книги из ГПНТБ / Некрасов С.С. Технология материалов. Обработка конструкционных материалов резанием учеб. пособие

Г л а в а II

ПРОЦЕСС РЕЗАНИЯ МЕТАЛЛОВ И ЕГО ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

§ 1. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ

Заготовками для механических цехов являются прокат (круг­ лый, квадратный, полосовой, трубы и т. д.), поковки, штамповки и отливки. Заготовки, поступающие в механические цехи, имеют припуск (см. гл. XV, § 3) на обработку резанием. Величина припуска зависит от ряда факторов и в первую очередь от размеров, формы и конструктивных особенностей изготовляемой детали, вида заготовки, масштабов производства (числа изготовляемых деталей) и др.

Рис. 14. Схемы основных методов обработки материалов резанием

Припуск на сторону для средних штамповок колеблется в пределах 1,5—7 мм, для поковок 2,5—20 мм, для отливок (в земляные формы) 3—30 мм.

Одним из важнейших факторов повышения производительности труда в машиностроении является систематическое снижение вели­ чины припусков на механическую обработку. Этому способствует применение штамповки вместо свободной ковки, периодического проката, литья под давлением, литья по выплавляемым моделям и других более совершенных методов изготовления заготовок, позволяющих выполнить их размеры и форму, максимально прибли­ жающуюся к готовой детали. Это не только снижает объем меха­

21

нической обработки, но в ряде случаев дает возможность полного исключения последующей обработки резанием.

Основными методами обработки материалов резанием являются точение (рис. 14, а), сверление (рис. 14, б), фрезерование (рис. 14, в), строгание (рис. 14, г) и шлифование (рис. 14, д). Из них наиболее распространенным и изученным методом с точки зрения теории резания металлов является точение. Процесс точения имеет много общего со всеми другими методами механической обработки метал­ лов, поэтому правильное понимание этого процесса облегчает изу­ чение всех других методов обработки резанием, что и дает основа­ ние в настоящем пособии осветить точение более подробно.

Основные понятия, относящиеся к обработке деталей резцами.

При точении (рис. 15) на детали различают обрабатываемую поверх­ ность, обработанную поверхность и поверх­ ность резания. Обрабатываемой поверхно­ стью называют поверхность, с которой снимается стружка. Обработанной поверх­ ностью называется поверхность, получен­ ная после снятия стружки.

Поверхностью резания называется по­ верхность, образуемая на обрабатываемой детали непосредственно режущей кромкой резца. Поверхность резания является пе­ реходной между обработанной и обраба­ тываемой поверхностями.

Для определения углов резца устанав­ ливают исходные плоскости: а) плоскость резания и б) основную плоскость.

Плоскостью резания называется плос­ кость, проходящая через главную кромку резца и касательную к поверхности реза­

ния. Основной плоскостью называется плоскость, параллельная продольной и поперечной подачам. Для токарного резца основной плоскостью является нижняя опорная поверхность резца-.

Движения на металлорежущих станках. На металлорежущих станках существуют следующие движения: главное, подачи и вспо­

могательное. Главное движение определяет величину скорости резания.

При токарной обработке (см. рис. 14, а) главное движение обозна­ чено цифрой / (вращение обрабатываемой детали), движение подачи — II. При строгании (см. рис. 14, г) главным движением I является перемещение резца относительно детали или, наоборот, детали относительно резца, что физически равноценно; движение подачи II есть перемещение обрабатываемой детали на двойной ход резца в направлении, перпендикулярном к главному движению. При фрезеровании (см. рис. 14, в) главное движение / определяется вращением фрезы; II — движение подачи. Главное движение по величине, как правило, значительно больше движения подачи.

22

Вспомогательными движениями являются установочные переме­ щения суппортов, задней бабки, поворот резцедержателя, пере­ мещения траверсы и другие.

Геометрические параметры токарного резца. Токарный резец (рис. 16) состоит из головки (рабочей части) и тела (стержня), служащего для закрепления резца в резцовой головке суппорта станка или державки. Рабочая часть резца заточена так, что обра­ зует клин, являющийся основной формой режущей части всех режу­ щих инструментов, даже таких сложных, как фреза, сверло и др. Под действием определенной силы клин внедряется в обрабатыва­ емый материал и этим осуществляется процесс резания.

К элементам рабочей части резца относятся передняя и задняя поверхности и режущие кромки. Передней поверхностью называется поверхность резца, по которой сходит стружка.

Задними поверхностями называются поверхности резца, обра­ щенные к обрабатываемой детали. Режущие кромки образуются пересечением передней и задних поверхностей резца. Различают главную и вспомогательную режущие кромки. Главная режущая кромка выполняет основную работу резания, и она, как правило, длиннее вспомогательной. Место сопряжения главной и вспомога­ тельной режущих кромок называется вершиной резца. Вершина резца в плане может быть острой, закругленной или в виде прямой линии, называемой переходной кромкой.

Углы резца рассматриваются в главной 1 и вспомогательных секущих плоскостях 2 и в плане (рис. 17).

