Физические основы резания.

Резание – процесс местного сжатия и сдвига материала режущим клином (резцом) с последующим образованием стружки. Целью этого процесса является придание обрабатываемой заготовке нужной формы размеров и чистоты поверхности.

В процессе резания имеют место следующие явления:

1. деформирование металла (упругое и пластическое)

2. наростообразование

3. выделение большого количества теплоты (тепловые явления)

4. упрочнение обрабатываемого материала

5. износ режущего инструмента.

Эти явления тщательно изучаются, что необходимо для выбора тщательных режимов обработки деталей.

Деформирование. В процессе резания будущий элемент стружки вначале деформируется упруго, затем пластически и отделяется от заготовки, когда действующие напряжения окажутся большими, чем предел прочности материала.

Процесс образования элемента стружки можно разделить на 3 этапа:

1. упругая и пластическая деформация, упрочнение будущего элемента стружки в зоне стружкообразования

2. сдвиг элемента стружки по плоскости сдвига в момент, когда напряжение в срезаемом слое превышает сопротивление сдвигу

3. дополнительная пластическая деформация образовавшегося элемента стружки при его движении по передней поверхности инструмента.

В зависимости от свойств обрабатываемого материала и условий резания образуется 3 вида стружки:

1. сливная – имеет вид сплошной ленты с гладкой внутренней (прирезцовой) и шероховатой внешней поверхностями. На поверхности не видно границ между отдельными элементами. Образуется при обработке пластичных материалов (мягкая сталь, медь, алюминий) с большими скоростями резания при относительно небольших толщинах срезаемого слоя.

2. стружка скалывания (суставчатая). Образуется при обработке менее пластичных твердых материалов со средними скоростями резания, большими толщинами срезаемого слоя и меньшими передними углами. Внутренняя поверхность – гладкая, внешняя – с зазубринами, т. е. стружка состоит из элементов, границы между которыми видны, но связь между ними отсутствует.

3. стружка надлома – образуется при обработке хрупких материалов (бронза, чугун, неметаллические материалы). Она состоит из отдельных элементов, не связанных между собой.

Сливную и суставчатую (скалывания) стружки называют стружками сдвига, а стружку надлома – стружкой отрыва. Имея условия резания можно получить и разные стружки, например, суставчатую и даже сливную стружку при обработке хрупкого чугуна; при уменьшении переднего угла, скорости резания и увеличении толщины срезаемого слоя можно получить вместо сливной стружки суставчатую.

Наименьшая работа затрачивается на образование стружки надлома, наибольшее на стружку скалывания.

Наростообразование. Нарост – упрочненная часть сильно пластически деформированного обрабатываемого материала, «приваренного»к передней поверхности резца. Благодаря сильному упрочнению, твердость нароста близка к твердости закаленной инструментальной стали, в связи с чем он способен резать металл, из которого образовался.

Нарост не стабилен во времени, он периодически (до 200 раз в секунду) разрушается. При этом периодически изменяется и геометрия резца (угол резания нароста δ_н меньше угла δ, полученного при заточке резца).

При черновой обработке нарост оказывает благоприятное воздействие: защищает резец, уменьшает силы резания (благодаря уменьшению угла резания). Чаще же всего, особенно при чистовой обработке нарост вреден – качество поверхности ухудшается.

Тепловые явления. Выделение тепла при резании происходит вследствие пластического деформирования металла:

• трения стружки о переднюю поверхность резца

• трения задней поверхности резца о поверхность резания.

Общее количество теплоты, выделяемое в единицу времени: Q=Р_z*V [Дж/мин].

При токарной обработке:

• в стружку уходит 60-80% всей выделяемой теплоты

• в резец – 4-10%

• в заготовку – 9-13%

• в окружающую среду - ~1%.

Т. е. основное количество тепла переходит в стружку и заготовку. В наибольшей степени на температуру в зоне резания оказывает влияние скорость резания. Влияют также подача, геометрия применяемого инструмента и т. д. Нагрев инструмента и заготовки снижает точность обработки.

Охлаждение. Для охлаждения инструмента и снижения трения контактирующих поверхностей инструмента и детали применяют смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ).

При черновой обработке – водные растворы кальцинированной соли, нитрит натрия, жидкое стекло, водные эмульсии с антикоррозионными добавками.

При чистовой обработке – жидкости, обладающие высокой маслянистостью – минеральные, растительные и животные масла.

Применение СОЖ способствует снижению мощности резания на 10-15%, повышает стойкость режущего инструмента и чистоту обработки.

При обильном охлаждении с интенсивностью 8-12л/мин и при точении стали резцами из быстрорежущей стали допускается повышение скорости резания на 20-25%.

Износ и стойкость инструмента. В процессе резания металла резец изнашивается. Различают несколько видов износа:

1. абразивный износ

2. адгезионный износ

3. диффузионный износ

4. хрупкий износ

Основная причина износа резцов – трение сходящейся стружки о переднюю поверхность резца и задней поверхности резца о поверхность обрабатываемой заготовки. В результате износа на главной задней поверхности образуется площадка с задним углом, равным нулю, а на передней – лунке.

Допустимой величиной износа называется такая величина ширины площадки h₃, при которой дальнейшая работа инструмента должна быть прекращена из-за возрастания усилия резания, ухудшения чистоты обработанной поверхности или отклонения размеров детали от заданных.

Критерий износа h₃ – количественное выражение допустимой величины износа: для тонких резцов из быстрорежущей стали – 1,5-2,0мм; для твердых сплавов – 0,8-1,0мм.

