резание. Основы теории резания металлов
 Скачать 156.32 Kb.
|
|
Основы теории резания металлов 12.1. Вклад отечественной науки в исследование процессов резания металлов В начале XVIII в. русский механик и изобретатель А. К- Нартов создал самоходный суппорт для токарного станка и ряд других станков оригинальной конструкции. В середине XVIII в. гениальный русский ученый М. В.Ломоносов изобрел сферотокарный станок для обработки металлических зеркал, построил лоботокарные и шлифовальные станки. Основоположником учения о резании металлов является профессор И. А. Тиме, впервые сформулировавший основные законы резания. В 1870 г. был опубликован доклад И. А. Тиме «Сопротивление металлов и дерева резанию», где подробно описан процесс образования стружки и произведена ее классификация, дана формула расчета силы резания. Начало научного исследования микрогеометрии обработанной поверхности положено профессором В. Л. Чернышевым, при содействии которого в 1893 г. на Тульском оружейном заводе проводились измерения размеров и шероховатости обработанных поверхностей. В то же время профессор К. А. Зворыкин изложил оригинальную теорию процесса резания, впервые применил гидравлический динамометр для определения сил резания. В 1912 г. Я- Г. Усачев более подробно исследовал явления, происходящие при резании металлов. Его особой заслугой является применение металлографии для исследования процессов резания и разработка метода определения температуры рабочей части резца с помощью термопары. В настоящее время советские ученые и инженеры разработали и внедрили в производство процессы резания с большими скоростями и подачами, усовершенствованные конструкции режущего инструмента, обеспечивающие производительность и точность обработки деталей с высокой эффективностью. Важную роль в развитии теории резания металлов играет тесная связь науки с производством. Часто открытие или изобретение, сделанное рабочим, получает теоретическое обоснование, дальнейшее развитие и широкое распространение в промышленности. 12.2. Образование стружки и сопровождающие его явления Процесс резания (стружкообразова-ния) — сложный физический процесс, сопровождающийся большим тепловыделением, деформацией металла, изнашиванием режущего инструмента и наростообра-зованием на резце. Знание закономерностей процесса резания и сопровождающих его явлений позволяет рационально управлять этим процессом и обрабатывать детали более качественно, производительно и экономично. При резании различных материалов могут образовываться следующие основные виды стружек: сливные (непрерывные), скалывания (элементные) и надлома (12.1). Сливная стружка (12.1, а) образуется при резании вязких и мягких металлов (например, мягкой стали, латуни) с высокой скоростью. Чем больше скорость резания и вязкость обрабатываемого металла, а также меньше угол резания и толщина среза и выше качество смазочно-охлаждающей жидкости, тем стружка ближе к сливной. Стружка надлома (12.1. в) образуется при резании хрупких металлов, например бронзы, чугуна. Такая стружка состоит из отдельных, почти не связанных между собой элементов. Обработанная поверхность при образовании такой стружки получается шероховатой, с большими впадинами и выступами. В определенных условиях, например при обработке чугунов средней твердости, стружка надлома может получиться в виде колец. Сходство ее со сливной стружкой только внешнее, так как достаточно сжать такую стружку в руке и она легко разрушится на отдельные элементы. Стружка скалывания (12.1, б) занимает промежуточное положение между сливной стружкой и стружкой надлома и образуется при обработке некоторых сортов латуни и твердых сталей с большими подачами и относительно малыми скоростями резания. С изменением условий резания стружка скалывания может перейти в сливную, и наоборот. Под действием режущего инструмента срезаемый слой металла подвергается сжатию. Процессы сжатия (как и процессы растяжения) сопровождаются упругими и пластическими деформациями. Режущий инструмент деформирует не только срезаемый слой, но и поверхностный слой обрабатываемого материала. Глубина деформации поверхностного слоя зависит от различных факторов и может достигать от сотых долей до нескольких миллиметров. Под действием деформации поверхностный слой упрочняется, увеличивается его твердость и уменьшается пластичность, происходит так называемый н а-клеп обрабатываемой поверхности. Чем мягче и пластичнее обрабатываемый металл, тем большему наклепу он подвергается. Чугуны обладают значительно меньшей способностью к