Материаловедение и технология конструкционных материалов

Рис. 21.9. Виды стружки:

а — сливная; б — скалывания; в — элементная; г — надлома

при обработке металлов с невысокими скоростями резания, боль­ шой толщиной срезаемого слоя и малых передних углах инстру­ мента.

Стружка надлома (рис. 21 .9, г) образуется при обработке

хрупких материалов (чугун, бронза) и неметаллических мате­ риалов. Она состоит из отдельных не связанных между собой элементов, полученных за счет хрупкого разрушения срезаемого слоя. При образовании стружки надлома обработанная поверх­ ность получается шероховатой, с зазубринами и вырывами.

Следует отметить, что при обработке одного и того ж е мате­ риала могут получиться все виды стружек, так как пластичность и хрупкость определяются состоянием вещества, а не его свой­ ствами.

21.4.2. С илы, возникающие при резании

При обработке резанием металл оказывает сопротивление ре­ жущему инструменту. Это сопротивление преодолевается силой резания, приложенной к резцу. Под действием этой силы в зоне образования стружки возникают силы Ру1 (упругая деформация) и Рп1 (пластическая деформация), действующие нормально к пе­ редней поверхности резца, и силы Ру2 и Рп2, действующие нор­ мально к задней поверхности резца (рис. 21.10, а).

Наличие нормальных сил обусловливает возникновение сил трения Tj = fij(jPyi + Рп1) и Тг = ц2(Ру2 +Рп2), действующих соответ-

21. Классификация движений в станках и методов формообразования 563

Рис. 21.10. С и л ы при резании (а ) и составляю щ ие си лы резания (б)

ственно вдоль передней и задней поверхности резца (ц, и ц2 — коэффициенты трения стружки о переднюю поверхность резца и задней поверхности резца о заготовку). Эту систему сил приво­ дят к равнодействующей силе резания

R = Ру1 + Ру2 +Рп1 +Рп2 +Т, +Т2.

Абсолютная величина R и место ее приложения в большинстве случаев неизвестны, поэтому R разлагают на составляющие Рх, Ру>Рг (рис. 22.10, б), для расчета которых приняты зависимо­ сти, установленные опытным путем.

Главная составляющая силы резания Рг совпадает по на­ правлению со скоростью главного движения резания в вершине лезвия. По силе Рг определяют мощность станка, необходимую для обеспечения процесса резания, рассчитывают на прочность детали и узлы коробки скоростей, прочность режущего инстру­ мента.

Радиальная составляющая силы резания Ру направлена по радиусу вращательного движения резания к вершине лезвия (перпендикулярно оси заготовки). По силе Ру определяют про­ гиб детали, жесткость станка. Эта сила, определяя деформацию детали и инструмента в радиальном направлении, влияет на точность обработки.

Осевая составляющая силы резания Рх действует параллель­ но оси главного вращательного движения резания. По силе Рх рассчитывают механизм продольной подачи станка и изгибаю­ щий момент, действующий на стержень резца.

Равнодействующая сила резания определяется как сумма векторов трех составляющих

Я= -у/р/ + Ру +Р?

иусловно расположена в центре линии касания главной режу­ щей кромкой заготовки.

Соотношение между Рх, Ру и Р2 зависит от геометрических параметров инструмента, режима резания, физико-механических свойств обрабатываемого материала, износа резца, условий обра­ ботки и приближенно составляет

Рх : РУ:Р: = 1: (0,5...0,3): (0,4...0,25).

Для практических расчетов определяют лишь силу Р2, а силы Рх и Ру берут в долях от нее.

Чем больше площадь поперечного сечения срезаемого слоя металла, выше прочностные характеристики обрабатываемого материала, тем больше силы резания. При увеличении скорости резания силы несколько снижаются за счет повышения темпе­ ратуры резания и изменения условий трения между стружкой и инструментом. Влияние различных факторов на силы резания весьма сложно, поэтому для их определения используют обоб­ щенные эмпирические формулы, учитывающие конкретные ус­ ловия обработки.

