Вольфрам. раздел 6(1). Заготовок деталей машин

• Название: Заготовок деталей машин
• Анкор: Вольфрам
• Дата: 11.11.2021
• Размер: 0.55 Mb.
• Имя файла: раздел 6(1).docx
• Тип: Документы; #268926
• страница: 2 из 15

е

ь_
_И

«У

^
_{-== ife}

б)

а)

Рис. 6.10. Силы, действующие на заготовку (а) и резец (б), при обработке заготовки на токар­ном станке с ЧПУ

По деформации заготовки от сил Р_хи Р_урассчитывают ожидаемую точность размерной обработки заготовки и погреш­ность ее геометрической формы. По сум­марному изгибающему моменту от сил Р_у и Р_храссчитывают стержень резца на прочность. Равнодействующая силы реза­ния, Н:

■-V

р²,+р}+р}

,'л,

Силу Ру (Р_г) определяют по эмпириче­ской формуле, Н:

Л, = С_Рt

^М/>у

'У -у

где С_Р- коэффициент, учитывающий

физико-механические свойства материала

обрабатываемой заготовки; к_м- коэф-

^ру

фициент, учитывающий факторы, не во­шедшие в формулу, значения углов резца, материал резца и т.д.

Значения коэффициентов С_Ри 4„ ,

У"у

а также показателей степеней х_Р , у_Ри

r_y> sгу

Пр даны в справочниках для конкретных

условий обработки.

Аналогичные формулы существуют для определения сил Р_хи Р_г. Условно можно считать, что для острого резца с у= 15°, ф = 45°, а = 0 при точении стали

без охлаждения Р_у: Р_х : Р₂= 1: 0,45 : 0,35. Отношения Р_х: Р_у аР_г: Р_урастут с увели­чением износа резца, уменьшение угла ф увеличивает отношение Р_х : Р_у, а повыше­ние подачи приводит к росту отношения P_z: Р_у. Знание значений и направлений сил Р_у, Р_хи Р_гнеобходимо для расчета элементов станка, а также приспособле­ний и режущего инструмента.

Крутящий момент на шпинделе станка, Нм:

•10"

М.

■ 0,5P_yD_3i

Изгибающий момент, действующий на стержень резца (рис. 6.10, б), Н • м:

М = ^М^г_у+м1=1^Р²_у+Р² .

Величина общего упругого перемеще­ния стержня резца и заготовки под дейст­вием силы Р_х(расчет на точность обработ­ки), мм:

х = "_х /J ыг ⁺"х IJ н >

где J_3ar - жесткость системы заготовка -приспособление - элемент станка, на ко­тором закреплена заготовка; У_и - жест­кость системы инструмент - приспособле­ние - элемент станка, на котором закреп­лен инструмент.

Зная составляющие силы резания, можно определить эффективную мощ­ность и мощность электродвигателя станка.

Эффективной мощностью N_eназывают мощность, расходуемую на процесс де­формирования и срезания с заготовки слоя металла. При точении цилиндрической поверхности на токарно-винторезном станке эффективная мощность, кВт:

N_e= Р_ууДбО • 10³)+ Р_гп s„_pДбО • 10⁶),

где п - частота вращения заготовки, об/мин.

Мощность электродвигателя станка N.,, кВт:

N₃=N_e/r\,

где л - КПД механизмов и передач станка.

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБРАБОТКИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ 307

6. ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ КОНТАКТНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ РЕЗАНИИ МЕТАЛЛОВ

Наростообразоваиие при резаиии металлов. При обработке пластичных металлов резанием на передней поверхно­сти лезвия инструмента образуется ме­талл, который называют наростом. Это сильно деформированный металл вы­сокой твердости, структура которого от­личается от структур обрабатываемого металла и стружки.

Образование нароста объясняется тем, что геометрическая форма инструмента не идеальна для обтекания ее металлом. При некоторых условиях обработки силы тре­ния между передней поверхностью лезвия инструмента и частицами срезанного слоя металла становятся больше сил внутрен­него сцепления, и при определенных тем­пературных условиях металл прочно осе­дает на передней поверхности лезвия ин­струмента.

