Факторы, влияющие на режимы резания.
Тепловые явления.
В зоне резания вследствие превращения механической энергии в тепловую, возникает значительная температура, достигающая 1000°C и выше. При этом температура на различных участках контакта неодинакова. Максимальная температура возникает на некотором расстоянии от режущей кромки, а затем по мере удаления от нее уменьшается. Температура оказывает существенное влияние на свойства, обрабатываемого и инструментального материала. Теплообразование отрицательно влияет на процесс обработки. Обработка должна производиться без перегрева режущего инструмента. Так для работы инструмента из углеродистой стали температура в зоне резания не должна превышать 200-250оС, из быстрорежущей стали 550-600оС, инструментом, оснащенным твердыми сплавами – 800-1000оС, а минералокерамикой – 1000-1200оС; абразивными материалами – 1800-2000оС. Нагрев инструмента выше указанных температур вызывает структурные превращения в материале, из которого инструмент изготовлен, снижение его твердости и потерю его режущих способностей. Также происходит изменение геометрических размеров инструмента, что влияет на точность размеров и геометрическую форму обработанных поверхностей. Нагрев заготовки вызывает изменение ее геометрических размеров. Вследствие жесткого закрепления заготовки на станке она начинает деформироваться. А это приведет к снижению точности обработки. Проблема теплоотвода может быть решена подводом смазочно-охлаждающего технического средства (СОТС) в зону резания. СОТС приникает на контактные поверхности и образует на них смазочные пленки, которые уменьшают трение. В итоге уменьшается температура, снижаются напряжения, устраняются налипы, наросты и адгезия. Все это повышает стойкость инструмента, снижает шероховатость поверхности, повышает точность обработки. Охлаждающие свойства СОТС состоят в том, что их температура ниже температуры в зоне резания. Частицы СОТС вступают в контакт с более нагретыми металлами инструмента и заготовки, отбирают от них тепло и уносят его из зоны резания. Температура в зоне резания понижается, а вследствие этого снимаются температурные деформации, повышается точность обработки, увеличивается стойкость инструмента. Также частицы СОТС вымывают из зоны контакта разрушенные частицы материала и инструмента, что облегчает процесс резания. Моющее свойство характерно для жидких сред – СОЖ.
Стружкообразование.
При обработке металла резанием необходимо не только получить деталь определенной формы, размера и требуемого качества обработанной поверхности, но и обеспечить образование короткой, легко устранимой стружки. Это особенно важно при высоких режимах обработки, когда в единицу времени образуется большой объем стружки и необходимо обеспечить безостановочную работу оборудования и безопасность оператора. Резание металлов является во многом наукой отделения стружки от заготовки, причем стружка должна быть требуемой формы и размера. Эффективный процесс резания гарантирует безопасность операции, беспрепятственное удаление стружки из зоны резания, качество обработанной детали, стойкость инструмента, отсутствие непредусмотренных остановок процесса обработки.
Стружка образуется в результате пластической деформации. В зависимости от обрабатываемого материала и условий обработки стружка может быть различной. При обработке пластичных материалов (сталь, медь, алюминиевые сплавы) образуются стружки трех типов: элементная, ступенчатая (суставчатая) и сливная, а при обработке малопластичных (чугун, бронза) — стружка надлома.
Элементная стружка получается при обработке твердых и маловязких материалов с малой скоростью резания. Стружка состоит из отдельных элементов приблизительно одинаковой формы, слабо связанных или совсем не связанных между собой. Граница, отделяющая образовавшийся элемент стружки от срезаемого слоя, называется поверхностью скалывания. Физически она представляет собой поверхность, по которой в процессе резания периодически происходит разрушение срезаемого слоя.
Основным признаком сливной стружки является ее сплошность (непрерывность). Если на пути движения сливной стружки нет никаких препятствий, то она сходит непрерывной лентой, завиваясь в плоскую или винтовую спираль. Поверхность стружки, прилегающая к передней поверхности режущей части инструмента, сравнительно гладкая, а при высоких скоростях резания отполирована. Ее противоположная поверхность покрыта мелкими зазубринками и при высоких скоростях резания имеет бархатный вид.