упрочнению, чем стали. Степень упрочнения и глубина наклепа увеличиваются с увеличением подачи и глубины резания и умень- шаются с увеличением скорости резания. Глубина наклепа примерно в 2—3 раза больше при работе затупленным режущим инструментом, чем при работе острозато-ченным. Смазочно-охлаждающие жидкости при резании уменьшают глубину и степень упрочнения поверхностного слоя. При некоторых условиях резания на переднюю поверхность режущей кромки налипает обрабатываемый металл, образуя нарост. Он имеет клиновидную форму, по твердости превышает в 2—3 раза твердость обрабатываемого металла. Являясь как бы продолжением резца, нарост (12.2) изменяет его геометрические параметры (6i<6); участвует в резании металла, влияет на результаты обработки, изнашивание резца и силы, действующие на резец. При обработке нарост периодически разрушается (скалывается) и вноаь образуется. Часть его уходит со стружкой, а часть остается вдавленной в обработанную поверхность. Отрыв частиц нароста происходит не равномерно по длине режущего лезвия, что приводит к мгновенному изменению глубины резания. Эти явления, повторяющиеся периодически, ухудшают качество обработанной поверхности, так как вся она оказывается усеянной неровностями. С увеличением пластичности обрабатываемого металла размеры нароста возрастают. При обработке хрупких металлов, например чугуна, нарост может и не образоваться. При обработке с у<5 м/мин нарост не образуется, наибольшая величина нароста соответствует u = 10-f-20 м/мин для инструмента из быстрорежущей стали и v > 90 м/мин для твердосплавного инструмента. Этот диапазон скоростей является неблагоприятным для чистовой обработки. При дальнейшем увеличении скорости резания в зависимости от прочности металла температура в зоне резания возрастает и нарост, размягчаясь, постепенно исчезает. Нарост увеличивается с увеличением подачи, поэтому для чистовой обработки рекомендуются подачи в пределах 0,1 — 0,2 мм/об. Глубина резания существенного влияния на размеры нароста не оказывает. Для уменьшения нароста рекомендуется уменьшать шероховатость передней поверхности режущего инструмента и по возможности увеличивать передний угол у (например, при у = 45° нарост почти не образуется), а также применять смазочно-охлаждающие жидкости. Образование нароста улучшает условия резания при выполнении черновой обработки. 12.3. Тепловые явления при резании металлов При резании металлов затрачивается работа на пластические и упругие деформации в срезаемом слое и в слое, прилегающем к обработанной поверхности и поверхности резания, а также на преодоление трения по передней и задней поверхностям резца. Работа, затрачиваемая на пластические деформации, составляет около 80 % всей работы резания, а работа трения — около 20 %. Примерно 85—90 % всей работы резания превращается в тепловую энергию, которая поглощается стружкой — 50—86 %, резцом — 10— 40%, обрабатываемой деталью — 3— 9 %, около 1 % теплоты излучается в окружающее пространство, Температура в зоне резания зависит от физико-механических свойств обрабатываемого материала, режимов резания, геометрических параметров режущего инструмента и применяемой смазочно-ох-лаждающей жидкости. При обработке стали выделяется больше теплоты, чем при обработке чугуна. Чем выше прочность и твердость обрабатываемого материала, тем выше температура в зоне контакта инструмента, которая при тяжелых условиях работы может достигать 1000— 1100"С. При увеличении подачи температура в зоне резания повышается, но менее интенсивно, чем при увеличении скорости резания. Еще меньше влияет на температуру глубина резания. С увеличением угла резания б и главного угла в плане ср температура в зоне резания возрастает, а с увеличением радиуса скругления резца г уменьшается. Применение смазочно-охлаждающей жидкости существенно уменьшает температуру в зоне резания. Температура в зоне резания оказывает непосредственное влияние на износостойкость инструмента, состояние обрабатываемого материала, качество обработанной поверхности и производительность резания. 