Аксенов А. А. Технология конструкционных материалов

110

Рис. 6.5. Углы резца в статике

У токарного резца различают главные и вспомогательные углы, которые рассматривают, исходя из следующих условий: ось резца перпендикулярна к линии центров станка; вершина резца находится на линии центров станка; совершается главное движение резания.

Передний угол γ измеряют в главной секущей плоскости между следом передней поверхности и следом плоскости, перпендикулярной к следу плоскости резания, проходящей через режущую кромку. С увеличением переднего угла уменьшается деформация срезаемого слоя, так как инструмент легче врезается в материал, снижаются силы резания и расход мощности. Одновременно улучшаются условия схода стружки, а качество обработанной поверхности заготовки повышается. Чрезмерное увеличение угла γ приводит к снижению прочности и жесткости главной режущей кромки, увеличению износа вследствие выкрашивания, ухудшению условий теплоотвода от режущей кромки. При обработке заготовок из хрупких и твердых материалов для повышения прочности и стойкости резца следует назначать меньшие значения угла γ , иногда – отрицательные. При обработке заготовок из мягких и вязких материалов угол γ увеличивают.

111

Главный задний угол α измеряют в главной секущей плоскости между следом плоскости резания и следом главной задней поверхности. Наличие угла α уменьшает трение между главной задней поверхностью инструмента и поверхностью резания заготовки, что уменьшает износ инструмента по главной задней поверхности. Чрезмерное увеличение угла α приводит к снижению прочности режущей кромки. Угол α назначают, исходя из величины упругого деформирования материала обрабатываемой заготовки.

Вспомогательный задний угол α1 измеряют во вспомогательной секущей плоскости между следом вспомогательной задней поверхности и следом плоскости, проходящей через вспомогательную режущую кромку перпендикулярно к основной плоскости. Наличие угла α1 уменьшает трение между вспомога-

тельной задней поверхностью инструмента и обработанной поверхностью заготовки.

Угол заострения β – угол между следами передней и задней поверхно-

стей. Определяется как β = 90 −(γ +α).

Угол резания δ – угол между следом передней поверхности и следом плоскости резания. Определяется по формуле δ = 90 −γ .

Углы резания и заострения являются зависимыми от переднего и заднего, но применяются как определяющие при инженерных расчетах резания конкретных материалов.

Угол в плане ϕ – угол между проекцией главной режущей кромки на ос-

новную плоскость и направлением движения подачи – оказывает значительное влияние на шероховатость обработанной поверхности. С уменьшением угла ϕ шероховатость обработанной поверхности снижается. Одновременно увеличивается активная рабочая длина главной режущей кромки. Сила и температура резания, приходящиеся на единицу длины кромки, уменьшаются, что снижает износ инструмента. С уменьшением угла ϕ возрастает сила резания, направ-

112

ленная перпендикулярно к оси заготовки и вызывающая ее повышенную деформацию, а также возможно возникновение вибраций в процессе резания, снижающих качество обработанной поверхности.

Вспомогательный угол в плане ϕ1 – угол между проекцией вспомогатель-

ной режущей кромки на основную плоскость и направлением обратного дви-

жения подачи. С уменьшением угла ϕ1 шероховатость обработанной поверхно-

сти снижается, увеличивается прочность вершины резца, снижается его износ.

Угол наклона режущей кромки λ – угол в плоскости резания между ре-

жущей кромкой и основной плоскостью. Угол λ влияет на направление схода стружки; бывает отрицательным и положительным (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Угол наклона режущей кромки

6.2 ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ

Стружкообразование. Резание металлов – сложный процесс взаимодействия режущего инструмента и заготовки, сопровождающийся определенными физическими явлениями. Упрощенно процесс резания можно представить по следующей схеме. В начальный момент процесса резания, когда движущийся резец под действием силы резания Р (рис. 6.7) вдавливается в

Рис. 6.7. Упругонапряженное состояние металл, в срезаемом слое возни-

металла при обработке резанием

113

кают упругие деформации. При движении резца они, накапливаясь по абсолютной величине, переходят в пластические. В прирезцовом срезаемом слое материала заготовки возникает сложное упругонапряженное состояние: в плоскости, перпендикулярной к траектории движения резца, возникают нормальные напряжения σy , а в плоскости, совпадающей с траекторией движения резца, –

касательные напряжения τx . В точке приложения действующей силы значение

τx наибольшее, а по мере удаления от точки A τx уменьшается. Нормальные напряжения σy вначале действуют как растягивающие, затем они уменьшают-

ся и переходят в напряжения сжатия. Таким образом, срезаемый слой металла находится под действием давления резца, касательных и нормальных напряжений.

Сложное упругонапряженное состояние металла приводит к пластической деформации, а ее рост – к сдвиговым деформациям, т.е. к смещению частей кристаллитов относительно друг друга. Сдвиговые деформации происходят в зоне стружкообразования ABC , причем деформации начинаются по плоскости AB и заканчиваются по плоскости AC , в которой завершается разрушение кристаллитов, т.е. скалывается элементарный объем металла и образуется стружка. Далее процесс повторяется и образуется следующий элемент стружки.

