§ 3. Физические основы процесса резания

Процесс резания представляет собой упруго-пластическое деформирование завершающееся разрушение срезаемого слоя. Этот процесс сопровождается теплообразованием, наростообразованием, упрочнением, износом режущего инструмента. Образуемая при резании стружка в зависимости от условий обработки может быть элементная, скалывания, сливная при обработке пластичных материалов (стали.) При обработке хрупких материалов (чугун, бронза) образуется стружка надлома.

Элементная стружка состоит из отдельных элементов, не свя­занных друг с другом, и образуется при обработке твердых и мало­пластичных материалов с низкими скоростями резания.

Стружка скалывания образуется при обработке пластичных материалов со средними скоростями резания, большими толщи­нами и малыми передними углами. Сторона стружки, контакти-

Рис.7.5. Схема деформации и стружкообразование; а — схема деформации; б — усадка стружки

рующая с передней поверхностью резца, — гладкая, а противо­положная ей сторона имеет ярко выраженные зазубрины отдель­ных прочно связанных элементов стружки.

Сливная стружка получается в виде ленты без зазубрин, образуется при обработке пластичных материалов с более высо­кими скоростями резания, с большими передними углами и мень­шей толщиной срезаемого слоя, чем при образовании стружки скалывания.

Стружка надлома состоит из отдельных элементов неопре­деленной формы и не связанных между собой.

На рис. 7.6, а приводится схема образования стружки скалы­вания» Скалывание отдельных деформированных элементов про­исходит по направлению расположения плоскости скалывания о—о. Угол  носит название угла скалывания. Величина угла  равна 145—155° и зависит от свойств обрабатываемого материала, скорости резания, толщины срезаемого слоя и угла резания .

Исследования показали, что стружка скалывания ломается не по плоскости о—о, а по плоскости о_го_и расположенной под углом 6, равным 20—30°, к плоскости скалывания. Плоскость о_го_и называется плоскостью сдвига.

Сливная стружка не имеет плоскостей скалывания, и пласти­ческая деформация происходит в направлении плоскостей сдвига.

Усадка стружки. Величина усадки стружки является мерой

степени пластической деформации срезанного слоя (рис. 7.6, б).

Величина усадка стружки определяется коэффициентом усадки

k =L₀ /L,

где L_o —длина срезанного слоя, a L —длина стружки.

Деформация срезаемого слоя и формообразование новой по­верхности происходит под действием силы резания, зависящей от глубины резания /, подачи s, свойств обрабатываемого мате­риала, геометрических параметров режущей части инструмента, степени его износа и других условий обработки.

Силы резания определяются по экспериментальным формулам, которые приводятся в соответствующих разделах для каждого метода обработки.

Работа, затрачиваемая на резание. Работа, затрачиваемая на процесс срезания припуска на обработку, по предложению проф. В. Д. Кузнецова, определяется уравнением

А = А_пл + А_упр + А_тр + А_дисп,

где А_пл — работа, затраченная на пластическую деформацию; А_упр — работа, затраченная на упругую деформацию; А_тр — работа, затраченная на преодоление трения по перед­ней и задней поверхности инструмента;

Адисп — работа, затраченная на диспергирование, т. е. на образование новых поверхностей.

При обработке пластичных металлов и сплавов основными составляющими работы А являются А_пл и А_тр, а при обработке малопластичных металлов и сплавов основными составляющими работы А являются А_упр и А_тр.

Работа, связанная с диспергированием А_дисп, крайне незна­чительна и ею можно пренебречь.

Все составляющие работы в конечном итоге полностью пере­ходят в тепло.

Наростообразование при резании металлов. Нарост — застой­ная зона сильно деформированного обрабатываемого металла на передней поверхности инструмента. По структуре нарост отли­чен от обрабатываемого металла и имеет значительную твердость, что позволяет ему срезать слои металла.

Сильно деформированные вытянутые наслоения нароста обра­зуют клиновидную форму. Нарост не является стабильным во времени: он периодически разрушается (иногда до 200 раз в секунду) под действием сил трения между стружкой и наростом и сил трения в месте контакта нароста с поверхностью резания. Разру­шение и восстановление нароста приводит к изменению геометрии режущей части инструмента (угол резания б_н при наросте меньше, угла резания б, созданного заточкой), см. рис. 7.7, а.

