книги из ГПНТБ / Вульф А.М. Резание металлов

ния с изменением угла наклона режущей кромки Я. Как видим,

полностью согласуется с закономерностью изменения углов про­

угол в плане ф,) не оказывают заметного влияния на силы реза­ ния и лишь радиус закругления г вершины резца при достаточно

несмотря на всю его важность, особенно в настоящее время при широком распространении скоростных режимов резания. Несом­ ненно, что с увеличением скорости резания повышается темпе­ ратура резания и, следовательно, можно ожидать изменения нагрузки на инструмент, поскольку изменяются угол резания в связи с образованием нароста на режущей кромке, а также силы трения в процессе резания. Поэтому могут появиться колебания нагрузок на резец при умеренных скоростях резания, что и наблю­ дается на практике.

При дальнейшем повышении скорости резания значительно

на поверхности контакта с резцом. В результате уменьшается трение между стружкой и резцом, как это показано на графике, построенном на основе опытных данных (рис. 77). Иногда может получиться и обратный эффект, т, е. схватывание (адгезия) стружки с резцом при высоких температурах резания и давлении. Следовательно, при значительных скоростях, когда температура в зоне резания превышает 400—600° С, должна заметно сни­ жаться сила резания.

В действительности замечается слабое снижение силы резания по сравнению с более резким падением механических свойств

141

металла и уменьшением коэффициента трения при повышенных температурах. Например, при комнатной температуре у мало­

уменьшается в 14 раз.

Исследования В. И. Рукавишникова при обработке стальной болванки, нагретой внешним источником до 600—700° С, показали сокращение расходуемой мощности (а следовательно, и силы реза­

Рис. 77. Влияние скорости резания на средний коэффициент трения при обработке различных материалов (у = 10°);

ботки. Столь сильное снижение нагрузки, очевидно, вызвано значительным уменьшением работы пластической деформации нагретого металла и снижением трения стружки о резец.

Однако подобное явление не наблюдается при обычной об­ работке металла с весьма большими скоростями резания, когда контактный нагрев стружки также достигает температуры 700— 800° С и выше, а сила резания снижается при этом лишь на 10— 30%. Это странное на первый взгляд явление можно объяснить тем, что температура в самой зоне резания сравнительно невелика; для ряда металлов скорость распространения теплоты в зоне резания отстает от скорости -движения резца и режущая кромка в зоне резания находится под воздействием мало нагретого ме­ талла. К тому же с увеличением скорости резания одновременно прогрессируют два процесса: упрочнение (наклеп) вследствие увеличения скорости деформировании и разупрочнение (отдых) из-за воздействия теплоты. В зависимости от их интенсивности получается различный эффект. Этим же объясняется известный факт, что при чистовой обработке с увеличением скорости резания нагрузка снижается сильнее, чем при обдирке, — тонкая стружка

142

прогревается насквозь при больших скоростях резания и поэтому деформация ее облегчается. Положение может усложниться, когда при обработке некоторых металлов, например закаленной стали, в зоне резания успеют произойти структурные изменения (из мартенсита в аустенит), что может повысить нагрузку.

Во всяком случае при малой скорости резания v < 50 м/мин пренебрегают ее влиянием на силы резания и лишь при более высоком значении v для приближенных расчетов рекомендуется

учитывать поправочный коэффициент kv =

При расчете на прочность режущего инструмента, работа­ ющего с весьма высокой скоростью резания, эта поправка может привести к ошибке, если не учитывать динамического воздействия повышенной скорости на инструмент и на физико-механические свойства обрабатываемого материала в зоне резания.

явление.

32. В Л И Я Н И Е СМАЭЭЧНО - ОХЛАЖДАЮЩИХ

СРЕДСТВ НА СИЛЫ Р Е З А Н И Я

Как известно, работа в процессе резания затрачивается в основ­ ном на упругую и пластическую деформацию и на преодоление трения между резцом, стружкой и обрабатываемым материалом. Роль трения в процессе резания достаточно велика. Некоторые исследователи считают, что при обработке стали на трение стружки по передней поверхности резца может быть затрачено приблизительно 35% работы, а на трение по задней поверхности — 5——15%. О существенном значении трения при работе некоторых инструментов свидетельствует и тот факт, что при обильном охлаждении инструмента хорошо смазывающей жидкостью уда­ валось понизить нагрузку на 30% и даже больше (до 45% у мет­ чика).

