3.3 Физические основы процесса резания.

Элементами режима резания являются ско­рость резания, подача и глубина резания. Совокупность их значений принято называть режимом резания.

Скоростью резания v называют расстояние, пройденное точкой режущей кромки инструмента относительно заготовки в единицу времени. Скорость резания имеет размерность м/мин или м/с.

рис.11

Подачей S называют путь точки режущей кромки инструмента относительно заготовки в направлении движения подачи за один оборот (рис. 11) либо один ход заготовки или инструмента. Подача в зависимости от технологического метода обработки имеет различную размер­ность, например, для точения и сверления мм/об (один оборот заготовки при точении, при сверлении один оборот сверла).

Глубиной резания t называют расстояние между обрабатываемой и обработанной поверхностями заготовки, измеренное перпендику­лярно к последней (рис. 11). Измеряют глубину резания в мм.

К параметрам процесса резания относят основное (технологиче­ское) время обработки, время, затрачиваемое непосредственно на процесс изменения формы, размеров и шероховатости обрабатыва­емой поверхности заготовки.

Штучное время - это время изготовления одной детали.

Т_шт = Т_о + Т_в + Т_об + Т_{п ,} где Т_о - основное время обработки; Т_в - вспомога­тельное время, необходимое на установку и закрепление заготовки, на управление станком, на отвод и подвод режущего инструмента и т. п.; Т_об - время, затрачивае­мое на техническое и организационное обслуживание ра­бочего места; Т_п - время на личные потребности рабо­чего (время регламентированных перерывов, отнесенное к одной заготовке).

Отделение поверхностных слоев материала происходит с образованием стружки.

рис.12

Резец под действием силы Р внед­ряется в металл (рис. 12) и в сре­заемом слое возникают уп­ругие деформации, затем пластические и постепенно увеличиваются напряжения сжатия. В мо­мент, когда пластические деформации дойдут до предела, а напряжения превзойдут предел прочности металла, происходит отделение (скалывание) элемента стружки от основного металла по плоскости АВ (плоскость скалывания). Направление плоскости скалывания несколько изменяется с изменением условий резания, и главным образом с изменением угла резания δ. При дальнейшем движении резца таким же образом отделяются второй и последующие элементы стружки (1,2,3…).

рис.13

Если в ре­зультате этого разрушения каждый элемент полностью отде­ляется от следующего, то такая стружка называется элементной (рис. 13-в). Если начавшееся разрушение не приводит к полному разделению соседних элементов и они остаются связанными между собой, то получается стружка скалывания (рис. 13-б). Если происходящее в плоскости скалывания разрушение между элементами незаметно и видна только шероховатость, вызванная смещениями по плоскостям скольжения внутри эле­мента, то такая стружка называется сливной (рис. 13-а).

Надо сказать, что принципиальных различий между тремя видами стружки нет. Изменяя условия и режим резания, можно получить различные виды стружек. Например, при резании меди обычно образуется сливная стружка, а при глубоком ох­лаждении - стружка надлома, при резании твердых и хрупких материалов с подогревом - стружка скалыва­ния. По мере увеличения скорости резания большинства углеродистых и легированных конструкционных сталей стружка скалывания превращается в сливную. Повыше­ние скорости резания при обработке хрупких материалов также приводит к упрочнению связей между отдельными элементами. Однако это сцепление легко нарушается и стружка, имевшая вид сливной, рассыпается на отдель­ные кусочки.

Процесс снятия стружки резцом происходит в результате взаимодействия режущего клина с деталью. Это взаимодействие можно оценить через силу резания, действующую со стороны изделия на рабочей части режущего лезвия инстру­мента. Направление вектора силы совпадает с вектором скорости резания v. При этом принято данную силу раскладывать на три со­ставляющие Р_х, Р_у, Р_z (рис. 14), направленным по осям, указан­ным на рисунке.

рис.14

Р_z определяет крутящий мо­мент на выходном валу (шпинделе) станка,

Р_у - степень отжатия резца и за­готовки друг от друга в процессе резания, Р_х - ве­личину сопротивления подачи резца.

