Технология конструкционных материалов

460 Раздел VI. Обработка резанием

ке металлов с невысокими скоростями резания, большой толщиной срезаемого слоя и малых передних углах инструмента.

Стружка надлома (рис. 22.9, г) образуется при обработке хрупких материалов (чугун, бронза) и неметаллических материалов. Она со­ стоит из отдельных не связанных между собой элементов, получен­ ных за счет хрупкого разрушения срезаемого слоя. При образовании стружки надлома обработанная поверхность получается шерохова­ той, с зазубринами и вырывами.

Следует отметить, что при обработке одного и того же материала могут получиться все виды стружек, так как пластичность и хрупкость определяются состоянием вещества, а не его свойствами.

22 .4 .2 . Силы, возникающие при резании

При обработке резанием металл оказывает сопротивление режуще­ му инструменту. Это сопротивление преодолевается силой резания, приложенной к резцу. Под действием этой силы в зоне образования стружки возникают силы Ру1 (упругая деформация) и Рп1(пластиче­ ская деформация), действующие нормально к передней поверхно­ сти резца, и силы Ру2 и Рп2, действующие нормально к задней по­ верхности резца (рис. 22.10, а).

Рис. 22.10. Силы при резании (а) и составляющ ие силы резания (б)

Наличие нормальныхсил обусловливает возникновение сил трения Т{ = ц ,(Р , +Рп1) и Т2 =ц2(Руг+^пг). действующих соответственно вдоль передней и задней поверхности резца (ц, и р.2 — коэффициенты

Глава 22. Классификация движений в станках и методов формообразования 461

трения стружки о переднюю поверхность резца и задней поверхности резца о заготовку). Эту систему сил приводят к равнодействующей силе резания R ~ P y, +Ру2 + -/Рп1 +Рп1+Т{ +Т2. Абсолютная величина R и место ее приложения в большинстве случаев неизвестны, поэтому R разлагают на составляющие Рх, Ру, Pz(рис. 22.10,6), для расчета ко­ торых приняты зависимости, установленные опытным путем.

Главная составляющая силы резания Рг совпадает по направлению со скоростью главного движения резания в вершине лезвия. По си­ ле Pz определяют мощность станка, необходимую для обеспечения процесса резания, рассчитывают на прочностьдетали и узлы коробки скоростей, прочность режущего инструмента.

Радиальная составляющая силы резания Ру направлена по радиусу вращательногодвижения резания к вершине лезвия (перпендикуляр­ но оси заготовки). По силе Ру определяют прогиб детали, жесткость станка. Эта сила, определяя деформацию детали и инструмента в ра­ диальном направлении, влияет на точность обработки.

Осевая составляющая силы резания Рх действует параллельно оси главного вращательногодвижения резания. По силе Рх рассчитывают механизм продольной подачи станка и изгибающий момент, дейст­ вующий на стержень резца.

Равнодействующая сила резания определяется как сумма векторов трех составляющих R = ^Рх +Ру +Pz и условно расположена в цен­

тре линии касания главной режущей кромкой заготовки. Соотношение между Рх, Руи Ргзависит от геометрических парамет­

ров инструмента, режима резания, физико-механических свойств об­ рабатываемого материала, износа резца, условий обработки и прибли­ женно составляет Рх :Ру :Рг =1:(0,5...0,3):(0,4...0,25). Для практических расчетов определяют лишь силу Pz, а силы Рхи Руберут в долях от нее.

Чем больше площадь поперечного сечения срезаемого слоя метал­ ла, выше прочностные характеристики обрабатываемого материала, тем больше силы, резания. При увеличении скорости резания силы несколько снижаются за счет повышения температуры резания и из­ менения условий трения между стружкой и инструментом. Влияние различных факторов на силы резания весьма сложно, поэтому для их определения используют обобщенные эмпирические формулы, учи­ тывающие конкретные условия обработки.

В процессе резания резец и деталь испытывают некоторую упру­ гую деформацию, что приводит к частичному сжатию (перемеще­ нию) их в направлении действия сил и является одной из причин по­ грешностей обработки. Так, сила Pz отжимает резец книзу, а резец в свою очередь стремится изогнутьдеталь вверх. Сила Рхотжимает ре­ зец в направлении, противоположном продольной подаче, и стре­ мится уменьшать ее. Сила Р отталкивает резец от обрабатываемой де­ тали и стремится уменьшить глубину резания. Поэтому при чистовом проходе для получения большой точности размеров детали, учитывая действие указанных сил, уменьшают сечение срезаемого слоя.

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

где v — скорость резания, м/мин; п — частота вращения заготовки, мин'1; Snon и Snp — соответственно поперечная и продольная подачи инструмента, мм/об.

