Глава 3 качество поверхностного слоя, обработанного резанием

Качество поверхностного слоя обработанной поверхности определяется шерохова­тостью (высотой микронеровностей) и напряженным состоянием этого слоя.

3.1. Шероховатость обработанной поверхности

При свободном резании основное влияние на шероховатость оказывает нарост. На скоростях резания, где нарост присутствует, шероховатость очень большая и зависит от высоты нароста Н и его стабильности. После исчезновения нароста высота микронеровно­стей резко снижается. Влияние скорости резания v на шерохова­тость обработанной поверхности Rz схематично показано на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Схема влияния скорости v на высоту шероховатости Rz обработанной поверхности при резании материала, не склонного (а) и склонного (б) к наростообразованию

Как видно из графиков, для материалов, не образующих нарост, кривая монотонно снижается по мере увеличения скорости резания (рис. 3.1, а). Это связано с уменьшением степени упругого вос­становления обработанной поверхности и снижением коэффици­ента трения на задней поверхности инструмента. Для наростообразующих металлов картина изменения шероховатости Rz по­добна картине изменения высоты нароста Н (рис. 3.1, б). В диапа­зоне скоростей резания V₁... V₂, когда нарост увеличивается, вме­сте с ним растет шероховатость Rz. В диапазоне скоростей резания V₂...V₃ нарост уменьшается и соответственно снижается шерохова­тость Rz. Если скорость резания v > V3, то наблюдается дальнейшее монотонное, но с меньшей интенсивностью снижение шерохова­тости Rz, подобно уменьшающемуся коэффициенту трения на пе­редней и задней поверхностях инструмента.

Одно из принципиальных отличий несвободного резания от свободного резания состоит в том, что обработанная поверхность формируется в основном вспомогательной режущей кромкой, а главная режущая кромка участвует в этом процессе лишь неболь­шим участком при вершине резца. Поэтому при точении проход­ным резцом теоретическая высота микронеровностей определяется геометрией вершины резца и может быть рассчитана по следую­щим уравнениям [1]:

1. при обработке резцом, когда радиус при вершине r = 0 (рис. 3.2, а).

Рис. 3.2. Влияние формы вершины резца в плане

На высоту микронеровностей Rz

(3.1)

2. при обработке резцом, когда r ≠0 (рис. 3.2, б).

(3.2)

3) при малых значениях подачи (s ≤ 2r·sinφ), когда резание осуществляется радиусной частью резца,

(3.3)

Таким образом, при несвободном резании наибольшее влия­ние на шероховатость обработанной поверхности Rz оказывают подача s, углы в плане φ и φ₁ и радиус при вершине резца в плане r.

Реальные микронеровности по форме и высоте отличаются от теоретически рассчитанных микронеровностей. Как правило, они имеют переменный шаг, а высота микронеровностей Rz становится больше расчетных значений.

Последнее обстоятельство объясняется действием следующих факторов:

1. пластическим течением материала в направлении остаточ­ных гребешков, вызванных ростом пластической деформации в зоне перед главной режущей кромкой;

2. упругой деформацией восстановления вновь образованной поверхности;

3. износом инструмента по задней поверхности;

4. вибрациями, имеющими место при резании.

Кроме того, на действительную высоту микронеровностей влияют свойства обрабатываемого материала (прочность, пла­стичность), применяемая СОЖ и нарост.

При уменьшении подачи s, углов в плане φ, φ₁ и увеличении радиуса при вершине резца в плане r высота микронеровностей Rz уменьшается. При точении на подачах s < 0,5 мм/об высота мик­ронеровностей Rz практически постоянна. С повышением прочно­сти и снижением пластичности обрабатываемого материала высо­та микронеровностей уменьшается из-за снижения степени деформации металла.

При обработке хрупких материалов, для которых характерно образование элементной стружки, трудно достичь малой шерохо­ватости поверхности из-за отрыва ее элементов от обработанной поверхности. Если заточить резец с вспомогательным углом в пла­не φ₁ = 0, а длину вспомогательной режущей кромки принять на 20...30 % больше подачи s, то теоретически высота микронеров­ностей, рассчитанная по уравнениям (3.1)...(3.3), будет равна 0 (Rz = 0). Такая закономерность используется при конструировании резцов для силового резания, работающих с большими подачами.

При этом увеличение скорости резания свыше 60 м/мин позволяет уменьшить высоту микронеровностей до расчетных значений.

Заточка резцов с углом наклона главной режушей кромки λ используется для отвода стружки от обработанной поверхности во избежание повреждения последней сходящей стружкой. При этом угол λ должен иметь отрицательное значение и быть равным λ ≈ -5°. Хотя в этом случае несколько снижается прочность вер­шины резца, на чистовых операциях это не опасно, так как силы резания малы.

Применение СОЖ как на водной, так и на масляной основах позволяет наряду с повышением стойкости инструмента добиться снижения шероховатости обработанной поверхности, особенно на скоростях резания v < 50 м/мин. При дальнейшем повышении ско­рости резания эффективность действия СОЖ снижается из-за трудностей проникновения в зону контакта инструмента с обрабатываемым материалом.