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

вых, обеспечивает работу наиболее ослабленной части режущей кромки на сжатие, во-вторых, дает меньшие значения силы резания, чем при работе резцом с' отрицательным передним углом.

§ 2. ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СИЛ РЕЗАНИЯ

Для измерения составляющих сил резания и изучения влияния на них различных факторов применяют специальные приборы — ди­ намометры. Динамометры в зависимости от количества измеряемых составляющих бывают одно- (например, для силы Р,), двух- и трехкомпопентные (Рх, Рѵ, Рг). По принципу действия динамометры под­ разделяются на электрические, механические и гидравлические. Каждый динамометр состоит из устройства, служащего для за­ крепления резца и разложения силы резания на составляющие,

датчиков для преобразова­ ния измеряемых состав­ ляющих сил резания в пропорциональное механи­ ческое перемещение, элек­ трическую емкость, силу электрического тока, дав­ ления жидкости и т. д., и регистрирующего устрой­ ства.

Наибольшее примене­ ние имеют электрические динамометры. К электри­ ческим динамометрам отно­ сятся емкостные (конден­ саторные), индукционные, пьезоэлектрические и с проволочными датчиками сопротивления. В пьезо­

электрическом динамометре давление на резец передается кри­ сталлам кварца, в которых возникают электрические заряды (пьезоэлектричество), величина которых пропорциональна силе давления. Заряд усиливается и фиксируется высокочувстви­ тельным гальванометром или осциллографом. В емкостном дина­ мометре сила резания передается на одну из пластин конденса­ тора, вследствие чего изменяется емкость конденсатора, что влияет на силу проходящего тока, изменение которой служит мерой силы резания. В динамометрах с датчиками сопротивления на специаль­ ных опорах для державки резца наклеены датчики сопротивления. При деформации этих опор от воздействия сил резания сопро­ тивление датчиков меняется, что также ведет к изменению силы тока.

На рис. 43 приведена схема индукционного трехкомпонентного динамометра. Резец 1 закреплен в особой «люльке». Под действием

60

составляющих сил резания изменяется зазор между П-образныы и плоским сердечниками 2, что ведет к изменению величины силы протекающего тока. Ток, проходящий через выпрямитель 4, уси­ ливается усилителем 3. Его величина фиксируется тремя миллиам­ перметрами 5 (Рх, Ру, Pz). Величина изменения силы тока пропор­ циональна изменению зазора между полюсами, а вместе с тем и изме­ нению силы резания.

Механические динамометры основаны на измерении величин де­ формаций индикаторами, шкалы которых оттарированы для непо­

ский метод обработки результатов экспериментов как наиболее простой и употребительный. Графический метод менее точен, чем аналитический.

При графическом методе данные экспериментов наносят на двой­ ную логарифмическую сетку и по углу наклона прямой к оси абсцисс и отрезку, отсекаемому на оси ординат, находят степенную функцию. Например, требуется установить зависимость силы Рг от глубины резания t и подачи s при обработке данной стали. Для этого прово­ дятся две серии опытов с измерением сил резания: одна — при пере­ менной глубине резания t и постоянной подаче s, вторая — при пе­ ременной подаче s и постоянной глубине резания /. Обе серий опытов проводят резцами одинаковой геометрии и при прочих одинаковых условиях.

61

Зависимости силы Pz от t и s в логарифмических осях координат подчиняются уравнению прямой линии, не проходящей через начало координат (рис. 44):

lg Pz = lg CPl + x lg t и lg Pz = lg CPl + г/ lgs.

В логарифмических уравнениях хи у есть тенгенсы углов наклона прямых к осям i n s :

tg a 1 = x и t g a 2—У-

Из логарифмических уравнений следует, что Pz — CPltx и Pz ~ = CPlsy. Коэффициенты CPt и СРз соответственно численно равны

В этом уравнении величины х и у определены ранее, а величины Рг берутся из экспериментальных данных, полученных при заданных значениях t и s. Коэффициент Ср является среднеарифметическим

значением величин Ср, Ср, Ср" ... Ср, т. е.