Равнодействующая сил Р_х, Р_у, Р_z определится как: .

Значения сил Р_х, Р_у, Р_z определяют по эмпирическим формулам.

Тепловыделение при обработке резанием происходит в результате упругопластического деформи­рования в зоне стружкообразования, трения стружки о переднюю поверхность инструмента, трения задних поверхностей инструмента о по­верхность резания и обработанную поверхность заготовки. Практически вся механическая энергия переходит в тепловую. Теплота распределяется между стружкой, заготовкой, режущим инструментом. Часть теплоты отводится в окружающую среду (теплота лучеиспускания).

В зависимости от технологического метода и условий обработки стружкой отводится 25 - 85 % всей выделившейся теплоты; заготов­кой 10 - 50 %; инструментом 2 - 8 %. Количественное распределение теплоты главным образом зависит от скорости резания.

Под влиянием высоких давлений и температур частицы обрабатывае­мого материала задерживаются на передней поверхности лезвия, прочно сцепляются с ней, образуя нарост (рис. 15).

рис.15

Вслед­ствие значительных деформаций твердость нароста ста­новится в 2 - 3 раза больше твердости обрабатываемого материала и нарост сам начинает резать металл, являясь как бы новым элементом режущего лезвия, принимая на себя основную тепловую нагрузку (уменьшает нагрев режущего лезвия), защищает режу­щую кромку инструмента от истирания сходящей струж­кой. Нарост изменяет форму передней по­верхности резца: увеличивается передний угол γ, что облегчает процесс стружкообразования; увеличивается радиус округления лезвия и это негативно отражается на процессе резания.

В процессе обработки резанием нарост, постепенно фор­мируясь, достигает максимального значения. Затем за счет сил трения он может быть унесен со стружкой или вдавлен в обработанную поверхность. Частота срывов нароста зависит от скорости резания и достигает несколь­ких сотен в секунду. Нестабильность нароста по высоте приводит к существенному увеличению шероховатости обработанной поверхности, изменяет ее размер и при оп­ределенных условиях вызывает интенсивные вибрации резца. Нарост является положительным явлением при черновой обработке и отрицательным - при чистовой, так как снижает качество обработанной поверхности.

Наростообразование зависит от физико-механических свойств обрабатываемого материала, режима резания, геометрических параметров инструментов, наличия и состава применяемого СОЖ … .

Поверхностный слой детали после обработки резанием можно разделить на три зоны (рис. 16): I - зона разрушенной струк­туры с измельченными зернами, резкими искажениями кристал­лической решетки и большим количеством микротрещин; II - зона наклепанного металла; III - основной металл.

рис.16

Упрочнение (наклеп) поверхностного слоя является результатом упругой и пластической деформации мате­риала обрабатываемой заготовки.

Деформация происходящая в зоне резания распространяется и в глубь металла, что является одной из причин наклёпа обработанной поверхности.

Другая причина в радиусе скругления режущей кромки ρ (рис. 17) который при обычных методах заточки примерно 0,02 мм. В стружку переходит часть срезаемого слоя металла, лежащая выше линии CD. Слой металла, соизмеримый с радиусом ρ и лежащий между линиями АВ и CD упругопластически деформируется. После перемещения резца относительно обработанной поверх­ности происходит упругое восстановление поверхностного дефор­мированного слоя на величину

h_y - упругое после­действие. В результате образуется контактная площадка шириной Н между обработанной поверхностью и задней по­верхностью резца. Возникают силы нормального давления N и трения F, которые также деформируют обработанную поверхность.

рис.17

Упрочнение металла обработанной поверхности про­является в повышении ее прочностных характеристик. Твердость ме­талла обработанной поверхности после обработки резанием может увеличиться в ~2 раза.

Упругопластическое деформирование металла приводит к воз­никновению в поверхностном слое заготовки остаточных напряже­ний, растяжения или сжатия. Напряжения растяжения снижают сопротивление усталости металла заготовки, так как приводят к по­явлению микротрещин в поверхностном слое, развитие которых ускоряется действием корродирующей среды. Напряжения сжатия, напротив, повышают сопротивление усталости деталей.