Мощностьдвигателя Nai>необходимуюдля работы станка, опреде­ ляют с учетом коэффициента полезного действия станка Т)ст:

22.4.3. Явлениеупрочнения поверхностного слоя при резании

Деформация металла в процессе резания не ограничивается зоной, непосредственно прилегающей к передней поверхности инструмента, а распространяется и на удаленные слои, увеличивая их твердость. Это явление носит название наклепа при резании. В процессе струж­ кообразования считается, что инструмент является острым, однако он всегда имеетрадиус округления режущей кромки р = 0,006...0,03 мм (рис. 22.11). Такой инструмент срезает с заготовки стружку, если глу­ бина резания а, больше радиуса р. В этом случае в стружку переходит часть срезаемого металла, равная дф. Слой металла, равный а, —яф, и соизмеримый с радиусом р, упругопластически деформируется и проходит под резцом. После перемещения резца относительно обра­

Глава 22. Классификация движений в станках и методов формообразования 463

ботанной поверхности происходит упругое восстановление поверх­ ностного деформированного слоя на величину hyупругого последей­ ствия. Вследствие этого образуется контактная площадка шириной Ъ между обработанной поверхностью и задней поверхностью резца.

В результате упругопластического деформирования поверхност­ ного слоя повышаются его прочностные характеристики и твердость, но снижается пластичность и изменяются физические свойства мате­ риала (явления наклепа). Наклеп характеризуется глубиной hHи сте­ пенью / = HVnm / ЯКисх, где HVnoB, HVna — микротвердость поверх­ ностного слоя и исходного материала.

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

Глубина наклепанного слоя возрастает с увеличением срезаемого слоя оф и уменьшением переднего угла у. Наклеп обработанной по­ верхности полезен при чистовой обработке. Однако наклеп, получен­ ный при черновой обработке, отрицательно влияет на процесс реза­ ния при чистовой обработке. В этом случае инструмент работает по поверхности с повышенной твердостью, что приводит к его ускорен­ ному изнашиванию. Уменьшить глубину и степень наклепа можно применением охлаждающих сред, увеличением скорости резания и термообработкой.

22 .4 .4 . Тепловые явления при резании металлов

При снятии стружки вся работа резания превращается в эквивалент­ ное количество теплоты. Теплообразование оказывает значительное влияние на процесс резания. С одной стороны, оно облегчает дефор­ мирование материала срезаемого слоя, вследствие чего уменьшается интенсивность изнашивания инструмента и повышается качество об­ работанной поверхности. С другой стороны, повышение температу­ ры до 800...1000 °С вблизи режущей кромки инструмента приводит к изменению структуры и физико-механических свойств его мате­ риала, что обусловливает потерю режущей способности инструмента.

Механическая энергия, затрачиваемая на деформирование, разру­ шение и трение, переходит в тепловую, и только небольшая ее часть накапливается в виде потенциальной энергии искаженной решетки материала в зоне деформирования. Впервом приближении количест­ во выделяющейся в единицу времени теплоты можно подсчитать по следующей формуле:

Q=Pzv,

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

Теплота образуется в результате упругопластического деформирова­ ния в зоне стружкообразования, трения стружки о переднюю поверх­ ность инструмента и заготовки о задние поверхности (рис. 22.12, а). Тепловой баланс процессарезания можно выразить в следующем виде:

б д + 0 П . П + Q ,. п = Яс + 0 за г + 0 „ + 0 « р .

где QR— количество теплоты, выделяющееся при упругопластической деформации обрабатываемого материала; Q„п — количество теплоты, выделяющееся при трении стружки о переднюю поверхность инстру­ мента; 0ЗП— количество теплоты, выделяющееся при трении задних поверхностей инструмента о заготовку; qc— количество теплоты, от­ водимое стружкой; qMT— количество теплоты, отводимое заготовкой; qw—количество теплоты, отводимое инструментом; qOKp —количество теплоты, отводимое в окружающую среду.

В зависимости от технологического метода и условий обработки со стружкой уносится 25...85 % всей выделившейся теплоты, заго­ товкой — 10...15, инструментом — 2...8 %. Наибольшее влияние на температуру инструмента оказывают скорость, подача и глубина ре-

□уменьшают коэффициент трения между контактирующими по­ верхностями;

□облегчают процесс деформации срезаемого слоя металла;

□снижают силы резания;

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

□уменьшаюттемпературные деформации деталей в процессе обработки.

400

500

600

850

Рис. 22.13. Температурное поле резца и стружки:

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

Взависимости от технологического метода обработки, свойств об­ рабатываемого материала и инструмента, а также режимов резания используют различные виды СОТС: твердые, жидкие, пластичные

игазообразные.

