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

резании (фрезеровании, строгании) нарост на режущей кромке инст­ румента обычно не удерживается.

Процесс образования стружки. Как было уже коротко отмечено выше, при резании пластичных металлов (типа сталей) резец под действием определенной силы производит сжатие впереди лежащих слоев металла. В результате этого происходит сдвиг элементов сре- . заемого слоя металла, образующего стружку. При сдвиге элемент срезаемого слоя A B O ß деформируется и занимает положение A xB ß ß (рис. 31). Вследствие сдвига под углом ßx происходит усадка стружки, т. е. стружка становится толще и короче. Процесс образо­ вания стружки может осложняться другими сопутствующими деформациями: скалыванием элементов, уширеннем и завиванием стружки, упрочнением обработанной поверхности. Однако перечис­ ленные деформации не являются главными в процессе резания. Так, скалывание элементов стружки во многих случаях не характеризует

процесс резания. При резании сталей стружка скалывания почти не встречается. Расход энергии на завивание стру­ жки весьма незначителен. Упрочнение обработанной по­ верхности является только сопутствующим процессом при резании, и расход энергии на упрочнение также незна­ чителен.

Учитывая сказанное, главным явлением, определяющим процесс резания пластичных металлов, следует признать деформацию сдвига. Такая точка зрения подтверждается удовлетворительным совпаде­ нием теоретической величины продольной усадки, вычисленной по формуле И. А. Тиме, с практической, полученной на основе фактичес­

Длина стружки состоит из суммы отдельных элементов стружки 2ALj, а длина среза — из суммы отдельных элементов SAL (см. рис. 29). Поскольку число элементов AL и ALx одинаково, то усадка стружки (см. рис. 31)

40

Таким образом, процесс резания пластичных металлов заключа­ ется в последовательном смещении тонких слоев металла вдоль плос­ кости сдвигов. При прохождении резцом пути АО точка А переме­

—sin ßi sin (ßj -)- 6) '

Вслучае, если линия А А х находится от оси X на расстоянии, равном единице, то величина А А Х называется относительным сдви­ гом у0:

— sin ßx sin (Pi -4-6) *

Из теории пластичности известно, что октаэдрический сдвиг, представляющий собой искажение правильного октаэдра, может быть выражен через относительный сдвиг у0:

Т я = ] / | 1п (і + у + ? и У 1 + ^ ) -

Октаэдрический сдвиг пропорционален интенсивности деформа­ ции (действительной деформации растяжения). Действительная де­ формация растяжения

з

е = — т—------- у„. 2 V - (1 + ц)

В случае значительных деформаций коэффициент Пуассона

|я — -у-, п формула приобретает вид

На основании изложенного основную деформацию в процессе резания пластичных материалов — деформацию сдвига — можно выразить через обобщенную (приведенную) деформацию растяжения. Данное положение является весьма важным, так как оно дает воз­ можность определить численные значения величин напряжений, имеющих место в процессе резания пластичных материалов, по дей­ ствительной диаграмме растяжения материалов. Процесс резания связан с местным сжатием материала резцом. Поэтому в общем случае деформацию сдвига надо связывать с деформацией сжатия. Однако у пластичных материалов (стали, латуни) действительные диаграммы сжатия (при соблюдении некоторых условий единства опытов) и растяжения практически совпадают. Поэтому для расчетов вместо диаграммы сжатия для пластичных материалов можно поль­ зоваться диаграммой растяжения.

Для большинства пластичных металлов основной диаграммой растяжения в действительных координатах является диаграмма

41

с линейным упрочнением (рис. 32). Действительное напряжение под­ считывается как отношение нагрузки к действительной площади

в данный момент: о = ^ ; действительная деформация

Для расчетов напряжений допустима экстраполяция прямоли­ нейного участка кривой растяжения в область значительных дефор­

ность материала к упрочнению достигает предела. Эксперимент показывает, что при действительной деформации сжатия более 120—125% дальнейшего упрочнения сталей не наблюдается. Это указывает на то, что диаграмма растяжения большинства сталей может быть экстраполирована в область значительных деформаций до е = 120 -г- 125%. При дальнейшем увеличении деформации на­ пряжение надо считать постоянным.