В зависимости от физико-механических свойств металла обрабатываемой заготовки и режима резания глубина наклепанного слоя составляет несколько миллиметров при черновой обработке и сотые и тысячные доли миллиметра при чистовой обработке. Пла­стичные металлы подвергаются большему упрочнению, чем твердые.

Изнашивание ин­струмента при резании происходит в результате трения стружки о переднюю поверхность лезвия инструмента и задних поверхностей лезвия о поверхности заготовки. Механизм изнашивания инстру­мента очень сложен. Рассмотрим основные виды износа.

Абразивное изнашивание происходит в результате цара­пания и истирания отдельных участков поверхностей инструмента твердыми включениями (карбиды, нитриды…), находящимися в об­рабатываемом материале. Контактные поверхности ин­струмента могут царапать также частицы периодически разрушающегося нароста, литейные корки, окалины.

Адгезионное изнашивание происходит в результате действия сил молекулярного сцепления (в виде сваривания) поверхностных слоев режущего инструмента с обрабатываемым материалом, чему способствуют высокая температура и большое давление. Частицы мате­риала вырываются с поверхности инструмента и уносятся со стружкой.

Диффузионное изнашивание происходит в результате взаимного диффузионного растворения металла инструмента и заготовки.

Окислительное изнашивание происходит в связи с кор­розией поверхностных слоёв инструмента (образование оксидов и растравлива­ние зерен).

Удель­ный вес каждого из этих видов изнашивания зависит от свойств контактирующих материалов и условий взаимо­действия (прежде всего от скорости резания).

В зависимости от условий обработки и свойств материала может преобладать износ по передней или по задней поверхностям.

рис.18

За критерий затупления инструмента часто принимают допустимую высоту площадки износа по задней поверхности h_з (рис. 18).

рис.19

При рассмотрении процесса образования площадки износа (рис. 19) на задней поверхности резца (размер h_з) можно установить следующее. В начале работы поверхности инст­румента прирабатывается, происходит истирание выступающих частиц поверхности инструмента (I - зона начального износа). Постепенно величина износа достигает опре­деленного значения, допустимого без ухудшения чистоты и точности обработки (II - зона нормального износа). Дальнейшая работа приводит к резкому возрастанию износа по задней и передней поверхностям и разрушению режущего лезвия (III - зона «катастрофичес­кого» износа). Если не допускать работу инструмента в зоне III, то срок его службы значительно увеличится.

Время работы резца до допустимой величины износа, определяемой критерием затупления, называется периодом стойкости Т (измеряется, как правило в минутах).

При чистовой обработке установлен так называемый технологический критерий затупления. Инструмент счи­тают изношенным, когда шероховатость обработанной поверхности и точность ее размеров перестают отвечать заданным техническим условиям.

При механообработке применяют смазочно-охлаждающие среды (СОС).

Наибольшее применение получили жидкие среды (СОЖ): эмульсии; мыльные растворы; масла; масла с добавлением фосфора и серы; керосин и др. Применение смазочно-охлаждающей жидкости оказывает благоприятное действие на процесс резания ме­таллов, значительно уменьшает изнашивание режущего инструмента, повышает качество обработанной поверхности и снижает затраты энергии. Смазочно-охлаждающие жид­кости уменьшают коэффициент внешнего трения (смазываю­щее действие), облегчают процесс пластических деформаций и тем уменьшают потребляемую мощность (молекулы по­верхностно-активного вещества, проникая в микротрещины, производят расклинивающее действие) и снижают нагрев в зоне резания (охлаждающее действие). Применение смазочно-охлаждающих жидкостей препятствует также обра­зованию нароста у режущей кромки инструмента и способ­ствует удалению стружки и абразивных частиц из зоны резания.

Кроме того, в качестве СОС используют и газообразные среды - СО₂, ССl₄; N₂; пары поверхно­стно-активных веществ; распыленные жидкости и пены; твердые среды - порошки парафина, битума и мыльные порошки.