Материаловедение. Учебник для студентов высших учебных заведений Арзамасов В. Б., Волчков А. Н
 Скачать 4.56 Mb.
|
|
ГЛАВА 15. МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК Высокие требования к изделиям машиностроения по качеству надежности и долговечности обеспечиваются технологическими методами обработки заготовок. Технологические методы обработки заготовок условно можно разделить на три группы: механическая обработка, электрофизические и электрохимические методы; комбинированные методы. Методы механической обработки можно, в свою очередь, разделить на две группы: формообразование поверхности заготовок резанием (лезвийная обработка, абразивная обработка и отделочная обработка) и пластическим деформированием. 15.1. Физико-механические основы обработки материалов резанием Обработка материалов резанием – это процесс срезания режущим инструментом 5 ( рис. 15.1, а) с поверхности заготовки 4 слоя металла в виде стружки 6, с целью получения заданной геометрической формы, точности размеров, взаиморасположения и шероховатости поверхности детали. Резание металлов – это сложный процесс физико-механического взаимодействия режущего клина инструмента, заготовки и окружающей среды. Для обработки детали, режущий инструмент и заготовку необходимо установить и закрепить в рабочих органах станка и сообщить им относительные движения. Движения рабочих органов станка разделяются на движения резания, установочные и вспомогательные. Движения, которые обеспечивают срезание с заготовки поверхностного слоя металла или изменение состояния обработанной поверхности называются движениями резания. К ним относят: главное движение и движение подачи. Главным движением (D р ) называется движение, определяющее скорость деформирования и отделения стружки. Движением подачи (D s ) называется движение, обеспечивающее непрерывность врезания режущей кромки инструмента в материал заготовки. Эти движения могут быть вращательным, поступательным, возвратно-поступательным, непрерывным или 402 прерывистым. В начальный момент процесса резания, движущийся режущий клин 7 вдавливается в материал заготовки, создавая в срезаемом слое упругие деформации. При дальнейшем перемещении клина упругие деформации переходят в пластические. Рис. 15.1. Схема зоны резания: а – схема упруго напряженного состояния материала заготовки в зоне резания; б – плоскость сдвига в ОЦК; в – этапы разрушения кристаллического тела; 1 – обрабатываемая поверхность; 2 – поверхность резания; 3 - обработанная поверхность; 4 – заготовка; 5 – режущий инструмент; 6 – стружка; 7 – режущий клин; 8 – плоскость сдвига; БС – скругление режущего клина; АБС – передняя поверхность; СД – площадка износа; СДЕ – задняя поверхность; БСЗЖ – зона стружкообразования; СЗ – плоскость начала деформаций сдвига; БЖ – плоскость конца деформаций сдвига; СО – плоскость сдвига; БО1 – направление осей деформированных кристаллов; Р – сила; Dр – главное движение резания; Ds – движение подачи; Q – угол сдвига; μ – угол поворота оси БО1; γ – передний угол; α – задний угол; t – глубина резания; h – упругое восстановление обработанной поверхности; σ, τ – нормальные и касательные напряжения. 403 В плоскости, перпендикулярной движению резания возникают нормальные напряжения σ. В плоскости, совпадающей с движением резания – касательные напряжения τ. Рост пластических деформаций приводит к деформации сдвига. Эти деформации происходят в зоне стружкообразования СБЖЗ. В плоскости БЖ происходит разрушение кристаллов (скалывается элементарный объем металла и образуется стружка). Пластическая деформация кристаллического тела происходит в плоскости 8 минимального сопротивления деформации ( рис. 15.1, б) (в плоскости сдвига). При этом тело вытягивается в направлении плоскости сдвига ( рис. 15.1, в). Оси кристаллов поворачиваются на угол μ. Угол поворота оси кристалла μ лежит в пределах 0…30 о (с увеличением пластичности металла – угол увеличивается). Условно можно считать, что деформации сдвига происходят в плоскости «СО» под углом сдвига Q = 30 о При обработке, на заготовке 4 можно выделить три поверхности: 1 – обрабатываемая поверхность, 3 – обработанная поверхность, 2 – поверхность резания (соединяет обрабатываемую и обработанную поверхности). Режущий клин 7 очерчен следами двух поверхностей: АБС – передняя поверхность (поверхность, контактирующая с зоной стружкообразования, и поверхность, по которой стекает стружка); СДЕ – задняя поверхность (поверхность, обращенная к обработанной поверхности заготовки). Очевидно, что угол γ (называемый передним углом) определит: величину усилия, необходимого на внедрение режущего клина в материал заготовки и прочностные свойства режущего клина. По мере прохождения режущего инструмента, обработанная поверхность, вследствие воздействий упругих и пластических деформаций, упруго восстанавливается на величину h, и структура поверхностных слоев отличается от структуры сердцевины. Твердость поверхностного слоя будет выше твердости сердцевины, «наклёпанный слой» или «наклеп». Величина упругого восстановления обработанной поверхности, твердости поверхностного слоя, глубины 404 расположения наклепанного слоя и эпюры напряжений зависят от физико- механических свойств обрабатываемого металла, геометрии режущего инструмента, условий обработки, режимов резания. Поэтому режущий клин должен быть заточен под углом α (задний угол), что уменьшит пластическое деформирование (и возможное разрушение) обработанной поверхности. Срезанный сегмент стружки претерпевает дополнительную деформацию вследствие трения о переднюю поверхность, и завивается в спираль. Структура металла в зоне СБЖЗ отличается от структуры нижележащих слоев основного металла. В этой зоне кристаллы деформированы и разрушены. Они измельчены и вытянуты цепочкой примерно в одном направлении. (На рисунке недеформированные слои условно показаны в виде окружностей, по мере деформации окружности сплющиваются). Характер деформаций срезаемого слоя зависит от физико-механических свойств обрабатываемого металла, геометрии режущего инструмента, условий обработки, режимов резания и т.д. При обработке заготовок резанием образуется стружка: сливная, скалывания и надлома. Сливная стружка образуется при обработке пластичных материалов. Она представляет собой сплошную зазубренную ленту с гладкой прирезцовой стороной. Эта стружка достаточна опасна для оператора (травмирование оператора). Стружка скалывания образуется при обработке материалов средней твердости. Она представляет отдельные сегменты ленты с гладкой прирезцовой стороной и ярко выраженными зазубринами на внешней стороне. Эта стружка так же может травмировать оператора, но ее легче убирать от станка. При резании хрупких материалов образуется стружка надлома. Она представляет собой отдельные сегменты неправильной формы. Стружка удобна для транспортирования, но может травмировать лицо, глаза и руки оператора. Для любого процесса резания можно составить схему обработки ( рис. 15.2). На схеме условно изображают обрабатываемую заготовку 2; ее базирование 8 и закрепление 7 в рабочем приспособлении станка 3; режущий инструмент 1 405 в положении соответствующем концу обработки. Обработанную поверхность 6 выделяют красной или утолщенной черной линией. Используя условные обозначения, показывают характер движений резания (движение резания D р и движение подачи D s ), их направление. Различают движения подачи: продольное D sпрод ; поперечное D sпоп ; вертикальное D sв ; круговое D sкр и другие. Рис. 15.2. Схемы обработки заготовок: а - продольным точением; б - поперечным точением; в - растачиванием; г - фрезерованием; д - плоским шлифованием; е - круглым шлифованием: 1- режущий инструмент; 2 – заготовка; 3 – станочное (рабочее) приспособление; 4 – обрабатываемая поверхность; 5 – поверхность резания; 6 – прижим; 7 – базирующий элемент. Элементами процесса резания являются: скорости движений резания и глубина резания. Совокупность этих элементов называется «режим резания». Скорость резания (V р ) - путь точки режущего лезвия инструмента относительно заготовки в единицу времени, в направлении главного движения. Размерность скорости резания: для лезвийной обработки – м/мин; для абразивной обработки – м/с. Если главное движение является вращательным, то V р = πDn/1000, (для лезвийной обработки) или V р = πDn/60000, (для шлифования), где: D - наибольший диаметр обрабатываемой поверхности заготовки или диаметр вращающегося инструмента в мм; n - частота вращения заготовки (инструмента) в оборотах в минуту. Если главное движение является возвратно-поступательным, а скорости рабочего и холостых ходов разные, то средняя скорость равна: V ср =Lm(K+1)/1000, в м/мин, где: L – расчетная длина хода резца, в мм; m – число двойных ходов 406 резца в минуту; K= V рх / V хх – коэффициент отношения скорости рабочего хода (V рх ) к скорости холостого хода (V хх ). Скорость движения подачи (подача) (S) - путь точки режущего лезвия инструмента относительно заготовки в единицу времени, в направлении движения подачи. Различают: подачу в минуту (минутная подача) подачу на оборот; подачу на зуб и подачу на двойной ход. Подача в минуту (S м ) - – перемещение режущего инструмента в минуту [мм/мин], подача на оборот (S о ) - перемещение режущего инструмента за 1 оборот заготовки или инструмента [мм/оборот], подача на зуб (S z ) - перемещение режущего многозубого инструмента за время поворота на угол, равный угловому шагу зубьев [мм/зуб], подача на двойной ход (S 2х ) - перемещение режущего инструмента за один двойной ход [мм/дх]. S м = S о n = S z nZ = S 2х N, где: Z – число зубьев инструмента, N –число двойных ходов в минуту. Глубина резания (t) –кратчайшее расстояние между обработанной и обрабатываемой поверхностями [мм]. Рассмотрим параметры режущего инструмента. Режущий инструмент ( рис. 15.3) состоит из рабочей части (головки) 2 и тела (стержня) 3. Тело резца служит для его установки и закрепления в резцедержателе. Рабочая часть резца образуется при его заточке и содержит следующие элементы: переднюю, поверхность 4 (поверхность по которой сходит стружка); главную заднюю поверхность 6 (она наиболее развита и направлена по движению подачи); вспомогательную заднюю поверхность 1 (направлена против движения подачи). Пересечение передней и главной задней поверхностей дает главную режущую кромку 7. пересечение передней и вспомогательной задней поверхностей дает вспомогательную режущую кромку 5. Режущие кромки пересекаются в вершине резца 8. Расположение поверхностей и кромок резца определяется его заточкой (геометрия инструмента). Для определения углов, под которыми располагаются элементы инструмента, вводят координатные плоскости ( рис. 15.4). Основная плоскость (Р v ) параллельна возможным направлениям движения подачи для данного способа обработки. Плоскость резания (Р n ) проходит через главную 407 режущую кромку касательно поверхности резания. Главная секущая плоскость (Р τ ) проходит через главную режущую кромку перпендикулярно поверхности резания. Рис. 15.3. Элементы и части прямого токарного проходного резца; 1, 6 – вспомогательная и главная задние поверхности; 2 – головка резца; 3 – тело резца; 4 – передняя поверхность; 5, 7– вспомогательная и главная режущие кромки; 8 – вершина резца. Рис. 15.4. Углы резца в статической системе координат: D S – движение подачи; D Р – движение резания; Р v – основная плоскость; Р n – плоскость резания; Pτ – главная секущая плоскость; , - главные задний и передний углы; , 1 –главный и вспомогательный углы в плане; - угол наклона главной режущей кромки. 408 Главные углы ( рис. 15.4) рассматриваются в главной секущей плоскости (Р τ ). Главный задний угол лежит между касательной к главной задней поверхности в рассматриваемой точке главной режущей кромки и плоскостью резания. Наличие угла уменьшает трение между обработанной и главной задней поверхностями, что увеличивает стойкость инструмента. Однако чрезмерное увеличение угла приводит к уменьшению прочности режущего лезвия. Главный передний угол лежит между основной плоскостью P v и передней поверхностью. Угол оказывает большое влияние на процесс резания. С увеличением угла уменьшаются деформации срезаемого слоя, улучшаются условия схода стружки; уменьшаются силы резания; повышается качество обработки. Однако чрезмерное увеличение угла приводит: к уменьшению прочности режущего лезвия; увеличению износа режущего лезвия; вследствие выкрашивания, к ухудшению теплоотвода от инструмента. Углы в плане рассматриваются между направлением движения подачи и проекцией соответствующей режущей кромки на основную плоскость. Главный угол в плане определяет параметры переходного конуса между обрабатываемыми цилиндрами и угол фасок, т.