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

охлаждающие и смазывающие свойства применяемых жидкостей. Жидкость подается со скоростью до 300 м/с, превышая скорость сво­ бодной струи примерно в 300 раз. Это усиливает отвод тепла от резца, детали и стружки. При выходе из сопла воздушно-жидкостная смесь резко расширяется, вследствие чего ее температура снижается на 8—12°; частицы распыленной жидкости, попадая на сильно нагретые поверхности инструмента, сразу испаряются и тем самым отводят большое количество тепла. Для обеспечения охлаждающего эффекта необходимо затрачивать 200—400 г/ч жидкости. При этом стойкость инструмента из быстрорежущей стали, по сравнению с его стойкостью при охлаждении свободной струей, повышается примерно в 2 раза.

Рис. 37. Установка для охлаждения распыленной жидкостью

Вибрации при резании. В процессе резания при определенных условиях возникают колебания (вибрации) всех элементов техноло­ гической системы СПИД (станок — приспособление — инструмент— деталь). Эти вибрации оказывают вредное действие на процесс ре­ зания: увеличивают износ инструмента, станка и шероховатость об­ работанной поверхности.

Вибрации или колебания при резании можно разделить на два вида:

1)вынужденные, когда причиной колебания является периоди­ чески действующая возмущающая сила;

2)автоколебания, совершающиеся без воздействия периодиче­ ской возмущающей силы.

Возмущающими силами вынужденных колебаний могут быть не­ уравновешенные части станка (шкивы, зубчатые колеса, валы); дефекты в передаточных звеньях, вызывающие периодические удары; вибрации близко расположенного оборудования; неуравновешен­ ность обрабатываемой детали или неравномерный припуск на обра­ ботку; неуравновешенность вращающегося инструмента (резцовых головок, фрез, шлифовальных кругов) и другие факторы.

50

Основными источниками возникновения автоколебаний являются изменение сил резания вследствие неоднородности механических свойств обрабатываемого материала; появление переменной силы ре­ зания за счет срыва наростов; изменение сил трения на поверх­ ностях инструмента из-за изменения скорости резания в процессе работы; следы вибраций от предыдущего прохода, вызывающие изме­ нения сил резания и упругие деформации обрабатываемой детали и резца.

На интенсивность вибраций автоколебательного характера ока­ зывают влияние физико-механические свойства обрабатываемого материала, параметры режимов резания, геометрические параметры инструмента, жесткость отдельных элементов и всей системы СПИД, зазоры в отдельных звеньях системы. С увеличением скорости реза­ ния вибрации сначала возрастают, а затем уменьшаются. При уве­ личении глубины резания амплитуда колебаний возрастает, а с уве­ личением подачи уменьшается. Сувеличениемглавного угла в плане ср амплитуда колебаний уменьшается. Вибрации возрастают при уве­ личении радиуса закругления вершины резца в плане.

Для уменьшения вибраций следует стремиться к созданию более жесткой технологической системы СПИД. Для этой цели необходимо уменьшать вылет пиноли задней бабки, вылет резца, повышать жесткость центров (особенно вращающихся центров) при работе на высоких скоростях резания. Резец должен быть установлен по оси обрабатываемой детали. Установка резца выше оси детали усиливает вибрации. Применяются также специальные приборы-виброгаеи- тели, препятствующие возникновению вибраций.

§ 3. КАЧЕСТВО ОБРАБОТАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Качество обработанной поверхности определяется шерохова­ тостью и волнистостью, а также физико-механическими характе­ ристиками поверхностного слоя.

Под шероховатостью поверхности понимают совокупность микро­ неровностей (с относительно малыми шагами), имеющих место на данной поверхности и рассматриваемых на определенной (базовой) длине.

Волнистость (волнообразное искривление поверхности) есть со­ вокупность более или менее регулярно повторяющихся и близких по размеру чередующихся возвышений и впадин, причем расстояние между соседними возвышенностями (впадинами) превышает базо­ вую длину при изменении шероховатости поверхности, а также высоту возвышений. Волнистость занимает промежуточное положе­ ние между отклонениями геометрической формы (конусность, оваль­ ность и т. п.) и шероховатостью поверхности. При больших значе­ ниях шага и высоты волн волнистость может рассматриваться как погрешность геометрической формы (например, огранка).

