Глава 5 Влияние условий резания на качество поверхностного слоя обработанной детали 286

5.1. Понятие о поверхностном слое, возникающем при резании 286

5.2. Основные параметры, определяющие качество поверхностного слоя 287

5.2.1. Шероховатость обработанной поверхности 287

5.2.2. Наклеп поверхностного слоя при резании металлов 289

5.2.3. Остаточные поверхностные напряжения 292

5.3. Зависимость параметров качества поверхностного слоя от условий обработки 297

5.3.1. Влияние условий обработки на шероховатость поверхности 297

5.3.2. Влияние условий обработки на наклеп поверхности 302

5.3.3. Влияние условий обработки на остаточные напряжения 306

5.4. Влияние качества поверхностного слоя на эксплуатационные свойства деталей 309

5.5. Особенности образования поверхности при чистовой лезвийной и абразивной обработке 311

5.5.1. Понятие об абразивном инструменте. Характеристики абразивного инструмента 311

5.5.2. Виды шлифования. Элементы режима резания при круглом наружном шлифовании 320

5.5.3. Физическая сущность процесса шлифования, особенности образования поверхностного слоя 323

5.5.4. Силы резания при шлифовании 326

5.5.5. Износ и стойкость абразивного инструмента 327

5.5.6. Назначение режимов резания при шлифовании 328

5.6. Контрольные вопросы и задания 329

Глава 6 Оптимизация процесса резания 330

6.1. Понятие об обрабатываемости материалов резанием 330

6.1.1. Основные параметры обрабатываемости 330

6.1.2. Выбор рациональных скоростей резания 334

6.1.3. Способы определения обрабатываемости 338

6.1.4. Методы улучшения обрабатываемости 344

6.1.5. Особенности обрабатываемости резанием различных материалов 347

6.2. Выбор и назначение оптимальных параметров режущего инструмента 374

6.3. Назначение оптимальных режимов резания различными методами 375

6.3.1. Табличный метод 375

6.3.2. Аналитический расчет оптимальных режимов резания 376

6.4. Контрольные вопросы и задания 378

Глава 7 Современные направления развития науки и практики обработки материалов резанием 379

7.1. Адаптивное управление процессом резания 379

7.2. Развитие высокоскоростного резания 380

7.3. Новые принципы резания в условиях гибкого производства 381

7.4. Гидроабразивная резка материалов 386

7.5. Контрольные вопросы и задания 392

Список литературы 393

Введение

Резание материалов – это наука, имеющая свою сложную теорию и широкое практическое применение в промышленности. Процессом резания материалов называется процесс срезания с заготовки заданного припуска материала в виде стружки с целью получения из заготовки детали необходимых формы, размеров и требуемого качества. Несмотря на значительное развитие способов формообразования без снятия стружки, таких как литье, ковка, штамповка, прессование, в начале XXI века обработка материалов резанием остается основным способом изготовления точных деталей машин и механизмов в силу таких своих существенных преимуществ перед другими видами обработки, как универсальность, гибкость, малая энергоемкость, простота эксплуатации, технологическая маневренность, высокая производительность, возможность обработки деталей любой формы и размеров с высокой точностью и качеством, обеспечивающим стабильные эксплуатационные параметры машин. Эти преимущества процесса резания сегодня еще больше возросли в машиностроении в связи с переходом от прежнего массового производства машин и механизмов на производство современных конкурентноспособных машин небольшими сериями, партиями с использованием современных станков с числовым программным управлением (ЧПУ) и гибких быстропереналаживаемых обрабатывающих центров.

За прошедшее столетие в области науки о резании металлов выполнено огромное количество научных исследований, установлены основные закономерности процесса резания, разработаны высокоэффективные инструментальные материалы, создано современное высокопроизводительное компьютеризированное оборудование.

Дальнейшее развитие науки о резании связано с решением проблем обработки деталей новых высокоэффективных конкурентоспособных на внутреннем и внешнем рынках машин и механизмов, имеющих более высокие эксплуатационные параметры и изготавливаемых из новых более труднообрабатываемых материалов. Сегодня это, например, наиболее актуально для предприятий авиационно- космического профиля Пермского края при изготовлении такого особого класса сложнейших машин и механизмов, как газотурбинные двигатели (ГТД) для авиации, наземных энергетических и газоперекачивающих установок, двигатели первой ступени ракеты «Протон», артиллерийские и ракетные установки и др. Появление новых обрабатываемых материалов, повышение точности размеров, обеспечение более низкой шероховатости, снижение себестоимости обработки деталей ставит перед специалистами машиностроительного производства все новые и более сложные задачи.