В процессе резания резец и деталь испытывают некоторую упругую деформацию, что приводит к частичному сжатию (пе­ ремещению) их в направлении действия сил И является одной из причин погрешностей обработки. Так, сила Рг отжимает резец книзу, а резец в свою очередь стремится изогнуть деталь вверх. Сила Рх отжимает резец в направлении, противоположном про­ дольной подаче, и стремится уменьшать ее. Сила Руотталкивает резец от обрабатываемой детали и стремится уменьшить глуби­ ну резания. Поэтому при чистовом проходе для получения боль­ шой точности размеров детали, учитывая действие указанных сил, уменьшают сечение срезаемого слоя.

Зная составляющие усилия резания, определяем мощность N pe3, необходимую для осуществления процесса резания (кВт):

где v — скорость резания, м/мин; п — частота вращения заго­ товки, мин-1; Snon и Snp — соответственно поперечная и продоль­ ная подачи инструмента, мм/об.

21. Классификация движений в станках и методов формообразования 565

Мощность двигателя N m, необходимую для работы станка, оп­ ределяют с учетом коэффициента полезного действия станка r)CT:

21.4.3. Явление упрочнения поверхностного слоя при резании

Деформация, металла в процессе резания не ограничивается зоной, непосредственно прилегающей к передней поверхности инструмента, а распространяется и на удаленные слои, увеличи­ вая их твердость. Это явление носит название наклепа при реза­ нии. В процессе стружкообразования считается, что инструмент является острым, однако он всегда имеет радиус округления режу­ щей кромки р » 0,006...0,03 мм (рис. 21.11). Такой инструмент срезает с заготовки стружку, если глубина резания а, больше радиуса р. В этом случае в стружку переходит часть срезаемого металла, равная аф. Слой металла, равный at - аф, и соизмери­ мый с радиусом р, упругопластически деформируется и проходит под резцом. После перемещения резца относительно обработанной поверхности происходит упругое восстановление поверхностного деформированного слоя на величину Лу упругого последействия. Вследствие этого образуется контактная площадка шириной b между обработанной поверхностью и задней поверхностью резца.

В результате упругопластического деформирования поверх­ ностного слоя повышаются его прочностные характеристики

и твердость, но снижается пластичность и изменяются физиче­ ские свойства материала (явления наклепа). Наклеп характеризу­ ется глубиной Лн и степенью

i =HVnoJHV„ox,

где HVnos, HVKCX — микротвердость поверхностного слоя и ис­ ходного материала.

Глубина и степень наклепа зависят от физико-механических свойств обрабатываемого материала, геометрии инструмента, радиуса кривизны вершины лезвия, режима резания. Глубина наклепа составляет десятые доли миллиметра при черновой и тысячные доли — при чистовой обработке. Чем мягче и пла­ стичнее обрабатываемый материал, тем большему наклепу он подвергается.

Глубина наклепанного слоя возрастает с увеличением сре­ заемого слоя аф и уменьшением переднего угла у. Наклеп обра­ ботанной поверхности полезен при чистовой обработке. Однако наклеп, полученный при черновой обработке, отрицательно влияет на процесс резания при чистовой обработке. В этом случае инструмент работает по поверхности с повышенной твердостью, что приводит к его ускоренному изнашиванию. Уменьшить глу­ бину и степень наклепа можно применением охлаждающих сред, увеличением скорости резания и термообработкой.

21.4.4. Тепловые явления при резании металлов

При снятии стружки вся работа резания превращается в эк­ вивалентное количество теплоты. Теплообразование оказывает значительное влияние на процесс резания. С одной стороны, оно облегчает деформирование материала срезаемого слоя, вследст­ вие чего уменьшается интенсивность изнашивания инструмен­ та и повышается качество обработанной поверхности. С другой стороны, повышение температуры до 800...1000 °С вблизи ре­ жущей кромки инструмента приводит к изменению структуры и физико-механических свойств его материала, что обусловли­ вает потерю режущей способности инструмента.

Механическая энергия, затрачиваемая на деформирование, разрушение и трение, переходит в тепловую, и только небольшая ее часть накапливается в виде потенциальной энергии искаженной

21. Классификация движений в станках и методов формообразования 567

решетки материала в зоне деформирования. В первом прибли­ жении количество выделяющейся в единицу времени теплоты можно подсчитать по следующей формуле:

Q = P*v,

где Рг — сила резания, Н; v —скорость резания, м/с.