Стружка надлома состоит из отдельных, не связанных друг с другом кусочков материала различной формы и размеров. Получается она при обработке малопластичных материалов (твердый чугун и бронзы). Образованию стружки надлома сопутствует мелкая пыль. Опережающая трещина при образовании стружки надлома распространяется сразу вдоль всей массы материала. Обработанная поверхность при образовании такой стружки получается шероховатой, с большими впадинами и выступами.
Наиболее сложное влияние на тип стружки оказывает скорость резания. При обработке большинства конструкционных сталей (углеродистых, легированных) по мере увеличения скорости резания, за исключением зоны скорости резания, при которой образуется нарост, стружка из элементной становится суставчатой, а затем сливной.
Вид стружки влияет на многие показатели и условия работы. Так, например, сливная стружка хотя и характеризуется плавным протеканием процесса, но может навиваться на деталь или инструмент, что ведет к поломке инструмента, ухудшает качества поверхностного слоя и в итоге приводит к остановке процесса. Поэтому актуальным является отвод или дробление стружки.
Трение.
Трение при обработке резанием имеет свои специфические особенности, которые в основном сводятся к следующим:
- возникают различные виды трения (граничное и жидкостное встречаются редко);
- особую роль играет чистое трение, приводящее к интенсивному разрушению режущего клина;
- взаимное соприкосновение трущихся поверхностей заготовки и режущего инструмента происходит только один раз и носит сложный характер;
- трение происходит при очень больших давлениях, высоких температурах, доходящих до температур плавления, и значительных истинных площадях контакта.
- величина среднего коэффициента трения в основном зависит от скорости резания, толщины среза и величины переднего угла режущего клина;
- жесткий режим трения, приводящий к появлению наростов и интенсивному разрушению поверхностных слоев режущего клина.
При резании возникают внешнее и внутреннее трение. Внешнее трение – это трение между стружкой и инструментом, а также между обрабатываемым металлом и задней поверхностью резца. Внутреннее трение – трение, возникающее в стружке, где одни элементы стружки перемещаются относительно других. В ряде случаев на передней поверхности резца возникает нарост или налип. Нарост предотвращает прямое воздействие стружки на режущую кромку. Принято считать, что при чистовой обработке резание с наростом недопустимо. Для уменьшения нароста применяют СОТС, используют материалы с высокими адгезионными свойствами по отношению к обрабатываемому материалу, осуществляют терморезание – резание с дополнительным подогревом.
Упрочнение (наклеп).
При резании металлов поверхностный слой обрабатываемой поверхности имеет твердость более высокую по сравнению с исходной твердостью. Увеличение твердости называется упрочнением или наклепом.
Повышенная твердость оказывает положительное влияние на износостойкость детали, работающей на трение, однако повышенная твердость на промежуточных операциях в большинстве случаев отрицательно сказывается на износостойкости режущего материала. Повышенная твердость охрупчивает обрабатываемый материал и это положительно сказывается на процессе резания.
В процессе резания деформации подвергается не только срезаемый металл, но и наружный слой поверхности на некоторой глубине h. Дело в том, что режущая кромка любого инструмента в действительности не так остра, как это кажется невооруженному глазу. Под микроскопом на ней видны зазубрины и некоторый радиус закругления ρ. Даже у тщательно заточенного инструмента ρ = 0,01-:- 0,03 мм. Такое закругление режущей кромки препятствует ее врезанию в срезаемый слой. В результате некоторая часть металла подминается закруглением, вызывая пластические деформации в поверхностном слое обрабатываемой заготовки. Вот почему твердость наружного слоя обработанной заготовки (детали) иногда намного выше твердости нижележащих слоев: при обработке алюминия на 90-100%, латуни на 60-70%, мягкой стали на 40-50%. Наклепанный слой имеет разную глубину при различных способах обработки. Так, при обычных условиях обработки заготовок из стали средней твердости глубина наклепанного слоя получается при черновой обработке резцом 0,4-0,5 мм, при чистовой - только 0,04-0,06 мм, а при полировании - 0,02-0,04 мм.
На глубину наклепа значительное влияние оказывают условия работы и режим резания. Она уменьшается с увеличением скорости резания и растет с увеличением толщины среза. Затупленный резец дает в 2-3 раза большую глубину наклепа, чем острый, так как тупой резец труднее внедряется в срезаемый слой.
