книги / Технология металлов

размером подачи (см. рис. 247). При прямых лезвиях режущего инструмента обработанная поверхность представляет собой че­ редующиеся неровности треугольной формы (рис. 267). Каждый треугольник образован проекцией подачи 5 на плоскость, перпен­ дикулярную направлению резания, цроекцией оставшейся части поверхности резания, образованной главным лезвием и проекцией поверхности резания, образованной вспомогательным лезвием. Проекции поверхностей резания на плоскость, перпендикулярную направлению резания, так же как и проекции лезвий на эту

Р и с. 267. Н ер о в н о ст и о б р а б о т а н н о й п овер хн ости :

/ — оставшаяся часть поверхности резания, образованной главным лезвием; 2 — поверхность резания, образованная вспомогательным лезвием

плоскость, образуют с проекцией подачи главный ср и вспомога­ тельный qpi углы в плане. Проведенный из вершины треугольника на его основание перпендикуляр h делит проекцию подачи на от­ резки Si и 52. Из построения следует, что

Si = h ctgep

и

s2 = h ctgep!,

а так как

s — s i + s 2 ,

TO

s = A(ctgcp + ctg9 j),

откуда

c tg <P + c tg <pA '

Так как высота треугольника h является высотой неровностей, то, следовательно, чистота обработанной поверхности будет лучше с уменьшением подачи и уменьшением углов в плане. Но уменьшение подачи соответственно понижает производи­ тельность. Во избежание этого оно компенсируется увеличением скорости резания, что само по себе улучшает чистоту поверх­

ности. На этом основании построена работа узким чистовым рез­ цом с малой подачей и большой скоростью резания. Чрезмерное уменьшение главного угла в плане приводит к возникновению вибраций, которые ухудшают чистоту поверхности. В таких мно­ голезвийных инструментах, как развертка, несмотря на очень малый главный угол в плане, вибрация не возникает ввиду того, что силы резания уравновешиваются их противоположным на­ правлением. Уменьшение вспомогательного угла в плане осуще­ ствлено при работе широким чистовым резцом с большой пода­ чей и при .работе разверткой. У обоих инструментов вспомога­ тельный угол в плане равняется 0°. На этом же основании создана конструкция проходного резца с ломанными лезвиями для получистовой работы с большой подачей.

Трение

Рабочие поверхности металлорежущего инструмента во вре­ мя резания находятся в непрерывном соприкосновении с обраба­ тываемым' металлом и, таким образом, возникает трение. Тру­ щимися поверхностями являются, с одной стороны, задние поверхности инструмента и поверхности резания, образованные на заготовке лезвиями инструмента, и с другой стороны, перед­ няя поверхность инструмента и поверхность стружки. Трущиеся поверхности представляют собой свежеобразованные металли­ ческие поверхности. Ведь, действительно, только что образован­ ные при разрушении деформированного граничного слоя новые поверхности резания и гладкая поверхность стружки немедлен­ но через десятитысячные доли секунды приходят в соприкосно­ вение с задними и передней поверхностями инструмента. Кроме того, сами поверхности соприкосновения в результате трения непрерывно изнашиваются и, все время обновляясь, образуют новые чистые поверхности. Все это соответствует условиям су­ хого трения.

Непрерывное образование новых чистых поверхностей спо­ собствует тому, что при высокой температуре и большом давле­ нии возникают молекулярное сцепление и частичное соединение трущихся поверхностей инструментального и обрабатываемо­ го металлов. Эти непрерывно возникающие частичные соедине­ ния чередуются с такими же непрерывными разрушениями, ко­ торые могут происходить как по прежней поверхности раздела инструментального и обрабатываемого металлов, так и по новой поверхности. В свою очередь новая поверхность раздела может быть в пределах поверхности резания и гладкой поверхности стружки или в пределах задней и.передней поверхностей метал­ лорежущего инструмента. Таким образом, при резании металлов внешнее сухое трение чистых, свежеобразованных металлических

поверхностей тесно связано с внутренним трением пластически деформированного металла срезаемого слоя и такого же металла под поверхностью резания. Если новая поверхность раздела про­ ходит в обрабатываемом металле под поверхностью резания и в стружке, то на задних и передней поверхностях металлорежуще­ го инструмента остаются приставшие частицы обрабатываемого металла в виде неровностей разных размеров, вытянутых в на­ правлении относительного движения трущихся поверхностей, инструмента и металла.