Гс 'ѵ+ с ; + с '; ... + с ;

Данный метод обработки результатов экспериментов применя­ ется и при получении формул, связывающих скорость резания и стой­

кость инструмента и = или скорость резания, стойкость, глубину

резания и подачу (ѵ = Ymtxsy )-

§ 3. СТОЙКОСТЬ ИНСТРУМЕНТА И СКОРОСТЬ РЕЗАНИЯ ПРИ ТОЧЕНИИ

Стойкостью инструмента называется время работы инструмента от одной заточки до другой, измеренное в минутах его действитель­ ной работы. Стойкость инструмента зависит от материала и геомет­ рии резца, материала обрабатываемой детали, элементов режима резания, методов охлаждения и других факторов. Наибольшее влияние на стойкость инструмента (по сравнению с подачей s и глу­ биной резания f) оказывает скорость резания ѵ. Между скоростью

62

резания и стойкостью инструмента во время точения (при постоян­ стве прочих факторов) существует следующая зависимость:

С

V — 'рт»

где Т — стойкость резца в мин; С — постоянный коэффициент, зависящий главным образом

от качества обрабатываемой детали и инструмента;

m — показатель степени, называемый показателем относитель­ ной стойкости инструмента.

Графическая зависимость между скоростью резания ѵ и стойко­ стью резца Т при обработке марки 45 показана на рис. 45.

Пользуясь ранее приведенной зависимостью, можно определить скорость резания ѵ2, если известны скорость резания ѵ± и соответ­ ствующая ей стойкость резца 7\, а также величина стойкости Т.г:

Ѵо = ѵ

Показатель относительной стойко­

керамических резцов мал, сравнительно незначительное изменение скорости резания вызывает резкое изменение стойкости инстру­ мента. При работе этими резцами необходимо по возможности не отклоняться от расчетной скорости резания.

Скорость резания оказывает решающее влияние на производи­ тельность процессов обработки деталей, однако с ее увеличением возрастает и температура в зоне резания, увеличивается износ рез­ цов, и следовательно, уменьшается стойкость инструмента. Это ведет к увеличению затрат на инструмент, т. е. увеличивает стои­ мость обработки. Поэтому скорость резания должна выбираться исходя из требования обеспечения высокой производительности обработки при наименьших затратах.

В нормативах период стойкости резцов устанавливается равным 30—60 мин, фрез (цилиндрических, торцовых, дисковых ) — 180— 240 мин, сверл — 6—270 мин. Эти периоды стойкости инструментов соответствуют наименьшим затратам на обработку.

Влияние основных факторов резания на скорость резания. Выше было показано, что с изменением физико-механических свойств об­ рабатываемого материала изменяются силы резания, температура в зоне резания, интенсивность износа резца, скорость резания и ше-

63

роховатость обработанной поверхности. С увеличением процента содержания углерода и легирующих элементов (марганца, кремния, хрома, вольфрама) в стали уменьшается ее теплопроводность, что приводит к увеличению тепловой напряженности в зоне резания; при этом увеличиваются также твердость и прочность стали, что, в свою очередь, приводит к возрастанию силы резания и к снижению скорости резания. Наоборот, увеличение содержания в стали фос­ фора (до 0,12%), серы (до 0,3%) и свинца (до 0,25%) позволяет повысить скорость резания. На величину допустимой скорости реза­ ния оказывают влияние также состояние материала (горячекатаный, холоднотянутый, отожженный) и состояние поверхностного слоя. На­ личие корки на заготовке приводит к снижению скорости резания.

Скорость резания в большой степени зависит и от материала режущей части резца. Чем больше теплостойкость, прочность и износостойкость инструментальнного материала, тем большую

нять скорость резания за единицу, то для углеродистых и леги­ рованных инструментальных сталей поправочный коэффициент бу­ дет меньше единицы (Р18, Р9 — 1; 9ХС — 0,5; У10А — 0,4). Если принять скорость резания для сплава Т15К6 за единицу, то для металлокерамических твердых сплавов группы ТК поправочный коэффициент будет: для сплаваТ5К10 0,65, а для сплава Т30К4 1,3—1,5. Для металлокерамических твердых сплавов группы ВК:

при чистовой и получистовой обработке стальных деталей дают возможность повысить скорость резания на 20—30% по сравнению с металлокерамическими твердыми сплавами марки Т15К6, а при чистовой и получистовой обработке чугунов — на 50%) по сравне­ нию с металлокерамическим твердым сплавом ВК6.

При увеличении переднего и заднего углов резца до оптималь­ ных значений уменьшается работа пластических деформаций,ра­ бота сил трения и тепловыделение, что позволяет повысить скорость резания. С увеличением угла в плане возрастает толщина срезае­ мого слоя (а = s sin ф мм) и уменьшается длина активной части ре­ жущей кромки (длина контактирования инструмента с обрабаты­ ваемой деталью), что приводит к повышению тепловой напряженно­ сти на единицу длины режущей кромки, увеличению износа и умень­ шению стойкости резца. Поэтому с увеличением утла в плане ско­ рость резания необходимо уменьшать. При увеличении радиуса за­ кругления при вершине резца в плане сила резания возрастает, но одновременно увеличивается длина контактирования режущей кромки с обрабатываемой деталью, что приводит к повышению стойкости резца. Увеличение площади поперечного сечения резца улучшает теплоотвод, что уменьшает износ резца и повышает его стойкость. Применение смазочно-охлаждающей жидкости дает воз­ можность повысить скорость резания на 15—25%.

