8. Физико-технологические особенности обработки материалов

Обработкой материалов (заготовок) называется заданное изменение формы, размеров, шероховатости поверхности или свойств заготовки при выполнении технологического процесса.

8.1. Обработка резанием на металлорежущих станках

8.1.1. Общие сведения

Обработкой резаниемназывается получение новых поверхностей заданной формы, размеров и качества путем деформирования и последующего отделения с заготовки слоя материала с образованием стружки. Формообразование поверхности в процессе резания осущест­вляется различным сочетанием основных движений: вращательных, поступательных, возвратно-поступательных и т.д.

Большинство деталей машин получают окончательную форму и размеры обработкой резанием поскольку только она удовлетворяет возрастающим требованиям к качеству обработанной поверхности и точности размеров.

Трудоемкость обработки резанием составляет свыше 40% трудоемкости изготовления машин в целом. Она еще больше увеличивается в связи с повышением требований к точности и качеству рабочих поверхностей из-за увеличения объема финишной обработки. Такое положение сохранится и в ближайшее время, несмотря на тенденцию к замене предварительных операций обработки резанием на обработку давлением, литье и т.п. Формообразование поверхности в процессе резания на металлорежущих станках осущест­вляется различным сочетанием основных движений: вращательных, поступательных, возвратно-поступательных и т.д. При этом заготовка и режущий инструмент совершают основные и вспомогательные движения. Основные движения в свою очередь подразделяются наглавные и движения подачи. С помощью главного движения осуществляется снятие стружки, а движение подачи позволяет осуществить его со всей поверхности заготовки. Главное движение может сообщаться как инструменту, так и заготовке.

Основными методами обработки резанием, в зависимости от рода выполняемой работы и вида инструмента, являются (рис. 8.1): а- точение,б- сверление, в - фрезерование,г- строгание ,д- круглое ие - плоское шлифование.

Схемыосновных методов обработки резанием, представленные на рис.8.1, реализуются на соответствующих металлорежущих станках. При точении(рис. 8.1, а) главным движением является вращение заготовки 2 вокруг своей оси, а движением подачи - перемещение резца 1 вдоль (перпендикулярно или под углом) к оси заготовки. Если движения продольной и поперечной подач выполнять одновременно, то можно получить фасонную поверхность.

а) б) в) г) д) е)

Рис. 8.1. Схемы основных методов обработки резанием

При сверлении (рис. 8.1, б) главным движением и движением подачи является вращение сверла 1 вокруг своей оси и его перемещение вдоль оси к заготовке 2.

При фрезеровании (рис. 8.1, в)главным движением является вращение фрезы 1,а движением подачи -перемещение заготовки 2.

При строгании(рис. 8.1, г) главное движение и движение подачи могут быть различными:при поперечном - главным движением является движение резца 1, а движением подачи -перемещение заготовки 2; при продольном - наоборот.

При шлифовании(рис. 8.1, д, е) главным движением является вращение шлифовального круга 1, а движением подачи -перемещение заготовки 2.

В основу конструкции всех видов инструмента, применяемых при обработке резанием, положен принцип работы клина. А совокупность конструктивных элементов (углов, величины и формы режущих кромок, формы передней и задних поверхностей, радиуса сопряжения режущих лезвий и пр.), позволяющих обеспечить процесс обработки металлов резанием, принято называтьгеометрией режущего инструмента.

Очевидно, что самым простым конструктивным оформлением клина является резец. Поэтому геометрию режущего инструмента рассмотрим на его примере, полагая, что все понятия, относящиеся к резцу, справедливы и для других инструментов. Поскольку сверла, фрезы и зерна шлифовального круга можно рассматри­вать как совокупность нескольких резцов.

Основными конструктивными элементами резца, определяющими эффективность процесса резания, являются его углы, обозначаемые буквамигреческого алфавита и определяемые в соответствующихкоординатных плоскостях (рис. 8.2). В главной секущуй плоскости -проскости, нормальной к проекции главного лезвия на основную плоскость измеряются углы и ; восновной плоскости- параллельной продольной и поперечной подачам и нормальной к вектору скорости резания - и  и вплоскости резания- проходящей через главное лезвие и вектор скорости и касательной к поверхности резания -. К конструктивным элементам режущей части резца относят также его переднюю и заднюю поверхности, режущую кромку (лезвие) и др.

Задание 1:Руководствуясь рис. 8,2, дать определение углов резца, действительные для всех инструментов, учитывая, что форма поверхностей режущего клина этих инструментов является различной: плоской, вогнутой, выпуклой и пр.