12.4. Изнашивание режущих инструментов Изнашивание режущего инструмента при резании металлов значительно отличается от изнашивания деталей машин. Зона резания характеризуется высокой химической чистотой трущихся поверхностей, высокими температурой и давлением в зоне контакта. Механизм изнашивания инструмента при резании металлов очень сложен. Здесь имеют место абразивное, адгезионное и диффузионное изнашивания. Удельное влияние каждого из них зависит от свойств контактирующих материалов инструмента и детали, условий обработки (прежде всего от скорости резания). Абразивное изнашивание инструмента заключается во внедрении материала стружки в рабочую поверхность инструмента. При этом съем металла с рабочей поверхности инструмента происходит микроцарапанием. Адгезионное изнашивание инструмента происходит в результате схватывания или прилипания трущихся поверхностей и последующего отрыва мельчайших частиц материала инструмента. Результатом этого вида изнашивания, происходящего при температурах ниже 900 °С, являются кратеры на рабочих поверхностях инструмента, при слиянии которых образуются лунки. При этом действие адгезионного изнашивания усиливается в зоне низких и средних скоростей резания. Уменьшить адгезионное изнашивание можно повышением твердости инструмента. Диффузионное изнашивание инструмента происходит в результате взаимного растворения металла детали и материала инструмента. На активность процесса растворения оказывает влияние высокая температура (900—1200 °С) контактного слоя, возникающая при высокой скорости резания. Это приводит к изменению химического состава и физико-химических свойств поверхностных слоев инструмента, снижает его износостойкость. Поэтому диффузионное изнашивание можно рассматривать как разновидность химического изнашивания. Чем выше механические свойства обрабатываемого материала и содержание в нем углерода, хрома, вольфрама, титана, молибдена, тем интенсивнее изнашивание инструмента. Наибольшее влияние на интенсивность изнашивания оказывает скорость резания, меньшее — подача и глубина резания. Как правило, инструменты изнашиваются по задней и передней поверхности. За критерий изнашивания обычно принимают допустимый износ hi по задней поверхности инструмента (12.3, а — г). Например, для твердосплавных резцов при черновой обработке износ /г., составляет 1,0—1,4 мм для стали, 0,8—1,0 мм для чугуна, а при чистовой обработке 0,4— 0,6 мм для стали, 0,6—0,8 мм для чугуна. Преобладающее изнашивание задней поверхности обычно наблюдается при обработке сталей с малой толщиной среза (не более 0,15 мм) и низкими скоростями резания, а также при обработке чугуна. Объясняется это следующим: при малых толщинах среза радиус скругления режущей кромки соизмерим с толщиной среза; при тонкой стружке возрастает относительное значение упругой деформации поверхностного слоя; путь трения металла по задней поверхности больше, чем по передней поверхности из-за усадки стружки. Преобладающее изнашивание по передней поверхности наблюдается при большом удельном давлении и высокой температуре в зоне резания. Такие условия возникают при обработке стали без охлаждения с высокими скоростями резания и большими толщинами среза (более 0,5 мм). Изнашивание резцов по передней поверхности характеризуется образованием лунки, ширина и глубина которой непрерывно увеличиваются. При этом непрерывно уменьшается ширина перемычки между режущей кромкой и лункой, когда перемычка исчезает, образуется полный или катастрофический износ инструмента. На практике наблюдается одновременное изнашивание инструмента по задней и передней поверхности с увеличением радиуса скругления режущей кромки. Преобладание изнашивания по этим поверхностям зависит от режимов обработки детали. Износ сверл из быстрорежущей стали наблюдается по передней А,, и задней /г:, поверхностям, а также по ленточкам /г.., и уголкам Лу (12.4). При увеличенной длине перемычки и неправильной заточке сверла наблюдается износ по лезвию перемычки Износ по задней поверхности у периферийной части режущей кромки спиральных сверл является наиболее распространенным и возникает вследствие увеличения температуры в зоне резания. Износ перемычки сверла чаще возникает при сверлении твердых материалов или при высокой скорости резания. Износ по передней поверхности режущей части сверла редко служит критерием стойкости, но может иметь значительную величину при длительном сверлении глубоких отверстий с СОЖ-- Износ участка ленточки, примыкающего к режущей части сверла, зависит от деформаций, увода сверла и др. Допустимый износ зенкеров из инструментальной стали не должен превышать /i3 = 0,5-f- 1,2 мм при обработке стали, /гу = = 0,8-^-1,5 мм при обработке чугуна, а зенкеров, оснащенных твердым сплавом, /;3= 1,0-9- 1,6 мм при обработке незакаленных сталей и чугуна и /г, = 0,7 мм — закаленной стали. При чистовой обработке деталей за критерий оценки изнашивания инструмента принимают конструктивно-технологические требования к качеству деталей. Они предусматривают допустимый износ, при