Теплота образуется в результате упругопластического дефор­ мирования в зоне стружкообразования, трения стружки о перед­ нюю поверхность инструмента и заготовки о задние поверхности (рис. 21.12, а). Тепловой баланс процесса резания можно выра­ зить в следующем виде:

где Qa — количество теплоты, выделяющееся при упругопласти­ ческой деформации обрабатываемого материала; <?п„ — количе­ ство теплоты, выделяющееся при трении стружки о переднюю поверхность инструмента; Q3„ — количество теплоты, выделяю­ щееся при трении задних поверхностей инструмента о заготовку; <7 С— количество теплоты, отводимое стружкой; #30Г — количест­ во теплоты, отводимое заготовкой; q„ — количество теплоты, от­ водимое инструментом; q0Kp — количество теплоты, отводимое в окружающую среду.

Рис. 21.12. Тепловые явления:

а — тепловой баланс процесса резания; б — влияние v, S, t

на температуру инструмента

В зависимости от технологического метода и условий обработ­ ки со стружкой уносится 25...85 % всей выделившейся теплоты, заготовкой — 10...15, инструментом — 2...8 % . Наибольшее влияние на температуру инструмента оказывают скорость, по­ дача и глубина резания (рис. 21.12, б). С повышением скорости

резания температура растет, но чем выше скорость резания, тем медленнее повышается температура, так как при высоких скоро­ стях большее количество тепла отводится стружкой, уменьша­ ются пластические деформации и силы резания. С увеличением подачи и глубины резания температура инструмента также не­ сколько возрастает, однако необходимо учитывать, что с увеличе­ нием глубины резания увеличивается протяженность контакта между инструментом и деталью, что уменьшает приток тепла на единицу длины режущего лезвия.

С уменьшением переднего угла у увеличивается сила резания и, следовательно, температура резания. С уменьшением угла в плане ф удлиняется активная часть режущей кромки и за счет этого улучшается теплоотвод.

Кроме температуры необходимо знать температурное поле

взоне резания. Под температурным полем понимается сово­ купность различных значений температур во всех точках опре­ деленного участка деформированного слоя или инструмента

вопределенный момент. На рис. 21.13 приведены изотермы температурного поля резца и стружки при точении без охлажде­ ния резцом из твердого сплава Т14К8 стали ШХ15 (и = 80 м/мин; t = 4,1 мм; S = 0,5 мм/об). Как видно из рисунка, наибольшая температура у места контакта стружки с передней поверхностью инструмента.

а

400

500

600

850 800

Рис. 21.13. Температурное поле резца и стружки:

а — на передней поверхности; б — в главной секущей плоскости

21. Классификация движений в станках и методов формообразования 569

Применение смазочно-охлаждающих технологических сред (СОТС) способствует снижению температуры резания, увеличе­ нию стойкости инструмента, улучшению качества обработанной поверхности и снижению силы резания. СОТС оказывают благо­ приятное действие на процесс резания, поскольку:

□уменьшают коэффициент трения между контактирующи­ ми поверхностями;

□облегчают процесс деформации срезаемого слоя металла;

□снижают силы резания;

□понижают температуру в зоне резания, охлаждая инстру­ мент и поверхность детали;

□уменьшают температурные деформации деталей в процес­ се обработки.

В зависимости от технологического метода обработки, свойств

обрабатываемого материала и инструмента, а также режимов ре­ зания используют различные виды СОТС: твердые, жидкие, пла­ стичные и газообразные.

Ктвердым СОТС относятся: неорганические материалы (тальк, слюда, графит, бура, нитрид бора, дисульфиды молибде­ на, вольфрама и титана, сульфат серебра); органические соеди­ нения (мыло, воск, твердые жиры); металлические пленочные покрытия (медь, латунь, свинец, олово, барий, цинк).

Ксмазочно-охлаждающим жидкостям (СОЖ) относятся: вод­ ные растворы минеральных электролитов, эмульсий; минераль­ ные, животные и растительные масла с добавками фосфора, серы

ихлора (сульфофрезолы); керосин и растворы поверхностно-ак- тивных веществ в керосине; масла и эмульсии с добавками твер­ дых смазывающих веществ; расплавы металлов, солей и других веществ. СОЖ получили наибольшее применение в машино­ строении.

