8.1.2. Физическая сущность обработки резанием

Обработка резанием материалов является сложным процессом. Его физическая сущность заключается в механическом разрушении поверхностного слоя материала заготовки и удаление его в виде стружки, сопровождающегося физико-химическими и механическими явлениями, оказывающими влияние на качество обработанной поверхности и производительность обработки деталей.

Удаление поверхностного слоя материала заготовки осуществляется режущим инструментом, в основе которого лежит режущий клин. В зависимости от угла заострения режущего клина, формы его поверхностей, действия внешних сил, скоростей движения относительно заготовки, материала инструмента, среды и других условий в зоне стружкобразования и контакта заготовки и инструмента возникают значительные упругие и пластические деформации, трение, выделение тепла, нарост, усадка стружки, изнашивание инструмента и др. Без надлежащего учета этих явлений, сопровождающих процесс резания, невозможно управлять этим процессом и обеспечивать высокое качество обработанных поверхностей и производительность обработки деталей.

Одним из основных явлений процесса резания является процесс стружкообразования, сопровождающийся сложными физическими явлениями. Строение стружки, форма, степень ее деформации и твердость свидетельствуют о напряжениях, которые претерпел срезаемый слой; о величине работы, затраченной на резание; износе режущего инструмента и качестве обработанной поверхности и др.

Металл, уходящий в стружку, и обработанная поверхность упрочняются, в них изменяется макро- и микроструктура, повышается твердость и возникают внутренние напряжения. Вместе с тем в поверхностном слое образуются макро- и микротрещины, ухудшающие его физико-механические свойства. Толщина этого дефектного слоя, в зависимости от условий резания, может изменяться от десятых долей миллиметра до десятых долей микрометра.

Под действием внешняй силы - силы резания Р(рис.8.4, а) инструмент (режущий клин), установленный относительно заготовки под передним и задним угламии(рис.8.4, б.), своей передней поверхностьюБвдавливается в верхний слой металла заготовки и подвергает его упругой, а затем пластической деформации. В момент, когда возникающие напряжения превосходят прочность обрабатываемого материала, происходит сдвиг (скалывание) элемента стружки по плоскости сдвига под углом, названным углом сдвига. Этот угол не зависит ни от геометрических параметров инструмента, ни от свойств обрабатываемого материала и равен обычно около 30⁰. Процесс сдвига совершается непрерывно и с обрабатываемой поверхности удаляется слой металла в виде стружкиВ.

Рис. 8.4. Схемы упруго-напряженного состояния (а) и деформаций (б) металла в зоне резания: кружками (А) показаны недеформированные зерна, -_у и +_у - нормальные напряжения сжатия и растяжения соответственно.

Экспериментально установлено, что стружка пластически деформируется по всему сечению, а распространение пластической деформации вглубь обработанной поверхности детали зависит от свойств обрабатываемого материала, геометрии инструмента, элементов режима резания и других условий обработки. Максимальная пластическая деформация происходит в зоне стружкообразования АВС (рис.8.4, а) и следствием ее являются сдвиговые деформации в срезаемом слое.

Стружка В, в зависимости от свойств обрабатываемого материала, углов инструментаи, скорости относительного перемещения инструмента и детали (элементов режима резания) и других условий обработки, может образовываться трех типов:сливная, скалывания и надлома.

Сливная стружка, представляющая собой сплошную завивающуюся ленту, образуется при обработке пластичных металлов со значительными скоростями резания, небольшими толщинами среза и большими передними углами инструмента. Обработанная поверхность имеет минимальную шероховатость.

Стружка скалывания, представляющая собой отдельно связанные между собой элементы, образуется при обработке металлов средней твердости с невысокими скоростями резания, значительными толщинами среза и небольшими передними углами инструмента.

Стружка надлома, представляющая собой отдельные не связанные или слабо связанные между собой кусочки металла неправильной формы, образуется при обработке хрупких металлов. Обработанная поверхность имеет значительные неровности.

Изменяя условия резания, можно влиять на пластичность обрабатываемого материала, а следовательно и на переход от одного типа стружки к другому, изменяя таким образом качество обработанной поверхности, износ режущего инструмента, силы резания и условия отвода стружки из зоны обработки.

Вследствие упруго-пластической деформации и трения, выделяется значительное количество тепла, которое оказывает большое влияние на качество обработанной поверхности и износ инструмента. При напряженных режимах резания нагрев поверхностного слоя обработанной поверхности может достигать температур фазовых превращений, существенно изменяя ее свойства.

