Резание. Резание материалов Лекции. Учебник для машиностр спец. М. Высш школа 1985 г. 304 с. Понятие о процессе формообразования
 Скачать 6.79 Mb.
|
Физические процессы при резании материалов стружкообразованиеВлияние переднего угла на характер образования стружки 1 – при малых скоростях резания (=4,5 м/мин); 2 – при средних скоростях резания (=25 м/мин); а) - =-50; б) - =100; в) - =250 Характеристики пластической деформации Характеристиками пластической деформации при резании являются коэффициент усадки стружки, угол сдвига и относительный сдвиг. В результате пластической деформации при резании металлов наблюдается усадка стружки, которая является внешним выражением этой деформации и до некоторой степени характеризует условия протекания процесса резания. Характеристики пластической деформации Коэффициент усадки стружки измеряется по отношению длины пути инструмента L (рис.) к длине стружки Lc либо по отношению толщины стружки ас к толщине среза а. Изменение ширины стружки bс по сравнению с шириной среза b незначительно, поэтому этим изменением обычно пренебрегают. Тогда: Коэффициент усадки дает возможность некоторой количественной оценки степени пластической деформации. Чем меньше усадка, тем с меньшими пластическими деформациями протекает процесс резания, тем, следовательно, более благоприятные условия для стружкообразования, меньший удельный расход мощности на обработку данной детали. Коэффициент усадки стружки позволяет качественно оценить разные условия резания с точки зрения действующих сил, энергонапряженности процесса, температуры. Коэффициент усадки стружки при резании пластичных материалов больше, чем при резании хрупких материалов. Характеристики пластической деформации С увеличением переднего угла инструмента, толщины среза и скорости резания коэффициент усадки стружки уменьшается, а от ширины среза он практически не зависит. При использовании СОЖ, снижающей трение между стружкой и инструментом, коэффициент усадки стружки уменьшается. Коэффициент усадки стружки позволяет определить величину скорости стружки по скорости резания: Т.е. скорость стружки меньше скорости резания и увеличивается с уменьшением коэффициента усадки стружки. При известном значении переднего угла и экспериментально установленном значении коэффициента усадки стружки можно определить значение угла сдвига β1 и относительный сдвиг ε: Наростообразование при резании При определенных условиях на передней поверхности режущего инструмента образуется нарост: частицы металла привариваются к передней поверхности, наслаиваются друг на друга, образуя относительно неподвижное клинообразное тело. Схематически процесс образования нароста можно представить следующим образом. В процессе резания на ювенильных (химически чистых) поверхностях инструмента и стружки при определенных температуре и давлении создаются условия для адгезионного схватывания (соединения) материалов стружки и инструмента. В результате сил адгезии (сил молекулярного прилипания) происходит прочное присоединение контактного слоя стружки к передней поверхности и образование заторможенного слоя, служащего фундаментом для нароста. Строение нароста Наростообразование при резании При скольжении стружки по заторможенному слою происходит аналогичное схватывание и образование следующего слоя нароста, увеличивается его высота. Вследствие большей шероховатости образовавшегося слоя, создаются благоприятные условия для проникновения кислорода в поверхностные слои материала, происходит образование окисных пленок. Окисные пленки уменьшают адгезию, поэтому каждый следующий нарощенный слой становится короче предыдущего и нарост приобретает клиновидную форму. Клиновидная форма и высокая твердость нароста приводят к тому, что нарост какое-то время выполняет функцию режущего клина, изменяя геометрию инструмента. Из-за того, что вершина нароста свешивается за режущую кромку инструмента, действительная толщина срезаемого слоя становится больше заданной на величину Δа. Влияние нароста на величину переднего угла, толщину среза и шероховатость поверхности резания Наростообразование при резании Высота нароста нестабильна, с течением времени происходят срывы отдельных слоев, которые можно наблюдать на прирезцовой стороне стружки и обработанной поверхности. Поэтому при чистовой обработке, когда необходимо получить высокое качество обработанной поверхности, нарост нежелателен. При черновых операциях нарост играет положительную роль, поскольку защищает режущую кромку от изнашивания, удаляет от режущей кромки центр давления стружки на