Тема 27. Основы учения о резании металлов, понятие о режимах резания.

Вопросы:

1. Понятие о процессе резания и образовании стружки.

2. Главное движение и движение подачи. Виды механической обработки резанием.

3. Понятие о режимах резания.

1. Большинство деталей машин заданных фор­мы, размеров и точности получают путем снятия струж­ки – обработкой резанием.

Процесс резания возможен только при непрерывном относительном взаимном перемещении обрабатываемой заготовки и лезвий режущего инструмента. Заготовки и режущие инструменты приводятся во взаимосогласо­ванные движения механизмами станков.

Резание металлов сопровождается сложной совокупностью раз­личных деформаций – смятия, сдвига, среза, сопровождающихся трением отделившейся стружки о переднюю поверхность резца и трением поверхности резания о заднюю поверхность резца.

Основы резания остаются постоянными независимо от того, каким инструментом (резцом, фрезой, сверлом) производится обра­ботка; изменяется лишь схема обработки.

На рис. 41, а приведена схема образования стружки при реза­нии. Резец 3, перемещаемый в направлении стрелки Б, передней поверхностью 2 сминает и скалывает частицы металла, лежащие выше плоскости ВА, причем образующаяся стружка 1 состоит из отдельных элементов: а, б, в, г, д…

Вначале инструмент режущей кромкой внедряется в массу заготовки около точки А; далее при своем движении инструмент передней поверхностью давит на верхний слой металла и отрыва­ет его от основной массы заготовки (рис. 41, б). При этом среза­емый слой претерпевает сложную пластическую деформацию и когда создавшиеся в этом слое напряжения превзойдут проч­ность металла, происходит относительный сдвиг частиц (скалы­вание) и образуется элемент стружки а (показан штриховой ли­нией). Далее части припуска последовательно переходят в стружки (б, в, г, д и т. д.).

Плоскость, в которой происходит скалывание элементов, назы­вается плоскостью скалывания, а угол, образованный этой пло­скостью и поверхностью резания, – углом скалывания. Величи­на угла скалывания зависит от свойств материала, геометрии инструмента, режима резания и колеблется в пределах от 145 до 155°. Внутри каждого элемента стружки наблюдаются плоскости скольжения, образующие текстуру стружки, как показано на эле­ментах а, б, в (рис. 41, а).

Рис. 41

Пластическая деформация распространяется также вглубь за­готовки на некоторую величину h (рис. 41, в), в результате чего возникает наклеп под обработанной поверхностью, образуются остаточные напряжения. Нагрев при резании также изменяет свой­ства срезаемого и поверхностного слоев заготовки.

Деформация металла срезаемого слоя заготовки увеличивается с увеличением его пластичности. Геометрия резца также влияет на усадку: усадка увеличивается с увеличением радиуса при вер­шине резца и уменьшается с увеличением углов φ и γ, а также с применением смазочно-охлаждающих жидкостей.

Коэффициент продольной усадки С, определяется из выражения:

ξ = L_о/L,

где L_о – путь резца по обработанной поверхности; L – длина стружки (см. рис. 41, в).

При обработке мягких углеродистых сталей, меди образуется сливная стружка (рис. 41, в), отдельные элементы которой явно не выражены; при этом ξ = 2…3. При обработке твердых сталей образуется стружка скалывания (рис. 41, а) с ξ = 1,5…1,8; при обработке чугунов и других хрупких металлов – стружка надло­ма (рис. 41, г), здесь ξ = 1,1…1,2.

Вследствие большого давления и высоких температур в зоне резания в определенных условиях на резце образуется нарост (рис. 42) из сильно деформирован­ных частиц металла заготовки, вре­менно застаивающихся на перед­ней поверхности резца.

Рис.42

Нарост увеличивается за счет новых на­слаивающихся частиц, пока не со­рвется и отойдет со стружкой (со стороны передней поверхности рез­ца) или будет увлечен заготовкой (со стороны задней поверхности резца). Наросты возникают хаотично (до 200 раз в секунду), час­тота образования их зависит от пластичности и вязкости обраба­тываемого металла, геометрии резца и скорости резания.

Образование наростов оказывает вредное влияние на процесс резания и качество обработки: увеличивает шероховатость обра­ботанной поверхности, снижает точность обработки, может вызы­вать вибрации системы станок–приспособление–инструмент–деталь. С увеличением скорости резания частота образования на­ростов уменьшается, а при скорости резания 50…70 м/мин и выше наросты не возникают.

2. В процессе обработки резанием различают рабочее движение двух видов: главное движение резания и дви­жение подачи.

Главное движение, имея наибольшую скорость, опре­деляет направление и скорость деформаций в материа­ле срезаемого слоя и тем самым направление схода стружки и ее форму. Поэтому скорость главного движе­ния является скоростью резания.

Движение подачи обе­спечивает проникновение лезвия инструмента в новые слои материала. Как главное движение, так и движение подачи может быть вращательным, поступательным (возвратно-поступательным), комбинацией этих двух; движений и сообщается как детали, так и инструменту.

В зависимости от характера выполняемых работ и вида режущего инструмента различают следующие ме­тоды обработки материалов резанием (рис.43): точение, сверление, фрезерование, строгание и шлифование.