Процесс срезания припуска осуществляется при помощи специальных режущих инструментов, имеющих в поперечном сечении форму клина. Форма клина для режущего инструмента изобретена еще древним человеком много сотен лет назад. Первоначально это были деревянные и каменные инструменты в виде ножей и топоров, а позднее появились и металлические инструменты. Форма клина для любого режущего инструмента изобретена древним человеком неслучайно. Сегодня мы можем объяснить наличие клина на режущих инструментах с физической точки зрения. Например, при колке дров применяют режущий инструмент – топор или колун, имеющий форму клина в поперечном сечении. В ходе колки мы можем проследить последовательно несколько процессов. Сначала режущая кромка топора упруго деформирует деревянный материал. Происходит упругая деформация. Затем наступает пластическая деформация материала со следами врезания топора, а затем под действием клина происходит разрыв межмолекулярных связей обрабатываемого материала. Образуется трещина, и чурка раскалывается на два полена. Наличие наклонных поверхностей клина на топоре и создает силу разрыва межмолекулярных связей и разрушение материала. Эти явления мы можем наблюдать и при резке других материалов в бытовых условиях и, конечно, при обработке заготовок деталей машин на металлорежущих станках. Здесь с обрабатываемой поверхности заготовки последовательно срезаются тонкие слои материала, называемые стружкой, с целью получения детали необходимой формы и размеров.

В процессе механической обработки деталей помимо видоизменения формы и размеров заготовки происходит формирование особых свойств поверхностного слоя, его макро- и микроструктуры, что непосредственным образом влияет на усталостную прочность, долговечность деталей и, в конечном счете, на надежность и ресурс работы изготавливаемого изделия. Окончательное формирование основных параметров качества поверхностного слоя и усталостной прочности деталей машин происходит на чистовых финишных операциях механической обработки, с которыми студенты познакомятся в данном учебном пособии.

Наука о резании материалов – относительно молодая наука. Первые теоретические работы в этой области знаний появились в конце XIX века в России. Ранее в различных странах Европы и США проводились лишь отдельные чисто экспериментальные работы без объяснения физического смысла процесса резания. Основоположником научного направления в резании материалов является русский профессор Санкт-Петербургского горного института Иван Августович Тиме (1838–1920). В 1870 году он опубликовал монографию «Сопротивление металла и дерева резанию». В ней он впервые показал, что без детального изучения физических основ резания невозможно организовать рациональную и научно обоснованную механическую обработку. Он впервые исследовал характер деформации срезаемого слоя, установил классификацию типов стружек, разработал методы измерения сил резания и предложил формулы для их вычисления. Аналогичные результаты были опубликованы в Англии спустя 55 лет. Исследования И.А. Тиме продолжил профессор Харьковского технологического института К.А. Зворыкин (1861–1928). Он в 1893 году опубликовал книгу «Работа и усилие, необходимое для отделения металлических стружек при резании», где представил разработанные конструкции динамометра для определения сил резания, а также вывел формулу для их расчета с учетом сил трения на передней и задней поверхностях инструмента. Необходимо отметить, что лишь спустя 50 лет аналогичную теорию опубликовал профессор из США М.Е. Мерчант, «забыв» сослаться на труды К.А. Зворыкина.

В 1896 году вышла книга профессора Михайловской артиллерийской академии А.А. Брикса (1865–1900) «Резание металлов», в которой анализируются предшествующие исследования стружкообразования, делается попытка обобщить их и систематизировать идеи предшественников. А.А. Брикс ввел более точные формулировки понятий и явлений процесса резания, терминологии режущего инструмента.

Профессор Я.Г. Усачев (1873–1941) в 1912–1915 годах в книге «Явления, происходящие при резании металлов» представил результаты выдающихся исследований в области резания, опередившие аналогичные результаты ученых из Германии и США на 30–50 лет. Впервые для изучения процесса стружкообразования Я.Г. Усачев применил металлографический метод вместо ранее применявшегося визуального метода. Это позволило разработать весьма достоверную теорию наростообразования. Особенно ценными являются работы в области теплообразования. Новый калометрический метод и использование искусственных термопар позволили экспериментально установить влияние режимов резания на величину температуры резания. Впервые появилась возможность управления процессом стружкообразования, силами резания, шероховатостью поверхности деталей машин. Эти результаты сегодня подтверждаются с помощью компьютерного моделирования тепловых процессов различными учеными у нас в стране и за рубежом.