превышении которого точность получаемых размеров и шероховатость обработанной поверхности перестают удовлетворять заданным техническим требованиям. Так, технологическим критерием оценки изнашивания мерных инструментов для обработки отверстий (например, разверток) является износ инструмента по задней поверхности, при котором получаемое отверстие начинает выходить за пределы допуска на размер или не отвечает заданному качеству поверхности. Стойкость инструмента характеризуется его способностью без переточки возможно длительное время обрабатывать заготовки в соответствии с техническими требованиями. Стойкость определяется временем непосредственной работы (исключая время перерывов) инструмента от переточки до переточки на заданном режиме резания до наступления принятого критерия затупления. Это время называют периодом с т о й к о с т и или стойкостью инструмента, его обозначают буквой Т и измеряют в минутах. Скорость резания оказывает существенное влияние на стойкость инструмента. Возрастание скорости резания на 50 % снижает стойкость примерно на 75 %, в то же время аналогичное увеличение подачи — лишь на 60 %. Наоборот, снижение скорости резания на 30 % может в определенном интервале режимов обработки увеличить стойкость инструмента в 2,5 раза, а уменьшение подачи — всего в 1,4 раза. 12.5. Влияние смазочно-охлаждающей жидкости на процесс резания Смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ) благоприятно воздействуют на процесс резания металлов, значительно уменьшают износ режущего инструмента, повышают качество обработанной поверхности и снижают затраты энергии, а также препятствуют образованию нароста у режущей кромки инструмента и способствуют удалению стружки и абразивных частиц из зоны резания. При обработке чугуна и других хрупких материалов СОЖ. не применяют, так как эффект от их действия незначителен. При работе твердосплавным инструментом на высоких скоростях необходимо подавать обильную и непрерывную струю жидкости, так как при прерывистом охлаждении могут образоваться трещины в режущих пластинках из твердого сплава. Наиболее эффективны смазочно-охлаждающие жидкости при резании вязких, пластичных и сильно упрочняющихся при деформации металлов. При этом с увеличением толщины среза и скорости резания положительный эффект на стружкообразование от действия СОЖ уменьшается. СОЖ должны обладать высокими охлаждающими, смазывающими, антикоррозионными свойствами и быть безвредными для работающего. Все применяемые жидкости можно разбить на две основные группы — охлаждающие и смазочные. К первой группе относят водные растворы и эмульсии, обладающие большой теплоемкостью и теплопроводностью. Широко распространены водные эмульсии (цвета от молочно-белого до коричневого), в состав которых входят 2—20 % масла и 0,3—2 % мыла и поверхностно-активные вещества. Водные эмульсии применяют при обдирочных работах, когда к шероховатости поверхности не предъявляют высоких требований. Ко второй группе относят СОЖ, обладающие высокой маслянистостью; минеральные масла, керосин, а также растворы в масле или керосине поверхностно-активных веществ. Жидкости этой группы применяют при чистовых и отделочных работах. Применяют также осерненные масла, так называемые суль-фофрезолы, содержащие в качестве активированной добавки серу. 12.6. Жесткость и вибрации системы станок — приспособление — инструмент — деталь Возникающие при резании металла нагрузки воспринимаются инструментом и приспособлением для его крепления, а также деталью и приспособлением для ее установки и крепления. Возникающие нагрузки передаются через приспособления на узлы и механизмы станка. Образуется замкнутая технологическая система: станок — приспособление — инструмент — деталь. В процессе обработки сила резания не остается постоянной из-за изменения сечений срезаемой стружки, припуска на обработку, неравномерности механических свойств материала и распределения силы резания. Изменение силы резания вызывает затупление и износ режущего инструмента, наростообразование и ряд других факторов, влияющих на процесс резания. Под действием изменяющихся сил резания элементы системы станок — приспособление — инструмент — деталь деформируются, изменяя тем самым условия резания, трения и работы привода станка. Характер изменения условий обработки зависит от жесткости указанной системы, т. е. способности препятствовать перемещению ее элементов при воздействии на них нагрузок. Жесткость является одним из основных критериев работоспособности станка и его точности работы под нагрузкой. |