резец, а также защищает режущую кромку от теплоты, возникающей при резании. В связи с этим в настоящее время проводятся исследования с целью создания специальных добавок в смазочно-охлаждающие жидкости с целью стабилизации на заданном уровне высоты и формы нароста. Корень стружки с разрушающимся наростом. образования стружки с поверхностью резания. А – часть вершины нароста на поверхности резания, Корни стружки с наростом, полученные при точении, стали 45. Скорость резания: а. — 13, б. —28 и в. — 55 м/мин. Наростообразование при резании Все обрабатываемые материалы можно разделить на две группы: склонные к наростообразованию и не склонные к наростообразованию. Материалы, склонные к наростообразованию: конструкционные, углеродистые и большинство легированных сталей. Материалы, не склонные к наростообразованию: закаленные стали, легированные стали с большим содержанием хрома и никеля. На размеры нароста влияют: обрабатываемый материал, режимы резания (скорость, подача), геометрия рабочей части резца (передний угол), СОЖ. Наиболее сложно влияет скорость резания (рис.). У материалов не склонных к наростообразованию (рис. , б) снижение коэффициента усадки стружки с увеличением скорости резания происходит монотонно. Наростообразование при резании Влияние скорости резания на коэффициент усадки стружки и силу резания: а – материал склонный к наростообразованию; б – материал не склонный к наростообразованию Фотографии проходного упорного резца со стороны главной задней поверхности (вверху ) и со стороны передней поверхности (внизу ), с наростом (слева ) и после его удаления (справа ). теплообразование В процессе резания металлов около 80 % механической работы затрачивается на пластическое и упругое деформирование срезаемого слоя и слоя, прилегающего к обработанной поверхности и поверхности резания, и около 20 % работы — на преодоление трения по передней и задней поверхностям инструмента. Примерно 85...90 % всей работы резания превращается в тепловую энергию, количество которой (в зоне резания) существенно влияет на износ и стойкость инструмента, на шероховатость обработанной поверхности. Количество тепла, образующегося при резании, определяется тремя источниками тепловыделения, соответствующим трем зонам, в которых совершается механическая работа (рис. ): теплообразование Тепло деформации Qд образуется в зоне сдвигов на условной плоскости сдвига; тепло трения Qmп на передней поверхности – в пределах площадки контакта между стружкой и инструментом шириной C; тепло трения Qmз на задней поверхности – в пределах площадки контакта между поверхностью резания и инструментом шириной C2. теплообразование Образовавшееся тепло распространяется из очагов теплообразования к более холодным областям, распределяясь между стружкой, деталью и инструментом. При этом устанавливаются следующие тепловые потоки (рис. ): в стружку, инструмент и деталь. теплообразование Часть тепла деформации Qдс от условной плоскости сдвига переходит в стружку. Из зоны трения на передней поверхности в стружку переходит часть тепла трения, равная Qmп − Qп , где Qп − тепло, уходящее в инструмент. В результате интенсивность теплового потока в стружку определяется: Часть тепла деформации Qд дет от условной плоскости сдвига переходит в деталь. Туда же из зоны трения на задней поверхности переходит часть тепла трения, равная Qmз − Qз , где Qз − тепло, уходящее в инструмент. В результате суммарный тепловой поток в деталь можно представить формулой Температурное поле режущего инструмента определяется тепловым потоком: теплообразование Расход тепла, образовавшегося при резании, можно выразить уравнением, называемым уравнением теплового баланса: где Qср − количество тепла, уходящего в окружающую среду. Поскольку образовавшееся тепло пропорционально совершаемой работе, Количество тепла в зоне резания зависит от физико-механических свойств обрабатываемого материала, режимов резания, геометрических параметров режущего инструмента и применяемой СОЖ (смазочно-охлаждающая жидкость). Теплообразование На процентное распределение тепла между стружкой, деталью и инструментом главное влияние оказывают теплофизические свойства обрабатываемого и инструментального материалов и скорость резания. В среднем при токарной обработке при обработке сталей быстрорежущим инструментом в стружку уходит 50-86% общего количества тепла, в инструмент – 40-10%, в обрабатываемую заготовку – 9-3% и в окружающую среду около 1%. При обработке сталей твердосплавным инструментом в стружку уходит до 71% тепла, в инструмент – 2%, в