Но роль смазки не ограничивается снижением трения. Умень­ шение нагрузки на резец при применении смазки можно объяс­

и И. В. Гребенщиковым предложены физико-химические методы облегчения разнообразных производственных процессов (разру­ шения горных пород, резания металлов, полирования поверх­ ностей и т. д.). Дело в том, что поверхность любого твердого тела, как бы она ни была тщательно обработана, имеет мельчайшие микротрещины, на которые частицы жидкости оказывают раскли­ нивающее действие. Это так называемое диспергирование, т. е. разрушение, начинающееся с поверхности, может быть усилено присадками к жидкости некоторых поверхностно-активных в е :

143

ществ (жирных кислот, серы). При этом замечается также уско­ рение пластического течения; здесь имеет место своеобразная внутренняя смазка по возникающим в металле плоскостям сколь­ жения. В результате значительно облегчается процесс резания.

Поэтому понятно то большое внимание, которое уделяется выбору смазочно-охлаждающей среды и технике смазки. Пра­ вильно выбранная и эффективно примененная смазка — охлаж­ дение не только сокращает расход энергии, но и предохраняет инструмент от преждевременного затупления и улучшает качество обработанной поверхности. Чем выше смазывающая способность жидкости, тем заметнее уменьшалась сила резания. Например, при обработке стали с малой скоростью резания (v < 40 м/мин) сила резания Pz уменьшается на 12—15% при охлаждении мине­ ральным маслом и на 20—25% при применении растительных масел.

и соответствующим снижением силы Рг заметно увеличивается сила Ру, нормальная к обработанной поверхности. В результате увеличивается остаточное поверхностное напряжение сжатия, что способствует улучшению прочности обработанной детали. Эффект повышается при отрицательных передних углах инстру­ мента (—у) и значительном закруглении режущей кромки.

Нетрудно предвидеть, что степень изменения нагрузки должна зависеть не только от рода охлаждающей жидкости, но и от обра­ батываемого материала, толщины среза, угла и скорости резания. С применением смазочно-охлаждающих жидкостей сила резания должна уменьшаться тем заметнее, чем пластичнее обрабатывае­ мый материал, так как в этом случае растет относительная вели­ чина силы трения стружки по резцу и, следовательно, эффект смазки должен быть выше. Например, исследования [48] пока­ зали снижение нагрузки на резец на 30—60% при обработке меди с охлаждением смесью из 85% керосина и 15% белого ва­ зелина.

Действие смазки усиливается при малой толщине среза, так как смазка в этом случае меньше выдавливается стружкой, а также с увеличением угла резания, поскольку при этом увели­ чивается относительная величина силы Ру и, следовательно, эффект смазки должен быть выше. По этой причине действие смазки возрастает при малых скоростях резания.

Труды советских ученых подтверждают изложенные выводы. Некоторые исследователи не рекомендуют применять смазку— охлаждение при скоростях резания, когда стружка накаляется докрасна и становится пластичной, так как охлаждение препят­ ствует смягчению стружки. Так, опыты автора показали, что при обработке стали 10 с высокими скоростями резания твердосплав­ ным резцом Т30К4 и охлаждением эмульсией сила резания Рг была несколько выше, чем при работе всухую. Однако все же

144

практика подтверждает целесообразность охлаждения и при скоростном резании; в этом случае инструмент работает спокой­ нее, повышаются точность обработки и чистота обработанной поверхности. К тому же стружка становится более хрупкой, ломкой, что облегчает ее отвод. Правда, тогда требуется обильное охлаждение, чтобы сильная струя жидкости постоянно омывала и стружку и резец; иначе раскаленный твердосплавный резец, временами освобождающийся от стружки, подвергается внезап­ ному воздействию жидкости, и в твердосплавном инструменте появляются трещины.

33.В Л И Я Н И Е ФОРМЫ И М А Т Е Р И А Л А

РЕЗЦ А НА СИЛЫ Р Е З А Н И Я

В зависимости от требований технологического процесса не­ редко на практике применяются резцы, разнообразные по контуру и форме передней поверхности. Например, резцы с криволиней­ ной режущей кромкой несколько повышают нагрузку, но зато дают более чистую обработанную поверхность. Резцы с выточкой по передней поверхности работают легче, так как фактический

угол резания у них меньше, и наоборот, несколько большую нагрузку иногда имеют резцы со стружкодробильными порожками.