При резании сталей величина е в большинстве случаев больше 120—125%, т. е. для данных условий напряжение о практически является уже постоянной величиной.

Тепловые явления при резании металлов. Важнейшим фактором, определяющим процесс резания, является образующееся в процессе резания тепло. Работа Л, затрачиваемая на процесс резания, может быть представлена следующим уравнением:

А — Лупр -f- Л„л + Лтр,

42

где і4упр — работа, затрачиваемая на упругие деформации; при обработке пластичных материалов Лупр мало, и им можно пренебречь; при обработке хрупких материалов (чугуна, бронзы) величину Лупр необходимо учитывать; Л„л — работа, затрачиваемая на пластические деформации;

Лтр — работа, затрачиваемая на трение стружки.

При обработке пластичных материалов Л я« Лпл + Лтр. Работа, затрачиваемая на пластические деформации, составляет около 80% всей работы резания, а работа трения — примерно 20% работы ре­ зания.

По данным проф. В. Д. Кузнецова 85—90% всей работы резания превращается в тепло, а 10—15% идет на искажение (в зоне резания) кристаллической решетки обрабатываемого материала. Если считать, что вся механическая работа резания полностью переходит в тепло, то количество тепла, образующегося в результате этой работы,

резцом (40—10%) и обрабатываемой деталью (9—3%). Около 1% тепла рассеивается в окружающей среде вследствие излучения. Теп­ ло, выделяющееся в зоне резания, оказывает большое влияние на значение коэффициента трения, который, в свою очередь, влияет на силу трения, точность обработки, наростообразование, износ инструмента и другие факторы.

На величину температуры в зоне резания оказывают влияние следующие факторы: физико-механические свойства обрабатывае­ мого материала, режим резания (скорость резания, подача и глу­ бина резания), геометрические параметры инструмента и приме­ нение смазочно-охлаждающей жидкости. При обработке стали выде­ ляется больше тепла, чем при обработке чугуна. Чем выше предел прочности огв и твердость обрабатываемого материала, тем больше выделяется тепла. Большое влияние оказывают также теплопровод­ ность и теплоемкость обрабатываемого материала. Чем выше тепло­ проводность обрабатываемого материала, тем интенсивнее отвод тепла в стружку и обрабатываемую деталь, а следовательно, тем меньше нагревается резец. От теплоемкости обрабатываемого ма­ териала зависит количество тепла, воспринимаемое стружкой и за­ готовкой.

43

Наибольшее влияние на температуру в зоне резания оказывает скорость резания. С увеличением подачи температура в зоне резания повышается, но менее интенсивно, чем при увеличении скорости ре­ зания. Еще меньшее влияние на температуру оказывает глубина резания. Это объясняется тем, что с увеличением подачи и особенно глубины резания возрастает поверхность контактирования обраба­ тываемой детали с инструментом, что улучшает условия теплоотвода от наиболее нагретых участков рабочей части инструмента.

Для стали 40ХН проф. М. А. Даниелян получил следующую экспериментальную зависимость, показывающую степень влияния отдельных элементов режима на температуру в зоне резания:

Ѳ°= 148,8n°’4sn-24^ i.