Стойкостью инструмента называют время непрерывной его работы (инструмента) при постоянных режимах до заданной величины износа или до затупления. Стойкость зависит от условий резания (скорости, глубины резания и подачи) и материала инструмента, от геометрических параметров его режущей части и качества заготовки, а также от условий охлаждения.

Между скоростью резания V и стойкостью (периодом стойкости) Т существует зависимость: V=С/Т^m, где С – коэффициент, зависящий от материала инструмента и детали, режима резания и геометрии резца – определяется по таблицам;

m – показатель относительной стойкости, характеризующий интенсивность влияния стойкости на скорость резания. Зависит от материала обрабатываемой детали и инструмента, толщины реза, вида и условий обработки:

• для резцов из быстрорежущей стали при обработке стали и чугуна m=0,125

• для резцов, оснащенных пластинками из твердых сплавов, m=0,20.

Практически стойкость резцов:

• из быстрорежущей стали – 30-60мин

• из оснащенных твердыми сплавами – 45-90мин

• мелких сверл – 10-30мин

• фрез – 300-420мин.

Материалы для режущего инструмента. К инструментальным материалам предъявляются следующие требования:

1. высокая твердость и износостойкость

2. высокая теплостойкость – способность сохранять режущие свойства при высоких температурах

3. высокая прочность и ударная вязкость

4. технологичность (хорошая обрабатываемость)

5. экономичность (минимальное содержание дефицитных легирующих элементов, без ущерба для режущих свойств)

При обработке металлов резанием применяются:

• углеродистые инструментальные стали (У9, У9А, У10, У12 и др.). они дешевы, хорошо обрабатываются, имеют достаточно высокую твердость после закалки и отпуска. Недостаток: низкая теплостойкость – потеря режущих свойств при температуре резания 200-250⁰, поэтому основное назначение – ручной режущий (слесарный) (плашки, метчики, развертки, напильники)

• малолегированные стали (ХВ5, ХВГ, 9ХС). Обладают несколько лучшей теплостойкостью и твердостью, чем углеродистые стали. Сохраняют твердость до 250-300⁰, поэтому скорость резания и производительность может быть повышена по сравнению с углеродистыми сталями в 1,2-1,4 раза. Применение: инструмент, работающий при относительно небольших скоростях резания (и крупный, который должен лучше прокаливаться)

• быстрорежущие стали – высоколегированные стали, содержащие вольфрам, хром, ванадий. Теплостойкость 500-650⁰ позволяет увеличить скорость резания по сравнению с углеродистыми сталями в 3-4 раза. Наиболее теплостойкая сталь – вольфрама – 18%

хрома - ~4%

ванадия – до 1,5%.

Другая сталь этого типа Р12.

Применяют также быстрорежущие стали: с ванадием – Р9Ф5, Р14ФУ

с кобальтом – Р9К5, Р9К10 (стойкость в 4-4,5 раза выше, чем у Р18)

с молибденом и кобальтом – Р6М5К8 и др.

• металлокерамические твердые сплавы (получаемые спеканием) изготавливают на основе карбидов вольфрама WC, титана TiC, тантала TaC, которые сцементированы связкой из кобальта.

Наиболее часто используют сплавы ВК8, ВК6, ВК4, ВК2 (цифра – содержание кобальта).

Появление твердых сплавов было подлинной революцией в обработке металлов резанием. Их использование позволило увеличить скорости резания в 8-10 раз по сравнению с быстрорежущими сталями благодаря тому, что их теплостойкость 800-900⁰.

Выбор режима резания. После выбора инструмента (материал, геометрия) выбирают режим резания, назначая скорость V, подачу S, глубину резания t так, чтобы наилучшим образом использовать возможности металлорежущего станка:

1. вначале глубиной резания t, которая меньше всего влияет на стойкость инструмента. Стремятся снять почти весь припуск на обработку за один проход, оставив лишь небольшую часть для чистовой обработки

2. подачу S стараются сделать возможно большей, учитывая при этом необходимость обеспечить чистоту обработки, прочность инструмента и заготовки

3. по эмпирическим формулам по заданным S, t, стойкости T и другим условиям определяют оптимальную скорость резания (V= f(T, t, S)): V=,

где С_V, X_V, Y_V, R_V – коэффициенты, учитывающие обрабатываемый материал, материал инструмента, условия обработки (находятся по таблицам).

Производительность труда при работе на станках определяется формулой Т_ш=Т_о+Т_в+Т_обсл+Т_отд, где Т_ш – штучное время обработки одной детали; чем оно меньше, тем выше производительность труда;

Т_о=Т_н – основное время или машинное время – время, в течение которого происходит изменение формы или физического состояния детали;

Т_обсл – время обслуживания, т. е. время на смену инструмента, уборки станка и т. д., отнесенное к одной детали;

Т_отд – время на отдых и естественные надобности.

Величину Т_м находят по формуле: Т_м=L*i/n*S (а), где L – длина прохода инструмента, равная сумме пути врезания l₁, пути обработки l₂ и длины перебега; S – подача; i – число проходов; n – число оборотов.

Из формулы (а) вытекает повышение производительности:

1. разделение пути L между несколькими инструментами, т. е. применение многорезцовых станков

2. уменьшение числа проходов i, т. е. применение заготовок с минимальными припусками на обработку

3. увеличение числа оборотов n, т. е. скорости резания

4. увеличение подачи S (она ограничена требованиями к точности формы и размеров детали, чистоты обработки поверхности.