книги / Резание материалов
..pdfМинистерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
В.Ф. Макаров
РЕЗАНИЕ МАТЕРИАЛОВ
Утверждено Редакцонно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
2-е издание, исправленное и дополненное
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2019
1
УДК 621.9.02 ББК 34.63-5 М15
Рецензенты:
д-р техн. наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ В.Ф. Безъязычный (Рыбинский государственный авиационный технологический университет им. П.А. Соловьева); д-р техн. наук, профессор В.И. Свирщев (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)
Макаров, В.Ф.
М15 Резание материалов : учеб. пособие. – 2-е изд., испр. и доп. / В.Ф. Макаров. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн.
ун-та, 2019. – 499 с.
ISBN 978-5-398-02141-7
Представлен современный теоретический и практический материал по обработке резанием с применением новых инструментальных материалов и новых конструкций режущих лезвийных и абразивных инструментов. Даны примеры высокоэффективных методов обработки резанием на современных станках с числовым программным управлением и обрабатывающих центрах. Показаны тенденции и перспективы дальнейшего развития науки и техники резания материалов. В новом издании приведены дополнения и уточнения некоторых терминов и определений, новой маркировки и выбора режущих материалов, особенности обработки резанием современных композиционных материалов.
Предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Технология машиностроения», «Металлорежущие станки и инструменты», направление подготовки бакалавров 15.03.05 и направление подготовки магистров 15.04.05 «Конструкторско-технологи- ческое обеспечение машиностроительных производств», направление подготовки дипломированных специалистов 15.09.00 «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств», а также может быть полезно специалистам предприятий и аспирантам.
УДК 621.9.02 ББК 34.63-5
ISBN 978-5-398-02141-7 |
© ПНИПУ, 2019 |
2
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
ВВЕДЕНИЕ......................................................................................... |
9 |
ГЛАВА 1. Кинематика процесса резания ...................................... |
20 |
1.1. Основы кинематики резания............................................... |
20 |
1.1.1. Виды движений при резании материалов................ |
20 |
1.1.2. Поверхности заготовки в процессе резания............. |
22 |
1.1.3. Кинематические схемы резания................................ |
24 |
1.2. Геометрия режущей части инструмента............................ |
24 |
1.2.1. Конструкция, части и поверхности |
|
токарного резца .................................................................... |
24 |
1.2.2. Системы координат и геометрические |
|
параметры резца (углы заточки) ......................................... |
26 |
1.2.3. Измененияугловзаточки режущих инструментов |
|
в процессе резания и при установке в резцедержатель.... |
33 |
1.2.4. Формы передней поверхности резцов |
|
и назначение углов токарного резца................................... |
38 |
1.2.5. Особенности геометрии многозубых |
|
инструментов (фрезы, сверла, протяжки) .......................... |
43 |
1.3. Классификация видов обработки резанием....................... |
47 |
1.4. Элементы режима резания и срезаемого слоя................... |
54 |
1.4.1. Элементы режима резания ........................................ |
54 |
1.4.2. Элементы срезаемого слоя........................................ |
56 |
1.4.3. Расчет основного времени резания........................... |
64 |
ГЛАВА 2. Динамика процесса резания.......................................... |
67 |
2.1. Деформация и напряжения в процессе резания ................ |
67 |
2.1.1. Некоторые сведения о пластической |
|
деформации металлов.......................................................... |
67 |
2.1.2. Методы изучения и оценки пластической |
|
деформации........................................................................... |
72 |
2.1.3. Моделирование выхода режущего инструмента |
|
из заготовки в процессе протягивания............................... |
75 |
2.2. Процесс стружкообразования............................................. |
78 |
3
2.2.1. Типы стружек при резании пластичных |
|
и хрупких материалов.......................................................... |
78 |
2.2.2. Деформированное состояние зоны |
|
стружкообразования при элементной |
|
и сливной стружке................................................................ |