б)

Рис. 187. Схема наростообразования: а — изменение геометрии режущей части резц.г. б — изменение глубины резания при разрушении нароста

Нарост защищает переднюю поверхность от износа, Но значи­тельно снижает качество обработанной поверхности. Периоди­чески внедряясь в обрабатываемый металл за пределы линии среза, нарост увеличивает глубину резания со значения t₁ до t₂ (рис. 187, б), создавая значительную шероховатость поверхности и изменяя действительный размер обработанной поверхности. При точении шероховатость от нароста в направлении скорости резания при скоростях v = 10-30 м/мин во много раз больше шероховатости остаточных гребешков (в направлении подачи). Неодинаковая степень упрочнения обработанного поверхностного слоя детали приводит к по­явлению остаточных на­пряжений после обработки.

Поэтому наростообразование допускается при черновой обработке, а при чистовой оно вредно. Чис­товую обработку необходимо производить при ма­лых скоростях резания 2—5 м/мин или при скорос­тях больше 90—100 м/мин, когда нарост практически отсутствует. Наростообразование уменьшается при повышении твердости обрабатываемого металла, увеличении переднего угла, применении смазочно-охлаждающих жидкостей и более тщательной доводке передней поверхности инструмента.

Смазочно-охлаждающие жидкости и их влияние на процесс резания. При резании металлов смазочно-охлаждающие жидкости уменьшают трение между резцом и сходящей стружкой, резцом и заготовкой, оказывая смазочное действие; снижают работу, затраченную на пластическое деформирование металла; отводят тепло из зоны резания, охлаждая инструмент и деталь; препят­ствуют появлению налипов на трущихся рабочих поверхностях инструмента.

Это приводит к уменьшению силы резания, улучшению качества обработанной поверхности, увеличению стойкости инструмента.

Свойства смазочно-охлаждающих жидкостей изменяются от введения в них определенного количества (0,1—1 %) поверхностно-активных веществ (олеиновая, стеариновая, пальмитиновая кис­лоты, их соли и т. д.). Поверхностно-активные вещества облег­чают процесс стружкообразования, уменьшая силу резания, усадку стружки, шероховатость обработанной поверхности, интен­сивность износа режущего инструмента.

Смазочно-охлаждающие жидкости должны обладать высокой охлаждающей и смазывающережущей способностями, антикоррозионными свойствами, сохранять свои свойства во времени и быть безвредными для работающих.

В зависимости от состава смазочно-охлаждающие жидкости разделяются на две группы. Первая группа жидкостей предназна­чается в основном для охлаждения инструмента при обдирочных работах, увеличения его стойкости или повышения скорости резания. К ним относятся водные растворы минеральных электро­литов (кальцинированная сода, нитрит натрия, жидкое стекло, антикоррозионные добавки и т. д.) и водные эмульсии (водные растворы эмульсолов, состоящие из коллоидных растворов мыл и органических кислот в минеральных маслах с антикоррозион­ными добавками). Вторая группа жидкостей оказывает в основном сма­зывающее действие. Эти жидкости обладают высокой маслянистостью и | применяются при чистовых и отде­лочных работах, когда требуется вы­сокое качество обработанной поверх­ности.

Рис. 188. Износ режущего ин­струмента

К ним относятся минеральные, растительные, животные масла, смеси минеральных масел с растительными, осерненные масла (сульфофрезолы) и др.

Износ режущих инструментов. В процессе резания под дей­ствием сил трения (сходящей стружки о переднюю поверхность и поверхности резания о заднюю поверхность) инструменты изна­шиваются: образуются площадки износа на контактных поверх­ностях инструмента.

На характер износа инструментов оказывают влияние физико-механические свойства обрабатываемого материала и материала инструмента, качество заточки режущей части инструмента, параметры режима резания, жесткость технологической системы станок — приспособление—инструмент—деталь, состав смазочно-охлаждающей жидкости и т. д.

Износ (рис. 188) может наблюдаться только по задней грани при толщине срезаемого слоя а < 0,15 мм и применении смазочно-охлаждающей жидкости (чистовые резцы, резьбовой инструмент, развертки, протяжки, зуборезный инструмент, торцовые фрезер­ные головки, работающие с малыми толщинами срезаемого слоя).