Физико-механические свойства поверхностного слоя определя­ ются структурой, твердостью, остаточными напряжениями, харак-

51

тером изменения свойств по глубине и др. Физические свойства по­ верхностного слоя отличаются от физических свойств основного ме­ талла. Это объясняется тем, что при обработке резанием поверхност­ ный слой подвергается воздействию высоких температур и значитель­ ных сил, которые вызывают упругие и пластические деформации. По­ верхностный слой детали после обработки состоит из пленки адсор­ бированных из атмосферы газов, слоя окислов, нитридов, обезуглероженного слоя и слоя деформированных зерен. Толщина пленки адсорбированных газов составляет 2—ЗА (А = ІО“7 мм). Толщина дефектного слоя составляет при предварительном шлифовании 30—50 мкм, а при тонком шлифовании 10 мкм. Таким образом, даже при такой чистовой операции, как тонкое шлифование, поверхност- - ный слой толщиной более 10 мкм отличается от основного металла.

Шероховатость и волнистость поверхности оказывают весьма значительное влияние на такие важные эксплуатационные свойства деталей машин, как износостойкость, усталостная прочность, кон­ тактная жесткость, антикоррозионная стойкость, стабильность по­ садок и др. Вследствие шероховатости и волнистости поверхностей сопрягаемых деталей фактическая площадь их контакта становится значительно меньше номинальной, что ведет к увеличению удель­ ных нагрузок, нарушению масляной пленки, разрушению и дефор­ мированию выступающих неровностей. Поэтому грубые поверх­ ности имеют низкую износостойкость. Наличие микронеровностей вызывает концентрацию напряжений во впадинах гребешков, что приводит к появлению трещин и снижает прочность деталей (осо­ бенно деталей, работающих при знакопеременных нагрузках).

Величина шероховатости поверхности оказывает значительное влияние на коррозионную стойкость деталей в атмосферных усло­ виях. Очаги коррозии образуются в первую очередь во впадинах. Чем чище обработана поверхность, тем выше ее коррозионная стой­ кость. Правда, при работе деталей в агрессивных средах шерохо­ ватость поверхности уже мало влияет на их коррозионную стойкость, так как сама среда оказывает в этом случае наибольшее влияние.

Микронеровности (шероховатости) оказывают важное влияние и на стабильность подвижных и неподвижных посадок. За счет износа трущихся поверхностей происходит увеличение зазоров и из­ менение посадок. Это может произойти не только в течение длитель­ ной эксплуатации, но и в начальный период приработки трущихся деталей, когда происходит особенно интенсивный износ и деформи­ рование микронеровностей сопряженных поверхностей (до 65—70% их высоты). Надежность неподвижных посадок выше при более низкой шероховатости сопрягаемых поверхностей. Кроме того, ше­ роховатость поверхности оказывает влияние на условия смазки, герметичность сальников и другие характеристики сопряжений.

* Следует, однако, иметь в виду, что чрезмерные требования к чис­ тоте поверхностей деталей приводят к усложнению и удорожанию технологии изготовления деталей и в ряде случаев являются не толь­ ко бесполезными, с точки зрения улучшения эксплуатационных

52

свойств детали, но даже и вредными. Поэтому детали изготовляют только с такой шероховатостью поверхности, которая является наи­ более рациональной в условиях работы детали в изделии.

Шероховатость поверхности оценивается либо средним арифме­ тическим отклонением профиля Ra, либо высотой неровностей Rг.

Среднее арифметическое отклонение профиля определяется как среднее значение расстояний (уъ уг, ..., уп) точек профиля поверх­ ности до его средней линии, т. е. линии, делящей профиль таким

образом, что площади по обеим сторонам от этой линии до контура профиля равны между собой (рис. 38):

(Fi4 - ~'г ••• 4- F п-і) — (^2Jr P i ~f ••• Л~Рп)•

Расстояние до средней линии суммируется без учета алгебраиче­

ского знака:

I

Ra = \ ^ \У\ dx;

о

приближенно

Высота неровностей Rz определяется как среднее расстояние между находящимися в пределах измеряемой (базовой) длины пятью высшими точками выступов и пятью низшими точками впадин, измеренное от линии, параллельной средней линии:

Все поверхности по шероховатости разделяются на 14 классов чистоты (табл. 4). Классы чистоты поверхности 6—14 дополнительно разделяются на 3 разряда (а, б, в). При обозначении чистоты поверх­ ности указывается номер класса или номер класса и разряд, напри­

53

мер: Ѵ8, Ѵ8 в. Шероховатость поверхностей ниже 1-го класса обо­ значается знаком V >наД которым указывается высота неровностей

Важным параметром качества поверхности является направление штрихов (следов механической обработки), которое в необходимых случаях особо оговаривают в чертежах.

Основным средством цехового контроля степени шероховатости поверхности деталей машин является метод сравнения с эталонными поверхностями соответствующих классов, полученных тем же ме­ тодом обработки, что и данная деталь. В условиях лаборатории для

Рис. 39. Схемы образования шероховатостей

оценки шероховатости поверхности применяются специальные при­ боры (сравнительный микроскоп, двойной микроскоп, интерферен­ ционный микроскоп, профилометры и т. д,).