Наростообразование.
В процессе стружкообразования при резании пластических металлов может появиться «застойная» зона металла. Она появляется в тех случаях, когда передняя поверхность инструмента, давящая на срезаемый слой, не закруглена по достаточно малому радиусу и стружка не может достаточно быстро скользить по ней.
Силы трения между передней поверхностью инструмента и частицами срезаемого слоя становятся больше сил внутреннего сцепления в стружке. Вследствие этого образуется застойная зона частиц металла срезаемого слоя, находящаяся под воздействием почти равномерного всестороннего сжатия, и при наличии определенных температурных условий она приваривается к передней поверхности резца. В зависимости от условий деформации, пластичности обрабатываемого металла, величины угла действия силы и скорости резания изменяются.
Нарост находится под воздействием силы трения, сил сжатия и силы растяжения.
При наличии нароста изменяется форма передней поверхности инструмента, изменяется состояние трущихся поверхностей и угол резания. Нарост уменьшает нагревание лезвия, удаляет от него центр давления стружки на резец, защищает резец от износа. По своей структуре нарост отличается как от структуры стружки и обрабатываемого металла, так и от структуры металла режущего инструмента. Благодаря большей твердости, чем твердость обрабатываемого металла, нарост производит его деформирование, и поэтому при грубой (обдирочной) работе он не считается вредным.
В связи с тем, что нарост ухудшает чистоту обработанной поверхности, увеличивая ее неровности, появление его считается вредным при чистовой обработке. Максимальная высота нароста образуется при скоростях резания от 10 до 20 м/мин. Дальнейшее повышение скорости резания приводит к уменьшению нароста, а при скорости резания 80 м/мин и выше, как и при скорости резания менее 5 м/мин, нарост не образуется.
Во избежание появления нароста рекомендуется изменять геометрию режущего инструмента, делать тщательную доводку передней поверхности его, применять смазывающе-охлаждающую жидкость и работать на высоких скоростях.
Вибрации.
При определенных условиях процесс резания теряет устойчивость. Потеря устойчивости технологической системы характеризуется возникновением вибраций - вредных периодических колебательных движений. Колебания инструмента относительно заготовки (или, наоборот, заготовки относительно инструмента) вызывают периодическое изменение толщины срезаемого слоя и сил резания, изменение величины и характера нагрузок на станок, возрастающих в несколько раз по сравнению с устойчивым резанием. При вибрациях возникает шум, утомляющий рабочих, ухудшается качество обработанной поверхности. Стойкость инструмента, особенно твердосплавного и минералокерамического, значительно снижается. Знакопеременные динамические нагрузки снижают долговечность станка. При возникновении вибраций приходится уменьшать режимы резания, вследствие чего снижается производительность и полностью не используется мощность станка.
Возникновение вибраций при обработке резанием характеризуется возмущающими силами и свойствами упругой системы; соотношение между этими параметрами определяет как возможность возникновения вибраций, так и их интенсивность, т.е. амплитуду и частоту.
Колебания (вибрации) при резании бывают, как правило, двух типов: вынужденные, когда причиной колебаний является периодически действующая возмущающая сила, и автоколебания, совершающиеся без воздействия внешней периодической возмущающей силы (колебания, самовозбуждающиеся в процессе стружкообразования).
Вынужденные колебания возникают вследствие наличия в технологической системе внешней периодической силы, вызывающей колебательный процесс с частотой, равной частоте возмущающей силы. Эти силы могут быть разделены на две группы:
переменные силы, обусловленные процессом резания, возникающие при снятии неравномерного припуска, прерывистом характере резания и т.п.;
переменные силы, возникающие в системе вне зоны резания. К этой группе относятся колебания, вызванные дефектами механизмов станка: перекосом осей, погрешностями зубчатых или клиноременных передач, повышенными люфтами и т.п.; дисбалансом его отдельных вращающихся частей: заготовок, приспособлений, инструментов и т.п., а также колебаниями, передаваемыми на станок от других работающих машин.
Способы борьбы с вынужденными вибрациями хорошо известны - необходимо устранить действие периодической возмущающей силы.
