3.2. Наростообразование при резании материалов

При образовании сливной стружки обрабатываемый материал часто задерживается на передней поверхности инструмента непосредственно около главного режущего лезвия. Это наслоение имеет в сечении треугольную форму и называется наростом (рис.3.2).

Z-Z – плоскость резания;

Z_H-Z_H – плоскость нароста;

δ_Н – угол резания при наличии нароста;

R_H – радиус обработанной поверхности при наросте.

Рис.3.2. Нарост.

Наиболее вероятной причиной его появления можно считать торможение и схватывание тонких контактных слоев стружки на шероховатой передней поверхности зуба инструмента. Слои наращиваются друг на друга пока нарост не достигнет размеров максимально возможных при данных условиях обработки. Твердость нароста в 2,5-3,5 раза больше твердости исходного материала. Т.о. нарост как бы принимает на себя функции режущего клина. Однако он не стабилен. Достигнув так размеров нарост разрушается. Частично уносится стружкой и поверхностью детали. Частота срывов нароста достигает несколько сотен в минуту. Наросты могут образовываться при резании различных материалов стальными твердосплавными минералокерамическими и алмазными инструментами.

Влияние нароста на процесс резания:

1. Уменьшается угол резания δ, следовательно сопротивление резания и условия трения «+».

2. Увеличивается шероховатость обработанной поверхности «-».

3. В зоне устойчивого наростообразования передняя и задняя поверхности режущего клина инструмента защищаются от разрушения «+».

4. При наростообразовании не обеспечивается требуемая точность обработки деталей, разные R и R_н «-».

5. Для каждого материала характерен определенный диапазон скоростей резания, при которых размеры нароста максимальны.

6. Периодические срывы нароста приводят к возникновению вибрации, которая ухудшает качество обрабатываемой поверхности. Поэтому нарост не допустим при чистовой обработке «-».

Рис. 3.3. Зависимость высоты нароста от скорости резания: 0 – нарост отсутствует, I – нарост мал, II – интенсивное увеличение величины нароста, III- резкое уменьшение величины нароста, IV – уменьшение величины нароста.

3.3. Усадка стружки

Пластическая деформация при срезании слоя материала внешне проявляется в том, что толщина стружки а₁ становится больше толщины среза а, а ее длина l меньше длины пройденного инструмента l_o. Явление укорочения стружки по длине и увеличение по толщине называется усадкой стружки, которая характеризуется коэффициентом усадки

.

Обычно величина ξ = 1,5…4.

Коэффициент усадки стружки характеризует степень пластического деформирования. На усадку стружки влияют режимы резания, свойства обрабатываемых материалов и другие факторы. При увеличении угла γ и применении СОЖ усадка стружки обычно уменьшается.

Рис. 3.4. Схема к определению усадки стружки.

3.4. Тепловые явления при резании.

Теплота является одним из основных факторов, влияющих на резание. Теплообразование оказывает двойное воздействие на резание: с одной стороны интенсивное тепловыделение облегчает деформирование материала срезаемого слоя и способствует образованию пограничного слоя на контактной поверхности стружки и заготовки. Вследствие этого уменьшается износ инструмента и повышается качество обрабатываемой поверхности. С другой стороны тепловое воздействие на режущие лезвия инструмента приводит к изменению структуры и физико-механических свойств материала (снижается твердость). Температура в зоне главной режущей кромки достигает 800-1000^оС. Это приводит к потере режущей способности инструмента и снижению точности обработки.

Тепловыми явлениями при резании необходимо управлять так, чтобы выделенная теплота облегчала резание и не снижала точности обработки и стойкости инструмента. Погрешности обработанной заготовки, возникающие вследствие тепловыделения необходимо учитывать при наладке станков. И для определения этих погрешностей необходимо знать температуру инструмента и заготовки в процессе резания.

Выделение теплоты при снятии стружки объясняется тем, что в теплоту переходит механическая работа, затрачиваемая на процесс резания. Эту работу можно выразить следующим образом:

, где

Р_z – тангенциальная составляющая силы резания (главная сила резания), H;

ℓ - путь, пройденный инструментом, м.

, где

V – скорость резания, м/мин.

Работа при резании материала расходуется на преодоление упругой деформации, возникающей в процессе резания (А_упр), на преодоление пластической деформации срезаемого слоя материала и обработанной поверхности (А_пл) и на преодоление сил трения.

А = А_упр + А_пл + А_тр

55%

Работа, затрачиваемая на преодоление сил трения составляет55% от общей работы резания. Работа, затрачиваемая на преодоление сил трения состоит из:

А_тр.п.п. + А_тр.р.з. + А_тр.о.з. = А_тр.

35% 10%

А_тр.п.п. – работа силы трения сходящей стружки о переднюю поверхность;

А_тр.р.з. – работа сил трения поверхности резания о главную заднюю поверхность резца;

А_тр.о.з. – работа сил трения обрабатываемой поверхности о вспомогательную заднюю поверхность резца.

Практически вся работа резания преобразуется в теплоту (более 99,5%), следовательно теплота может определяться как работа

Q = А = Р_zV.

При этом теплота в зоне резания выделяется следующим образом (рис.3.5).

Основными зонами возникновения теплоты являются:

• - зона плоскости скалывания;

• - зона трения срезаемого слоя о переднюю поверхность резца;

• - зона трения задних поверхностей резца об обработанную поверхность и поверхность резания.

Вся образовавшаяся теплота распределяется согласно уравнению теплового баланса следующим образом:

Q = Q_упр + Q_пл + Q_тр = Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ , где

Q₁ – теплота, уходящая со стружкой (например, при v=40-50 м/мин и обработке резцами конструкционных сталей Q₁≈60 – 70%);

Q₂ – теплота, уходящая в резец (3%);

Q₃ – теплота, поглощаемая деталью (35-25%);

Q₄ – теплота, уходящая в окружающую среду (1-2%).

На количество теплоты, выделяемой при резании и, соответственно, температуру резания влияют различные факторы:

-скорость резания;

-элементы срезаемого слоя а и b;

-физико-механические свойства обрабатываемого материала;

-параметры режущей части инструмента;

-условия охлаждения и СОЖ.

В общем случае температура в зоне резания

, где

С_Θ – постоянный коэффициент, зависящий от условий обработки;

X₀, Y₀, Z₀ – показатели степени, возрастающие приблизительно по геометрической прогрессии со знаменателем ряда, равным 2.

При точении, например, стали 40X эта зависимость имеет вид

, где

t – глубина резания;

S – подача;

V – скорость.

Как следует из формулы, в наибольшей мере температура в зоне резания зависит от скорости, а в наименьшей – от глубины резания. Для рациональной обработки (при наибольшей производительности и стойкости инструмента) необходимо принимать максимальные значения t и S, соответственно изменяя при этом скорость резания.

Рис.3.5. Зоны образования и распределения тепла.