В процессе обработки резанием разме­ры и форма нароста непрерывно меняются в результате действия сил трения между отходящей стружкой и внешней поверх­ностью нароста. Частицы нароста посто­янно уносятся стружкой, увлекаются об­работанной поверхностью заготовки, ино­гда нарост целиком срывается с передней поверхности лезвия инструмента и тут же вновь образуется (рис. 6.11, а). Объясня­ется это тем, что нарост находится под действием силы трения Т, сил сжатия Р_хи Р₂и силы растяжения Q(рис. 6.11, б). С изменением размеров нароста меняется соотношение действующих сил. Когда сумма сил Р\, Р₂и Qстановится больше

силы трения Т, происходят разрушение и срыв нароста. Частота срывов нароста за­висит от скорости резания и достигает нескольких сотен в секунду.

Нарост существенно влияет на процесс резания и качество обработанной поверх­ности заготовки, так как при его наличии меняются условия стружкообразования.

Положительное влияние нароста со­стоит в том, что при наличии его меняется форма передней поверхности лезвия инст­румента, это приводит к увеличению главного переднего угла, а следовательно, к уменьшению силы резания. Вследствие высокой твердости нарост способен резать металл. Нарост удаляет центр давления стружки от главной режущей кромки, в результате чего уменьшается износ режу­щего инструмента по передней поверхно­сти лезвия. Нарост улучшает теплоотвод от режущего инструмента.

Отрицательное влияние нароста состо­ит в том, что он увеличивает шерохова­тость обработанной поверхности. Частицы нароста, внедрившиеся в обработанную поверхность, при работе детали с сопря­гаемой деталью вызывают повышенный износ пары. Вследствие изменения нарос­том геометрических параметров режущего инструмента меняются размеры обраба­тываемой поверхности в поперечных диа­метральных сечениях по длине заготовки, и обработанная поверхность получается волнистой. Вследствие изменения перед­него угла инструмента меняется сила ре­зания, что вызывает вибрацию узлов стан­ка и инструмента, а это, в свою очередь, ухудшает качество обработанной поверх­ности.

а) Рис. 6.11. Схемы образования и разрушения

(а) и силы, действующие на нарост (б)

308

МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Следовательно, нарост оказывает бла­гоприятное действие при черновой обра­ботке, когда возникают большие силы резания, срезается толстый слой металла и выделяется большое количество теплоты, и, наоборот, нарост вреден при чистовой обработке, например при протягивании, нарезании резьбы, развертывании, так как приводит к снижению качества обрабо­танной поверхности.

Наростообразование зависит от физи­ко-механических свойств обрабатываемо­го металла, скорости резания, геометриче­ских параметров режущего инструмента и других факторов. Наиболее интенсивно нарост образуется при обработке пластич­ных металлов. Считают, что наибольшее наростообразование при обработке пла­стичных металлов происходит при скоро­стях резания 0,3 ... 0,5 м/с, а при скоро­стях резания до 0,2 м/с и свыше 1 м/с на­рост на режущем инструменте не образуется.

Исследование процесса наростообра-зования позволяет дать рекомендации по борьбе с ним в условиях чистовой обра­ботки. Это изменение геометрических па­раметров режущего инструмента и скоро­сти движения резания, применение сма-зочно-охлаждающих жидкостей, тщатель­ная доводка передней поверхности лезвия инструмента для снижения коэффициента трения между ней и отходящей стружкой.

Упрочнение поверхностного слоя за­готовки при обработке резанием. Ре­зультатом упругого и пластического де­формирования материала обрабатываемой заготовки является упрочнение (наклеп) поверхностного слоя. При рассмотрении процесса стружкообразования считают инструмент острым. Однако инструмент всегда имеет радиус скругления режущей кромки р (рис. 6.12, а), равный при обыч­ных методах заточки примерно 0,02 мм. Такой инструмент срезает с заготовки стружку при условии, что глубина резания tбольше радиуса р. Тогда в стружку пере­ходит часть срезаемого слоя металла, ле­жащая выше линии CD. Слой металла, соизмеримый с радиусом р и лежащий между линиями АВ и CD, упругопластиче-ски деформируется. При работе инстру­мента значение радиуса р быстро растет вследствие затупления режущей кромки, и расстояние между линиями АВ и CDуве­личивается.