Это достигается балансировкой инструмента (шлифовальных кругов, фрез, резьбовых головок) и заготовок, виброизоляцией фундаментов станков и т.д. Значительно более сложной задачей является гашение вибраций, имеющих автоколебательный характер.
Автоколебания - процесс, при котором переменная сила, поддерживающая колебательное движение, создается и управляется самим движением и при прекращении этого движения исчезает. Автоколебания характеризуются тем, что они возникают и поддерживаются источниками энергии, не обладающими колебательными свойствами. Частота автоколебаний почти не зависит от режимов резания, а определяется, главным образом, жесткостью системы и величиной колеблющихся масс.
Интенсивность вибраций при резании металлов, характеризуемая высотой вибрационных волн, зависит от многочисленных факторов: элементов режима резания, геометрических параметров инструмента, жесткости системы СПИД, демпфирующей способности обрабатываемого материала и материала инструмента. Интенсивность вибраций растет с увеличением ширины и уменьшением толщины срезаемого слоя. Существует "критическая зона" скоростей резания, в пределах которой усиливаются автоколебания. Ширина "критической зоны" зависит от жесткости системы, параметров срезаемого слоя, геометрии инструмента и свойств обрабатываемого материала.
При точении правильный выбор геометрии инструмента, особенно главного угла в плане (до 90) позволяет уменьшить ширину срезаемого слоя в несколько раз без возникновения вибраций. Поэтому выбор геометрических параметров инструмента: углов в плане, переднего, заднего и радиуса при вершине следует вести не только в зависимости от физико-механических свойств обрабатываемого материала, но также и в зависимости от жесткости технологической системы.
Повышение демпфирующей способности технологической системы. Увеличить демпфирующую способность узлов колебательной системы можно различными путями: применением демпфирующих прокладок, изготовлением корпусов инструментов из материалов с большим декрементом затухания: из чугуна или композиционных материалов, введением в колебательную систему специальных демпфирующих устройств - виброгасителей. К таким устройствам относятся виброгасители, основанные на внешнем трении твердых тел (фрикционные виброгасители) и виброгасители, действие которых основано на сопротивлении и вязком трении жидкости (гидравлические виброгасители).
Повышение жесткости колебательной системы. При увеличении жесткости повышается собственная частота колебаний системы и поэтому снижается вероятность возникновения вибраций, так как с ростом, фактически, линейно увеличивается и работа затухания системы. Жесткость системы может быть повышена применением специальных инструментов и приспособлений для их крепления, а также уменьшением биения шпинделя и люфтов суппорта.
Уменьшение масс колебательных систем. Уменьшение масс колебательных систем, особенно массы детали, повышает собственную частоту и снижает интенсивность вибраций. Этого можно достигнуть при работе с менее массивными (но достаточно жесткими) патронами, при минимальных вылетах пиноли и инструмента и т.п.
Динамические виброгасители и виброгасители ударного действия. Динамический виброгаситель выполняется в виде небольшой массы, упруго укрепляемой на колеблющееся звено. Эта масса имеет частоту собственных колебаний, равную частоте колебаний системы. Работа динамического виброгасителя основана на том, что масса колеблется в противофазе, т.е. фаза ее отличается от фазы колебаний вибрирующего звена. В результате этого возникает сила, равная, но противоположно направленная силе, возбуждающей колебания.
В виброгасителях ударного действия основным элементом является достаточно большая масса, помещенная с зазорами в корпусе инструмента. При ударах массы о вибрирующую часть системы энергия колебаний рассеивается и поэтому интенсивность вибраций уменьшается. Такие виброгасители наиболее эффективны при чистовой обработке.
Ультразвуковой способ демпфирования вибраций, основанный на сообщении режущему инструменту тангенциальных ультразвуковых колебаний малой амплитуды целесообразно применять в условиях очень малой жесткости технологической системы.
Износ инструмента.
Вследствие сложности процессов трения в контактных зонах инструмента и в результате действия чрезвычайно высоких механических и термических нагрузок происходит быстрый износ инструмента. Можно привести следующие основные причины, вызывающие интенсивное изнашивание:
повреждение режущей кромки, происходящее вследствие механических и термических перенапряжений;
адгезия (срез на местах схватывания под нагрузкой);
диффузия и механическое изнашивание;
тепловое изнашивание (угорание металла).