Сила трения выражается как

F = ?N,

где F — сила трения, кг;

Iх — коэффициент трения;

N — сила, нормальная к поверхностям трения, кг. Коэффициент сухого трения зависит от состава и строения-

трущихся металлов, скорости трения и температуры трущихся поверхностей. Меньшее влияние оказывают шероховатость тру­ щихся поверхностей и имеющиеся на них окислы. Что касается скорости трения, то она на задней поверхности металлорежуще­ го инструмента всегда больше, чем на его передней поверхности. Причиной этого является продольная усадка срезаемого слоя,, вследствие чего путь трения стружки короче пути трения поверх­ ности резания.

Износ инструментов

Трение рабочих поверхностей металлорежущих инструментов приводит их к износу и является основной причиной затупления лезвий, т. е. потери ими своей первоначальной формы. Износ, вследствие трения происходит только на задней поверхности инст­ румента, одновременно на задней и передней поверхностях и только на передней поверхности (рис. 268). Для каждого из этих случаев распределения износа имеются свои физические при­ чины.

Износ только на задней поверхности инструмента (рис. 268, а) бывает при малой толщине срезаемого слоя. Это объясняется прежде всего тем, что тонкий срезаемый слой деформируется главным образом самим лезвием, которое имеет ту или другую степень округления, и только в некоторых случаях в этой дефор­ мации участвует узкая полоска передней поверхности инстру­ мента, прилегающая к округленному лезвию. Сила трения на передней поверхности инструмента при малой толщине срезае­ мого слоя не велика. В то же время тонкий срезаемый слой име­ ет большую усадку, что увеличивает разность скоростей трения? на передней и задней поверхностях инструмента. Малая ско­

рость трения на передней поверхности не вызывает ее заметного износа, в то время как увеличенная скорость трения на задней поверхности повышает коэффициент трения и приводит к износу этой поверхности. Кроме того, износ задней поверхности инст­ румента производится упруго деформированным поверхностным слоем металла, а относительное значение упругой деформации ме­ талла под поверхностью резания при небольшой толщине среза­ емого слоя возрастает. Все эти причины создают на задней по­ верхности инструмента более тяжелые условия трения и износа, чем на его передней поверхности.

Одновременный износ задней и передней поверхностей ин­ струмента происходит при несколько увеличенной толщине сре­ заемого слоя и выполнении резания с малой и средней скоростя­ ми или хотя и с большой скоростью, но с хорошим охлаждением,

Р и с. 268. И зн о с р а б о ч и х п овер хн остей и н стр ум ен та:

а — задней; б — задней и передней; в — передней

3 также при работе многолезвийными инструментами с относи­ тельно небольшой продолжительностью работы каждого режу­ щего элемента, чередующейся с нерабочими периодами. Дефор­ мированный и превратившийся в стружку срезаемый слой уве­ личенной толщины соприкасается с передней поверхностью ин­ струмента на площади, граница которой отстоит от лезвия на расстоянии, в несколько раз превышающем толщину срезаемого слоя. Меньшая часть этой площади приходится на поверхность соприкосновения стружки с мало изнашивающимся наростом, ес­ ли по условиям резания он образуется, а на большей части этой же площади происходит износ. Он начинается с образования на передней поверхности инструмента выемки, которая постепенно увеличивается вглубь, незначительно в защищенную наростом сторону лезвия и главным образом в сторону, свободную от на­ роста. Радиус выемки при этом увеличивается. Одновременно с этим изнашивается и задняя поверхность инструмента, так как •скорость трения здесь по-прежнему больше, чем на передней ^поверхности. Кроме того, хотя относительное значение упругой

деформации при утолщении срезаемого слоя и падает, но ввиду этого же утолщения возрастает сила резания, действующая на заднюю поверхность инструмента. В результате приближения к лезвию образующейся на передней поверхности инструмента выемки обе изношенные поверхности инструмента соединяются и лезвие в своей первоначальной форме перестает существовать'

Ухудшение формы режущей части инструмента вызывает резкое увеличение силы резания и интенсивное теплообразова­ ние, что приводит к быстрому нарастанию дальнейшего износа инструментов из углеродистой, легированной и быстрорежущей стали. Если режущая часть инструмента изготовлена из твердо­

шей теплостойкости твердых сплавов к повышению их износа и режущая способность инструмента сохраняется.

Износ только передней поверхности инструмента бывает при большой толщине срезаемого слоя и большой скорости резания без охлаждения. Деформация срезаемого слоя большой толщи­ ны и трение толстой стружки по передней поверхности инстру­

мента вызывает интенсивное теплообразование, и передняя по­ верхность инструмента быстро изнашивается.