81 |
2.2.3. Взаимосвязь явлений стружкообразования |
|
в процессе резания............................................................... |
96 |
2.2.4. Изменение размеров и формы стружки |
|
по сравнению со срезаемым слоем. |
|
Понятие об усадке стружки............................................... |
103 |
2.2.5. Методы завивания и дробления |
|
сливной стружки ................................................................ |
110 |
2.3. Контактные явления, трение и наростообразование |
|
при резании материалов ........................................................... |
112 |
2.3.1. Контактные явления и трение на передней |
|
и задней поверхностях инструмента................................ |
112 |
2.3.2. Процесс наростообразования.................................. |
123 |
2.3.3. Влияние условий обработки на высоту нароста ... |
127 |
2.3.4. Положительное и отрицательное |
|
влияние нароста.................................................................. |
130 |
2.3.5. Методы борьбы с наростом..................................... |
133 |
2.4. Сила резания, работа и мощность резания ...................... |
133 |
2.4.1. Система сил, действующих на передней |
|
и задней поверхностях инструмента................................ |
134 |
2.4.2. Составляющие силы резания при точении............ |
137 |
2.4.3. Зависимость составляющих силы резания |
|
от условий обработки. Первый закон резания................. |
140 |
2.4.4. Влияние геометрических параметров резца |
|
на составляющие силы резания ........................................ |
145 |
2.4.5. Влияние физико-механических свойств |
|
обрабатываемых материалов и резца |
|
на составляющие силы резания ........................................ |
149 |
2.4.6. Влияние степени затупления резца |
|
и смазочно-охлаждающих жидкостей |
|
на составляющие силы резания ........................................ |
151 |
4
2.4.7. Методы определения сил резания .......................... |
153 |
2.4.8. Вибрации и шум при обработке резанием............. |
158 |
2.4.9. Эмпирические формулы для расчета |
|
составляющих силы резания............................................. |
167 |
2.4.10. Работа и мощность резания................................... |
168 |
ГЛАВА 3. Теплофизика процесса резания................................... |
171 |
3.1. Температура резания и тепловое поле.............................. |
171 |
3.1.1. Источники образования тепла |
|
и распределение тепла между стружкой, |
|
инструментом и деталью................................................... |
171 |
3.1.2. Понятие о тепловом поле и температуре |
|
резания................................................................................. |
176 |
3.1.3. Влияние условий резания на среднюю |
|
температуру резания. Второй закон резания................... |
178 |
3.1.4. Понятия об оптимальной температуре резания .... |
185 |
3.1.5. Основные методы изучения тепловых явлений.... |
191 |
3.2. Смазочно-охлаждающие технологические |
|
средства...................................................................................... |
201 |
3.2.1. Требования, предъявляемые |
|
к смазочно-охлаждающим жидкостям............................. |
202 |
3.2.2. Классификация смазочно-охлаждающих |
|
технологических средств................................................... |
204 |
3.2.3. Особенности физико-химического |
|
действия СОТС в зоне резания......................................... |
215 |
3.2.4. Влияние СОТС на стойкость инструментов, |
|
силы резания и качество обработанной поверхности..... |
220 |
3.2.5. Методы подачи СОЖ............................................... |
222 |
3.2.6. Рекомендации по применению СОТС.................... |
225 |
ГЛАВА 4. Износ и стойкость режущего инструмента................ |
228 |
4.1. Краткие сведения об инструментальных материалах..... |
228 |
4.1.1. Требования, предъявляемые |
|
к инструментальным материалам..................................... |
229 |
4.1.2. Классификация инструментальных материалов, |
|
их маркировка и применение............................................ |
230 |
4.2. Изнашивание и разрушение режущих инструментов..... |
262 |
5
4.2.1. Напряжения в инструменте и виды износа |
|
инструмента........................................................................ |
262 |
4.2.2. Физическая сущность и виды изнашивания |
|
инструментов...................................................................... |
271 |
