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

Г л а в а I V

ОБРАБАТЫВАЕМОСТЬ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

§ 1. ОБРАБАТЫВАЕМОСТЬ МЕТАЛЛОВ

Основными параметрами, характеризующими обрабатываемость металлов, являются сопротивление резанию (мощность, силы ре­ зания), скорость резания при соответствующей стойкости инстру­ мента, качество обработанной поверхности. Обрабатываемость ме­ таллов резанием зависит от химического состава и структуры об­ рабатываемого металла, его механических свойств, способности к наклепу, физических свойств (теплоемкости, теплопроводности).

При чистовой обработке основными критериями обрабатывае­ мости являются шероховатость поверхности, точность обработки, а также стойкость инструмента при принятой скорости резания При черновой обработке основными критериями являются стойкость инструмента при соответствующей скорости резания и силе реза­ ния.

Большое влияние на обрабатываемость сталей оказывает их химический состав. С увеличением в стали содержания углерода повышается ее механическая прочность и соответственно возрастает сопротивление резанию. При обработке заготовки из стали с ма­ лым содержанием углерода (0,1—0,25% С) получают большую шероховатость поверхности. Повышение содержания некоторых легирующих элементов (Cr, Mo, V, W, Ті) увеличивает прочность стали и ухудшает теплопроводность, что ведет к ухудшению обра­ батываемости. Кремний ухудшает обрабатываемость стали вслед­ ствие образования силикатных абразивных включений. Повышен­ ное содержание серы и свинца улучшает обрабатываемость стали. Так, стали автоматные (А12, А20 и др.) с повышенным содержа­ нием серы (до 0,15%) обрабатываются лучше, чем малоуглероди­ стые стали. Свинец улучшает обрабатываемость благодаря «сма­ зывающему» действию дисперсно распределенных частиц на гра­ ницах зерен.

Заготовки из стали с крупнозернистой структурой обрабаты­ ваются режущим инструментом лучше, чем с мелкозернистой струк­ турой. Наилучшая обрабатываемость у стали со структурой плас­ тинчатого перлита. Зернистый перлит имеет пониженную прочность и повышенную пластичность. Класс чистоты обработанной поверх­ ности заготовок из стали со структурой зернистого перлита будет ниже, чем со структурой пластинчатого перлита. Феррит при за­

70

легании в виде широких полос или крупных скоплений способствует увеличению шероховатости поверхности после обработки. Сталь со структурой феррит — зернистый цементит обрабатывается осо­ бенно плохо. Хорошую обрабатываемость имеет сталь со структу­ рой сорбит и сорбит — феррит.

В ряде случаев для улучшения обрабатываемости стальные за­ готовки подвергают предварительной термической обработке. Плас­ тичные металлы и сплавы, обладающие большей способностью к наклепу, обрабатываются труднее, чем менее пластичные. Ме­ таллы, обладающие большей теплопроводностью и теплоемкостью, обрабатываются лучше вследствие лучшего отвода тепла из зоны резания.

Для определения обрабатываемости имеются методы, основан­ ные на определении стойкости режущего инструмента. Наиболее часто применяют так называемый «классический метод», при кото­ ром инструмент испытывают на разных скоростях резания, доводят до определенного затупления и определяют соответствующие зна­ чения стойкости Т в минутах.

В результате математической обработки результатов экспери­ ментов получают зависимость ѵ = / (Т).

При более подробных испытаниях устанавливают зависимость скорости резания от стойкости, глубины резания и подачи, т. е. определяют функцию ѵ = f (Т, t, s). Этот метод определения обра­ батываемости дает достаточно точные результаты, но требует много времени и значительного расхода металла, поэтому обычно приме­ няют ускоренные методы. К ним относятся метод торцовой обточки, температурный метод, метод радиоактивных изотопов и др. Не­ достатком ускоренных испытаний является их меньшая точность.

Метод торцовой обточки основан на точении по торцу диска с постоянной подачей s и постоянной частотой вращения щ. Для исключения влияния трения задней поверхности резца о торец диска в последнем сверлят отверстие малого диаметра d0. Скорость резания (по наружному диаметру) берется больше обычной, что вы­ зывает затупление резца в пределах одного прохода на окружности диаметра dL (определяющей скорость резания і^). Затем проводят второй опыт при точении с другой частотой вращения я,, при которой резец затупляется при скорости резания ѵ2. Коэффициент С и пока­ затель степени k в уравнении стойкость — скорость резания Т —

g Щ

При выводе этих уравнений пренебрегли скоростью ѵ0, соответ­ ствующей диаметру отверстия d0.