Упрочнение металла обработанной по­верхности заготовки проявляется в повы­шении ее поверхностной твердости. Твер­дость металла обработанной поверхности после обработки резанием может увели­читься в 2 раза. Значение твердости мо­жет колебаться, так как значение пласти­ческой деформации и глубина ее зависят от физико-механических свойств металла обрабатываемой заготовки, геометрии режущего инструмента и режима резания.

в)

б)

Рис. 6.12. Схема образования поверхностного слоя заготовки (а) и эпюра распространения упрочнения по толщине заготовки (б)

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБРАБОТКИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ 309

После перемещения резца относитель­но обработанной поверхности происходит упругое восстановление поверхностного деформированного слоя на величину h_y(рис. 6.12, а) - упругое последействие. В результате образуется контактная пло­щадка шириной Н между обработанной поверхностью и вспомогательной задней поверхностью резца. Со стороны обрабо­танной поверхности возникают силы нор­мального давления N и трения F. Чем больше значение упругой деформации, тем больше сила трения. Для уменьшения сил трения у режущего инструмента де­лают задние углы (а и а'), значения кото­рых зависят от степени упругой деформа­ции металла заготовки.

Упругопластическое деформирование металла приводит к возникновению в по­верхностном слое заготовки остаточных напряжений растяжения или сжатия. На­пряжения растяжения снижают предел выносливости металла заготовки, так как приводят к появлению микротрещин в поверхностном слое, развитие которых ускоряется действием корродирующей среды. Напряжения сжатия, напротив, по­вышают предел выносливости деталей. Неравномерная релаксация остаточных напряжений искажает геометрическую форму обработанных поверхностей, сни­жает точность их взаимного расположения и размеров. Релаксация напряжений, про­должающаяся в процессе эксплуатации машин, снижает их качество и, в частно­сти, надежность.

Следовательно, окончательную обра­ботку поверхностей заготовок следует вести такими методами и в таких услови­ях, чтобы остаточные напряжения отсут­ствовали или были минимальными. Целе­сообразно, чтобы в поверхностном слое возникали напряжения сжатия. Напряже­ния можно снизить, применяя, например, электрохимическую обработку. Для полу­чения в поверхностном слое напряжений сжатия можно рекомендовать обработку поверхностным пластическим деформиро-

ванием, например обкатку поверхностей заготовок стальным закаленным роликом или шариком.

Условно поверхностный слой обрабо­танной заготовки можно разделить на три зоны (рис. 6.12, 6): I- зону разрушенной структуры с измельченными зернами, рез­кими искажениями кристаллической ре­шетки и большим количеством микротре­щин; ее следует обязательно удалять при каждой последующей обработке поверх­ности заготовки; II - зону наклепанного металла; /// - основной металл. В зависи­мости от физико-механических свойств материала обрабатываемой заготовки и режима резания глубина наклепанного слоя составляет от нескольких миллимет­ров при черновой обработке до сотых и тысячных долей миллиметра при чистовой обработке. Пластичные металлы подверга­ются большему упрочнению, чем твердые.

Наклеп обработанной поверхности можно рассматривать как полезное явле­ние, если возникающие остаточные на­пряжения являются сжимающими. Однако наклеп, полученный при черновой обра­ботке, отрицательно влияет на процесс резания при последующей чистовой обра­ботке, когда срезаются тонкие стружки (при развертывании, протягивании). В этом случае инструмент работает по поверхно­сти с повышенной твердостью, что приво­дит к его быстрому затуплению; шерохо­ватость поверхности увеличивается.

7. ТЕПЛОТА И ТЕМПЕРАТУРА В ЗОНЕ РЕЗАНИЯ МАТЕРИАЛА

Одним из физических процессов, со­провождающих стружкообразование и разрушение конструкционного материала резанием, является тепловыделение. Прак­тически вся механическая работа, затра­чиваемая на срезание припуска с заготов­ки, превращается в теплоту. Полное коли­чество теплоты Q, выделяющейся в еди­ницу времени, можно определить из вы­ражения, Дж/с,

Q*P₂v.