Механическая работа, которая тратится на отделение стружки, почти полностью превращается в тепло. Основными источниками тепла в этом случае являются: деформации в зоне стружкообразования; трение стружки о переднюю поверхность инструмента и трение между инструментом и заготовкой. Уравнение теплового баланса в этом случае можно представить в виде:

Q₁ + Q₂ + Q₃ = q₁ + q₂ + q₃ + q₄,

где Q₁,Q₂иQ₃- тепло, выделяющееся соответственно вследствие деформации и трения обрабатываемого материала о переднюю и заднюю поверхности инструмента, аq₁,q₂,q₃иq₄- тепло, уходящее соответственно в стружку, инструмент, деталь и окружающую среду.

Значения Q₁...Q₃ и q₁...q₄зависят от физико-механических свойств обрабатываемого материала, режима резания,геометрических параметров и материала инструмента, других условий обработки.

Более всего на распределение тепла влияет скорость резания. С ее увеличением количество тепла, образующееся в результате упруго-пластических деформаций и трения увеличивается, а отводимое тепло: стружкой - увеличивается, а инструментом и деталью - уменьшается. Наименьшее количество тепла уходит в окружающую среду (q₄ 2…3%).

При нормальных условиях работы температура резания составляет: при обработке металлокерамическими сплавами 800-1000⁰С, а минералокерамикой - 1000-1200⁰С.

Количество тепла уходящее в инструмент и заготовку в значительной степени зависит от теплопроводности их материалов. Большинство инструментальных материалов имеют низкую теплопроводность, что в совокупности с постоянным контактом инструмента и заготовки приводит к значительным температурам на поверхности инструмента. Высокая температура инструмента является основной причиной его быстрого износа. Нагревание заготовки приводит к изменению ее размеров во время обработки, что необходимо учитывать при закреплении заготовки и контроле ее размеров.

При мгновенном отводе инструмента из зоны резания, на его передней поверхности, у режущей кромки, обнаружен (при определенных условиях резания) слой металла, строение которого отличается от обрабатываемого материала и стружки. Металлографически установлено, что этот слой сильно деформирован и имеет твердость в 2,5—3,5раза превосходящую исходную твердость обрабаты­ваемого материала. Очевидно, что причинами этого являются: большой коэффициент трения между поверхностями стружки и инструмента (до 0,8-0,9), удаление оксидных пленок и молекулярное (межатомное) взаимодействие между этими поверхностями, высокое давление и определенная температура на поверхности контакта стружки с инструментом. Этот слой получил название нароста.

Механизм образования наростаможно сформулировать следующим образом: большое давление со сто­роны стружки на инструмент и высокая температура пласти­чески деформированного металла, а также микронеровности на передней поверхности инструмента приводят к торможению нижнего слоя стружки, вследствие чего образуется тонкий заторможенный слой и течение металла в стружку про­исходит по этому слою с преодолением внутреннего тре­ния (рис. 8.5,а); при опреде­ленных условиях заторможен­ный слой начинает расти, об­разуя новое тело, прочно при­соединенное к передней поверх­ности инструмента. По мере удаления от поверхности инструмента прочность сцепления слоев стружки уменьшается из-за уменьшения степени пластической деформации и других явлений. Нарост имеет форму клина с углом резания δ меньше, чем у инструмента (рис. 8.5,б). Вслед­ствие его большой твердости он может осуществлять резание.

На основании исследований состояния стружки и обработанной поверхности установлено, что нарост периодически разрушается и уносится стружкой и деталью, затем вновь образуется. При этом точность и качество обработанной поверхности ухудшаются. Появление и исчезновение нароста приводит к тому, возникают вибрации инструмента и детали.

На высоту нароста и частоту его срывов оказывает большое влияние скорость резания.

а) б)

Рис. 8.5. Схема образования на­роста при резании

Так, при определен­ных условиях обработки стали максимальная высота нароста образуется при v = 2030м/мин. При малых скоростях реза­ния (v= 58 м/мин) и при больших (свыше 60-80м/мин) нарост не образуется.

Отсутствие нароста при малых скоростях резания объ­ясняется низкой температурой в зоне контакта стружки с инструментом, а при высоких - высокой температурой, при которой металл становится более пластичным и силы трения уменьшаются.

При черновой обработке образование нароста можно считать положительным явлением, так как он облегчает процесс стружкообразования из-за уменьшения угла реза­ния. Кроме того, он защищает лезвие инструмента от исти­рающего действия стружки и воздействия теплоты, воз­никающей в процессе резания.

