима резания, исключающего резонанс, можно уяснить на следующем примере.
Пусть необходимо обточить вал на токарном станке. При определении оптимального числа оборотов n шпинделя станка необходимо учесть, что вследствие погрешности формы поперечного cечения вала и неточной установки его на станке при повороте на один оборот сила резания изменится от максимального до минимального значения, что явится вынуждающей силой. Частота ее определяется числом оборотов в минуту – n.
,
с-1.
Частота собственных колебаний обрабатываемого вала или стержня резца определяется по формуле
,
с-1,
где L - длина колеблющейся части вала или резца, мм;
E - модуль упругости материала вала или резца, кг/мм2;
m - погонная масса вала или резца;
С - коэффициент, зависящий от способа крепления детали: С=1,85 для крепления вала в патроне токарного станка или резца в суппорте; С = 3,14 для обработки вала в центрах, С = 5,4 при закреплении вала в патроне с задним центром или при обработке в патроне с помощью люнета;
J - центральный момент инерции сечения вала или резца.
Число оборотов шпинделя станка, при котором наступает нежелательное явление резонанса, определяется таким образом
,
об/мин.
Число оборотов необходимо выбирать таким, чтобы оно значительно отличалось от вычисленного значения.
Автоколебания - это вибрация, происходящая автоматически, когда внешняя вынуждающая периодическая сила отсутствует, а сила, создающая колебания, возникает в процессе колебания. При обработке резанием автоколебаниям обычно подвержены либо инструмент, либо обрабатываемая заготовка. Колебания заготовок происходят, как правило, с низкой частотой и сопровождаются звуками низкого тона. Колебания инструмента - это высокочастотные колебания, сопровождающиеся звуками высокого тона. По этим признакам можно определить доминирующую колебательную систему, колебания элементов которой являются более значительными по сравнению с колебаниями других элементов ТС.
Установлено, что частота автоколебаний равна собственной частоте доминирующей колебательной системы и зависит от ее жесткости и массы. Режим резания не оказывает влияния на частоту автоколебаний. Амплитуда автоколебаний зависит от факторов процесса резания: режима резания, геометрии инструмента, характеристик ТС. Она, как правило, тем больше, чем больше сила резания.
Движения в колебательном процессе могут быть разнообразными: происходить в одном, двух и трех направлениях, могут быть поступательными и вращательными. Например, вершина проходного токарного резца в режиме автоколебаний совершает движения как в радиальном, так и в тангенциальном направлениях, описывая траекторию в виде эллипса, большая ось которого близка к направлению скорости резания.
Автоколебания имеют сложную физическую природу, основу которой составляет механизм возбуждения.
Механизм возбуждения - это физическое явление, порождающее колебательное движение в ТС, т.е. первопричина автоколебаний. Установлено несколько физических явлений, порождающих колебания, основными из которых являются:
уменьшение силы трения при увеличении скорости скольжения;
отставание изменения силы резания от изменения толщины срезаемого слоя;
движение лезвия инструмента по волнообразной поверхности резания, образованной в результате автоколебаний.
Экспериментально доказано, если с увеличением скорости скольжения трущихся тел сила трения между ними уменьшается, то при благоприятных условиях такая зависимость между силой трения и скоростью обуславливает автоколебания. В этом нетрудно убедиться, выполнив эксперимент на модели, предложенной голландским ученым Ван-дер-Полем. Схема её показана на рис.6.17. Она состоит из барабанов 1 и 3, на которые натянуто полотно 2, груза 5, установленного на полотне и соединённого с неподвижной стенкой пружиной 4.
Если ведущему барабану 1 сообщить вращение с некоторой линейной скоростью, то полотно 2 за счет силы трения F переместит груз 5 в крайнее правое положение, в котором сила трения покоя и сила натяжения пружины Р будут равны - груз 5 остановится и возникнет скольжение. Если скорость скольжения будет больше V1 (см. рис.6.18), то сила трения уменьшится и груз 5 под действием силы натяжения пружины будет перемещаться по полотну влево до тех пор, пока уменьшающаяся сила трения не будет уравновешена уменьшающейся силой натяжения пружины. Груз 4 остановится, вследствие чего сила трения примет максимальное значение, полотно 2 снова переместит груз 5 в крайнее правое положение. Так будут происходить автоколебания груза 5.
|
Рис.6.17. Схема устройства модели Ван – дер – Поля для возбуждения автоколебаний |
Аналогичные элементы можно выделить в ТС: роль полотна выполняет стружка или вращающаяся обрабатываемая заготовка, груза - лезвие инструмента, пружины - упругие элементы ТС (см. рис.6.19).
|
|
Рис.6.18. График изменения силы трения в зависимости от скорости скольжения |
Рис.6.19. Элементы-аналоги модели Ван – дер – Поля при резании |
Экспериментально
установлено, что изменение силы резания
отстает по времени на некоторую величину
ТР
от изменения толщины срезаемого слоя.