Нарастание износа задней и передней поверхностей инстру­ мента за время Т протекает различно, но с характерными для каждой из этих рабочих поверхностей закономерностями (рис. 269). Износ задней поверхности, измеренный по высоте истертой части h, происходит более интенсивно в начальный пе­ риод работы и затем замедляется до наступления периода быст­ рого нарастания износа при полной потере лезвием своей перво­ начальной формы, делающей инструмент непригодным к работе и требующей его затачивания. Если преобладает износ передней поверхности инструмента при одновременном износе обеих рабо­ чих поверхностей, нарастание износа задней поверхности про­ исходит равномерно без заметного увеличения его в начале ра­

боты. Износ передней поверхности инструмента измеряют по ширине истертой на ней выемки Ь. Он развивается очень быстро* с самого начала работы, а затем нарастает медленно и равно­ мерно до наступления катастрофического износа при полной ут­ рате лезвием своей первоначальной формы, вызывающей необ­ ходимость перетачивания инструмента.

Помимо износа, трением, который является преобладающим видом износа металлорежущих инструментов, потеря ими режу­ щей способности может быть вызвана еще и другими причинами. Так, инструменты, режущая часть которых изготовлена из обла­ дающих большой хрупкостью твердых сплавов и керамических сплавов, часто приходят в негодность из-за выкрошивания лез­ вия. Более редкой причиной нерабочего состояния металлорежу­ щего инструмента является пластическая деформация его лезвия. Это бывает у инструментов, изготовленных из таких вязких и спо­ собных пластически деформироваться в закаленном состоянии сталей, как хромомарганцевая и хромовольфрамомарганцевая.

Сила резания

Распределение сил при резании металлов

Режущая часть инструмента простой формы ограничивается задней и передней поверхностями, положение которых определя­ ется задним и передним углами (рис. 270). Во время работы ре­ жущая часть находится под действием системы сил, распределен­ ных соответствующим образом. На передней поверхности инстру­ мента действуют нормальная сила Nu, противодействующая силе, которая деформирует срезаемый слой, и касательная сила FUr создающая трение между передней поверхностью инструмента и сходящей по ней стружкой. На задней поверхности инструмента при этом действует нормальная сила N3, противодействующая силе, деформирующей металл под поверхностью резания, и ка­ сательная сила F3l вызывающая трение между задней поверх­ ностью инструмента и поверхностью резания. Следовательно, суммарная сила, действующая в направлении резания, Рг состав­ ляет

Pz = Nncosy + Fnsin у —N3sin ос + F3cos a.

Так как силы трения зависят от коэффициента трения на пе­

Тогда сила, действующая в направлении резания,

или

Рг = Nacos у + (апЛ^пsin у —N3sin a -f- p3N3cos <x Pz = Nn (cos T + t»n sin y) — N3(sin a — (13 cos a).

Отношение К нормальной силы, действующей на задней по­ верхности инструмента, к нормальной силе на его передней по­ верхности составляет

и,следовательно,

N3 = KNa.

Тогда

Рис. 270. Распределение сил при резании металлов

Закон политропической зависимости при пластической дефор­ мации сжатия, примененный к резанию металлов, устанавлива­ ет зависимость нормальной силы на передней поверхности ин­ струмента от условного предела текучести, поперечного сечения срезаемого слоя и его усадки, которая характеризует степень пластической деформации этого слоя.

где а0 — условный предел текучести, кг/мм2; b — ширина срезаемого слоя, мм;

а — толщина срезаемого слоя, мм; С/ — предельная усадка срезаемого слоя; пг — показатель политропы сжатия.

Тогда окончательное уравнение силы, действующей в направ­ лении резания, приобретает вид

Р2 = cQbaС™[(cos7 + [хп sin7 ) — К (sin а — ^cos а)].

Суммарная сила, действующая в направлении, перпендику­ лярном направлению резания, Ру составляет

Ру = N3cos a 4 - F3sin а —7Vn sin 7 + Fn cos 7 .

После преобразований, аналогичных предыдущим, сила, пер­ пендикулярная направлению резания, преобретает окончатель­ ное выражение

Ру = G^bat™ [К (cos а + j^sin а) — (sin 7 — cos 7 )].

Равнодействующая сил, действующих в направлении резания

ив перпендикулярном к нему направлении, Р составляет

Р= У Р\ + Р2.