Температурный метод основан на изучении температуры реза­ ния Ѳ0 в зависимости от элементов режима резания (ѵ, s, /) и полу­

71

чении формулы 0° = Cf,irs^'tx, из которой можно легко получить функцию V — f (t, s). Для этого температуру резания принимают за постоянную величину, равную предельно допустимой темпера­

ния при постоянной температуре резания стойкость инструмента одинакова.

При определении обрабатываемости методом радиоактивных изотопов рабочие поверхности резца подвергаются радиоактиви­ зации. В процессе резания в результате износа передней и задней поверхности частицы радиоактивного металла переносятся на обра­ ботанную поверхность детали и стружку. Радиоактивные продукты износа обнаруживаются счетчиками Гейгера. По степени радиоак­ тивности стружки или заготовки судят об интенсивности износа резца. Метод радиоактивных изотопов требует применения специаль­ ных мер защиты против радиации.

§ 2. ОБРАБОТКА ДЕТАЛЕЙ ИЗ ЗАКАЛЕННОЙ СТАЛИ и д е т а л е й , в о с с т а н о в л е н н ы х а в т о м а т и ч е с к о й н а п л а в к о й

ИОСТАЛИВАНИЕМ

Вусловиях ремонтного производства в ряде случаев приходится обрабатывать точением детали из закаленной стали. Обработка производится твердосплавными резцами группы ВК и ТК (ВК8, Т15К6). При обработке закаленных сталей применяют резцы с от­ рицательным передним углом (у = —10 ч —15°) и углом наклона

главной режущей кромки Я = 5 ч 10°. Иногда угол Я достигает 45°. Режим резания выбирают в зависимости от твердости закален­ ных деталей в пределах ѵ = 80 ч 120 м/мин; s = 0,1 ч 0,2 мм/об; t — 0,5 ч 1 мм.

Следует иметь в виду, что при обтачивании деталей из закаленной стали детали могут иметь бочкообразную форму из-за отжима суп­ порта вследствие значительных радиальных сил. В этом случае, учитывая необходимость получения большей точности детали, об­ работку ведут в несколько проходов.

При обработке закаленной стали шероховатость поверхности находится в пределах 7—8-го классов чистоты, и поэтому данная операция, в ряде случаев, может заменить шлифование.

Около 85% изношенных автотракторных деталей восстанавли­ ваются различными методами автоматической наплавки и «осталиванием». Однако обработка наплавленных и осталенных деталей представляет значительные трудности вследствие особых свойств

различными методами автоматической наплавки и осталиванием, применяют:

72

—материал режущей части инструмента из твердых сплавов Т5КЮ и Т15К6 при твердости наплавленного слоя HRC менее 40

иВК8, ВК6 и ВК6М — при HRC более 40; при обработке осилен­ ных поверхностей используют пластинки из твердого сплава Т30К4;

—следующие углы резца:

а) при твердости наплавленного слоя HRC менее 40 берут главный задний угол а = 10°, главный передний угол у = 0 -н -т- (—5)°, главный угол в плане ср = 30 -ь 40°, вспомогательный

§3. ОБРАБОТКА РЕЗАНИЕМ ПЛАСТМАСС

Впоследние годы все более широкое применение в промышлен­ ности получают различные пластмассы. Главной составной частью

этих материалов (30—60%) являются высокомолекулярные органи­ ческие вещества — искусственные (синтетические) или реже при­ родные смолы, которые являются связующим веществом. В состав пластмасс обычно входит 40—70?,6 наполнителя, 1—2% смазываю­ щего вещества, 1— 1,5% красителя и другие добавки. Пластмассы имеют малую плотность, многие разновидности их обладают высо­ кой коррозионной стойкостью и удовлетворительной прочностью. Детали из пластмасс, изготовленные формованием на специальных прессах, почти не требуют последующей механической обработки.

Пластмассы как конструкционный материал имеют свои осо­ бенности. Большинство из них обладают низкой теплостойкостью (70—150° С); при повышении температуры они подвергаются де­ струкции и теряют прочность (кремнеорганические пластмассы не теряют прочность при более высоких температурах); коэффициент линейного расширения пластмасс резко отличается от коэффициента линейного расширения чугуна и стали; пластмассы сильно дефор­ мируются при рабочих нагрузках; напряжения в пластмассовых деталях зависят не только от величины сил, но и времени их прило­ жения. Пластмассы масло- и бензостойки; они имеют низкую тепло­ проводность, которая в 200—300 раз меньше теплопроводности стали и чугуна; некоторые пластмассы способны поглощать воду,

73

масло, и детали из таких пластмасс обладают нестабильностью размеров.