Если зависимость между силой и толщиной
выразить формулой Р
= ка,
то дополнительное перемещение лезвия
в срезаемый припуск за счет колебания
на величину
приведет к увеличению силы резания. Но
лишь через некоторое время ТР
после
того как резец совершит перемещение в
колебательном процессе на величину
,
сила резания примет значение
.
Величина ТР
называется постоянной времени
стружкообразования и определяется
выражением
,
где С - постоянная величина, среднее значение которой равно 1,3.
Отставание изменения силы резания от изменения толщины срезаемого слоя во времени на величину ТР является одной из основных причин возникновения автоколебаний при резании.
Автоколебания приводят к образованию волнистости поверхности резания, что является источником возбуждения вторичных колебаний, усиливающим автоколебания в целом.
Чтобы возбудить автоколебания, необходимо вывести технологическую систему из состояния равновесия, подобно тому, как это происходит с маятником. Обработку резанием сопровождает множество явлений, выводящих ее из равновесия: неравномерность припуска, неоднородность материала, колебания и др., которые служат первоисточником автоколебаний. После этого вступает в действие механизм возбуждения и при благоприятных условиях, когда энергия, рассеиваемая в процессе колебаний посредством трения и преобразования ее в тепло, не превышает поступающую от источника энергию, происходят устойчивые колебания одного или нескольких элементов технологической системы. Определенно установлено, что факторы процесса резания могут оказывать влияние только на амплитуду автоколебаний. Факторы процесса резания, увеличивающие при своем изменении силу резания, увеличивают при этом и амплитуду автоколебаний. Так, увеличение глубины резания, прочности обрабатываемого материала, уменьшение переднего угла и угла в плане приводят к увеличению амплитуды.
Скорость резания оказывает неодинаковое влияние на амплитуду в разных интервалах ее изменения. Зависимость амплитуды от скорости (см. рис.6.20) имеет экстремальный характер. При скорости Vа амплитуда максимальна и тем больше, чем меньше передний угол. При скорости Vа обработку производить не рекомендуется. При этой скорости обработка сопровождается звуком наибольшей громкости.
Увеличение подачи приводит к уменьшению амплитуды автоколебаний. Это объясняется тем, что при этом возрастают размеры зоны стружкообразования и протяженность контакта стружки с лезвием инструмента, являющихся основными очагами рассеивания энергии колебаний посредством внутреннего и внешнего трения.
Как уже было сказано вначале, вибрация – автоколебания – вредное, нежелательное явление при обработке. Поэтому необходимо знать способы устранения или уменьшения ее. Основными из них являются следующие.
При проектировании станков, инструментов, приспособлений необходимо оптимизировать их динамические характеристики, обеспечив необходимую жесткость на основе динамических расчетов.
Выбор режима резания и геометрии заточки режущих инструментов необходимо производить с учетом виброустойчивости ТС.
Нередко целесообразно применять при обработке специальные устройства – виброгасители.
|
|
Рис.6.20. Влияние скорости резания (линии 1 и 2) и подачи (линия 3) на амплитуду автоколебаний: 1 – для γ1; 2 – для γ2 < γ1 |
Рис.6.21. Устройство виброгасителя
|
На рис.6.21 показан виброгаситель, изобретенный Д.И. Рыжковым, который устанавливается непосредственно на резец. Он состоит из винта 1, пружины 3 и втулки 4. Здесь имеется две колебательные системы: первая состоит из резца 2 и винта 1, вторая - из втулки 4 и пружины 3. Динамические характеристики первой нерегулируемые, второй регулируемые. Вращая винт 1, можно настроить вторую систему так, что частота её собственных колебаний будет отличаться от частоты собственных колебаний системы резец-винт, и шайба, ударяясь при начавшихся автоколебаниях резца в момент их возбуждения, будет препятствовать их продолжению.
Рис.6.22. Кольцо – виброгаситель
на расточной оправке
Виброгаситель, показанный на рис.6.22, представляет собой груз 1, свободно установленный на оправке 2 расточного станка. При начавшихся автоколебаниях оправки в момент возбуждения груз 1, ударяясь об оправку 2, будет препятствовать их продолжению.