заготовку – 26%. Чем выше теплопроводность обрабатываемого материала, тем больше тепла переходит в стружку при одной и той же скорости резания. При обработке хрупких материалов количество тепла, отводимого в стружку и инструмент, меньше, чем при обработке пластичных материалов, что объясняется элементным характером стружки и отсутствием ее постоянного контакта с передней поверхностью. Малое количество тепла, отводимого в инструмент, объясняется более низкой теплопроводностью инструментального материала по сравнению с обрабатываемым материалом. Теплообразование Процентное распределение тепла коренным образом изменяется при увеличении скорости резания: количество тепла, уходящего в стружку, возрастает, а в деталь и инструмент – уменьшается (Рис. ). Увеличение доли тепла, отводимого в стружку, и уменьшение потока тепла в деталь, и особенно в инструмент с увеличением скорости вызвано изменением соотношения между скоростью резания и скоростью теплопередачи из зоны деформации. С увеличением скорости резания режущий инструмент все быстрее пересекает тепловой поток из зоны деформации, тепло не успевает переходить в деталь и большая его часть уносится со стружкой Теплообразование Увеличение скорости резания приводит к уменьшению площадки контакта инструмента со стружкой, поэтому доля тепла, переходящего в инструмент со стороны передней поверхности, уменьшается. Однако, несмотря на то, что доля тепла, уходящего в инструмент, очень мала, средняя температура на передней поверхности инструмента в несколько раз превосходит среднюю температуру стружки Температура резания Значения температуры в различных точках площадок контакта инструмента со стружкой и заготовкой неодинаковы. На передней поверхности максимальная температура соответствует точке С1 (рис. ), лежащей примерно на половине ширины площадки контакта (рис. ). На площадке контакта задней поверхности инструмента с поверхностью резания температура распределяется также неравномерно. Под температурой резания понимается средняя температура на поверхности контакта инструмента со стружкой. Теплообразование Влияние условий резания на температуру резания На температуру резания оказывают влияние различные факторы: обрабатываемый материал, элементы режима резания, геометрические параметры инструмента, СОЖ и характер их влияния очень сложен. Поэтому в инженерных расчетах пользуются эмпирическими зависимостями, полученными на основании измерений. Полное уравнение температуры резания в зависимости от элементов режима резания описывается выражением: При любых видах обработки величины показателей степени z, y, x неодинаковы: z > y > x . Неравенство означает, что на температуру резания наибольшее влияние оказывает скорость резания, затем подача (толщина среза) и наименьшее – глубина резания (ширина среза). Влияние условий резания на температуру резания Влияние скорости резания на температуру резания выражается экспоненциальной кривой, т.е. с увеличением скорости резания температура увеличивается, но интенсивность этого увеличения постепенно уменьшается. Влияние глубины резания и подачи на температуру резания проявляется через изменение сечения срезаемого слоя, а также активной части режущей кромки. С увеличением глубины резания (ширины среза в) прямо пропорционально растет сила резания, увеличиваются работа резания и количество выделившейся теплоты. Однако при этом пропорционально увеличивается и длина режущей кромки, т.е. улучшаются условия теплоотвода. С увеличением подачи (толщины среза а) сила резания увеличивается в меньшей степени, а увеличение выделившегося тепла не компенсируется увеличением площадки контакта. С увеличением подачи повышение температуры резания происходит примерно в 2 раза интенсивнее, чем при равнозначном увеличении глубины резания. Влияние свойств обрабатываемого материала на температуру резания выражается через их влияние на силы резания и на отвод образовавшегося тепла. С увеличением твердости, прочности и пластичности обрабатываемого материала температура резания увеличивается. Чем выше теплопроводность обрабатываемого материала, тем ниже температура резания. Стали с большим содержанием Cr, Ni, W, Mn, а также титановые сплавы отличаются низкой теплопроводностью, поэтому при их обработке температура резания очень высокая, в связи с чем приходится уменьшать скорость резания. Влияние геометрических параметров инструмента. С увеличением переднего угла инструмента уменьшается сила, а следовательно, и работа резания. Однако при этом ухудшаются условия теплоотвода, поскольку уменьшается угол заострения β, т.