Из геометрических параметров инструмента наибольшее влияние

щей жидкости существенно уменьшает температуру в зоне резания. На практике применяют следующие основные методы определения температуры: калориметрический, искусственной термопары, есте­ ственной термопары, термокрасок и др. Калориметрический метод основан на измерении температуры сходящей стружки при помощи калориметра. С помощью этого метода определяют среднюю темпе­ ратуру стружки. Метод искусственной термопары (рис. 33, а) осно­ ван на измерении температуры резца около режущей кромки. В резце около режущей кромки сверлят отверстие диаметром 1—2 мм, ко­ торое не доходит до передней поверхности на величину 0,2—0,4 мм. В отверстие вставляют железоконстантановую термопару с прово­

Элементами термопары являются обрабатываемый материал и резец. Токосъемник 1 выполнен на базе вращающегося центра. Деталь изо­ лирована от патрона, вращающийся центр — от задней бабки, ре­

44

зец — от суппорта. Термодвижущая сила поступает от токосъемника

ирезца на гальванометр 2. Метод термокрасок состоит в том, что специальные краски в зависимости от температуры меняют свой первоначальный цвет. Набор из 14 красок позволяет измерять темпе­ ратуры от 45 до 780 °С.

Кроме определения температуры резания представляет интерес

ихарактер распределения тепла в резце и обрабатываемом материа­ ле, т. е. определение температурного поля в зоне резания. Темпе­ ратурное поле в зоне резания обычно рассчитывают на основе тео­ рии теплообмена в твердых телах с применением счетно-решающих

>

А

Рис. 34. Температурное поле резца:

а — в главной секущей плоскости; б — на передней поверхности

машин и электромоделирующих устройств. На рис. 34 приведена схема температурного поля резца, оснащенного пластинкой твер­ дого сплава Т14К8, при точении без охлаждения детали из стали ШХ15 (V = 80 м/мин; / x s = 4,l х 0,5). Наиболее нагретым ока­ зывается место, находящееся примерно в центре контакта стружки с передней поверхностью резца.

Износ режущих инструментов. Одной из основных характеристик режущего инструмента является его способность сопротивляться износу. Изнашивание режущего инструмента происходит при срав­ нительно высокой температуре; трение заготовки и стружки по инст­ рументу происходит на небольших участках задней и передней по­ верхности резца, поэтому удельная сила трения (сила трения, отне­ сенная к изнашиваемой поверхности) значительна; износ режущих инструментов происходит в условиях сухого или полусухого трения, что ведет к возрастанию коэффициента трения.

45

Физическая картина процесса износа инструмента при резании металлов является весьма сложной. Можно различить три основных вида износа: абразивный, адгезионный и диффузионный.

Абразивный износ вызван трением сходящей стружки о переднюю поверхность инструмента и задней поверхности инструмента об обрабатываемую поверхность. При этом твердые структурные состав­ ляющие обрабатываемого материала наносят тонкие царапины на рабочие поверхности инструмента около режущей кромки. Абразив­ ный износ значительно возрастает при наличии на заготовках литей­ ной корки или окалины.

Адгезионный износ происходит при высокой температуре и зна­ чительном давлении, когда проявляются силы молекулярного сцеп­ ления (в виде сваривания, схватывания) между материалом заго­ товки (стружки) и инструментом, приводящие к уносу мельчайших

Рис. 35. Геометрические формы износа токарного резца: /і3 — вели­ чина износа по задней поверхности; Лр — радиальный износ; !іл — глубина лунки; р — радиус округления

частиц инструментального материала стружкой и обрабатываемой заготовкой. Проявление адгезионного износа возможно также при периодическом удалении нароста.

Диффузионный износ происходит вследствие того, что при высо­ ких температурах частицы инструментального материала проникают в стружку и обрабатываемую деталь. Это приводит к изменению химического состава и физико-механических свойств в поверхност­ ных слоях инструмента и снижает его износостойкость.

Необходимо также отметить, что при высоких температурах в по­ верхностных слоях инструмента происходят структурные изменения. Так, при обработке быстрорежущим инструментом при температуре более 600° С мартенситная структура переходит в трооститную, вследствие чего режущая способность инструмента также снижается.

На рис. 35 показаны формы износа: а) по задней поверхности; б) по передней поверхности с образованием лунки; в) по передней поверхности без образования лунки и г) износ, связанный с округле­ нием режущей кромки. Как правило, инструменты изнашиваются как по передней, так и по задней поверхностям. В зависимости от условий обработки может преобладать та или иная форма износа.