е. определяется конструктором. В основном, угол влияет на шероховатость обработанной поверхности. С уменьшением угла шероховатость, уменьшаются сила и температура резания, приходящиеся на единицу длины режущей кромки, но резко увеличивается сила резания в направлении перпендикулярном оси заготовки. Вспомогательный угол в плане 1 влияет на шероховатость обработанной поверхности (с уменьшением угла она уменьшается). Главная режущая кромка не всегда совпадает с основной плоскостью, поэтому рассмотрим угол наклона главной режущей кромки . Это угол между главной режущей кромкой и основной плоскостью, проведенной через вершину резца. Если вершина является высшей частью главной режущей кромки, то 0, если вершина совпадает с основной плоскостью, то = 0, 409 если вершина является низшей частью главной режущей кромки, то 0. С увеличением угла ухудшается качество обработанной поверхности. Но чаще всего, выбор величины и знака угла определяется направлением схода стружки. При отрицательных углах, стружка сходит по направлению движения подачи, что безопасно при работе на универсальных станках. При положительных углах, стружка сходит по направлению против движения подачи, что безопасно при работе на станках с автоматическим и полуавтоматическим циклом. Положительные углы применяются при обработке отверстий, для того, что бы стружка выходила из отверстия. Под силой резания понимают силу сопротивления перемещению режущего инструмента относительно обрабатываемой заготовки. Работа, затрачиваемая на деформирование и разрушение поверхностных слоев заготовки, расходится на упругое и пластическое деформирование металла, на его разрушение и на трение задней поверхности об обработанную поверхность и стружки о переднюю поверхность режущего инструмента ( рис. 15.5, а). Результатом сопротивления металла заготовки процессу резания является возникновение реактивных сил, воздействующих на режущий инструмент: Сил упругого (P yп1 и P yп2 ) и пластического (Р п1 и Р п2 ) деформирования, направленных перпендикулярно соответственно к задней и передней поверхностям инструмента. Сил трения (Т 1 и Т 2 ) по задней и передней поверхностям. Векторная сумма всех этих сил даст единичную силу резания Р i по сечению резца. Просуммировав единичные силы, получим равнодействующую силу резания: Р = ∑Р i =∑Р уп +∑Р п +∑Т. Однако, вследствие переменности условий резания (неоднородность структуры металла заготовки; допуски на размеры обрабатываемой поверхности; и т.д.), равнодействующая сила резания переменна по величине и направлению. Для расчетов используют, не силу «Р», а ее проекции на заданные координатные оси ( рис. 15.5, б). Ось OX проводят в направлении, противоположном направлению движения подачи. Ось OZ проводят в 410 направлении главного движения. Ось OY проводят в направлении перпендикулярном обработанной поверхности. Полученные проекции называют: P z – главная составляющая силы резания; P x – осевая составляющая силы резания; P y – радиальная составляющая силы резания. Главную составляющую силы резания P z определяют по эмпирической формуле: P z =C p t x S y V z K 1 K 2 …K i , где: C p – коэффициент, учитывающий физико- механические свойства обрабатываемого материала; показатели степени (x, y, z) и коэффициенты K 1 K 2 …K i учитывают факторы, не вошедшие в формулу. Аналогичные формулы существуют и для расчета других составляющих силы резания. Рис. 15.5. Сила резания: а - плоская система сил; б - разложение силы резания на составляющие: D Р – движение резания; D S – движение подачи; Р уп1 , Р п1 – реактивные силы упругой и пластической деформации по передней поверхности; Р уп2 , Р п2 – реактивные силы упругой и пластической деформации по задней поверхности; Т 1 , Т 2 – силы трения; Р – сила резания; Р z , P x , P y – главная, осевая и радиальная оставляющие силы резания. 