Рис.43 Основные методы об­работки материалов резанием:

а – точение; б – сверление; в – фрезерование; г, д – строгание; е, ж – шлифование

Точение производится резцами, заготовке сообщается вращательное главное движение, а инструменту – по­ступательное движение – подача. При сверлении глав­ное (вращательное) движение и (поступательное дви­жение) подача сообщаются инструменту (сверлу).

При фрезеровании главное (вращательное) движение сооб­щается инструменту (фрезе), а (поступательное движе­ние) подача – заготовке. Резец при поперечном строга­нии совершает главное (возвратно-поступательное) движение, а заготовка (периодическое попереч­ное поступательное дви­жение) – подачу. При продольном строгании за­готовка совершает глав­ное (возвратно-поступа­тельное) движение, а ре­зец – подачу (прерыви­стое поперечное поступа­тельное движение).

При шлифовании главное движение всегда вращательное, осуществляется шлифовальным кругом. При круглом шлифовании заготовке сообщается вращательное движение (круговая подача) и одновре­менно осуществляется ее возвратно-поступательное дви­жение (продольная подача), а также радиальная подача круга (периодическое движение, перпендикулярное к оси заготовки). При плоском шлифовании круг совершает главное (вращательное) движение и периодические поперечную и радиальную подачи, а заготовка – возвратно-поступательное движение, продольную по­дачу.

3. Силы резания при точении. При резании на резец действуют силы давления срезаемого слоя и обрабатываемой заготовки, а также силы трения о резец сходящей стружки и поверхности резания заготовки.

При сложении этих сил образуется равнодействующая сила Р (см. рис. 44), которая в пространстве направлена по-разно­му в зависимости от геометрии резца, его установки, глубины реза­ния и подачи, свойств обрабатываемого материала и других факто­ров. В связи с этим силу Р трудно измерить; для удобства измере­ний и расчетов эту силу представляют разложенной в пространстве по системе прямоугольных координат на три составляющие: силу резания Р_z, силу подачи Р_х, радиальную силу Р_у.

Рис.44

Сила Р_z определяет крутящий момент на шпинделе, эффектив­ную мощность резания. По этой силе рассчитывают на прочность звенья привода шпинделя. Она определяется по формуле:

Р_z =C_pzt^XpzS^Уpz,

где С – коэффициент, зависящий от свойств обрабатываемого материала; х и у – соответственно показатели степеней при глу­бине резания и подаче. При обработке чугуна, стали, бронзы х ≈1, у ≈ 0,75.

Для более точных расчетов Р_z учитывают скорость резания, величину углов резца, материал его режущей части, наличие и вид охлаждающей жидкости и т. д. Сила Р_z измеряется в плоско­сти резания.

Сила Р_х измеряется в плоскости, параллельной основной, и на­правлена в сторону, обратную подаче; она используется для рас­четов на прочность звеньев цепи подачи станка.

Сила Р_у измеряется в той же плоскости, что и сила Р_х, и напра­влена перпендикулярно к силе Р_х. Силы Р_z, Р_х, и Р_у могут быть измерены инструментальными динамометрами или рассчитаны. Сила Р_х составляет 10…25 % от Р_z, а сила Р_у – 30…50 % от Р_z.

Определение рационального режима резания. Назначенный для обработки заготовки режим резания (глубина резания, подача, скорость) определяет основное технологическое время на ее обработку и соответственно производительность труда.

Работа резания переходит в тепло. Со стружкой уходит 80 % тепла и более, остальное распределяется между резцом, заготовкой окружающей средой. Под влиянием тепла изменяются структура и твердость поверхностных слоев резца и его режущая способность, изменяются также и свойства поверхностного слоя заготовки. Режимы резания для каждого случая могут быть рассчитаны по эмпирическим формулам с учетом свойств обрабатываемого материала, установленной нормативами стойкости резца, его геометрии и применяемого охлаждения, а также с учетом точностных параметров обработанной заготовки, особенностей станочного оборудования и оснастки.

Назначение режимов резания начинают с определения макси­мально допустимой глубины резания, затем определяют допус­тимую подачу и скорость резания.

Скорость резания υ – путь, пройденный в минуту точкой, лежа­щей на обрабатываемой поверхности относительно режущей кром­ки резца; ее определяют по формуле:

где υ_т – скорость резания при заданной стойкости, м/мин (стой­костью инструмента называют время его работы до переточки); C_υ – коэффициент, характеризующий обрабатываемый материал и нормальные условия его обработки; хυ и уυ – соответственно показатели степеней при глубине резания и подаче; К – коэффи­циент, учитывающий конкретные условия обработки (наружное, внутреннее или поперечное точение, вид инструментального мате­риала, охлаждение).

Такой расчет рационального режима трудоемок и применяет­ся на практике при внедрении новых инструментальных и кон­струкционных материалов. По расчетам, проверенным практи­кой, составляют нормативы по выбору режимов резания в виде таблиц.

Когда определена скорость резания v, можно определить часто­ту вращения шпинделя п (об/мин):

п = 1000υ/(πD),

что следует из формулы υ= πDn/1000, где D – диаметр заготов­ки, мм.

Мощность при точении. По рассчитанным силе резания и ско­рости резания определяют мощность, необходимую на резание:

N_p = Р_zυ/60.

Зная КПД станка η (коэффициент, учитывающий затраты мощ­ности на приведение в действие механизмов главного движения и движения подачи), можно определить мощность двигателя, Вт:

N_дв = N_р/η.