При чистовой обработке явление нароста нежелательно, так как оно приводит к ухудшению качества обработанной поверхности. При срывах нароста изменяется угол и уси­лия резания, что вызывает вибрации. Кроме того, частицы нароста при разрушении прилипают к обработанной поверх­ности и увеличивают ее шероховатость.

Для предотвращения наростообразования используют все средства, способствующие уменьшению трения на перед­ней поверхности инструмента. К ним относятся: уменьшение угла резания (увеличение переднего угла), применение смазочно-охлаждающей жидкости, доводка перед­ней поверхности и др.

Поверхности инструмента, контактирующие со стружкой и заготовкой и находящиеся под действием высокого давления, трения и температуры, изнашиваются.

В зависимости от элементов режима резания, свойств обрабатываемого и инструментального материалов, а также других условий обработки возникают следующие виды изнашивания инструмента: абразивный, адгезионный, диффузионный и окислительный.

Абразивный износобусловлен наличием в обрабатываемом материале достаточно твердых составляющих (карбидов, оксидов и пр.), сохраняющих значительную твердость и при нагревании. Они действуют как абразивы, царапая поверхности трения.

Адгезионный износпроявляется при более высоких скоростях резания и больших давлениях и сопровождается схватыванием материала инструмента с материалом заготовки под действием атомарных сил. При этом частички инструментального материала беспрерывно вырываются и уносятся сходящей стружкой и обрабатываемой заготовкой.

Диффузионный износпроявляется при высоких скоростях резания, когда развивается высокая температура, инструментальный материал интенсивно изнашивается под действием диффузии. Происходит взаимное проникновение и растворение структурных составляющих инструментального и обрабатываемого материалов. Интенсивной диффузии благоприятствует то, что в контакт с инструментом беспрерывно вступают все новые участки обрабатываемого материала и стружки.

Окислительный износ происходит вследствие образования на поверхности инструмента оксидов, которые имеют повышенную хрупкость и склонность к разрушению. Разрушенные оксиды уносятся стружкой и обрабатываемой заготовкой. Интенсивность окислительного износа зависит от температуры и химического состава материала инструмента. Особенно активно окислительный износ происходит, когда температура превышает 700...800°С. Для инструментальных и быстрорежущих сталей этот вид износа является незначительным и его можно не учитывать.

Предельно допустимый износ, при котором инструмент теряет нормальную работоспособность и требует замены, называется критерием затупления.

Критерии затупления инструмента могут быть различными и определяются в основном видами и условиями обрабатки резанием. Они подразделяются на критерии: оптимального износа, силовой, блестящей полоски и технологический.

Под критерием оптимального износа понимается износ по задней или передней поверхностям инструмента, по дистижении которого инструмент необходимо заменить. Этот критерий используется как при черновой, так и чистовой обработках. Их значения колеблятся от 0,8 до 1,7 мм при черновой обработке стали и чугуна и 0,5…0,6 мм при чистовой.

Под силовым критерием понимается состояние инструмента, при котором наблюдается значительное увеличение силы резания и появление вибраций. Этот критерий используется только при черновой обработке.

Под критерием блестящей полоски понимается состояние инструмента, при котором наблюдается появление блестящей полоски на поверхности резания и неприятного для слуха звука. Этот критерий используется только при черновой обработке.

Под технологическимкритерием понимается состояние инструмента, при котором точность и шероховатость обработанной поверхности перестают удовлетворять техническим условиям на изготовление детали. Этот критерий используется только при чистовой обработке.

Форма износа инструмента,в зависимости условий обработки, также может быть различной. Так,износ по задней поверхностипроявляется в случае обработки хрупких материалов, а также пластичных материалов, если толщина срезаемого слоя не превышает 0,1мм. Он характеризуется высотой износа.Износ по передней поверхностипроисходит во время обработки пластичных металлов на больших скоростях резания и значительной толщины срезаемого слоя, более 0,5мм. Он характеризуется глубиной и шириной лунки.Смешанный вид износаимеет место во время обработки пластичных металлов при средних скоростях резания и толщинах среза 0,1...0,5 мм. В случае износа по передней поверхности критерием затупления являются размеры лунки и величина фаски.

Кроме перечисленных механизмов изнашивания возникают также повреждения режущего лезвия в виде сколов, вызванных механическими и тепловыми перегрузками. Такие сколы возникают в инструментах с повышенной хрупкостью (твердые сплавы, керамические материалы)._{____________________}

Сила резания F представляет собой равнодействующую всех сил, действующих на инструмент. При практическом изучении ее разлагают на три составляющие, по осямx, y и z: главную или тангенциальнуюF_z, осевуюF_x и радиальнуюF_y, определяемые по отношению друг к другу как 1 : 0,4 : 0,2 соответственно.