В этот же период проводились многочисленные стойкостные эксперименты под руководством американского исследователя Ф.У. Тейлора. В 1906 году вышла его книга «Искусство обработки металлов», представляющая собой статистический набор данных по стойкости режущих инструментов для различных обрабатываемых материалов. В книге отрицалось теоретическое изучение процесса резания, а пропагандировалось лишь искусство мастера, создание банка данных, справочников и каталогов без объяснения физической природы явлений при резании. Сегодня это опытно-статистическое направление широко распространено за рубежом. Технологу выдается каталог с режимами резания, а дальше он должен заниматься доводкой режимов самостоятельно. Если возникают проблемы, то технологу нужно обращаться за отдельную плату на фирму, производящую станок или инструмент и выпускающую соответствующие каталоги. Несмотря на относительное удобство пользования каталогами, они не могут учесть все многообразие условий обработки, не могут учесть появление десятков новых обрабатываемых и инструментальных материалов, выбрать наиболее оптимальные режимы резания. Этих недостатков тейлоровской теории были лишены раз­работки наших ученых. Усилиями И.А. Тиме, К.А. Зво­рыкина и Я.Г. Усачева была создана отечественная школа резания материалов, намного обогнавшая зарубежные исследования в этой области.

Бурное развитие машиностроения в России в 20–30-х годах привело к созданию и открытию в России новых лабораторий резания на заводах, в отраслевых НИИ и в учебных заведениях. В 1936 году при техническом совете Наркомтяжпрома была создана комиссия по резанию металлов под председательством Е.П. Надеинской. Эта комиссия привлекла к научно-исследовательской работе лаборатории резания более 30 вузов, НИИ и заводов. За пять лет работы было выполнено более 300 исследований силовых и стойкостных зависимостей по единой методике. Это позволило значительно усовершенствовать существующие нормативы и почти на порядок увеличить производительность механообработки в годы Великой Отечественной войны.

Такого размаха исследовательской работы в области резания металлов не имела ни одна страна в мире. Накопленный фактический материал одновременно явился источником для дальнейших теоретических обобщений. В результате появился ряд работ большого научного значения, а их авторы заложили основы современной науки резания материалов: И.И. Семенченко (металлорежущий инструмент); А.И. Каширин (вибрации при резании); Г.И. Грановский (кинематика резания); Т.Н. Лоладзе (износ инструмента); В.А. Кривоухов, А.И. Исаев (качество поверхностного слоя); Н.Н. Зорев, М.И. Клушин (механика процессов резания); А.М. Даниелян, А.Н. Резников, А.Д. Макаров, С.С. Силин (теплофизика резания); А.А. Маталин, А.М. Сулима, В.Ф. Безъязычный, А.Г. Суслов (влияние качества обработки на эксплуатационные свойства изделий) и др. Таким образом, трудами российских ученых создана современная передовая отечественная школа резания металлов, получившая мировое признание. Ее характеризует глубокое проникновение в суть физических явлений и использование установленных закономерностей на практике.

Сегодня исследования процесса резания продолжаются в связи с появлением новых обрабатываемых материалов и новых изделий, широким применением вычислительной техники, созданием нового оборудования с ЧПУ, возможностью виртуального моделирования процесса резания, создания диагностических систем слежения за процессом резания, резким увеличением скоростей резания, применения новых конструкций режущих инструментов, инструментальных материалов с новыми видами покрытий и т.д. Дальнейшее развитие фундаментальных основ науки о резании материалов связано с широким применением ЭВМ и микропроцессорной техники и автоматизацией промышленного производства.

Автор данного учебного пособия по дисциплине «Резание материалов» считает необходимым дать студентам технических вузов современные профессиональные знания о физической сущности и основных теоретических закономерностях и технических особенностях процесса обработки материалов резанием, чтобы затем успешно решать любые проблемы на производстве.