е. масса рабочей части инструмента. Поэтому существует некоторое оптимальное значение угла опт , при котором температура резания имеет минимальное значение (рис. , а). С уменьшением главного угла в плане φ увеличивается угол при вершине ε, что приводит к увеличению массы головки резца, улучшению теплоотвода и снижению температуры резания (рис. , б). При этом изменяется также форма сечения среза: увеличение ширины среза также положительно сказывается на условиях теплоотвода. а б В процессе резания резец преодолевает сопротивление обрабатываемого материала (силы упругого и пластического деформирования, силы трения). Суммарная равнодействующая всех сил, действующих на резец, обозначается R. Для удобства измерения и изучения силу R раскладывают на три взаимно перпендикулярных составляющих PZ, PY, РХ . - PZ - главную составляющую силы резания, действует на резец в направлении движения резания и является касательной к поверхности резания. Поэтому ее часто называют тангенциальной; - PY - радиальную составляющую, приложенную перпендикулярно оси заготовки. Эта сила отжимает резец от заготовки и изгибает заготовку; - РХ - осевую составляющую, действующую вдоль оси заготовки в сторону, противоположную движению подачи. Эту силу часто называют силой подачи. Равнодействующая R равна (корень квадратный из суммы квадратов): Наибольшей из этих сил является сила резания PZ. Соотношение между силами PZ, PX, PY зависит в основном от режимов резания и углов заточки резца. Например, при обработке конструкционных малоуглеродистых сталей резцом с углами=450 , = 00 , =150 и соотношении t/S > 10 можно пользоваться следующим приближенным соотношением: PZ : PХ : Py =1 : (0,4-0,5) : (0,25-0,3), в этом случае Главная составляющая PZ по величине мало отличается от равнодействующей силы R резания: R = (1,1 …1,5)PZ . Зависимость силы PZ от процесса резания в общем виде выражается следующей зависимостью: где Срz - постоянный коэффициент, зависящий от условий обработки и физико-механических свойств обрабатываемого материала; Xрz Yрz nрz - показатели степени, учитывающие влияние глубины резания, подачи и скорости резания на силу ; Kрz - общий поправочный коэффициент. Силы PY и РХ подсчитываются по аналогичным зависимостям. Где — Рz сила резания, действующая в направлении скорости резания, L — путь, проходимый режущим инструментом, м. В общей работе резания на долю деформации, трения по передней и задней поверхностям приходится соответственно 55, 35 и 10 %. Если знаем путь, пройденный инструментом в одну минуту, получим работу, выполненную за это время: В общем случае работа резания (в джоулях) Зная силы резания, можно также определить мощность (в киловаттах), необходимую для процесса резания. Ее называют эффективной, так как она не включает затраты по мощности на преодоление сил трения в механизмах станка Так как х , y малы по сравнению со скоростью резания, слагаемым при подсчете Npy, Npx , можно пренебречь Для стержневого инструмента Где — крутящий момент Н*м, n — частота вращения шпинделя об/мин. Основными факторами, влияющими на силу резания, являются: - физико- механические свойства обрабатываемого материала; -геометрия инструмента; элементы режима резания и многие другие. Влияние элементов режима резания и условий обработки на силы резания PZ, PX, PY, Увеличение глубины резания t и подачи S связано с увеличением площади поперечного сечения среза, что вызывает большее сопротивление обрабатываемого материала резанию и приводит к увеличению PZ, PX, PY. Увеличение t в большей степени влияет на рост сил резания, чем увеличение S т.к. увеличиваются активная длина режущей кромки, нормальное давление и силы трения по задней поверхности режущего клина. Влияние скорости резания на PZ, PX, PY опосредовано свойствами обрабатываемого материала. Чем больше предел прочности материала на растяжение и твердость HB, тем больше становятся все три компоненты силы резания. Если обрабатывается пластичный материал (например, сталь 40Х), дающий сливную стружку, то зависимость PZ, PX, PY, от скорости резания имеет сложный неоднозначный характер в различных интервалах скоростей При увеличении скорости резания от 5 до 20-25 м/мин степень пластической деформации и величины PZ, PX, PY, уменьшаются, т.к. растет наростна передней поверхности инструмента, который увеличивает фактический передний угол . Начиная со скорости 20-25 м/мин, высота нароста уменьшается, фактический передний угол уменьшается, что увеличивает степень пластической деформации и величины PZ, PX, PY. На скоростях резания 40-50 м/мин нарост почти исчезает, передний угол принимает свое номинальное значение, степень пластической деформации и величины PZ, PX, PY достигают максимума. При дальнейшем увеличении скорости резания степень пластической деформации и величины PZ, PX, PY, уменьшаются, т.