Существует также понятие — радиальный износ инструмента h9, т. е. износ в радиальном направлении. Согласно рис. 35,а hp i=«

46

^ h 3 tga, где га— задний угол. Появление радиального износа резца при наружном точении ведет к увеличению диаметра обраба­ тываемой детали.

Износ по задней поверхности преобладает при обработке пласти­ чных металлов с толщиной среза до 0,1 мм, при обработке хрупких металлов (чугуна, твердой бронзы), а также при работе сверлами, развертками, зенкерами, фрезами и др. Преимущественный износ резцов по передней поверхности имеет место при обработке пласти­ чных материалов с большим сечением стружек. При этом на перед­ ней поверхности резца из быстрорежущей стали вырабатывается лунка, которая вначале облегчает процесс резания за счет уменьше­ ния угла резания. Эта форма износа имеет место также и при обра­ зовании нароста. При дальнейшем значительном увеличении лунки наступает полное затупление режущей кромки инструмента. При чистовой обработке материалов, обладающих низкой теплопровод­ ностью (пластмассы), а также при обработке высокопрочных метал­ лов (аустенитные стали) происходит износ в форме округления режу­ щей кромки.

За критерий величины износа обычно принимается допустимая величина h, изношенной площадки на задней поверхности инстру­ мента. Интенсивность износа зависит от многих факторов: режима резания, физико-механических свойств обрабатываемого материала, смазочно-охлаждающей жидкости и др. Наибольшее влияние на интенсивность износа оказывает скорость резания, меньшее — пода­ ча и особенно глубина резания. Так, при обработке заготовок из стали средней твердости экспериментальным путем получена зависи­ мость износа (в мм) по задней поверхности от режимов резания:

где С/, — коэффициент, характеризующий условияобработки. Согласно этой зависимости целесообразно повышать производи­

тельность при обработке резанием в первую очередь увеличением глубины резания и подачи, и только вполне использовав эти воз­ можности, следует повышать скорость резания.

Чем выше механические свойства обрабатываемого материала, тем больше износ режущего инструмента. В связи с этим увеличение содержания в материале обрабатываемой детали углерода, хрома, вольфрама, титана, молибдена ускоряет износ инструмента.

Износ по задней поверхности можно измерить при помощи лупы Бринеля или другими измерительными инструментами. Износ ре­ жущего инструмента можно изучать также с помощью радиоактив­ ных изотопов (меченых атомов). Для этого инструмент облучают ядерными частицами и, измеряя радиоактивность сходящей стружки, определяют величину износа.

' Для проходных резцов при обработке заготовок из стали и ков­ кого чугуна оптимальные значения допустимого износа по задней поверхности при работе резцами из быстрорежущей стали с охлажде­ нием /і3 = 1,5 ч- 2 мм; без охлаждения h3 = 0,3 ч- 0,5 мм. При чер­

47

новом точении заготовок из серого чугуна h3 — 3 ч- 4 мм, при получистовом 1,5 — 2 мм. Для прорезных и отрезных резцов при обра­ ботке заготовок из стали и ковкого чугуна с охлаждением h3 — == 0,8,-г- 1 мм; без охлаждения 0,3 — 0,5 мм. Для фасонных резцов при обработке заготовокиз стали h:t = 0,4 ч- 0,5 мм. Для токарных твердо-сплавных резцов допустимая величина износа по задней по­ верхности при обработке стали составляет примерно: при черновой обработке 1,0—1,4 мм и при чистовой 0,4-—0,6 мм; при обработке чугуна, соответственно, 0,8—1,0 мм и 0,6—0,8 мм.'При износе, боль­ шем указанной величины, работать резцом не рекомендуется. Для резцов с керамическими пластинками допустимая величина износа h. -- 0,6 -г- 0,8 мм.

При чистовой обработке за критерий износа принимаются кон­ структивно-технологические требования к деталям. В этом случае резец снимается для переточки при увеличении шероховатости обра­ ботанной поверхности или потере точности размеров обработки не­ зависимо от величины износа резца.

