Геометрические и кинематические параметры процесса резания
1.1. Терминология, основные понятия и определения
Рассмотрим процесс резания материалов на примере токарной обработки тел вращения (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Кинематика движений при точении:
1 - обрабатываемая поверхность; 2 – поверхность резания; 3 - обработанная поверхность; n - главное движение резания; S - движение подачи (продольное и поперечное).
На обрабатываемой заготовке при снятии с нее слоя металла (припуска) различают следующие поверхности: 1- обрабатываемая поверхность, с которой снимается припуск; 2 - поверхность резания, образуемая на обрабатываемой заготовке режущим лезвием резца; 3 - обработанная поверхность, вновь создаваемая на заготовке в результате снятия припуска.
Для создания той или иной поверхности при точении необходимо осуществить относительные движения заготовки и инструмента.
РАБОЧИМИ ДВИЖЕНИЯМИ узлов и частей станка называют движения, в результате которых происходит удаление припуска с заготовки.
Рабочие движения подразделяют на главные (основные) и вспомогательные (холостые).
ГЛАВНЫМ (ОСНОВНЫМ) называется движение во время которого происходит отделение слоя металла от заготовки. Скорость этого движения больше скорости остальных рабочих движений. При точении главным является вращение заготовки с угловой скоростью n (об/мин).
ВСПОМОГАТЕЛЬНЫМИ (ХОЛОСТЫМИ) называются перемещения, в результате которых происходит формообразование обработанной поверхности. Это движения продольной и поперечной подачи Sпрод. и Sпопер (мм/об).
Холостыми (условно-вспомогательными) называются движения, которые обеспечивают подготовку к реализации процесса резания - установку и закрепление заготовки, подвод и отвод инструмента, включения узлов станка.
Скоростью резания V называется геометрическая сумма скоростей главного и вспомогательного движений, м/мин:
, (1.1)
где: Vгл – скорость главного движения, м/мин; Vвсп – скорость вспомогательного движения, м/мин.
Поскольку Vгл >> Vвсп, в практических расчетах скорость резания определяют соотношением:
, (1.2)
где: d1 - диаметр заготовки; мм
Расстояние между обрабатываемой и обработанной поверхностями называется припуском на обработку. Часть припуска, удаляемую в течение одного прохода, называют глубиной резания t, мм.
При точении (рис. 1.1):
(1.3)
Комбинация скорости резания V, подачи S и глубины резания t при прочих равных условиях характеризует принятый режим резания и оказывает существенное влияние на все параметры процесса механической обработки. Параметры V, S, t – называют режимами резания.
Термодинамически открытая система, включающая в себя стружку, инструмент, деталь, (СИД), называется системой резания. Эта система обменивается с внешней средой не только энергией, но и веществом.
Состояние системы СИД в каждый момент времени определяют следующие независимые факторы (параметры входа):
скорость резания, V м/мин, м/с;
подача, S мм/об, мм/мин, мм ;
глубина резания, t;
твердость или отношение твердостей материалов Н1/Н2;
добротность или отношение добротностей контактирующих материалов Q1/Q2;
параметры структурного состояния , Uст, Uдин;
геометрия инструмента;
условия охлаждения.
Входные параметры системы СИД - это факторы, которые определяют работоспособность режущего инструмента:
Износ или скорость износа рабочих поверхностей инструмента.
Температура и закономерности ее распределения в узлах системы СИД.
Силы резания и мощность.
Уровень и характеристики спектра вибраций, АЭ.
Характеристики процесса образования стружки: степень деформации, скорость деформации, толщина элементов сдвига, прочностные характеристики стружки.
Качество обработанной поверхности.
Таким образом, общая модель (математическая) системы резания должна связывать терминальные параметры выхода с комбинациями одновременно действующих на входе независимых параметров.
При изучении вопросов износа инструмента употребляются специальные понятия и определения, согласно ГОСТ 16429 - 90.
ИЗНАШИВАНИЕ - процесс постепенного изменения размеров тела, при трении, проявляющийся в отделении с поверхности трения материала и (или) в его остаточной деформации.
ИЗНОС - результат изнашивания, проявляющийся в виде отделения и (или) остаточной деформации материала.
ПРОДУКТЫ изнашивания - частицы материала, отделяющиеся в процессе изнашивания.
СКОРОСТЬ ИЗНАШИВАНИЯ - отношение величины износа ко времени, в течение которого он возник.
ИНТЕНСИВНОСТЬ ИЗНАШИВАНИЯ - отношение величины износа к обусловленному пути, на котором происходило изнашивание, или объему выполненной работы.
ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ - способность материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях трения, оцениваемая величиной, обратной скорости или интенсивности изнашивания.
ОТНОСИТЕЛЬНАЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ - отношение износостойкостей испытуемого материала, принятого за эталон, при их изнашивании в одинаковых условиях.
Эксплуатационные свойства инструмента характеризуются его способностью сопротивляться износу при заданных условиях эксплуатации. К ним относятся: формоустойчивость, теплостойкость, контактная прочность и твердость.
Наиболее распространенной технологической характеристикой считают износостойкость, т. е. способность режущего инструмента сохранять форму и размеры в течение определенного промежутка времени, называемого периодом стойкости (Т). Основным критерием наступления критического износа является недопустимое отступление от требований по качеству обработки поверхности заготовки (размеров, шероховатости, отклонений формы и взаимного расположения поверхностей и т.д.)
Для удовлетворения потребности машиностроения, металлообработки и других отраслей в металлорежущем инструменте необходимо: увеличить темпы его выпуска, значительно повысить его качество, улучшить его эксплуатацию. Повышение качества металлорежущих инструментов является основным средством, способствующим наиболее полному удовлетворению потребностей в режущем инструменте.
Качество металлорежущего инструмента зависит от его конструкции, материала и технологии производства. Основополагающими технологическими направлениями развития инструментального производства являются приближение формы заготовки к форме готового изделия, за счет применения специального профиля проката, биметаллических заготовок, использования методов пластического деформирования и порошковой металлургии, автоматизации технологических процессов, применения автоматизированных загрузочных устройств, манипуляторов, роботов, специальных станков, автоматических линий и станков с ЧПУ, концентрации и совмещения операции, применения высокоэффективной оснастки и групповой технологии, использования новых высокоэффективных смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) и смазочно-охлаждающих технологических сред (СОТС) с подводами их непосредственно в зону резания, применения синтетических сверхтвердых материалов, новейших методов термической и термохимической обработки, износостойких покрытий, расширение области применения электрофизических и электрохимических методов обработки.
Перспективным является комплексное развитие инструментального производства на базе углубления отраслевой и межотраслевой специализации. Расширение масштабов выпуска инструмента, концентрация его производства, создает предпосылки для освоения качественно новых прогрессивных технологических процессов.