310

МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Теплота генерируется в результате уп-ругопластического деформирования мате­риала заготовки в зоне стружкообразо-вания, трения стружки о переднюю по­верхность лезвия инструмента, трения задних поверхностей инструмента о по­верхность резания и обработанную по­верхность заготовки (рис. 6.13). Тепловой баланс процесса резания можно предста­вить тождеством, Дж:

Q = Сд +бп.п +бз.п = Qc+ бзаг +би +бл -

где Q_a- количество теплоты, выделяемой при упругопластическом деформировании обрабатываемого материала; Q_nn- коли­чество теплоты, выделяемой при трении стружки о переднюю поверхность лезвия инструмента; Q,_n- количество теплоты, выделяемой при трении задних поверхно­стей инструмента о заготовку; g_c - коли­чество теплоты, отводимой стружкой; бзаг ^_ количество теплоты, отводимой за­готовкой; Q„ - количество теплоты, отво­димой режущим инструментом; Q„ - ко­личество теплоты, отводимой в окружаю­щую среду (теплота лучеиспускания).

В зависимости от технологического метода и условий обработки стружкой отводится 25 ... 85 % всей выделившейся теплоты; заготовкой 10 ... 50 %; инстру­ментом 2 ... 8 %. Количественное распре­деление теплоты зависит главным образом от скорости резания (рис. 6.14).

Рис. 6.13. Источники образования и распределения теплоты резания

0 100 200 300 400 Цм/мин

Рис. 6.14. Распределение теплоты резания в зависимости от скорости резания

Теплообразование отрицательно вли­яет на процесс резания. Нагрев инструмен­та до высоких температур 800 ... 1000 °С вызывает структурные превращения в ме­талле, из которого он изготовлен, сниже­ние твердости инструмента и потерю ре­жущих свойств. Нагрев инструмента вы­зывает изменение его геометрических размеров, что влияет на точность размеров и геометрическую форму обработанных поверхностей. Например, при обтачива­нии цилиндрической поверхности на то­карном станке удлинение резца при по­вышении его температуры изменяет глу­бину резания, и обработанная поверхность получается конусообразной. Нагрев заго­товки вызывает изменение ее геометриче­ских размеров. Вследствие жесткого за­крепления на станке заготовка деформи­руется. Температурные деформации инст­румента, приспособления, заготовки и станка снижают качество обработки.

Погрешность формы обработанных поверхностей возрастает из-за непосто­янства температурного поля по объему заготовки в процессе обработки (рис. 6.15, а), и после охлаждения обработанной заго­товки возникают дополнительные по­грешности обработанной поверхности (рис. 6.15, б). Температурные погрешно-

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБРАБОТКИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ 311

Рис. 6.15. Влияние нагрева на заготовку: а - температурное поле заготовки; 6 - форма заго­товки после обработки

сти следует учитывать при наладке стан­ков. Для определения погрешностей необ­ходимо знать температуру инструмента и заготовки или количество теплоты, пере­ходящей в них (см. рис. 6.14).

Количественную оценку тепловых процессов, происходящих в зоне струж-кообразования, можно проводить и экспе­риментальными методами. Измерение количества выделяющейся и отводимой теплоты осуществляют следующими ме­тодами: калориметрическим по абсолют­ному содержанию теплоты в заготовке, инструменте и стружке; по изменению цвета термокрасок, наносимых на заготов­ку и инструмент; сравнительным анализом цветов побежалости стружки и обрабо-

танной поверхности заготовки; методами оптической пирометрии. Однако наи­большее применение нашли методы тер­моэлектрической эмиссии при использо­вании различных термопар. Для измере­ния температуры процесса резания ис­пользуют искусственные термопары -хромель-алюмелевые и хромель-копеле-вые (рис. 6.16, а); полуискусственные термопары - копелевую или константано-вую проволоку и инструмент (рис. 6.16, 6) или заготовку; естественные термопары -инструмент и заготовку (рис. 6.16, в).

Выделяющаяся теплота отрицательно влияет на экологическую обстановку в цехе и работу систем ЧПУ станков. По­этому в механообрабатывающих цехах принимают меры по устранению отрица­тельного влияния теплоты на работу сис­тем ЧПУ: обработка заготовок в условиях обильного охлаждения смазочно-охлаж-дающими жидкостями, применение сис­тем приточно-вытяжной вентиляции и систем кондиционирования воздуха, изо­ляция систем ЧПУ в специальных поме­щениях.