Влияние смазочно-охлаждающей жидкости на процесс резания.

Применение смазочно-охлаждающих жидкостей оказывает благо­ приятное действие на процесс резания металлов, значительно умень­ шая изнашивание режущего инструмента, повышая качество обра­ ботанной поверхности и снижая затраты энергии. Смазочно-охлаж­ дающие жидкости уменьшают коэффициент внешнего трения (смазы­ вающее действие); облегчают процесс пластических деформаций и тем самым уменьшают потребляемую мощность (молекулы поверх­ ностного активного вещества, проникая в микротрещины, произво­ дят расклинивающее действие) и снижают нагрев в зоне резания (охлаждающее действие). Применение смазочно-охлаждающих жид­ костей препятствует также образованию нароста у режущей кромки инструмента и способствует удалению стружки и абразивных частиц из зоны резания.

Смазочно-охлаждающие жидкости должны обладать антикорро­ зионными свойствами, быть нетоксичными и достаточно устойчи­ выми при хранении и эксплуатации. Они делятся на следующие группы.

1.Жидкости, обладающие лишь охлаждающим свойством; к ним относится вода, смешанная с антикоррозионным веществом (1— 1,5% кальцинированной соды и мыла).

2.Жидкости, обладающие охлаждающим и частично смазываю­ щим свойством, — вода, поверхностно-активные (0,1—Но олеино­ вой, стеариновой кислоты или их соли) и антикоррозионные ве­ щества.

3.Эмульсии и прозрачные растворы водорастворимых масел. Эти жидкости обладают охлаждающим и частично смазывающим свойством. К таким жидкостям, в частности, относится спиртовой эмульсол, состоящий из 7?о олеиновой кислоты, 10?» канифоли, 4°6 раствора каустической соды, 2,5—4?6 спирта, остальное — индустриальное масло марки 12.

48

4.Жидкости, обладающие смазывающим и частично охлаждаю­

щим свойствами, — минеральные масла (например, сульфофрезолы — осерненные масла, содержащие в качестве активизированной добавки 1,5—1,7% серы).

Выбор смазочно-охлаждающей жидкости зависит от условий обработки. При черновой токарной обработке применяют эмульсии 2—5%-ной концентрации. При чистовой обработке применяют эмуль­ сии повышенной концентрации (12—15%). Сверление, зенкерование и фрезерование производят с 5—8%-ной эмульсией. При обработке чугуна и других хрупких материалов смазочно-охлаждающую жид­ кость не применяют, так как эффект от действия смазочно-охлаждаю­ щей жидкости в этом случае незначителен. При работе твердосплав­ ным инструментом на высоких скоростях в зону резания необходимо

резца через отверстие диаметром 0,2—0,4 мм. При этом способе рас­ ход жидкости резко снижается и составляет примерно 0,5 л/мин. Кроме того, жидкость интенсивнее проникает в зону резания, быст­ рее испаряется и больше отводит тепла.

Охлаждение распыленной жидкостью производится посредством установки, показанной на рис. 37. Сжатый воздух из цеховой воздуш­ ной сети поступает через шланг в редуктор 1, в котором давление воздуха понижается до 2—4,5 кгс/см2 [(19,6—44,2)-ІО4 Н/м2] и под­ держивается постоянным в процессе работы. С помощью крана 2 можно прекратить поступление воздуха. Из редуктора сжатый воз­ дух поступает одновременно в инжектор 4 ив верхнюю часть бачка 7 с эмульсией. Под действием давления воздуха эмульсия поднимается по трубке в инжектор, где она распыляется, и далее по шлангу и через стопорный кран 5 и сопло 6 подается в зону резания со сто­ роны задней поверхности инструмента. Подачу жидкости и степень ее распыления можно регулировать с помощью регулировочного вин­ та 3. При этом способе наиболее полно и эффективно используются

49