Из выражений составляющих сил следует, что общая сила ре­ зания зависит от очень многих условий, а именно: от физико-ме­ ханических свойств обрабатываемого металла, характеризуемых условным пределом текучести и показателем политропы сжатия, от ширины и толщины срезаемого слоя, степени пластической де­ формации, косвенно отражаемой величиной продольной усадки срезаемого слоя, от положения задней й передней поверхностей режущего инструмента, определяемого соответственными уг­ лами.

Опытные зависимости сил резания

Направление и величину сил резания необходимо знать для расчета прочности металлорежущих инструментов, зажимных принадлежностей и приспособлений и механизмов металлорежу­ щих станков. Оно необходимо также для определения жесткости технологической системы, состоящей из инструмента, обрабаты­ ваемой заготовки, приспособления и станка, так как жесткость, т. е. сопротивление упругим деформациям, влияет на точность и чистоту обработки. Кроме того, силы резания необходимо знать для подсчета потребного крутящего момента при работе с вра­ щающейся заготовкой или вращающимся инструментом и для определения потребной мощности.

Однако многообразие условий, влияющих на величину силы резания, и недостаточная полнота теоретических зависимостей, затрудняют применение расчетных уравнений для их практическо­ го использования. Вместе с тем в результате Проведения большого количества исследований различных видов механической обработ*

ки металлов установлена с достаточной для практических целей степенью точности зависимость силы резания от основных усло­ вий, влияющих на ее величину. Главными условиями, которые влияют на величину силы резания, являются свойства обра­ батываемого металла, ширина и толщина срезаемого слоя.

Таким образом, появились упрощенные уравнения с неболь­ шим числом входящих в них членов, позволяющие достаточно надежно решать практические задачи определения силы реза­ ния в разных видах механической обработки металлов. В эти уравнения входят коэффициент, выражающий свойства обраба­ тываемого металла и условия резания, глубина резания и пода­ ча, заменяющие ширину и толщину срезаемого слоя. Влияние глубины резания и подачи на силу резания не прямо пропорци­ онально и эти величины входят в уравнение силовой зависимос­ ти в соответственных степенях, показатели которых больше при глубине резания и меньше при подаче. В общем виде упрощен­ ное уравнение силы резания, действующей в направлении рабо­ чего движения, следующее:

P Z = CP ' X / Z pZ>

где Рг — сила резания, действующая в направлении рабочего движения, кг;

С р —коэффициент, характеризующий свойства обрабаты­ ваемого металла и условия резания;

t — глубина резания, мм;

ХР—показатель степени при глубине резания;

sz — подача на один режущий элемент, мм'/дв.ход или лш/об;

УР— показатель степени при подаче;

Z — число одновременно работающих режущих элементов. Это уравнение является по своему строению общим для всех видов механической обработки металлов. Меняются только чис­ ловые значения коэффициента и показателей степени, определя­ емые по справочным данным, составленным на основании боль­ шого количества исследований, а в каждом отдельном случае механической обработки изменяется глубина резания, подача и

число одновременно работающих режущих элементов.

Тем не менее в практике расчета сил резания для некоторых видов механической обработки металлов многолезвийными ин­ струментами расчетное уравнение отличается внешним видом от рассмотренного типового. Это внешнее отличие, хотя оно и не раскрывает физического смысла уравнения, в действительности не нарушает принципиальной общности содержания и строения обоих уравнений.

Общая сила резания при работе инструментом, имеющим, кроме главного, одно вспомогательное лезвие, складывается из

силы, действующей в направлении рабочего*движения Pz, силы, действующей в направлении подачи Р*, и силы, действующей в направлении, перпендикулярном направлению рабочего движе­ ния и направлению подачи Ру (рис. 271). Размерное соотношение этих сил таково, что первая из них является наибольшей, а вто­ рая — наименьшей.

Так при точении

Ру = (0,4-7-0,5) Рг

и

Рх = (0,3 ч- 0,4) Рг.

Рис. 271. Направление сил резания

Но в зависимости от вида инструмента параметров его ре­ жущей части и условий резания соотношение сил резания меня­ ется в широких пределах. Из параллелепипеда сил следует, что равнодействующая сила Р равняется

р = у Р2 + р2 + Р2'

Крутящий момент

Окружная сила резания при механической обработке метал­ лов с вращающейся заготовкой или вращающимся инструмен­ том создает крутящий момент. Крутящий момент представляет собой произведение силы на плечо. В выражении крутящего мо­ мента при резании металлов плечом является половина диамет­ ра заготовки или режущего инструмента. С учетом размерности уравнение крутящего момента имеет вид

М — P 7d -

2 • 1000’

где М — крутящий момент, кем; Рг — окружная сила резания, кг;

d — диаметр заготовки или инструмента, мм.