Эти процессы в сильной степени накладываются один на другой и могут лишь частично рассматриваться самостоятельно с точки зрения как причин, их вызывающих, так и проявления процесса. Различают следующие причины изнашивания резца:
Повреждение режущей кромки. Повреждения режущей кромки, такие, как сколы, продольные и поперечные трещины или пластические деформации, наступают при механических или термических перегрузках.
Сколы. Большие силы резания вызывают сколы на режущей кромке или на вершине резца в том случае, когда либо угол клина или угол при вершине инструмента слишком малы, либо используется слишком хрупкий режущий материал. При таких повреждениях положение плоскостей скола определяется направлением силы резания. Сколы могут быть вызваны также прерывистым резанием, прежде всего при обработке вязких материалов, когда образуется налипающая на режущем клине стружка. Небольшие сколы появляются тогда, когда заготовки имеют твердые неметаллические включения, возникающие при дезоксидации стали. К перенапряжениям такого рода очень чувствительны износостойкие сорта твердых сплавов, особенно, если инструмент из этих материалов работает при относительно малом поперечном сечении стружки (развертывание, шабрение).
Поперечные трещины. При прерывистом резании (например, при фрезеровании) на режущую кромку действуют изменяющиеся нагрузки, что может привести к сколам. Кратковременные изменения силы резания приводят к появлению поперечных трещин, характерных для фрезерования. Быстроменяющиеся нагрузки в процессах, для которых характерна суставчатая стружка, могут также при превышении критического количества циклов нагружения привести к образованию поперечных трещин.
Продольные трещины. Термические напряжения при прерывистом резании вызывают повреждение режущей кромки инструмента, при котором краткосрочные изменения температуры приводят к образованию продольных трещин. Характер продольных трещин совпадает с линиями изотерм температурного поля в режущем клине. При фрезеровании режущая кромка нагревается до высокой температуры, а потом остывает на воздухе. Напряжения растяжения в поверхностных слоях могут превысить предел текучести, который для нагретого инструмента меньше, чем для холодного, что приводит к пластическим деформациям. Пластические деформации возможны в инструментальных сталях при несквозной закалке и в твердых сплавах с высоким содержанием связок, или когда температура режущей кромки вырастает настолько, что материал режущей части размягчается.
Механическое изнашивание. Изнашиванием называется отрыв частиц режущего материала, которые уносятся под влиянием внешних сил. Причиной изнашивания могут служить твердые включения в материале, такие, как карбиды и оксиды.
Адгезия. Изнашивание посредством сваривания под давлением возникает вследствие того, что под влиянием свободных силовых полей при достаточно сближенных свободных от оксидов поверхностях происходит их сваривание. Прочность сварных мест тем выше, чем больше деформация. Во время стружкообразования те слои материала, которые образуют граничный слой между передней поверхностью инструмента и стружкой сразу после ее отделения пластически сильно деформированы. Поэтому материал стружки и особенно ее, вновь возникшие, поверхности вследствие их нагрева, деформирования и свежих разрывов находятся в активном состоянии. Повышенный износ, обусловленный таким схватыванием (свариванием), наблюдается при большой шероховатости поверхностей инструмента, прерывистом контакте между заготовкой и инструмента, а также при прерывании схода материала по рабочим поверхностям инструмента. Такой вид изнашивания характерен для низких скоростей резания и интенсивном наростообразовании. Многочисленные эксперименты показали, что износ по задней грани с увеличением скорости резания растет не непрерывно, а имеет, по крайней мере, два экстремальных значения. Сначала износ достигает максимума на скорости, при которой нарост достигает наибольшего значения. Уменьшение величины износа, наступающее на скорости, при которой нарост исчезает, связано с увеличением температуры в зоне контакта инструмент-стружка-деталь и, связанных с этим, повышением пластичности контактных слоев обрабатываемого материала и снижением сил трения, действующих на поверхности инструмента.