Эти знания необходимы будущему специалисту – технологу, мастеру, конструктору машиностроительного предприятия – для технически грамотного назначения режимов резания, геометрии инструмента, связывающе-охлаждающих технологических средств (СОТС) с целью обеспечения высокой производительности труда, выполнения требований по точности и качеству изготовления деталей, снижения затрат и себестоимости при выполнении различных технологических операций механической обработки.

В учебном пособии представлен как классический теоретический материал, основанный на разработках основоположников теории резания материалов, так и теоретические и практические материалы современных авторов, в том числе и материалы исследований автора.

К задачам изучения дисциплины «Резание материалов» относятся понимание и освоение основных закономерностей теории резания, физических явлений, происходящих в процессе резания – кинематики, динамики, теплофизики процесса резания, изнашивания и стойкости режущих инструментов, формирования качества поверхностного слоя. В учебном пособии предоставлена возможность понять особенности влияния технологических условий обработки материалов на формирование качества поверхностного слоя и эксплуатационные характеристики обрабатываемых деталей машин; понять сущность оптимизации и управления процессом резания; научиться выбирать рациональные режимы резания и режущий инструмент; получить знания о современных методах проектирования и применения процессов резания, об эффективном использовании природных ресурсов, материалов и энергии, о разработке и использовании методических, справочных и нормативных материалов, технической документации.

Предметом изучения дисциплины являются следующие объекты: конструктивные элементы режущих инструментов, инструментальные материалы, кинематика и динамика процесса резания, стружкообразование и тепловые явления при резании, износ и стойкость режущих инструментов, моделирование и оптимизация процессов резания, назначение рациональных режимов резания, качество поверхностного слоя обрабатываемых деталей, современные направления развития теории и практики процесса резания.

Дисциплина «Резание материалов» относится к циклу спе­циальных дисциплин и федеральному компоненту рабочего учебного плана. Она взаимосвязана с такими специальными дисциплинами, как «Проектирование металлорежущего инструмента», «Метало­режущие станки», «Технология машиностроения», «Проектирование   приспособлений», «Автоматизация производственных процессов» и др.

В результате изучения дисциплины студент должен:

• иметь представление о сущности процесса резания, о закономерностях и взаимосвязях физических явлений, происходящих в зоне резания;

• знать общие закономерности превращения срезаемого слоя в стружку, физические основы износа и прочности режущего инструмента, сущность силового воздействия на процесс резания; тепловые явления на контактных поверхностях режущей части инструмента и заготовки; основы выбора оптимальных параметров режима резания и их влияние на производительность обработки, обрабатываемость материалов, качество обработанной поверхности, точность размеров обрабатываемой поверхности деталей;

• уметь назначать рациональные режимы резания различными способами, выбирать инструментальные материалы и геометрию режущего инструмента, определять силу и мощность резания, пользоваться нормативными справочниками, стандартами и инструкциями, выбирать СОТС для конкретных условий обработки резанием;

• уметь выполнять необходимые измерения геометрии режущего инструмента, проводить контроль геометрии обработанных деталей, измерения и расчеты силы резания, мощности и температуры резания;

• владеть методами автоматизированного контроля и управления процессом резания;

• иметь навыки анализа и устранения причин сбоев в технологическом процессе, организации и проведения необходимых мероприятий по отладке технологии изготовления и внедрению новых технологических процессов.

В учебном пособии в отличие от других изданий приведены результаты исследования автором механических свойств обрабатываемых материалов в широком температурном диапазоне с определением температурных зон провала пластичности, результаты исследования влияния адгезионных явлений при резании на формирование физико-химических свойств поверхностного слоя деталей, приведены результаты исследования износа инструмента и процесса стружкообразования с привлечением электронной микроскопии, микрорентгеноспектрального химического анализа, скоростной кино­съемки и т.д. Показана возможность применения статистических методов обработки результатов исследований, применения математического планирования экспериментов, использования методов математического моделирования процессов резания с использованием ПЭВМ.

Особенностью данного учебного пособия является и то, что в нем приведены основные результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса резания, выполненные под руковод­ством автора в ОАО «Пермский моторный завод» за последние 35 лет при производстве деталей и узлов современных авиационных двигателей. Автор выражает искреннюю признательность руковод­ству завода, инженерам и сотрудникам лабораторий резания и шлифования экспериментально-технологического цеха за помощь в организации, постановке экспериментов и внедрение полученных результатов в производство.