4.3. Понятие о стойкости режущих инструментов................. |
283 |
4.3.1. График износа за время работы инструмента ....... |
283 |
4.3.2. Период стойкости инструмента.............................. |
287 |
4.3.3. Критерии износа-затупления инструмента............ |
289 |
4.3.4. Зависимость скорость резания – стойкость |
|
инструмента........................................................................ |
295 |
4.3.5. Характеристики размерной |
|
стойкости инструмента...................................................... |
296 |
4.3.6. Влияние скорости (температуры) резания |
|
на характеристики размерной стойкости. |
|
Зависимость стойкость–скорость (Т–V) ........................... |
298 |
4.3.7. Экономическая скорость резания и скорость |
|
резания, соответствующая максимальной |
|
производительности на данном рабочем месте............... |
302 |
4.3.8. Возможные потери при выборе высоких |
|
периодов стойкости............................................................ |
303 |
4.3.9. Влияние различных факторов |
|
на скорость резания и стойкость инструмента. |
|
Третий закон резания......................................................... |
304 |
4.3.10. Номограммы для выбора режимов резания......... |
307 |
4.3.11. Характер изнашивания и средние величины |
|
максимально допустимого износа различных |
|
режущих инструментов..................................................... |
310 |
ГЛАВА 5. Влияние условий резания на качество |
|
поверхностного слоя обработанной детали................................. |
314 |
5.1. Роль поверхностного слоя деталей в обеспечении |
|
надежности и долговечности работы современных |
|
сложных наукоемких машин и механизмов........................... |
315 |
5.2. Основные параметры, определяющие качество |
|
поверхностного слоя................................................................. |
320 |
5.2.1. Шероховатость обработанной поверхности.......... |
322 |
6 |
|
5.2.2. Наклеп поверхностного слоя |
|
при резании металлов ........................................................ |
328 |
5.2.3. Остаточные поверхностные напряжения............... |
333 |
5.2.4. Микроструктура поверхностного слоя деталей ... 341
5.3.Зависимость параметров качества поверхностного
слоя от условий обработки....................................................... |
342 |
5.3.1. Влияние условий обработки на шероховатость |
|
поверхности. Четвертый закон резания ........................... |
342 |
5.3.2. Влияние условий обработки на наклеп |
|
поверхности........................................................................ |
352 |
5.3.3. Влияние условий обработки на остаточные |
|
напряжения......................................................................... |
356 |
5.4. Влияние качества поверхностного слоя |
|
на эксплуатационные свойства деталей.................................. |
363 |
5.5. Особенности образования поверхности |
|
при чистовой лезвийной и абразивной обработке ................. |
372 |
5.5.1. Понятие об абразивном инструменте. |
|
Характеристики абразивного инструмента ..................... |
373 |
5.5.2. Виды шлифования. Элементы режима |
|
резания при круглом наружном шлифовании................. |
390 |
5.5.3. Физическая сущность процесса шлифования, |
|
особенности образования поверхностного слоя.............. |
401 |
5.5.4. Силы резания при шлифовании.............................. |
404 |
5.5.5. Износ и стойкость абразивного инструмента........ |
405 |
5.5.6. Назначение режимов резания при шлифовании.... |
407 |
5.5.7. Техника безопасности при работе |
|
на шлифовальных станках................................................. |
408 |
ГЛАВА 6. Оптимизация процесса резания.................................. |
410 |
6.1. Понятие об обрабатываемости материалов резанием..... |
410 |
6.1.1. Основные параметры обрабатываемости............... |
410 |
6.1.2. Анализ и выбор рациональных скоростей |
|
резания для оценки обрабатываемости материалов........ |
414 |
6.1.3. Способы определения обрабатываемости ............. |
417 |
6.1.4. Методы улучшения обрабатываемости.................. |
424 |
7
6.1.5. Особенности обрабатываемости резанием |
|
различных материалов....................................................... |
426 |
6.2. Выбор и назначение оптимальных параметров |
|
режущего инструмента............................................................. |
457 |
6.3. Назначение оптимальных режимов резания |
|
различными методами .............................................................. |
