11.2. Механизм возникновения шероховатости поверхности

Все причины образования шероховатости обработанной поверхности можно разбить на три группы, связанные: 1) с положением режущих кромок инструмента относительно обработанной поверхности; 2) упругой и пластической деформацией обрабатываемого материала; 3) возникновением вибраций в технологической станочной системе. Образование неровностей обработанной поверхности в первом приближении можно представить как след рабочего движения режущей кромки (или кромок) инструмента в поверхностном слое металла.

Н

а)

б)

а рис. 11.2,а–в показаны профили обработанной поверхности, представляющие собой след режущих кромок инструмента.

Рис. 11.2. Профили обработанной поверхности: а) при резании резцом с r= 0;б) при образовании поверхности криволинейным участком режущей кромки;в) действительный профиль, образованный криволинейным и прямолинейным участками режущих кромок

в)

При резании резцом с радиусом закругления r = 0 (см. рис. 11.2,а) теоретическая высота гребешка R_zp определится из следующих соотношений:

KO = ОN ctg φ₁ = R_zp ctgφ₁ ; OL = ON ctgφ = R_zp ctgφ;

,

откуда

.

Когда теоретический профиль обработанной поверхности получается как след криволинейного участка режущей кромки BCF с радиусом r (см. рис. 11.2,б), высота оставшихся гребешков определится следующим образом:

CE = R_zp = OC – OE = r – OE;

из треугольника OBE

^;

тогда

.

Из анализа выведенных формул следует, что высота гребешков (шероховатость) уменьшается с уменьшением подачи s, главного φ и вспомогательного φ₁ углов в плане и с увеличением радиуса r закругления при вершине резца в плане. Это подтверждается схемой, показанной на рис. 11.2,а: при уменьшении угла φ (направление LE) и угла φ₁ (направление KF) высота гребешка уменьшается в сравнении с первоначальной высотойR_zp.

Д

в)

ействительный профиль обработанной поверхности будет более шероховатым (см. рис. 11.2,в) и высота его неровностей R_z значительно больше теоретической высоты R_zp. Основной причиной, вызывающей резкое отличие действительного профиля от теоретического, является упругое и пластическое деформирование слоев обработанной поверхности; большое влияние на R_z оказывают также периодичность наростообразования и силы трения, всегда действующие между задними поверхностями инструмента и поверхностями заготовки, приводящие к разрывам металла в поверхностных слоях. Поэтому, наряду c рассмотренным влиянием s, φ, φ₁ и r (которые в основном воздействуют как чисто геометрические факторы), на шероховатость (микрогеометрию) обработанной поверхности оказывает влияние в процессе стружкообразования и ряд других факторов. К ним в основном относятся скорость резания, свойства обрабатываемого металла, передний угол, смазывающе-охлаждающая жидкость, упругие деформации поверхности, шероховатость режущей кромки инструмента, износ инструмента.

В

R_z,

мкм

лияние скорости резания на шероховатость обработанной поверхности показано на рис. 11.3. Кривая 1 является более общим случаем, имеющим место при обработке сталей, за исключением высоколегированных. Сначала в диапазоне скоростей V₁…V₂ (V₁ близка к нулю) шероховатость обработанной поверхности увеличивается, что вызывается началом наростообразования, достигающего максимального значения при скорости V₂.

Рис. 11.3. Влияние скорости резания на высоту микронеровностей обработанной поверхности

Начиная со скорости V₂ под действием возросшей температуры условия для наростообразования ухудшаются, высота наростообразования уменьшается, и при некоторой скорости резания V₃ она исчезает совсем; это приводит к соответствующему уменьшению высоты неровностей. При дальнейшем увеличении скорости резания с V₃ до V₄ шероховатость поверхности продолжает уменьшаться, что объясняется уменьшением трения (за счет повышения температуры) между задней поверхностью резца и обработанной поверхностью, а также общим уменьшением пластической деформации (что подтверждается соответствующим уменьшением коэффициента усадки стружки).

Начиная со скорости резания V₄, величина которой зависит в основном от обрабатываемого металла, процесс резания стабилизируется и высота неровностей практически остается постоянной, близкой к R_zp теоретической (см. рис.11.3).

При обработке высоколегированных сталей, цветных металлов и хрупкого чугуна горбообразная кривая почти не имеет места. Более характерной зависимостью для этих металлов является кривая 2 (рис. 11.3), показывающая, что с увеличением скорости резания шероховатость обработанной поверхности сначала резко уменьшается, а затем практически остается постоянной; это объясняется почти полным отсутствием наростообразования.

Чем выше твердость обрабатываемой стали, тем меньше высота неровностей; по мере увеличения скорости резания влияние твердости на шероховатость обработанной поверхности снижается.

s, мм/об

Рис. 11.4. Влияние смазочно-охлаждающих жидкостей на высоту микронеровностей обработанной поверхности

Смазочно-охлаждающие жидкости, облегчая процесс стружкообразования, уменьшая трение и пластическое деформирование, способствуют получению менее шероховатой обработанной поверхности (рис. 11.4). По мере увеличения скорости резания эффект от применения жидкостей уменьшается (по сравнению с обработкой всухую) и, начиная с некоторой скорости, становится практически незаметным.

Чем больше упругое восстановление обработанной поверх-ности, тем в большей степени будет отличаться действительная высота гребешка от расчетной.

Так как упругое восстановление зависит от радиуса ρ округления режущей кромки, то чем больше ρ, тем больше действительная высота гребешков (хуже обработанная поверхность). Влияние упругих деформаций и величины ρ на высоту R_z особенно интенсивно сказывается при малых толщинах среза, когда а/ близко к единице.

Высота неровностей режущей кромки влияет на микрогеометрию обработанной поверхности: зазубрины режущей кромки копируются непосредственно на гребешках обработанной поверхности, увеличивая их высоту. Поэтому поверхности резца для чистового точения должны быть тщательно заточены (доведены), что уменьшает шероховатость на режущей кромке.

При износе резца до 0,5…1,0 мм по его задней поверхности влияние износа на шероховатость незначительно; однако большая величина износа, приводящая к значительному возрастанию шероховатости режущей кромки, величины ρ и сил, действующих в процессе резания, может вызвать увеличение высоты неровностей обработанной поверхности, а при недостаточной жесткости системы СПИД привести и к вибрациям, значительно ухудшающим микрогеометрию обработанной поверхности.

В заключение отметим, что подача s в пределах до 0,12… 0,15 мм/об на шероховатость влияет незначительно, тогда как при дальнейшем увеличении подачи действительная высота неровностей резко возрастает (см. рис. 11.4). Глубина же резания на изменение шероховатости обработанной поверхности влияет мало.

Рассмотренные применительно к токарной обработке зависимости шероховатости поверхности от различных факторов сохраняют в основном свой смысл и для других видов обработки (строгания, сверления, зенкерования, фрезерования и др.).

Так как завивание стружки, ее усадка и упрочнение являются результатом пластической деформации при резании металлов, а последняя влияет также и на степень шероховатости обработанной поверхности, то можно сказать, что пластическая деформация, завивание стружки, усадка стружки и шероховатость обработанной поверхности имеют глубокую физическую связь.

Действительная высота микронеровностей обработанной поверхности аналитическому расчету не поддается. Для того, чтобы иметь численную связь между высотой микронеровностей и важнейшими факторами процесса резания, созданы приближенные эмпирические формулы, полученные на основании статистической обработки опытных данных. При точении со скоростями резания, соответствующими чистовой обработке, такая формула имеет вид

.

Численные значения постоянной C_R, зависящей от рода обрабатываемого материала, и показателей степеней приводятся в справочной литературе.