Само собой разумеется, что силы резания будут увеличиваться по мере затупления резца, ибо при этом повышается напряженное состояние в зоне резания и трение резца по обрабатываемому материалу. Если измерять степень затупления резца шириной

145

При обработке металлов резцами из различных материалов силы резания должны изменяться в той степени, в какой изме­ няются силы трения между обрабатываемым материалом и инстру­ ментом. По данным автора, при обработке стали 40Н при одних и тех же условиях силы резания были минимальными у минералокерамических резцов Т48, более высокими у твердосплавных Т5К10 и максимальными у быстрорежущих резцов Р18 (рис. 78). Усадка стружки, снятой аналогичными резцами, изменялась в таком же порядке. Очевидно, здесь сказывается известное поло­ жение о снижении силы трения по мере уменьшения химического сродства между материалами трущихся пар. К этому надо доба­

цессе резания в результате воздействия и других обстоятельств. Например, при работе отрезными резцами по мере углубления резца в металл и приближения его к оси изделия затрудняется отвод стружки и значительно повышается нагрузка, особенно при работе с большими подачами (рис. 79), когда в большей степени увеличиваются силы трения между инструментом, стружкой

иповерхностями резания.

Вобщем случае нагрузку инструмента можно заметно облег­

Согласно этому уравнению сопротивление сдвигу и, следова­ тельно, сила резания должна возрастать и тем более, чем выше значение угла г\. Однако опыт показывает обратный результат: сила резания уменьшается на величину, равную многократному

146

углах т) возникает своеобразная неустойчивость процесса и стружка приобретает гофрированный вид (рис. 80, б). По-видимому изги­ бающий момент в зоне резания настолько увеличивается даже

Рис. 80. Силы, действующие на стружку

при малых нагрузках, что образуется пластический шарнир и стружка загибается вверх. Вероятно помогает и то обстоятельство, что согласно формуле (116) при большом угле т] значительно повы­

Сила Q должна способствовать развитию опережающей тре­ щины в благоприятном направлении.

В приведенной формуле все факторы являются взаимозависи­ мыми величинами, и поэтому ее также невозможно использовать

147

для расчета оптимальных вариантов. Но анализируя уравне­ ние (116) качественно, можно сделать полезные заключения и благо­ приятно влиять на процесс резания. Так, с помощью простого приспособления к резцу (см. рис. 48, б), регулируя расстояние а между режущей кромкой и стружкозавивателем, высоту его п, можно добиться эффективного дробления стру^кки при уменьшен­ ных нагрузках и износе инструмента (см. рис. 46, б). На рис. 80, в изображена система сил Fc, Nc, действующих на стружку при резании резцом со стружкозавивателем с углом наклона гр. Пере­ мещая последний, можно изменением расстояния i, получить минимальные значения усадки стружки, объемного коэффициента и износа инструмента.

34.ВЫВОДЫ

Рассматривая физическую природу сил, действующих в про­ цессе резания, необходимо учитывать важнейшие явления разви­ тия трещин, приводящих к разрушению, диспергированию. Этими явлениями обычно пренебрегают, когда обсуждают энерге­ тическую сторону процесса резания, а между тем они играют решающую роль и, более того, составляют физическую основу механизма снятия стружки. В общем случае резание металлов необходимо рассматривать как процесс разрушения, который может сопровождаться упругими и пластическими деформациями большей или меньшей интенсивности, вязким течением снимаемого слоя и другими механическими и физико-химическими явлениями.

Такой широкий подход раскрывает перспективы творческого развития учения о резании металлов с плодотворными резуль­ татами для практики. Так, в области механики и динамики реза­ ния путем управления сходом стружки, добиваясь при этом ориентированного направления опережающей трещины (направ­ ленного разрушения), можно значительно уменьшить пласти­

величины, а также сокращается потребляемая мощность на —50%, что в 6—40 раз превышает мощность, расходуемую на отвод стружки.

Очевидно, этот эффект должен отразиться на стойкости инстру­ мента и тем самым его производительности. Выше было показано, как улучшается процесс резания в отношении дробления стружки, уменьшения силы резания, износа инструмента при изменении лишь одного параметра, влияющего на отвод стружки. При более широком оптимальном решении этой проблемы можно было бы добиться более внушительных результатов.

Новый подход в рассмотрении физической'сущности процесса резания объяснит противоречивые взгляды на некоторые законо-

148