411 Процесс резания сопровождается обильным тепловыделением. Источниками тепла являются: упругопластическое деформирование обрабатываемого материала в зоне стружкообразования(Q уп ); трение стружки о переднюю поверхность (Q пп ); трение задних поверхностей о поверхность резания и обработанную поверхность (Q зп ). Потребителями тепла являются: стружка (q с – количество тепла отводимое стружкой); заготовка (q з ); режущий инструмент (q и ) и среда, окружающая зону резания (q ср ). Тепловой баланс процесса резания можно представить в виде: Q = P z V р = Q уп + Q пп + Q зп = q с + q з + q и + q ср . В зависимости от метода и условий обработки стружка, заготовка, инструмент и среда потребляют различные доли тепла. Распределение потребления тепла в основном зависит от скорости резания. При обработке металлических материалов, основную долю тепла (до 85%) потребляет стружка, инструмент и заготовка потребляют соответственно 2…8% и 10…40%. При обработке неметаллических материалов, низкая теплопроводность материала заготовки и стружки не позволяет им потреблять большое количество тепла (в сумме 5…15%). Основную долю тепла (до 75%) потребляет режущий инструмент. Нагрев заготовки и режущего инструмента отрицательно сказываются на точности обработки и стойкости инструмента. Нагрев режущего клина в зоне стружкообразования до 800…1000 о С вызывает структурные превращения в материале инструмента, снижается его твердость, теряются его режущие свойства. Нагрев тела инструмента вызывает изменение его размеров и геометрии, что вызывает уменьшение размеров обработанной поверхности, ухудшение ее шероховатости. Например, увеличение длины токарного резца при обточке цилиндра приводит к конусности обработанной поверхности. Неравномерный нагрев заготовки приводит к изменению ее размеров и геометрии. Вся гамма физико-химических процессов при резании металлов (трение стружки о переднюю поверхность, трение обработанной поверхности о 412 заднюю; высокие температуры и высокие давления в зоне резания, окисление материала передней поверхности и.т.д.) приводит к изнашиванию режущего инструмента. Pазличают ( рис. 15.6, а): износ по передней поверхности (вытирание лунки шириной «b») и износ по задней поверхности (ленточка, шириной «h з »). Для определения оптимального времени работы инструмента исследуют зависимость износа инструмента от времени его работы. На диаграмме «износ-время» ( рис. 15.6, б) можно выделить три зоны: 1 – зона приработки; 2 – зона нормального износа и 3 – зона аварийного износа. Время работы инструмента от переточки до переточки называется «стойкость». Т ф – физическая стойкость, т.е. работа инструмента, не доходя до зоны аварийного износа. Но при чистовой обработке, износ может существенно влиять на точность обработки, вследствие уменьшения его фактического вылета L н < L и , где: L н – вылет нового (заточенного) инструмента; L и – вылет изношенного инструмента. Поэтому, для чистовой обработки назначают размерную стойкость Т р , (инструмент изнашивается до величины, при которой происходит существенное влияние износа на точность обработки). Различают: минутную стойкость Т м – период работы в минутах; штучную стойкость Т шт – количество обработанных деталей до переточки. Наибольшее влияние на стойкость инструмента влияет скорость резания, поэтому в расчетах стойкости чаще всего используется зависимость: Т m =С т /V р , где: С т – постоянная величина; m – показатель относительной стойкости (для точения, m = 0,1…0,3). Рис. 15.6. Износ и стойкость режущего инструмента: а – износ инструмента по задней (h З ) и передней (b) поверхностям; б – 413 диаграмма «Износ - время»: L н – вылет нового (заточенного) инструмента; L и – вылет изношенного инструмента; t – время непрерывной работы инструмента; h Зф , h Зр – физический и размерный износ по задней поверхности; Т Ф , Т Р – физическая и размерная стойкость инструмента; 1 – зона приработки; 2 – зона нормального износа; 3 – зона аварийного износа. |