Диффузия. Твердосплавные инструменты, обладающие повышенной склонностью к тепловому изнашиванию и работающие при высоких скоростях резания, подвергаются диффузионному изнашиванию. Инструментальные и быстрорежущие стали размягчаются при температуре, когда диффузия едва ли может проявляться (например, около 6000С для быстрорежущей стали). Для подавления диффузионной реакции в твердые сплавы включают малочувствительные к такой реакции компоненты (например, карбид титана).
Тепловое изнашивание. При визуальном наблюдении инструмента после процесса резания вблизи контактной зоны можно заметить цвета побежалости, что свидетельствует о тепловом изнашивании (процессе оксидирования режущего материала). Тепловое изнашивание изменяется в зависимости от легирующих присадок режущего материала и температуры резания. Твердый сплав начинает терять свои режущие свойства уже при температурах 700-8000С, причем, твердые сплавы из карбида вольфрама и кобальта (группы WC+Co) окисляются сильнее, чем такие же, но с присадками карбида титана или других карбидов (TiC+WC+Co, TaC+TiC+WC+Co). Для инструментальных и быстрорежущих сталей тепловое изнашивание можно не учитывать, так как их теплостойкость меньше температуры, при которой начинается сильное оксидирование поверхности.
Стойкость инструмента.
Период стойкости Т - это время (в мин.), в течение которого инструмент может производить резание, т.е. время от начала работы инструмента до прихода его в состояние невозможности дальнейшего использования, которое определяется по заданному критерию стойкости или для неперетачиваемых инструментов - до их замены. Обычно принимают Т = 45…60 мин.
В зависимости от способа обработки для оценки стойкостных возможностей инструмента используются и другие показатели стойкости: путь резания, проходимый инструментом по обрабатываемой поверхности; число деталей, обработанных за период стойкости; площадь обработанной поверхности или объем стружки, полученные за тот же период.
Путь за период стойкости - это путь, который инструмент или режущая кромка могут пройти до достижения выбранного критерия стойкости (например, для оценки стойкости сверл). В отношении движений необходимо различать путь за период стойкости в направлении действительного движения резания и движения подачи.
Стойкость можно определить числом обработанных заготовок или рабочих операций, после выполнения которых инструмент или его режущая кромка достигают выбранного критерия стойкости.
Обычно период стойкости устанавливается: по справочной литературе; принудительно, как правило, в зависимости от цикла обработки или с целью повышения производительности (например, подачи); экспериментальным путем.
Экспериментальное определение периода стойкости. В этом случае в течение долгого времени проводятся эксперименты по определению точных значений периодов стойкости для наиболее часто встречающихся условий резания. В связи с большим расходом материалов и затратами времени эти эксперименты проводят преимущественно для условий массового производства. Результаты исследований служат основой для определения оптимальных условий резания.
Ограниченные эксперименты проводят для определения относительных исходных значений обрабатываемости материалов, при обеспечении возможности их минимального расхода и уменьшения затрат времени. Характеристика таких опытов не позволяет сделать прямых заключений относительно периода стойкости инструмента. Их используют, как исходные контрольные значения для обрабатываемых и обрабатывающих материалов, а также для проверки обрабатываемости.
Определение стойкости по температуре. Опыты по температурному определению периода стойкости инструмента служат для установления времени, в течение которого инструмент в состоянии проводить работу резания при определенных условиях. Характеристикой температурного периода стойкости является потеря кромкой режущей способности, т.е. ее переход в состояние, когда существует чистое трение.
Определение периода стойкости по износу. Такие эксперименты проводятся в тех случаях, когда к потере режущей способности инструмента приводит не изменение температуры резания, а, в первую очередь, износ инструмента. Инструменты из твердых сплавов и быстрорежущих сталей, работающие при высоких скоростях резания в большинстве случаев имеют одинаковый износ по передней и задней граням, который ограничивает период стойкости инструмента. В опытах по определению периода стойкости токарного инструмента по его износу при продольном точении с постоянной скоростью резания предусмотрено измерение износа на задней и передней поверхностях инструмента через различные промежутки времени. В общем случае достаточно определить ширину площадки износа на задней грани, глубину лунки и расстояние от середины лунки износа до режущей кромки. При этом в зависимости от продолжительности резания для четырех различных скоростей резания (с заданной разностью между ними) определяют увеличения ширины площадки износа, а также изменения положения середины лунки.