При резании на обработанной поверхности всегда остаются неболь­ шие остаточные гребешки, высота которых зависит от величины пода­ чи игеометрии резца (радиуса резца при вершине, главного и вспомо­ гательного углов в плане <р и срх и др.). Кроме того, шероховатость поверхности зависит также от обрабатываемого материала, скорости резания, нароста, износа резца, вибраций и т. д.

Общая высота микронеровностей складывается из расчетной (теоретической) части шероховатостей и шероховатостей, возникаю­ щих от технологических факторов. На рис. 39 показаны схемы обра­

54

нию подачи. Между указанными силами имеется примерно следую­ щее соотношение: Рг : Ру : Рх я» 1 : (0,55 — 0,4) : (0,45 — 0,25).

От силы Р~ зависит мощность, затрачиваемая на процесс резания; по максимальной величине этой силы рассчитывают на прочность детали и узлы коробки скоростей станка, а также прочность резца. Сила Рѵ вызывает изгиб обрабатываемой детали и способствует появлению вибраций; по максимальной величине этой силы рассчитывают на прочность механизм поперечной подачи, а также производят расчет технологической системы на жесткость. Сила Рх действует на механизм подачи токарного станка; по максимальной величине этой силы рассчитывают механизмы продольной подачи.

Равнодействующая R представляет собой геометрическую сумму

трех составляющих: R = Pz + Py Jr Px или R = ) ' Рг -'-Ру -j-Р%. Приближенно R яа 1,1Рг.

При наружном точении и растачивании резцами из быстрорежу­ щей стали величина силы Рг определяется по формуле

При изменении условий работы в формулу для расчета сил вводят из справочников поправочные коэффициенты на прочность обраба­ тываемого материала, передний угол у, главный угол в плане ср, износ резца по задней поверхности, форму передней поверхности. С уменьшением переднего угла у возрастают затрачиваемая на плас­ тические деформации работа и сила резания. При затуплении резца силы резания увеличиваются. Применение смазочно-охлаждающих жидкостей на 10—15% уменьшает силы резания.

При работе резцами, оснащенными пластинками из твердых сплавов, на скоростных режимах резания формула для определения силы Pz имеет вид

Pz=C'ptxsyun кгс = 9,81 Cptxsyvn Н.

Для точения и растачивания резцом со вспомогательным углом в плане срт 0; х = \ , у = 0,75 и п = — 0,15.

При переднем угле у = 10° и угле в плане ср = 45° коэффициент Ср имеет следующие значения:

57

Влияние скорости резания на силы резания примерно такое же, как на усадку стружки. Уменьшение сил резания при скоростях 50—100 м/мин и выше объясняется возрастанием температуры в зоне резания, что приводит к уменьшению коэффициента трения, а также понижению прочностных характеристик обрабатываемого материала.

Главная составляющая силы резания Ргтах при точении черных металлов и сплавов острым быстрорежущим резцом (ср = 45° и б = 90°) определяется по формуле

= 122% (с учетом предела упрочнения стали). Для серых чугунов

При продольном обтачивании поперечная подача snon = 0, поэтому N v = 0. Величина Nx мала, так как скорость продольной подачи значительно меньше скорости резания. Величиной Nx можно пренебречь, тогда

где D — диаметр заготовки в мм.

Закон распределения давления на передней поверхности резца предопределяет характер износа режущих кромок инструмента

58

и позволяет ориентироваться в выборе рациональной геометрии ре­ жущего инструмента. Среднее давление (удельная сила) резания

них величинах нагрузки. Однако средние величины давления резко отличаются от текущих величин. Максимальное давление имеет место на режущих кромках. На рис. 42, а показано распределение

ствия стружки. Из рис. 42 следует, что значение давления на перед­ ней поверхности резца имеет максимум около режущих кромок; по мере удаления от кромок давление резко падает.

Максимальные значения давления резания приближаются к сред­ ним значениям при малых значениях толщины среза а. Резание с малыми значениями толщины среза характерно для протягивания, когда давление достигает при обработке деталей из чугуна 300— 450 кгс/мм2 [(294 — 442) • ІО7 Н/м2], а из стали 650 — 1000 кгс/мм2 [(637 — 981)-ІО7 Н/м2].

Исходя из характера распределения-давления на передней поверх­ ности резца часто устанавливается следующая геометрия твердо­ сплавных резцов: небольшая отрицательная фаска вдоль режущей кромки и положительный передний угол. Такая геометрия, во-пер­

59