Износ только на передних поверхностях происходит при сня­тии срезаемого слоя большей толщины (а > 0,5 мм) с большими скоростями резания без применения охлаждающей жидкости (обдирочные резцы, торцовые фрезерные головки).

Износ по задним и передним поверхностям инструментов наб­людается при толщинах срезаемого слоя а>0,1 мм и работе со средними скоростями резания с применением смазочно-охлаждающих жидкостей (резцы и торцовые фрезерные головки, мет­чики, плашки, сверла, зенкеры, зуборезный инструмент, про­тяжки).

За основной критерий износа принимают ширину изношенной площадки по задней грани h₃.

Допустимой величиной износа называется такая величина ширины площадки h_3i при которой дальнейшая работа инстру­мента должна быть прекращена вследствие резкого возрастания усилия резания или недостаточного качества обработанной по­верхности.

Стойкость режущих инструментов. Под стойкостью инстру­ментов понимается суммарное время в минутах непосредственной работы (резания) инструмента от переточки до переточки.

На стойкость инструмента оказывают влияние скорость реза­ния, физико-механические свойства обрабатываемого материала и инструмента, глубина резания и подача, геометрические пара­метры режущей части инструмента, смазочно-охлаждающая жид­кость и т. д.

Связь между стойкостью Т и скоростью резания v выражается зависимостью

где С — коэффициент, зависящий от материала инструмента и обрабатываемой детали, глубины резания, подачи и других факторов;

m — показатель относительной стойкости, зависящий от ма­териала обрабатываемой детали и инструмента, толщины среза, вида и условий обработки.

Для проходных, подрезных и расточных резцов из быстроре­жущей стали m_ср = 0,125 при обработке стали и чугуна; для резцов, оснащенных пластинками твердого сплава, m_ср 0,125-0,3 (mг_ср = 0,2).

Стойкость инструмента, соответствующая определенной вели­чине износа в направлении измерения размера обрабатываемой поверхности: в радиальном —для резцов, сверл, разверток, про­тяжек и в осевом — для торцовых и концевых фрез, называется размерной стойкостью инструмента. Период размерной стойкости инструмента особенно важен при обработке деталей на автоматах и автоматических линиях.

Вибрации, возникающие при резании металлов. Вибрации (колебания в системе СПИД) ухудшают качество обработанной поверхности, увеличивают износ инструмента (особенно твердо­сплавного и минералокерамического), станка и приспособления. I Вибрации разделяются на вынужденные колебания и автоколе­бания. Вынужденные колебания возникают под действием перио­дически возмущающей силы. Причинами вынужденных колеба­ний могут быть неуравновешенность вращающихся частей станка, дефекты в передаточных звеньях станка, неуравновешенность вращающегося инструмента, неравномерный припуск под обра­ботку и т. д.

Автоколебания возникают в системе при отсутствии внешней периодически возмущающей силы и поддерживаются самим про­исходящим процессом. Причинами автоколебаний являются: не­постоянство силы трения сходящей стружки о переднюю поверх­ность инструмента и задней поверхности инструмента о поверх­ность резания, изменение сил резания за счет неравномерного наклепа (упрочнения) поверхностного слоя, непостоянство нароста, следы вибраций от предшествующего перехода, упругие деформации инструмента и обрабатываемой детали и т. д.

На интенсивность (амплитуду колебаний) автоколебаний ока­зывают влияние вид обрабатываемого материала и его твердость, элементы режима резания v, s, t, геометрические параметры режущей части инструмента, жесткость системы СПИД.

При увеличении твердости обрабатываемого материала вибра­ции уменьшаются. При увеличении скорости резания вибрации сначала возрастают, а затем уменьшаются. С увеличением глубины резания вибрации возрастают.

Уменьшение главного и вспомогательного углов в плане (φ и φ₁) вызывает возрастание интенсивности вибраций. Износ резцов по задней поверхности усиливает вибрации.

Для уменьшения вибраций необходимо увеличивать жесткость системы СПИД, применять устройства, препятствующие возник­новению вибраций, выполнять специальные заточки на режущей части инструмента, применять смазочно-охлаждающие жидкости, амортизаторы к станкам и т. д.

Глядя IX

ОБРАБОТКА ДЕТАЛЕЙ НА СТАНКАХ ТОКАРНОЙ ГРУППЫ