к. растет температура резания, что уменьшает коэффициент трения между стружкой и режущим клином. При обработке хрупких материалов (например, серых чугунов), дающих элементную стружку (стружку надлома), зависимость коэффициента усадки стружки от скорости резания имеет вид плавной кривой во всех интервалах скоростей. Это объясняется отсутствием нароста при обработке хрупких и твердых материалов. С увеличением скорости резания степень пластической деформации уменьшается, что приводит к уменьшению величины сил резания. Аналогично выглядит эта зависимость для материалов, не склонных к наростообразованию: меди, жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов, титановых сплавов. Влияние геометрических параметров на силы резания PZ, PX, PY Уменьшение заднего угла увеличивает контакт задней поверхностирежущего клина с обрабатываемой деталью, что приводит к увеличению сил трения и величины PZ, PX, PY. Интенсивность влияния на силы резания невелика: увеличение от 2° до 12° увеличивает Pz на 6%, а Ру на 17%. Дальнейшее увеличение α на силы резания не влияет. С увеличением переднего угла уменьшается степень пластической деформации срезаемого слоя, что приводит к уменьшению величин PZ , PХ , PY. При уменьшении переднего угла силы резания PZ, PX, PY увеличиваются, так как резец тяжелее врезается в заготовку, больше становится деформация стружки. С увеличением угла изменяется соотношение Рy, Рx увеличение угла до 90 град приводи к увеличению силы Рx и уменьшению силы Рy. Увеличение главного угла в плане приводит к увеличению толщины срезаемого слоя (а =S*sin) и уменьшению степени его пластической деформации, что влечет за собой уменьшение величины Pz и Ру. Сила PY возрастает потому, что режущий клин отжимает от заготовки в направлении, перпендикулярном к главной режущей кромке (среднее значение угла в плане становится меньше). Наряду с этим, увеличение приводит к уменьшению ширины срезаемого слоя (а =t/sin), что влечет за собой увеличение силы PХ.. При увеличении износа резца увеличиваются все три компоненты силы резания: PX и PY возрастают потому, что больше становится длина криволинейного участка режущей кромки, а следовательно, больше деформации в срезаемом слое. Поскольку главная режущая кромка располагается под углом в плане к оси вращения заготовки, то возрастают две компоненты: PХ и PY. Тангенциальная сила PZ, кроме того, возрастает еще и потому, что увеличивается площадка контакта задней поверхности резца и трение о заготовку. Применение СОЖ уменьшает все три компоненты сил резания, так как уменьшаются силы трения. В процессе резания режущий инструмент подвергается воздействиям различных факторов и теряет свою работоспособность. Под работоспособностью режущего инструмента понимается такое его состояние, при котором он выполняет процесс резания с заданными техническими требованиями или условиями (такими требованиями могут быть – требования по точности обработки, по качеству обработанной поверхности, по износу режущего инструмента и т.д.). После затупления инструмента он подвергается восстановлению (переточке) или замене режущей вершины. Стойкость режущего инструмента – способность сохранять свое функциональное назначение (свою работоспособность). Критерий затупления – допустимая (предельная) величина износа. Время работы инструмента до принятого критерия затупления называется периодом стойкости или стойкостью инструмента, T, мин. Основные виды отказа режущего инструмента при резании: - износ режущего клина; - хрупкий отказ; пластическая деформация режущего клина. Износ В зависимости от условий резания износ режущего инструмента может происходить: преимущественно по задней поверхности; преимущественно по передней поверхности; равномерно протекать как по передней, так и по задней поверхности а- общий вид режущей части инструмента со следами износа; б- износ по задней поверхности; в- износ по передней поверхности Износ режущего инструмента преимущественно по задней поверхности происходит при работе с малыми толщинами срезаемого слоя (а < 0,1 мм), особенно при обработке хрупких материалов. На задней поверхности инструмента образуется фаска износа h3. Очертания фаски износа в главной секущей плоскости приблизительно копируют форму поверхности резания на заготовке |