Для уменьшения отрицательного вли­яния теплоты на процесс резания обработ­ку ведут в условиях применения смазоч-но-охлаждающих сред. В зависимости от технологического метода обработки, фи­зико-механических свойств материала обрабатываемой заготовки и режущего инструмента, а также от режима резания

а)б)

Рис. 6.16. Измерение температуры методом термопар

в)

312

МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН

используют различные смазочно-охлаж-дающие среды, которые делят на следую­щие группы:

жидкости: водные растворы минераль­ных электролитов, эмульсии, растворы мыл; минеральные, животные и расти­тельные масла; минеральные масла с до­бавлением фосфора, серы, хлора (суль-фофрезолы), керосин и растворы поверх­ностно-активных веществ в керосине; масла и эмульсии с добавлением смазы­вающих веществ (графита, парафина, вос­ка);

газы и газообразные вещества: газы С0₂, ССЦ, N₂; пары поверхностно-активных веществ; распыленные жидко­сти (туман) и пены;

твердые вещества: порошки песка, па­рафина, петролатума, битума; мыльные порошки.

Чаще всего при обработке резанием применяют смазочно-охлаждающие жид­кости. Обладая смазывающими свойства­ми, жидкости снижают внешнее трение стружки о переднюю поверхность лезвия инструмента и задних поверхностей инст­румента о заготовку. Одновременно сни­жается работа деформирования. Общее количество теплоты, выделяющейся при резании, уменьшается. Смазочно-охлаждающие вещества отводят теплоту во внешнюю среду от мест ее образова­ния, охлаждая тем самым режущий инст­румент, деформируемый слой и обрабо­танную поверхность заготовки. Интенсив­ный отвод теплоты снижает общую тепло­вую напряженность процесса резания. Смазывающее действие сред препятствует наростообразованию на рабочих поверх­ностях инструмента, в результате чего снижается шероховатость обработанных поверхностей заготовки.

Указанные положительные свойства смазочно-охлаждающих сред приводят к тому, что эффективная мощность резания уменьшается на 10 ... 15 %; стойкость ре­жущего инструмента возрастает, обрабо­танные поверхности заготовок имеют

меньшую шероховатость и большую точ­ность, чем при обработке без применения смазочно-охлаждающих средств.

При черновой и получистовой обработ­ке, когда необходимо иметь сильное охлаж­дающее действие среды, широко применяют водные эмульсии. Количество эмульсии, используемой в процессе резания, зависит от технологического метода обработки и режима резания (5 ... 150 л/мин). Увели­ченную подачу жидкости используют при работе инструментов, армированных пла­стинками твердого сплава, что способст­вует их равномерному охлаждению и пре­дохраняет от растрескивания. При чисто­вой обработке, когда требуется получить высокое качество обработанной поверхно­сти, используют различные масла. Для активации смазок к ним добавляют актив­ные вещества - фосфор, серу, хлор. Под влиянием высоких температур и давлений эти вещества образуют с материалом кон­тактирующих поверхностей соединения, снижающие трение, - фосфиды, хлориды, сульфиды. При обработке заготовок из хрупких материалов (чугунов, бронз), ко­гда образуется элементная стружка, в ка­честве охлаждающей среды применяют сжатый воздух, углекислоту.

Смазочно-охлаждающие среды по-разному подаются в зону резания. Наибо­лее распространенным способом подачи жидкости служит ее подвод через узкое сопло на переднюю поверхность лезвия инструмента. Более эффективно высоко­напорное охлаждение. В этом случае жид­кость подается тонкой струей, с большой скоростью со стороны задних поверхно­стей инструмента. Весьма эффективно охлаждение распыленными жидкостями -туманом, который подается со стороны задних поверхностей лезвия инструмента. В тех случаях, когда охлаждение режуще­го инструмента затруднено, используют подвод жидкости непосредственно в зону резания через полый режущий инстру­мент. Такой способ подачи жидкости в зону резания применяют, например, при

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБРАБОТКИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ 313

сверлении глубоких отверстий. Кроме того, охлаждение режущего инструмента можно осуществлять циркуляцией охлаж­дающей жидкости по каналам, предусмот­ренным в присоединительных частях ин­струментов.

8. ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССОВ ИЗНАШИВАНИЯ ЛЕЗВИЙНЫХ РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ

Трение между стружкой и передней поверхностью лезвия инструмента и меж­ду его главной задней поверхностью и поверхностью резания заготовки вызывает износ режущего инструмента. В условиях сухого и полусухого трения преобладает абразивное изнашивание инструмента. Высокие температуры и контактные дав­ления вызывают следующие виды изна­шивания: окислительное - разрушение поверхностных оксидных пленок; адгези­онное - вырывание частиц материала ин­струмента стружкой или материалом заго­товки вследствие их молекулярного сцеп­ления; термическое - структурные пре­вращения в материале инструмента.

Износ инструмента приводит к сниже­нию точности размеров и геометрической формы обработанных поверхностей.

Работа затупившимся инструментом вызывает рост силы резания. Соответст­венно, увеличиваются составляющие силы резания, что вызывает повышенную де­формацию заготовки и инструмента и еще более снижает точность и форму обрабо­танных поверхностей заготовок. Уве­личиваются глубина наклепанного по­верхностного слоя материала заготовки и силы трения между заготовкой и инстру­ментом, что, в свою очередь, увеличивает теплообразование в процессе резания.

При обработке на настроенных станках износ инструмента приводит к рассеянию размеров обработанных поверхностей за­готовок, что снижает качество сборки де­талей в условиях взаимозаменяемости.

Уменьшить влияние износа на точность обработки можно периодической подна-ладкой станка. Для этого в зоне обработки поверхности заготовки устанавливают специальные устройства активного кон­троля размеров. В случае отклонения раз­мера обработанной поверхности от допус­ка на него устройство дает электрический импульс на включение привода системы подналадки или выключает электродвига­тель станка.

Общий характер износа режущего ин­струмента показан на примере токарного резца (рис. 6.17, а). При износе резца на передней поверхности лезвия образуется лунка шириной Ь, а на главной задней по­верхности - ленточка шириной h. У инструментов из разных материалов и при разных режимах резания преобладает износ по передней или главной задней поверхности. При одновременном износе по этим поверхностям образуется пере­мычка/

Износ резца по главной задней поверх­ности в процессе обработки изменяет глу­бину резания, так как уменьшает вылет резца из резцедержателя на величину и = 11_и (рис. 6.17, б). Значение износа резца про­порционально времени обработки, поэто­му по мере роста значения и глубина реза­ния / уменьшается. Обработанная поверх­ность получается конусообразной с наи­большим диаметром D_uи наименьшим D.

Количественное выражение допусти­мого значения износа называют критери­ем износа. За критерий износа принимают

Рис. 6.17. Износ резца (а) и изменение разме­ров резца и заготовки в результате износа (б)

314

МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН

в большинстве случаев износ инструмента по главной задней поверхности h. Для то­карных резцов из быстрорежущей стали допустимый износ h= 1,5 ... 2 мм, для резцов с пластинками твердого сплава h = 0,8 ... 1 мм, с минералокерамическими пластинками h = 0,5 ... 0,8 мм. Допусти­мому износу инструмента соответствует определенный период стойкости (стой­кость).

Под стойкостью инструмента Т понимают суммарное время (мин) его ра­боты между переточками на определен­ном режиме резания. Стойкость токарных резцов, режущая часть которых изготов­лена из разных инструментальных мате­риалов, составляет 30 ... 90 мин. Стой­кость инструмента зависит от физико-механических свойств материала инстру­мента и заготовки, режима резания, гео­метрии инструмента и условий обработки. Наибольшее влияние на стойкость оказы­вает скорость резания.

Между величинами v и Т существует зависимость

v,!/" = v₂r₂^m = v„r„" = const или v = c/T^m ,

где С - постоянная величина; m- показа­тель относительной стойкости (для резцов m= 0,1... 0,3).

Так как величина mмала, то стойкость резцов резко падает даже при незначи­тельном повышении скорости резания. Поэтому обработку следует вести на рас­четной скорости. Это условие легковы­полнимо на станках с бесступенчатым регулированием частоты вращения шпин­деля, в частности на большинстве типов станков с ЧПУ. На станках со ступенча­тым регулированием частоты вращения шпинделя обработку ведут на ближайшей меньшей к расчетной частоте вращения заготовки. В этом случае при небольшом уменьшении скорости главного движения резания стойкость инструмента будет больше принятой. Это уменьшит время на смену затупившегося инструмента, но, как

правило, не снизит производительность.