В машиностроении из пластмасс изготовляют малонагруженные зубчатые колеса, подшипники скольжения, маховички, шкивы, щитки, панели и т. д. Детали из пластмасс изготовляют прессова­ нием, литьем, выдавливанием и другими методами. Механическая обработка пластмассовых деталей, как правило, производится для удаления облоя, литников и др. Трудоемкость механической обра­ ботки деталей из пластмасс составляет 25—50% от общей трудоем­ кости изготовления деталей. При обработке резанием необходимо учитывать некоторые особенности физико-механических свойств пластмасс, которые определяют режимы резания, геометрию и ма­ териал режущего инструмента. Ввиду низкой теплопроводности пластмасс тепло, возникающее в процессе резания, сосредоточи­ вается главным образом на инструменте и мало распространяется в обрабатываемый материал. В состав пластмасс входят соединения, обладающие абразивными свойствами, что увеличивает износ режу­ щего инструмента.

Пластмассы, способные к водопоглощению (текстолит, кордоволокнит, гетинакс и др.), обрабатывают без охлаждения. Вини­ пласт обрабатывают с охлаждением 5%-ным раствором эмульсола. При обработке пластмасс резанием обычно применяют инстру менты, изготовленные из быстрорежущей стали Р18 или твердого сплава ВКб. В табл. 5 приведены скорости резания, а в табл. 6 — геомет­ рические параметры инструментов при обработке пластмасс. По­ дачи выбирают в зависимости от требуемого класса чистоты обрабо­

Сверление отверстий в деталях из слоистых пластмасс можно производить стандартными спиральными сверлами с измененной геометрией. Изменение заключается в том, что сверла диаметром 3—10 мм затачивают с углом при вершине 2ср = 70 ч- 110° (вместо 118° при обработке стали), подтачивают поперечную перемычку

74

'Таблица 6

Геометрические параметры режущих инструментов при обработке пластмасс

впределах 0,4 — 1,3 мм и направляющую ленточку (0,5 —0,2 мм). При сверлении в деталях пластмасс отверстий размерами от 15 до 40 мм применяют заточку стандартных сверл с двойными углами

вплане (2ф0 = 70 ч- 110° и 2ср = 118°). Для сверления отверстий диаметром более 40 мм в листах из пластмасс и органического стекла толщиной до 15 мм применяют циркульные резцы, устанавливае­ мые в оправку.

Для сверления отверстий в слоистых пластмассах с сильно вы­ раженными абразивными свойствами рекомендуется применять сверла, оснащенные твердым сплавом ВКб или ВК8, с прямыми ка­ навками и углом при вершине 70—100° (меньший угол — при об­ работке пластмасс с менее выраженными абразивными свойствами, а больший — при обработке пластмасс с резко выраженными аб­ разивными свойствами). Подача при сверлении сверлами из быстро­ режущей стали рекомендуется 0,1—0,3 мм/об. Сверление листа органического стекла толщиной более 5 мм производят обычными спиральными сверлами с углом при вершине 70° и узкими ленточ­

ками (до 0,2 мм) или перовыми сверлами при толщине листов до 5 мм. Сверление отверстий в листах толщиной до 30 мм и диамет­ ром свыше 40 мм производят специальными резцами.

Фрезерование слоистых пластмасс выполняют в направлении подачи, применяя цилиндрические фрезы со спиральными зубьями и углом спирали 40—60° (вместо 15—30° при обработке сталей) и без цилиндрической ленточки на зубьях. При встречном фрезе­ ровании материал расслаивается и ухудшается поверхность де­ тали. Подачу при фрезеровании слоистых пластмасс фрезами из быстрорежущей стали назначают 0,1—0,3 мм/зуб, а при фрезерова­ нии органического стекла 0,03—0,1 мм/зуб.

Для обработки органического стекла применяют цилиндриче­ ские спиральные фрезы с углом спирали 20° без цилиндрической ленточки на зубьях.

75

Полируют органическое стекло мягкими полировальными кру­ гами, с применением мелкозернистых паст при окружной скорости круга 500—600 м/мин, или бархатной шкуркой.

§ 4. ОБРАБОТКА РЕЗАНИЕМ ДРЕВЕСИНЫ

Древесина является конструкционным материалом и применяется для изготовления ряда деталей сельскохозяйственных машин. По механическим свойствам породы древесины разделяют на три группы: мягкие, средние и твердые. К мягким породам относятся сосна, ель, пихта; к породам средней твердости — береза, листвен­ ница; к твердым породам — дуб, бук и ясень.