458 |
6.3.1. Табличный метод ..................................................... |
459 |
6.3.2. Аналитический расчет оптимальных |
|
режимов резания ................................................................ |
459 |
ГЛАВА 7. Современные направления развития науки |
|
и практики обработки материалов резанием............................... |
463 |
7.1. Адаптивное управление процессом резания.................... |
465 |
7.2. Высокоскоростное резание................................................ |
469 |
7.3. Обработка резанием без применения СОЖ..................... |
472 |
7.4. Новые принципы резания в условиях гибкого |
|
производства.............................................................................. |
474 |
7.5. Электрофизические и физико-химические методы |
|
обработки................................................................................... |
478 |
7.6. Аддитивные технологии.................................................... |
485 |
7.7. Гидроабразивная резка материалов.................................. |
488 |
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.............................................................. |
495 |
8
ВВЕДЕНИЕ
Резание материалов – это наука, имеющая свою сложную теорию и широкое практическое применение в промышленности. Процессом резания материалов называется процесс срезания с заготовки заданного припуска материала в виде стружки с целью получения из заготовки детали необходимых формы, размеров и требуемого качества. Несмотря на значительное развитие способов формообразования без снятия стружки, таких как литье, ковка, штамповка, прессование, в начале XXI века обработка материалов резанием остается основным способом изготовления точных деталей машин и механизмов. Это связано со значительными преимуществами процесса резания перед другими видами обработки, такими как универсальность, гибкость, малая энергоемкость, простота эксплуатации, технологическая маневренность, высокая производительность, возможность обработки деталей любой формы и размеров с высокой точностью и качеством, обеспечивающим стабильные эксплуатационные параметры машин. Эти преимущества процесса резания сегодня еще больше возросли в машиностроении в связи с переходом от прежнего массового производства машин и механизмов на производство современных конкурентоспособных машин небольшими сериями, партиями, с использованием современных станков с числовым программным управлением (ЧПУ), гибких быстропереналаживаемых обрабатывающих центров и высокоэффективного режущего инструмента.
За прошедшее столетие в области науки о резании материалов у нас в стране и за рубежом выполнено огромное количество научных исследований, установлены основные закономерности процесса резания, разработаны высокоэффективные инструментальные материалы, создано современное высокопроизводительное компьютеризированное оборудование.
Дальнейшее развитие науки о резании связано с решением проблем обработки деталей новых высокоэффективных конкурентоспособных на внутреннем и внешнем рынках машин и механиз-
9
мов, имеющих более высокие эксплуатационные параметры и изготавливаемых из новых более труднообрабатываемых материалов. Сегодня это, например, наиболее актуально для предприятий авиационно-космического профиля Пермского края при изготовлении такого особого класса сложнейших машин и механизмов, как газотурбинные двигатели (ГТД) для авиации, наземных энергетических и газоперекачивающих установок, двигатели первой ступени ракеты «Протон» и «Ангара», артиллерийские и ракетные установки и др. Появление новых более труднообрабатываемых материалов, усложнение конструкций и повышение точности размеров, обеспечение более низкой шероховатости, снижение себестоимости обработки деталей, повышение конкурентоспособности выпускаемых изделий ставит перед специалистами машиностроительного производства все новые и более сложные задачи в обеспечении эффективности процессов резания.
Процесс срезания припуска с заготовки осуществляется при помощи специальных режущих инструментов, имеющих в поперечном сечении форму клина. Согласно археологическим данным форма клина для режущего инструмента изобретена еще древним человеком много тысяч лет назад. Первоначально это были деревянные и каменные инструменты в виде ножей и топоров, а позднее появились и металлические инструменты (рис. 1). Форма клина для любого режущего инструмента изобретена древним человеком неслучайно.
Рис. 1. Примеры заточки клина каменных топоров
10