Кпластичным СОТС относятся густые мазеобразные продук­ ты, которые получают путем загущения минеральных и синте­

тических масел.

К газообразным СОТС относятся воздух, азот, двуокись угле­ рода, кислород, пары поверхностно-активных веществ, распы­ ленные жидкости.

Выбор СОТС в каждом конкретном случае зависит от техноло­ гического метода и режима обработки, а также физико-механи­ ческих свойств обрабатываемого и инструментального материала. При черновой и получистовой обработках, когда требуется эф­

фективное охлаждающее действие среды, применяют водные растворы электролитов и поверхностно-активных веществ, мас­ ляные эмульсии. При чистовой обработке применяют чистые и активированные минеральные масла. Под влиянием высоких температур и давлений эти вещества образуют на поверхности заготовок соединения (фосфиды, хлориды, сульфиды), снижаю­ щие трение. При обработке хрупких материалов (чугун, бронза) твердосплавным инструментом в качестве СОТС используют газы (сжатый воздух, углекислый газ).

От насоса

Рис. 21.14. Способы подвода СОТС в зону резания:

на поверхность инструмента; б — внутреннее охлаждение

Эффективность действия СОТС зависит от способа подвода их в зону резания. Наиболее распространенной является подача эмульсии через сопло на переднюю поверхность инструмента под давлением 0,05...0,2 Па (рис. 21.14, а). Этот метод требует большого расхода жидкости (10... 15 л/мин). Более эффективно высоконапорное охлаждение, когда жидкость Подают тонкой струей под давлением 1,5...2 МПа со стороны задних поверхно­ стей инструмента (расход жидкости приблизительно 0,5 л/миц). Если подвод жидкости в зону резания затруднен, например при сверлении, то применяют внутреннее охлаждение инструмента (рис. 21.14, б), для чего в нем делают каналы, по которым про­ качиваются СОТС.

21.4.5. Нарост при резании металлов

При обработке пластичных металлов резанием под влиянием высоких давлений и температур частицы обрабатываемого ме­ талла задерживаются на передней поверхности инструмента, прочно сцепляются с ней, образуя нарост. Этот металл сильно деформирован, его структура отличается от структур обрабаты­ ваемого металла и стружки.

21. Классификация движений в станках и методов формообразования 571

Образование нароста объясняется тем, что геометрическая форма инструмента не является идеальной с точки зрения обте­ кания ее металлом. При образовании нароста силы трения меж­ ду передней поверхностью инструмента и частицами срезаемого слоя становятся больше сил внутреннего сцепления в стружке. Вследствие этого образуется застойная зона частиц срезаемого металла, находящаяся под воздействием почти равномерного всестороннего сжатия, и при наличии определенных темпера­ турных условий она задерживается на передней поверхности инструмента, прочно сцепляясь с ней.

При обработке резанием размеры и форма нароста непрерывно меняются в результате действия сил трения и нормального дав­ ления. Частицы нароста срываются и уносятся стружкой или об­ работанной поверхностью заготовки. Иногда нарост срывается целиком и тут же образуется вновь. Это можно объяснить тем, что нарост находится под действием силы трения Т, сил сжатия Pj и Р2 и силы растяжения Q (рис. 21.15). При изменении раз­ меров нароста меняются и соотношения действующих сил. Если сумма сил Pj +Р2 +Q >Т, то происходит разрушение и срыв на­ роста. Частота срывов зависит от скорости резания и может дости­ гать 2000 Гц.

Рис. 21.15. Схема образования нароста

Нарост влияет на процесс резания и качество обработанной поверхности. Положительное влияние нароста заключается в том, что он меняет форму передней поверхности инструмента, приводя к увеличению переднего угла (ун >у) и уменьшению силы реза­ ния. Из-за высокой твердости нарост способен резать металл. Он снижает количество теплоты, приходящейся на долю инстру­ мента, удаляя от него центр максимального выделения теплоты, защищает инструмент от изнашивания, увеличивает его стой­ кость.