Наибольшее применение в сельскохозяйственном машинострое­ нии находит сосна. Ель и пихту применяют как заменители сосны для неответственных деталей. Дуб и бук применяют для изготовле­ ния планок транспортеров, соломотрясов, шатунов, шкивов и т. п.

Взамен дуба и бука применяют также многослойную фанеру на феноловых смолах.

Древесина, из которой изготовляют детали машин, должна иметь влажность не более 15—18%. Влажность (абсолют­ ная) определяется потерей веса образца при нагреве до 100° С, отнесенная к весу сухого образца и умноженная на 100 (чтобы получить результат в про­ центах). Растущая древесина имеет влажность 70—90 %, и поэтому заготовки из древесины перед изготовлением дета­

лей сушат. При сушке древесина усыхает в направлении радиуса де­ рева до 3—8%, в направлении годичных колец (тангенциальное направление) — 6—12%, в направлении длины волокон — 0,1 —

0,2 %.

При резании древесины необходимо учитывать неоднородность свойств древесины в разных направлениях, невысокую твердость древесины и нестойкость к высоким температурам. Резание древе­ сины производят на высоких скоростях (0,5—100 м/с), что умень­ шает шероховатость обработанной поверхности. Режущий инстру­ мент имеет значительно меньшие углы резания (б = 30 -к 80"), чем при резании металлов. Температура резания на режущих кромках инструмента обычно не превышает 100—120° С, т. е. теп­ ловые явления при резании древесины не имеют большого зна­ чения.

Инструмент для обработки древесины изготовляют из углеро­ дистых сталей марок У8А—У10А и из легированных сталей (9Х5ВФ, Р4 и др.) и закаливают на твердость HRC 52—58. В последнее время при обработке древесины находят применение инструменты, оснащен­ ные твердыми сплавами (ВК6В, ВК8В, ВК.15, BK2Ü).

76

Обычным видом резания древесины является свободное; при этом ширина среза несколько меньше длины режущей кромки (рис. 47). Такой вид резания называют также элементарным (он ха­ рактерен для строгания древесины).

Главную составляющую силы резания Рг (в направлении ско­ рости резания) для элементарного резания определяют по формуле

Рг = СрЬа кгс = 9,81 Ср ba Н,

где Ср — удельное сопротивление резанию в кгс/'мм2 (Н/м2); b — ширина среза в мм (м);

а — толщина среза в мм (м).

Удельное сопротивление резанию Ср зависит от свойств обраба­ тываемой древесины, направления резания относительно располо­ жения волокон древесины, толщины среза, угла резания, влажно­ сти древесины, остроты резца и рассчитывается по формуле

С = С

ат‘

Значения коэффициента С и показателя степени т при угле резания S = 60°, влажности древесины со = 10 -н 15%, остром резце даны в табл. 7. При других условиях резания вводят попра­ вочные коэффициенты.

Основными методами обработки древесины резанием являются точение, строгание, фрезерование, распиливание (разновидность фрезерования), сверление и шлифование.

Грубую обработку древесины при точении производят резцами с радиусной кромкой (рис. 48, а). Резцами с косой кромкой вы­ полняют чистовую обработку (рис. 48, б). Угол резания у токар­ ных резцов б = 45 -и 70°; глубина резания при грубой обработке 2—5 мм и подача 1,25—2,5 мм/об; при чистовой обработке глубина резания берется равной 0,25—1 мм и подача 0,25—1 мм/об. Скорость резания при точении древесины твердых пород составляет 0,5— 3 м/с; пород средней твердости 5—7 м/с; мягких пород 10—13 м/с.

На рис. 49 приведена схема продольного строгания, применяе­ мая на циклевальных и строгально-отделочных станках. Толщину

77

среза а берут до 0,05 мм. Углы резания у ножей 6 = 45 -ь 80°. Силы резания определяют^по ранее приведенной формуле для эле­ ментарного резания.

Кроме непосредственного строгания к этому методу обработки обычно относят и обработку плоскостей вращающимися ножевыми валами (рис. 50), хотя было бы

Фрезерование древесины производят цельными фрезами или фрезами со вставными резцами. Фрезы по дереву имеют передние

при фрезеровании 20—50 м/с, по­ дача на зуб фрезы при тонком

фрезеровании 0,3—1 мм, при чистовом фрезеровании 1—2 мм, при грубом фрезеровании 2,5—3 мм.

Окружная сила на фрезе

78