Ктвердым СОТС относятся: неорганические материалы (тальк, слюда, графит, бура, нитрид бора, дисульфиды молибдена, вольфрама

ититана, сульфат серебра); органические соединения (мыло, воск, твердые жиры); металлические пленочные покрытия (медь, латунь, свинец, олово, барий, цинк).

Ксмазочно-охлаждающим жидкостям (СОЖ) относятся: водные растворы минеральных электролитов, эмульсии; минеральные, жи­ вотные и растительные масла с добавками фосфора, серы и хлора (сульфофрезолы); керосин и растворы поверхностно-активных ве­

Глава 22. Классификация движений в станках и методов формообразования 467

ществ в керосине; масла и эмульсии с добавками твердых смазываю­ щих веществ; расплавы металлов, солей и других веществ. СОЖ полу­ чили наибольшее применение в машиностроении.

Кпластичным СОТС относятся густые мазеобразные продукты, ко­ торые получают путем загущения минеральных и синтетических масел.

Кгазообразным СОТС относятся воздух, азот, двуокись углерода, ки­ слород, пары поверхностно-активныхвеществ, распыленныежидкости.

Выбор СОТС в каждом конкретном случае зависит от технологи­ ческого метода и режима обработки, а также физико-механических свойств обрабатываемого и инструментального материала. При чер­ новой и получистовой обработках, когда требуется эффективное ох­ лаждающее действие среды, применяют водные растворы электроли­ тов и поверхностно-активных веществ, масляные эмульсии. При чис­ товой обработке применяют чистые и активированные минеральные масла. Под влиянием высоких температур и давлений эти вещества образуют на поверхности заготовок соединения (фосфиды, хлориды, сульфиды), снижающие трение. При обработке хрупких материалов (чугун, бронза) твердосплавным инструментом в качестве СОТС ис­ пользуют газы (сжатый воздух, углекислый газ).

аб

Рис. 22.14. Способы подвода СОТС в зонурезания:

а — 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. 22.14, а). Этот метод требует большого расхода жид­ кости (10...15 л/мин). Более эффективно высоконапорное охлаждение, когда жидкость подают тонкой струей под давлением 1,5...2 МПа со стороны задних поверхностей инструмента (расход жидкости при­ близительно 0,5 л/мин). Если подвод жидкости в зону резания за­ труднен, например при сверлении, то применяют внутреннее охлаж-

Глава 22. Классификация движений в станках и методов формообразования 469

Нарост влияет на процесс резания и качество обработанной по­ верхности. Положительное влияние нароста заключается в том, что он меняет форму передней поверхности инструмента, приводя к уве­ личению переднего угла (ун > у) и уменьшению силы резания. Из-за высокой твердости нарост способен резать металл. Он снижает коли­ чество теплоты, приходящейся на долю инструмента, удаляя от него центр максимального выделения теплоты, защищает инструмент от изнашивания, увеличивает его стойкость.

Отрицательное влияние нароста заключается в том, что он повы­ шает шероховатость обработанной поверхности. Частицы нароста, внедрившиеся в обработанную поверхность, приводят к тому, что при контакте деталей наблюдается повышенное их изнашивание. Нарост меняет геометрию режущего инструмента и, следовательно, в про­ цессе резания размеры обрабатываемой поверхности в поперечных сечениях по длине заготовки меняются, а обработанная поверхность получается волнистой.

Вследствие изменения переднего угла инструмента меняются силы резания, что вызывает вибрации узлов станка и инструмента и ведет к снижению качества обработанной поверхности.

При черновой обработке, когда возникают большие силы резания, снимается толстый слой металла и выделяется значительное количе­ ствотеплоты, явление наростообразования положительно, а при чис­ товой обработке оно отрицательно.

Наростообразование зависит от физико-механических свойств об­ рабатываемого материала, скорости резания, геометрии режущего ин­ струмента и другихфакторов. Наиболее интенсивно нарост образуется при обработке пластичных материалов. При обработке же хрупких ма­ териалов нарост может и не образовываться.

22.4.6. Изнашивание и стойкость режущего инструмента

В процессе резания инструмент затупляется, теряет свои режущие свойства. Изнашивание инструмента происходит в результате трения сходящей стружки о переднюю поверхность резца и его задних по­ верхностей о поверхность заготовки. Механизм изнашивания инст­ румента достаточно сложен и включает в себя следующие виды изна­ шивания: абразивное, адгезионное, диффузионное и окислительное.

Абразивное изнашивание происходит в результате истирания от­ дельных участков поверхностей инструмента твердыми включениями