2. Силы резания

В результате сопротивление металла деформированию возникают реактивные силы, действующие на резец. Эти силы обычно приводят к одной силе R– равнодействующей силе резания.

Условно считают, что точка приложения силы Rнаходится на рабочей части главного режущего лезвия резца. (Рис. 12).

Рис. 12. Разложение силы резания на составляющие.

Абсолютная величина, точка приложения и направление в пространстве равнодействующей силы резания Rв процессе обработки являются переменными.

Это объясняется неоднородностью структуры и переменной поверхностной твёрдостью материала заготовки, непостоянством сечения срезаемого слоя (наличие штамповочных и литейных уклонов, галтелей и т. д.), изменением углов ив процессе резания и т.д. Поэтому для практических расчётов используют не равнодействующую силу резания, а её составляющие, действующие по трём взаимно перпендикулярным направлениям: координатным осям металлорежущего станка. Такими осями для токарно-винторезного станка являются: осьX- линия центров станка, осьY- линия, перпендикулярная к линии центров станка, осьZ- линия, перпендикулярная к плоскостиX–Y(Рис.12).

Вертикальная составляющая силы резания P_z действуют в плоскости резания в направлении главного движения (по осиZ). По осиP_z определяют крутящий момент на шпинделе станка (заготовке), эффективную мощность резания, деформацию изгиба заготовки в плоскостиX-Z, изгибающий момент, действующий на стержень резца; по силеP_z ведут динамический расчет механизмов коробки скоростей станка.

Радиальная составляющая силы резания P_y действует в плоскостиX–Yперпендикулярно оси заготовки. По силеP_y определяют упругое отжатие резца от заготовки и деформацию изгиба заготовки в плоскостиX–Y.

Осевая составляющая силы резания P_x действует в плоскостиX–Yвдоль оси заготовки. По силеP_x рассчитывают механизмы подач станка и изгибающий момент, действующий на стержень резца.

По величине деформации заготовки от сил P_z иP_y рассчитывают ожидаемую точность размерной обработки заготовки и погрешность её геометрической формы. По величине суммарного изгибающего момента от силP_z и P_x рассчитывают стержень резца на прочность и т.д.

Величину и направление равнодействующей силы резания определяют как диагональ параллелепипеда, построенного на составляющих силах: R=

Силу P_z (в Н) определяют по эмпирической формуле, которая приводится в справочной литературе.

3. Нарост

В процессе работы на передней поверхности резца, у самой режущей кромки, образуется небольшой бугорок металла, прочно связанный с передней поверхностью. Такой бугорок металла, приварившийся к передней поверхности инструмента, называется наростом (Рис.13).

Рис. 13. Нарост при резании.

Нарост появляется при всех видах обработки деталей из стали, алюминия и других металлов. Твёрдость нароста 3 – 2 раза выше твёрдости обрабатываемого металла, из частиц которого он образован. Имея высокую твёрдость, нарост сам срезает стружку.

В зависимости от характера выполняемой операции нарост оказывает либо отрицательное, либо положительное влияние на процесс резания.

Отрицательное влияние нароста на процесс резания состоит в том, что его вершина, имеющая закруглённую форму, не может так чисто срезать металл, как это делает режущая кромка инструмента. Поэтому при образовании нароста на инструменте чистота обрабатываемой поверхности и точность обработки снижаются.

Положительное влияние нароста на процесс резания выражается в том, что с его появлением увеличивается передний угол. Иногда действительная величина переднего угла , образованного наростом, достигает 45. Поэтому с появлением нароста деформации обрабатываемого металла снижается и мощность, расходуемая на резание, уменьшается. Помимо этого, нарост прикрывает собой самую ответственную часть инструмента – режущую кромку предохраняя её от разрушительного действия стружки. Стружка сначала скользит по наросту и только в его конце опирается непосредственно на переднюю поверхность резца. Иногда вершина нароста сильно выдаётся за режущую кромку; в этом случае режет нарост, а режущая кромка не соприкасается с поверхностью резания и со стружкой.

Механизм образования нароста.Когда соприкасается два тела, то молекулы, расположенные на поверхности, действуют не только друг на друга, но и на молекулы соседней поверхности. Если эти поверхности достаточно тонкие, гладкие и не покрыты пленками каких-либо окислов, препятствующими взаимодействию молекул, то возникает заметная сила схватывания соединенных поверхностей. Так, например, если приложить друг к другу две очень хорошо отполированные плоские стеклянные пластины, то они слипаются и в таком состоянии могут удерживаться силой сцепления, достигающей 5-6 кгс/см(49-58Мн/м).

Особенно прочное схватывание металлических поверхностей возникает, когда отсутствуют пленки окислов на соприкасающихся поверхностях, имеется большая плотность контакта, при повышенных температурах и высоких давлениях.