64

Зависимость скорости резания от подачи и глубины резания при постоянной стойкости резца. Зная механические свойства обра­ батываемого материала, материал резца и задавшись определенными величинами подачи s и глубины резания /, можно рассчитать ско­ рость резания, соответствующую экономическому периоду стойко­ сти резца:

При точении образцов из. конструкционной углеродистой и леги­ рованной незакаленной стали с ов = 75 кгс/мм12 (735-10е Н/м2) резцами, оснащенными пластинками твердого сплава Т15К6, ско­ рость резания может быть вычислена по следующим формулам:

Вычисленная по приведенным формулам скорость резания со­ ответствует периоду стойкости твердосплавных резцов Т = 90 мин. Формулы даны для резца с передним углом у — 15° и главным уг­ лом в плане ср = 45°. С изменением предела прочности обрабатывае­ мой стали, геометрии резца или периода стойкости в формулы не­ обходимо ввести поправочные коэффициенты.

Из анализа формулы для скорости резания при постоянной стой­ кости резца можно установить следующие положения, имеющие большое практическое значение. Поскольку показатель степени у при подаче s больше показателя степени х при t, степень влияния подачи s на скорость резания ѵ значительно больше, чем степень влияния глубины резания на скорость резания. Если в формуле для V при s, большей 0,3 мм/об, увеличить подачу в 2 раза, то ско­ рость резания должна быть уменьшена в 20,35, т. е. в 1,27 раза или примерно на 21%. При удвоении глубины резания /скорость реза­ ния должна быть уменьшена в 2°'18, т. е. в 1,13 раза или примерно на 12%. Таким образом, для достижения более рационального ре­ жима резания обычно бывает более выгодным увеличивать глубину резания, а не подачу ].

Если условно оценить производительность процесса резания объемом снятой стружки в единицу времени при заданном периоде стойкости резца, то окажется, что выгоднее увеличивать площадь поперечного сечения среза (т. е. подачу s и глубину резания t од­ новременно), чем скорость резания. При одновременном удвоении

1 Данное положение справедливо для наиболее распространенного случая, когда t > s. Если же t < s, то обычно выгоднее увеличивать s, а не t.

глубины резания і и подачи s скорость резания ѵ должна быть умень­ шена в 1,27-1,13 “ 1,44 раза. Однако объем снятой стружки за тот же период стойкости возрастает с величины Q = tsv до величины

Qi = 2/2sr ^ = 2,8Q, т. е. на 180%.

Таким образом, для достижения большей производительности резания выгоднее работать с большими сечениями среза за счет уменьшения скорости резания. На первый взгляд, возникает про­ тиворечие между высказанным положением и широко применяемым на практике повышением производительности металлорежущих станков путем увеличения скорости резания. Однако это противо­ речие только кажущееся, так как на практике скорость резания увеличивают, лишь исчерпав все возможности увеличения глубины резания и подачи.

Формулы, связывающие скорость резания и период стойкости

§ 4. МЕТОДИКА НАЗНАЧЕНИЯ РЕЖИМА РЕЗАНИЯ

Наивыгоднейшим режимом резания будет такой, при котором деталь требуемого качества изготовляют при минимальных затра­ тах средств (с учетом затрат на инструмент). Этот режим соот­ ветствует экономическому периоду стойкости инструмента.

Глубину резания следует брать равной припуску на обработку на данной операции. Если припуск нельзя снять за один проход, количество проходов должно быть возможно меньшим. При чисто­ вом точении (до 5-го класса чистоты) глубина резания берется в пре­ делах 0,5—2 мм. Для получения при точении 6 — 7-го класса чистоты поверхности глубина резания назначается в пределах 0,1—0,4 мм.

После назначения глубины резания следует выбрать максимально технологически допустимую подачу (с учетом класса чистоты обра­ ботанной поверхности, мощности и прочности станка, жесткости обрабатываемой детали и прочности резца). Работать с подачами, меньшими, чем максимально технологически допустимые, непроиз­ водительно. При чистовой обработке подача обычно ограничивается классом чистоты поверхности обработанной детали.