Главная секущая плоскость резца — плоскость, перпендику­ лярная к проекции главной режущей кромки на основную плос­

ностью резца и плоскостью резания; б) угол заострения ß — угол между передней и главной задней поверхностью резца; в) передний угол у — угол между передней поверхностью и плоскостью, пер­ пендикулярной к плоскости резания 4 и проведенной через главную режущую кромку. Сумма углов а + ß + у — 90°. Сумма углов а и ß называется углом резания и обозначается б. Таким образом,

23

углом резания называется угол между передней поверхностью резца и плоскостью резания.

Условно считается, что угол у может быть положительным и отрицательным. Отрицательный передний угол I—у°| имеет место

на основную плоскость вспомогательной режущей кромки и направ­ лением подачи.

Рис. 18. Угол наклона главной режущей кромки резца

Угол при вершине в — угол между проекциями режущих кромок на основную плоскость.

Сумма этих углов ф + фх + е = 180°.

Кроме перечисленных углов имеется еще один угол, характери­ зующий резец, это угол наклона главной режущей кромки К — угол между главной режущей кромкой и линией, проведенной через вершину резца параллельно основной плоскости (рис. 18). Этот угол измеряется в плоскости, проходящей через главную режущую кромку перпендикулярно основной плоскости. Угол к

24

считается положительным, когда вершина резца является низшей точкой режущей кромки; отрицательным — если вершина резца является высшей точкой режущей кромки; равным нулю, когда главная режущая кромка параллельна основной плоскости.

Углы режущей части резца влияют на процесс резания. Задние углы а и а, уменьшают трение между задними поверхностями инструмента и поверхностью обрабатываемой заготовки, что ведет к снижению силы резания и уменьшению износа резца; однако чрезмерное увеличение заднего угла приводит к ослаблению режу­ щей кромки резца. Рекомендуется при обработке стальных и чугун­ ных деталей задние углы выполнять в пределах 6— 12°.

С увеличением переднего угла у уменьшается работа, затрачива­ емая на процесс резания, и повышается класс чистоты обработан­ ной поверхности. При обработке мягких сталей у — 8 -т- 20°, а при обработке весьма твердых сталей делают даже орицательный угол

у= —5 -г- —10°.

Втабл. 1 приведены различные формы передней поверхности твердосплавных резцов, которые рекомендуется применять в зави­

симости от обрабатываемого материала и условий обработки.

Таблица 1

Формы передней поверхности твердосплавных резцов

25

Главный угол в плане ср определяет соотношение между ради­ альной и осевой силами резания. При обработке деталей малой жесткости угол ср берут близким или равным 90°, так как в этом случае радиальная сила, вызывающая изгиб детали, минимальна. В зависимости от условий работы принимают ср = 10 -f- 90°. Наи­ более распространенной величиной угла резца в плане при обра-

Вспомогательный угол в плане срх — 0 -г- 45°; наиболее распростра­ нен срх = 12 ч- 15°.

Угол наклона главной режущей кромки X определяет направ­ ление схода стружки. При положительном Xстружка имеет направле­ ние на обработанную поверхность, при отрицательном X — на обра­ батываемую поверхность. Угол X часто принимают равным 0°. При чистовой обработке принимать угол X положительным не рекомен­ дуется, так как сходящая стружка может увеличить шерохова­ тость обработанной поверхности.

Величины углов у и а зависят от расположения резца относи­ тельно оси заготовки. Так, при обточке наружной поверхности

26

резцом, вершина которого находится выше оси заготовки (рис. 19, б), передний угол у увеличивается, а задний угол а уменьшается по отношению к углам а и у, определенным при положении вершины резца точно на оси обтачиваемой заготовки (рис. 19, а); при уста­ новке вершины резца ниже оси заготовки, наоборот, угол у умень­ шается, а угол а возрастает (рис. 19, б).

При растачивании отверстия влияние установки резца по высоте на углы у и а обратное (рис. 20). При установке вершины резца выше центра передний угол у уменьшается, а задний угол а возрас­ тает; при установке вершины резца ниже центра возрастает угол у и уменьшается а.

При установке оси резца неперпендикулярно оси заготовки главный и вспомогательный углы в плане также соответст­ венно изменяются.

Кроме углов, определяемых при неподвижном (статическом) состоянии резца и заготовки, различают так называемые кине­ матические углы (или углы в движении) при вращении заго­ товки и подаче резца. Кинема­ тические углы несколько отли­ чаются от статических.

Для простоты рассуждений рассмотрим процесс обточки вала проходным упорным резцом (ф = = 90°) с углом X = 0°, с верши­ ной, установленной по центру

заготовки. При точении вследствие двух движений (вращения заго­ товки и продольной подачи резца) вершина резца образует на поверхности заготовки спираль; поверхность резания представляет собой винтовую поверхность. Фактическая плоскость резания, касательная к винтовой поверхности, составляет с теоретической

27

а д = а —ц,ф = а —a r c tg ^ - sin <p).

При обычных условиях резания угол рф весьма незначителен (менее 1°), и им можно пренебречь. Однако при нарезании крупной резьбы, а также при резании с большими подачами влияние угла рф на изменение величин главных углов резца необходимо учиты­ вать.