Применение автоматических подна-ладчиков в значительной степени умень­шает влияние износа режущего инстру­мента на точность размеров и форм обра­ботанных поверхностей заготовок на то­карных, фрезерных, шлифовальных и дру­гих станках.

В металлорежущих станках с система­ми программного управления износ ре­жущего инструмента может компенсиро­ваться в процессе обработки партии заго­товок специально предусматриваемыми для этой цели блоками систем обратной связи. Когда износ режущего инструмента приводит к тому, что размер обработанной поверхности заготовки не соответствует допуску на него, датчики системы актив­ного контроля дают сигналы в систему коррекции и в программу обработки заго­товки вносится соответствующая величи­на перемещения инструмента в опреде­ленном направлении.

В станках с ЧПУ и инструментальны­ми магазинами при износе инструментов или переходе на обработку другого типа заготовок можно целиком заменять весь магазин. Установку и наладку инструмен­тов в магазине производят вне станка. На станках с ЧПУ в условиях обработки заго­товок в ГПС для повышения стойкости инструментов широко используют непере-тачиваемые пластины из сверхтвердых и керамических материалов.

9. ВИБРАЦИИ В ПРОЦЕССЕ РЕЗАНИЯ

При обработке заготовок на станках иногда возникают периодические колеба­тельные движения вибрации элементов технологической системы: станок - при­способление - инструмент - заготовка. В этих условиях процесс резания Qтеряет устойчивость.

Колебания инструмента относительно заготовки резко снижают качество по­верхностного слоя: шероховатость возрас-

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБРАБОТКИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ 315

тает; появляется волнистость; усиливается динамический характер силы резания, а нагрузки на движущиеся детали и узлы станка возрастают в десятки раз, особенно в условиях резонанса, когда частота соб­ственных колебаний технологической системы совпадает с частотой колебаний процесса резания. Стойкость инструмен­та, особенно с пластинками из твердых сплавов, при колебаниях резко падает. При наличии вибраций возникает шум, утомляюще действующий на окружающих людей, и производительность труда сни­жается.

При резании вынужденные колебания возникают под действием внешних перио­дических возмущающих сил вследствие прерывистости процесса резания, неурав­новешенности вращающихся масс, по­грешностей изготовления и сборки пере­дач и ритмичности работы близко распо­ложенных машин. Вынужденные колеба­ния устраняют, уменьшая величину воз­мущающих сил и повышая жесткость станка.

Автоколебания (незатухающие само­поддерживающиеся) технологической сис­темы создаются силами, возникающими в процессе резания. Возмущающая сила создается и управляется процессом реза­ния и после прекращения его исчезает. Причины автоколебаний: изменения сил резания, трения на рабочих поверхностях инструмента и площади поперечного се­чения срезаемого слоя металла; образова­ние наростов; упругие деформации заго­товки и инструмента. Автоколебания мо­гут быть низкочастотными (f= 50 ... 500 Гц) и высокочастотными (f= 800 ... 6000 Гц). Первые вызывают на обработанной по­верхности заготовки волнистость, вто­рые - мелкую рябь. Возникновение авто­колебаний можно предупредить, изменяя режим резания и геометрические парамет­ры инструмента, правильно устанавливая заготовку и инструмент на станке, а также

обрабатывая заготовки на больших скоро­стях резания.

Большое влияние на автоколебания оказывает жесткость технологической системы, т.е. способность системы сопро­тивляться действию возникающих сил в процессе резания.

Для уменьшения автоколебаний жест­кость технологической системы изме­няют: уменьшают массы колебательных систем, особенно массу обрабатываемой заготовки; применяют виброгасители. Для гашения автоколебаний используют дина­мические, упругие, гидравлические и дру­гие вибросистемы.

Однако вибрации при обработке мож­но использовать так, чтобы они положи­тельно влияли на процесс резания и шеро­ховатость обработанных поверхностей, в частности применять вибрационное реза­ние труднообрабатываемых материалов. Сущность вибрационного резания состоит в том, что в процессе обработки создаются искусственные колебания инструмента с регулируемой частотой и заданной ампли­тудой в определенном направлении. Ис­точниками искусственных колебаний служат механические вибраторы или вы­сокочастотные генераторы. Частота коле­баний 200 ... 20 000 Гц, амплитуда коле­баний 0,02 ... 0,002 мм. Выбор оптималь­ных амплитуд и частоты колебаний зави­сит от технологического метода обработки и режима резания. Колебания задают по направлению движения подачи или скоро­сти главного движения резания.