Рис.8.2. Основные углы резца и поверхности заготовки: 1 и 3 – обрабатываемая и обработанная поверхности, 2 – поверхность резания, 4 – след плоскости резания, 5 – основная плоскость и 6 – след главной секущей плоскости.

Углы исвязаны между собой следующими зависимостями:

 +  +  = 90⁰ ,  =  + ,  + = 90⁰.

Если > 90⁰, то уголусловно называют отрицательным, если< 90⁰, то положительным и если= 90⁰- равным нулю.

Углы в плане _и  связаны между собой зависимостью:

 + _ + = 180⁰

В качестве материала режущей частирезцов и других инструментов используются в основном металло- и минералокерамические твердые сплавы,углеродистые и легированные инструментальные и быстрорежущие стали.

Задание 2. Привести марки инструментальных материалов для заданного инструмента, расшифровать и указать их основные свойства и обоснованность применения.

В процессе формообразования поверхности движение резания характеризуется скоростью резания V, а движение подачи - скоростью движения пода­чи S.

Скоростью резания называется путь, пройденный точкой обрабатываемой поверхности заготовки относительно режущего лезвия инструмента в единицу времени (напр., при точении), или путь, пройденный точкой режущего лезвия инструмента отно­сительно обрабатываемой поверхности заготовки в единицу време­ни (напр., при фрезеровании). Она является суммой векторов скоростей вращения и подачи.

Если движение резания является вращательным, то скорость вращения заготовки или инструмента определяют по формуле

где D - диаметр обрабатываемой поверхности (или инструмента), мм; n – частота вращения заготовки (инструмента) в мин^-1.

При шлифовании за скорость резания принимают скорость шлифовального круг, измеряемую в м/с.

Если движение резания является возвратно-поступательным (например, при строгании), то скорость резания определяют по формуле

где L - длина хода ползуна с резцом, мм; n - число двойных ходов ползуна в мин.; m - отношение скорости рабочего хода к скорости холостого хода ( в среднем m = 0,7 - 0,75).

Подачей называется перемещение инструмента или заготовки за один оборот шпинделя (если движение резания вращательное) и измеряется в мм за один оборот заготовки или соответственно инструмента (мм/об). В зависимости от направления подачи определяют как продольную, поперечную и др.

Подача может иметь размерность мм/мин - минутная подача (напр., при фрезеровании). Тогда S_мин = S n, где S - подача на оборот фрезы, мм/об; n – частота вращения фрезы, мин^-1.

При возвратно-поступательном движении резания, например, при строгании, подача измеряется в мм за один двойной ход ин­струмента (или заготовки)— S мм/дв.ход.

Величина слоя металла, удаляемого инструментом с поверх­ности заготовки за один проход, называется глубиной резания t, измеряемой в мм как линейное расстояние между обрабатываемой и обработанной поверхностями.

Совокупность величин: скорости резания ( V), подачи (S ) и глубины резания ( t ) - называют режимом резания, а V, S и t – его элементами. К элементам режима резания относятся также частота вращенияn,ширинаb, толщинаaи площадь срезаf.При этом элементы режима резания, которые непосредственно устанавливаются на станкеS,tиn, называются технологическими, аV,b,aиf – физическими. Физические элементы режима резания служат для обоснования выбора технологических элементов, исходя из физической сущности процесса резания.

Элементы режима резания при точении (рис. 8.3.) связаны следующими математическими зависимостями:

V = Dn/1000, м/мин; b = t/sinφ, мм; а = s sinφ, мм,

где V (с определенным допущением)-путь точки поверхности заготовки относительно режущей кромки резца в единицу времени;D– диаметр заготовки, мм;n- частота вращения (число оборотов) заготовки, мин^-1; а -расстояние между двумя положениями поверхности резания или главной режущей кромки за один оборот детали, мм;b- расстояние между обрабатываемой и обработанной поверхностями, измеренное по поверхности резания, мм; s –путь инструмента пройденный за один оборот детали, мм/об; t- толщина слоя металла, снимаемого за один проход, определяемая по формуле:t = (D-d)/2, мм, D и d – диаметры соответственно обрабатываемой и обработанной поверхностей заготовки,мм.

а б в

Рис. 8.3. Элементы режима резания при точении

Для других методов обработки резанием указанные зависимости имеют некоторые особенности.

Задание 3. Определить элементы режима резания для различных методов обработки (сверления и рассверливания, фрезерования и строгания, шлифования и др.) и конкретных условий.