Условно считают, что сдвиговые деформации происходят по плоскости

ОО, которую называют плоскостью сдвига. Она располагается под углом

θ≈300 к направлению движения резца. Угол θ называют углом сдвига. Нали-

чие поверхности сдвига в процессе стружкообразования и положение ее в пространстве установлены русскими учеными И.А. Тиме и К.А. Зворыкиным. Срезанный слой металла дополнительно деформируется вследствие трения стружки о переднюю поверхность инструмента.

При резании металлов образуется стружка, которую разделяют на сливную, стружку скалывания (суставчатую) и надлома.

116

Считают, что точка приложения силы резания P находится на главной режущей кромке инструмента (рис. 6.8, б). Абсолютное значение, точка приложения и направление равнодействующей силы резания в процессе обработки переменны. Это можно объяснить неоднородностью структуры материала заготовки, переменной поверхностной твердостью материала заготовки, непостоянством срезаемого слоя металла, наличием штамповочных и литейных уклонов, изменением углов γ и α в процессе резания. Для расчетов используют не рав-

нодействующую силу резания, а ее составляющие, действующие по трем взаимно перпендикулярным направлениям – координатным осям металлорежущего станка. Обозначения составляющих силы резания приведены по ГОСТ 25762-83 для универсального токарного и других станков (для станков с ЧПУ действует международный стандарт ISO 841, в котором приняты другие обозначения осей координат).

Главная составляющая силы резания для токарных станков Pz действует в плоскости резания в направлении главного движения резания по оси z . По этой силе определяют крутящий момент на шпинделе станка, эффективную мощность резания, деформацию изгиба заготовки, изгибающий момент, действующий на стержень резца, а также ведут динамический расчет механизмов ко-

робки скоростей станка. Радиальная составляющая силы резания Py действует в плоскости xOy перпендикулярно к оси заготовки, по которой определяют ве-

личину упругого отжатия резца от заготовки и деформацию изгиба заготовки в плоскости xOy . Осевая составляющая силы резания Px действует в плоскости xOy вдоль оси заготовки, по которой рассчитывают механизм подачи станка, а

также изгибающий момент, действующий на стержень резца.

сти силы Pz от разных факторов приведены на рис. 6.9, из их анализа можно сделать вывод, что наибольшее влияние на возрастание силы Pz оказывает уве-

личение глубины резания, меньшее влияние – увеличение подачи, а при увеличении скорости резания и угла ϕ (с 300 до 600) уменьшается усилие резания.

Эффективной мощностью называют мощность, расходуемую на процесс деформирования и срезания с заготовки слоя металла. При точении цилиндрической поверхности на токарно-винторезном станке эффективная мощность, кВт

где n – частота вращения заготовки, мин-1. Мощность электродвигателя станка, кВт

где η – КПД механизмов и передач станка.

Наростообразование при резании металлов. При обработке пластич-

ных металлов резанием на передней поверхности лезвия инструмента образуется металлический наплыв, который называют наростом. Это сильно деформированный металл высокой твердости, структура которого отличается от структур обрабатываемого металла и стружки.

Образование нароста объясняется тем, что геометрическая форма инструмента не идеальна для обтекания ее металлом. При некоторых условиях обработки силы трения между передней поверхностью инструмента и частицами срезаемого слоя металла становятся больше сил внутреннего сцепления, и при определенных температурных условиях металл прочно закрепляется на передней поверхности лезвия инструмента.

В процессе обработки резанием размеры и форма нароста непрерывно меняются в результате действия сил трения между отходящей стружкой и внешней поверхностью нароста. Частицы нароста периодически уносятся стружкой, переходят на обработанную поверхность заготовки, иногда нарост целиком срывается с передней поверхности инструмента и тут же вновь образуется (рис. 6.10, а). Объясняется это тем, что нарост находится под действием силы трения F , сил сжатия P1 и P2 , силы растяжения Q (рис. 6.10, б). С изме-

нением размеров нароста меняется соотношение действующих сил. Когда сум-

ма сил P1 , P2 и Q становится больше силы трения F , происходит разрушение

119

и срыв нароста. Частота срывов нароста зависит от скорости резания и достигает нескольких сотен в секунду.

Рис. 6.10. Схемы образования и разрушения нароста (а) и силы, действующие на нарост (б)

Нарост существенно влияет на процесс резания и качество обработанной поверхности заготовки, так как при его наличии меняются условия стружкообразования.

Положительное влияние нароста состоит в том, что при его наличии меняется форма передней поверхности лезвия инструмента, это приводит к увеличению главного переднего угла, а следовательно, к уменьшению силы резания. Вследствие высокой твердости нарост способен резать металл. Нарост удаляет центр давления стружки от главной режущей кромки, в результате чего уменьшается износ режущего инструмента по передней поверхности лезвия. Нарост улучшает теплоотвод от режущего инструмента.

Отрицательное влияние нароста состоит в том, что он увеличивает шероховатость обработанной поверхности. Частицы нароста, внедрившиеся в обработанную поверхность, при работе детали с сопрягаемой деталью вызывают повышенный износ пары. Вследствие изменения наростом геометрических параметров режущего инструмента меняются размеры обрабатываемой поверхности в поперечных диаметральных сечениях по длине заготовки, и обработанная поверхность получается волнистой. Из-за изменения переднего угла инструмента меняется сила резания, что вызывает вибрацию узлов станка и инструмента, а это, в свою очередь, ухудшает качество обработанной поверхности.