Материалы для изготовления режущих инструментов. Режущие кромки инструментов в процессе работы находятся под действием больших давлений и, кроме того, нагреваются до высоких темпера­ тур в результате деформирования обрабатываемого материала и на­ личия сил трения. Поэтому инструментальные материалы должны обладать высокой твердостью (HRC 60—65), значительной тепло­ стойкостью и износостойкостью, высокой механической прочностью и вязкостью.

Режущие инструменты целиком или частично изготовляют из инструментальных сталей и твердых сплавов.

Инструментальные стали разделяют на углеродистые, легиро­ ванные и быстрорежущие. Углеродистые стали бывают качественные и высококачественные. Высококачественные стали обычно полу­ чают в электропечах, благодаря чему они являются более чистыми по химическому составу, т. е. содержат меньшее количество вредных примесей —'серы и фосфора.

Для обозначения высококачественной стали в обозначение марки вводится буква А. В марках углеродистых сталей без буквы А серы и фосфора должно содержаться не более 0,04%, а в марках с буквой А — не более 0,03% каждого элемента. Буква У в марке стали обозначает, что эта сталь углеродистая; цифра в марке обозна­ чает содержание в стали углерода в десятых долях процента.

Углеродистые инструментальные стали применяют для изготов­ ления слесарно-монтажных и ручных режущих инструментов, работающих при малых скоростях резания. Зубила, отвертки, нож­ ницы изготовляют из стали марок У7 и У7А; пробойники, ножи, ножницы, пуансоны, кернеры, пилы, ножовки — из стали марок У8, У8А, У9, У9А, У 10, У10А; слесарные метчики и напильники — из стали марок У11, У11А, У12, У12А, У13, У13А.

Инструменты из углеродистой стали подвергают термической обработке, которая состоит в закалке (нагреве до температуры 750—840° С и быстром охлаждении в воде или масле) и последующем отпуске (при температуре около 200° С), что обеспечивает необхо­ димую твердость и достаточную пластичность материала инструмента. Инструменты из углеродистой инструментальной стали хорошо шлифуются и доводятся до получения высокой остроты кромок, поэтому они успешно применяются там, где необходимо получить

28

высокое качество обработанной поверхности при малых скоростях резания.

Легированные инструментальные стали, применяемые для изго­ товления режущих инструментов, можно разделить на хромистые, хромокремнистые, вольфрамовые и хромовольфрамомарганцовистые. Наиболее распространены следующие марки таких сталей: X, 9ХС, В1 и ХВГ.

Из стали марки X изготовляют метчики, плашки; из стали марки 9ХС — сверла, развертки, фрезы, метчики и плашки. Сталь марки В1 рекомендуется для изготовления мелких сверл, метчиков, развер­ ток, а сталь ХВГ — для изготовления протяжек, длинных метчиков и разверток.

Быстрорежущие (высоколегированные) стали применяют для изготовления различных инструментов (чаще фрез, сверл, зенкеров). Изготовленные из этих сталей режущие инструменты обладают высокой теплостойкостью и могут работать с более высокими ско­ ростями резания и сечениями среза, чем инструменты из углеро­ дистых и низколегированных инструментальных сталей. Важней­ шими компонентами быстрорежущих сталей являются вольфрам (9— 18°о), а также хром и ванадий. Быстрорежущие стали бывают нормальной и повышенной производительности. Наиболее распро­ странены быстрорежущие стали нормальной производительности марок Р18 (вольфрама — 18?») и Р9 (вольфрама ~ 9?»).

. Инструменты из быстрорежущей стали подвергают закалке с нагревом до температуры 1270—1290° С (для Р18) и 1230—1250° С (для Р9) с последующим охлаждением в масле, трех-четырехкрат- ному отпуску при температуре 560—580° С с выдержкой при этой температуре в течение 1 ч и охлаждению на воздухе. После такой термической обработки инструмент из быстрорежущей стали имеет высокую твердость (HRC 62—65).

Группа быстрорежущих сталей повышенной производительности характеризуется введением в их состав ванадия и кобальта. Эти стали (Р18Ф2К5, Р9Ф2К5, Р9Ф2К10, Р9Ф5 и др.) обеспечивают повышение стойкости инструмента в 2—4 раза по сравнению со сталью Р18. Применяют эту группу сталей для обработки нержаве­ ющих и жаропрочных сплавов.

Твердые сплавы делятся на металлокерамические и минерало­ керамические и выпускаются в виде различных пластинок, применя­ емых для оснащения режущих кромок инструментов. Инструменты, оснащенные пластинками из твердых сплавов, допускают особенно высокие скорости резания, так как их теплостойкость значительно выше, чем у инструментов из быстрорежущих, а тем более углеро­ дистых сталей. Кроме того, твердые сплавы обладают большой сопротивляемостью истиранию.

Металлокерамические твердые сплавы разделяются на вольфра­ мовые (однокарбидные), вольфрамотитансвые (двухкарбидные), вольфрамотитанотанталовые (трехкарбидные). Вольфрамовые сплавы (группы ВК) состоят из карбидов вольфрама WC и цементирующей

29