Назначение скорости резания производится после того, как вы­ браны глубина резания и подача. Скорость резания рассчитывают по формуле

ѵ = Tmi'xsy М/МИН

или определяют по справочным таблицам с учетом всех необходи­ мых поправочных коэффициентов. По полученной расчетом ско-

66

рости резания определяют расчетную частоту вращения пр шпин­ деля станка (или обрабатываемой детали):

где D — наибольший диаметр обрабатываемой заготовки в мм. По расчетной частоте вращения рр определяют ближайшую

меньшую или равную частоту вращения шпинделя, имеющуюся в паспорте станка (фактическую частоту вращения):

Яф *^-7 Яр.

Затем вычисляют скорость резания:

nDnф

1ÖÖÖ м/мин.

Выбранный режим резания проверяют по мощности. Мощность, затрачиваемая на резание, должна быть меньше или равна мощно­ сти на шпинделе:

N p< N mn = NMт],

где NM— мощность электродвигателя; г) — к. п. д. станка.

Если расчетная мощность резания окажется больше мощности на шпинделе, то скорость резания должна быть уменьшена.

Выбранный режим резания проверяют также по крутящему моменту. Крутящий момент резания должен быть меньше или равен крутящему моменту на шпинделе, т. е. М р М тп. Кроме того, вы­ бранный режим резания проверяют по прочности механизма по­ дачи станка, пластинки твердого сплава и державки резца. Крите­ рием производительности выбранного режима резания служит основное (машинное) время.

§ 5. ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ РАБОТЫ

НА МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКАХ И ПУТИ ЕЕ ПОВЫШЕНИЯ

В основе всех работ по расчету производительности труда лежит техническое нормирование, имеющее целью определение нормы времени, т. е. времени, в течение которого рабочий должен выпол­ нить заданную ему работу.

Технической нормой штучного времени называется время, ус­ тановленное для выполнения данной операции при определенных организационно-технических условиях и наиболее эффективном ис­ пользовании всех средств производства, с учетом передового про­ изводственного опыта. Основным методом определения технической нормы штучного времени является расчет, основанный па анализе операции по составляющим ее элементам и определении продолжи­

тельности отдельных элементов и операции в целом. Общую норму штучного времени можно представить в следующем виде:

Ттт = Т0-\-Тв-1г Т 0ь-\-Тот мин,

где Т0 — основное технологическое (машинное) время; Тв — вспомогательное время, т. е. время, затрачиваемое на

выполнение различных действий, обеспечивающих вы­ полнение основной работы (управление станком, снятие и установку детали, подвод и отвод инструмента, конт­ роль детали и т. п.);

Т0в — время на обслуживание рабочего места и станка (смазка станка, уборка стружки и т. п.);

Тох — время отдыха и личных надобностей. Производительность на данной операции определяется количе­

ством деталей, изготовленных в единицу времени. Производитель­ ность на данной операции в час

Основными составляющими штучного времени являются основ­ ное и вспомогательное время. Сумму основного и вспомогательного времени называют оперативным временем. Время обслуживания рабочего места и время на отдых берется в процентах от оператив­ ного времени. Время обслуживания рабочего места составляет 3—8%, а время отдыха — 4—9% от оперативного времени, т. е. эти времена занимают сравнительно небольшую долю в штучном времени.

Основное время в машиностроении составляет от 30 до 75% штучного времени. Поэтому для снижения штучного времени, а сле­ довательно, и повышения производительности при работе на стан­ ках необходимо в первую очередь изыскивать пути уменьшения основного и вспомогательного времени.

Сократить основное время можно, уменьшив число проходов і, для этого нужно уменьшить величину припусков и увеличить глу­ бину резания. Можно также увеличить частоту вращения п обра­ батываемой детали, что влечет за собой увеличение скорости реза­ ния, и увеличить подачу s. Следует иметь в виду, что шероховатость поверхности ограничивает величину подачи. При обдирочных ра­ ботах величина подачи может быть ограничена прочностью резца, прочностью механизма подачи станка и допустимым крутящим мо­ ментом на шпинделе станка. Уменьшить вспомогательное время можно путем применения быстродействующих зажимных приспо­ соблений, автоматизации измерения детали и т. п.

Имеются два основных пути уменьшения машинного времени: увеличение скорости резания (скоростное резание) и увеличение подачи (силовое резание). Скоростное резание характеризуется применением инструментов, оснащенных твердыми сплавами. Внед­ рение скоростного резания требует соблюдения ряда условий, к ко­

68