По F_z, которую выбирают по справочнику либо определяют эмпирически, определяют мощность резанияN_р по формуле

N_р = F_zV / 60*75*1,36, квт

Мощность электродвигателя станка должна быть не менее N_э, определяемой по формуле:

N_э = N_р / h,

где h - к.п.д. станка, равный 0,7-0,8.

Допускаемому износу инструмента отвечает период его стойкости, т.е. время непрерывной работы инструмента в минутах до момента допустимого износа при определенном режиме резания.

Период стойкости инструмента Тзависит от свойств материала инструмента и заготовки, режима резания, геометрии инструмента, условий обработки и типа производства и колеблется в широких пределах. Наибольшее влияние на стойкость имеетV.

При определенных условиях обработки между ТиVсуществует зависимость в виде

V = А/Т^m,

где А -постоянная величина, зависящая от материала инструмента и заготовки, геометрии инструмента, глубины резания, подачи и смазочно-охлаждающей жидкости;m-показатель относительной стойкости инструмента, зависящий от тех же факторов, что иТ.

Для заданной Ти соответствующих значенияхAиm, определяемых по справочникам, численное значениеV называется допускаемойcкоростью резания, обозначаемую [V]. Превышение этой скорости приводит к значительному снижению периода стойкости инструмента.

Значение [V] зависит от многих факторов: прочности и твердости обрабатываемого и инструментального материала, геометрии инструмента и элементов режима резания и др. Так,например, при обработке инструментами с режущей частью из различных материа­лов значение [V] изменяется от0,12 до 1,8 ( за единицу принята обработка сплавом ВК3);уменьшение углаповышает стойкость инструмента (уменьшение углас90до 30°[V] увеличивается почти в два раза; увеличение угладо извест­ных пределов повышает стойкость инструмента, так как уменьшает де­формацию срезаемого слоя и силу резания, что позволяет увели­чить [V], а при дальнейшем увеличении углауменьшается термодинамическая прочность режущего клина инструмента, что приводит к уменьшению его стойкости, а следовательно и [V]; охлаждение пони­жает температуру резания, что позволяет повысить [V]: при черновой обработке стальных заготовок она увеличивается на 15— 25%,а при чистовой - на 5—8%.

В качестве смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) при обработке резанием применяют содовые и мыльные водные растворы, эмуль­сии, растительные и минеральные масла (льняное, ве­ретенное, соляровое и сульфофрезолы —масла, содержа­щие активированную добавку в виде серы).

Подвод СОЖ в зону резания при точении обыч­но производят сверху, а в ряде случаев —снизу напорной струёй. Последнее применяют в основном при обработ­ке труднообрабатываемых жаропрочных сталей и других материа­лов. При этом стойкость резца увеличивается в 5—7раз по срав­нению с обычным методом охлаждения. Применяют также охлаждение распы­ленной жидкостью, увеличивающей стойкость резца в 2-3раза.

При определении оптимального режима резания(учитывая режущие свойства материала инструмента, мощность станка, жесткость детали и всей системы СПИД (станок-приспособление-инструмент-деталь), вначале выбирают глубину резанияt, стремясь весь припуск снять за один проход. Затем выбирают подачуS исходя из требований к точности и шероховатости обработанной поверхности. После этого определяют скорость резания, допускаемую заданной стойкостью резца, по формуле

где С_v —коэффициент, характеризующий условия обработки (оп­ределяется по таблицам);k_v—общий поправочный коэффициент, учитывающий измененные условия резания в сравнении с теми, для которых даны значенияСv, x_v, y_v, приведенных в справочниках, m-показатель относительной стойкости инструмента при­веден выше;x_vиy_v - показатели степеней для различных условий обработки (определяются по таб­лицам).

Определив скорость резания, находят частоту вращения шпинделя по известной зависимости. Если станок такой частоты не имеет, то берут ближайшую меньшую.

Такой порядок определения оптимального режима резания объясняется тем, что глубина резания оказывает наименьшее влияние на процесс резания, а скорость резания, наоборот, оказывает наибольшее влияние. Поэтому, если мощность резания оказалась больше мощности станка, то уменьшение режима резания начинают с элемента, оказывающего наибольшее значение, т.е. со скорости резания.