При резания металлов давление стружки на переднюю, поверхность инструмента достигает несколько десятков тысяч атмосфер. Под влиянием такого давления пластичный металл стружки заполняет все неровности на передней поверхности инструмента, создаётся высокая плотность контакта стружки с передней поверхностью.

Поверхность стружки к моменту её соприкосновения с передней поверхностью ещё не успевает покрыться какими–либо плёнками окислов; окислы же, покрывающие переднюю, поверхность инструмента, мгновенно стираются движущейся стружкой. Под влиянием тепла, выделяющегося при резании, поверхности контакта стружки и инструмента нагреваются до высокой температуры.

Таким образом, при резании металлов имеются все условия, необходимые для прочного схватывания металла стружки с передней поверхностью инструмента. В результате этого схватывания возникает большая сила трения, превышающая при определённых условиях силу сцепления между частицами стружки. Под влияниям такой силы от стружки отделяются небольшие частицы металла; они прочно соединяются с передней поверхностью инструмента, образуя нарост.

Явление схватывания металлов, при котором частицы одной из поверхностей задерживаются на другой поверхности, обнаруживается очень часто, если имеется трение двух металлических чистых поверхностей. Нарост же на передней поверхности инструмента – это частый случай общего явления схватывания двух металлов при трении. Неустойчивость нароста.Образование нароста начинается с затормаживания на передней поверхности силой трения тонкого слоя металла обрабатываемой детали. Затем под влиянием внутренних сил трения, возникающих между частицами этого металла, на этот заторможенный слой наращиваются новые слои, и высота нароста увеличивается. Наращивание нароста происходит до тех пор, пока момент сил, сопротивляющихся внедрению нароста, не станет больше сил сцепления между частицами нароста. После этого вершина нароста скалывается, внедряется в обработанную поверхность и, таким образом, увеличивает её шероховатость. Основание нароста иногда сдвигается и удаляется вместе со стружкой. На месте сорванного нароста мгновенно образуется новый нарост, и весь цикл повторяется снова.

Наблюдения за данным явлением при помощи высокочастотной киносъёмки показывают, что срывы нароста происходят регулярно, причём частота срывов колеблется от 200 до 16000 в минуту, в зависимости от скорости резания, толщина среза и некоторых других факторов.

Влияние скорости резания на образование нароста. Практика показывает, что при очень низких скоростях резания нарост отсутствует. В результате действительный передний угол соответствует углу заточки, резание осуществляется непосредственно режущей кромкой инструмента, нижняя сторона стружки, соприкасающейся с передней поверхностью резца, имеет блестящий вид, обработанная поверхность получается чистой.

Нарост начинает появляться при скорости V=1-3 м/мин. По мере увеличения скорости резания высота нароста и образуемый им передний угол увеличивается. При скорости резанияV=15-40 м/мин и средней толщине срезаQ=0,2-1 мм высота нароста достигает своей максимальной величины. Действительный передний угол при этом составляет до 45. Если продолжать увеличивать скорость резания, то высота нароста и образуемый им действительный передний уголбудут уменьшаться. Изменяя скорость резания, всегда можно найти такую её величинуV, при которой нарост совершенно исчезает и в случае дальнейшего её увеличения уже не появится.

При низкой скорости резания температура в зоне резания мала, пластичность металла стружки, а, следовательно, и сила его схватывания с инструментом недостаточны, поэтому нарост на передней поверхности отсутствует. При высоких скоростях, наоборот, температура в зоне резания слишком высока, нарост сильно размягчается и смывается стружкой. (Рис.14)

Рис. 14. Зависимость высоты нароста от скорости резания.

Влияние толщины среза на образование нароста.Увеличение толщины среза сопровождается ростом объёма металла, деформируемого при резании, и увеличение ширины контакта стружки с передней поверхностью резца. Основание нароста при этом становится шире, и его высота увеличивается.

Одновременно с увеличением высоты нароста возрастание толщины среза даёт уменьшение величины критической скорости резания V, соответствующей исчезновению нароста.

Влияние свойств обрабатываемого металла на образование нароста. При резании деталей из твёрдых закалённых сталей нарост обычно совсем не появляется. При обработке деталей из пластичной стали, он может достигать значительной высоты; чем пластичнее обрабатываемая сталь, тем больше высота нароста, больше образуемый им передний уголи выше критическая скорость резанияV, соответствующая исчезновению нароста.

Меры борьбы с наростом.При черновых и предварительных работах, когда чистота обработанной поверхности не имеет значения, нужно использовать положительное влияние нароста на процесс резания. При чистовых работах следует создавать условия, при которых нарост не образуется. Для этой цели целесообразно применять следующие меры: увеличивать передний угол, повышать скорость резанияVза пределыV, применять хорошие смазывающие жидкости, тщательно доводить переднюю поверхность инструмента.