Вибрационное резание по сравнению с обычным имеет ряд преимуществ: обеспе­чивает устойчивое дробление стружки на отдельные элементы, снижает сопротив­ление металла деформированию и эффек­тивную мощность резания. При вибраци­онном резании не образуются нарост на режущем инструменте и заусенцы на об­работанной поверхности, однако в неко­торых случаях стойкость инструмента несколько снижается. Вибрационное реза­ние применяют при точении, сверлении,

316

МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН

нарезании резьбы плашками и метчиками, шлифовании, фрезеровании и других ме­тодах обработки.

10. КАЧЕСТВО

И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ

ОБРАБОТКИ

Надежность машины зависит от точно­сти обработки заготовок, качества поверх­ностных слоев и точности сборки. Под точностью обработки понимают степень совпадения размеров, формы и взаимо­расположения поверхностей с указанными на рабочем чертеже детали. Точность вы­полнения размеров определяет отклонение фактических размеров обработанной по­верхности детали от ее конструктивных размеров, указываемых в рабочем чертеже в соответствии с допустимыми отклоне­ниями на размеры обрабатываемых по­верхностей, регламентируемыми ГОСТом.

Под точностью формы поверхностей понимают степень их соответствия гео­метрически правильным поверхностям, с которыми они отождествляются. Пре­дельные отклонения формы обработанных поверхностей регламентируются государ­ственными стандартами так же, как точ­ность их взаимного расположения. Пре­дельные отклонения формы и расположе­ния поверхностей на рабочих чертежах деталей обозначают условно в соответст­вии с государственными стандартами или оговаривают текстом в технических тре­бованиях на изготовление деталей.

Одним из показателей качества по­верхностного слоя изготовленной детали является шероховатость (см. п. 3). Чем выше требования, предъявляемые к точ­ности и качеству поверхностного слоя, тем длительнее процесс обработки заго­товки и сложнее технологический процесс изготовления деталей машин.

Точность и качество деталей могут быть существенно повышены при обра­ботке заготовок в автоматизированном режиме на станках с ЧПУ. Обратная связь

замкнутых систем ЧПУ контролирует точность исполнения команд, задаваемых программой обработки, и в случае их рас­согласования вносит коррекцию в пере­мещения исполнительных органов станка, повышая тем самым точность размеров обрабатываемых поверхностей заготовок. Наилучшие результаты достижения высо­кой точности обработки обеспечивают адаптивные системы программного управ­ления.

Производительность обработки опре­деляет число деталей, изготовляемых в единицу времени:

Q = VT_K.

Время Г_к (мин) складывается из основ­ного (технологического) и вспомогатель­ного; кроме того, учитывается время, свя­занное с особенностями обработки кон­кретных заготовок.

Основное технологическое время t₀за­трачивается непосредственно на процесс изменения формы, размеров и достижения заданной шероховатости обрабатываемой поверхности заготовок. Формулы для оп­ределения основного времени в зависимо­сти от технологического метода обработки приведены в справочной литературе. На­пример, при обтачивании цилиндрической поверхности на токарно-винторезном станке, мин:

t₀= Lh/(ns_npt) ,

где L- расчетная длина хода резца отно­сительно заготовки, мм; h - припуск на обработку, мм {hit - число проходов инст­румента).

Наибольшая производительность будет при работе с наибольшей подачей, глуби­ной резания (/ = И) и скоростью главного движения резания при наименьшей длине обрабатываемой поверхности. При увели­чении Япр и / производительность возрас­тает, но шероховатость резко падает, по­этому обработку заготовок следует вести на таком режиме резания, при котором

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБРАБОТКИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ 317

будут высокие точность обработки и за­данная шероховатость при требуемой производительности.

Элементы режима резания назначают следующим образом. Сначала выбирают глубину резания. При этом стремятся весь припуск на обработку срезать за один ра­бочий ход (проход) режущего инструмен­та. Если по технологическим причинам необходимо делать два прохода, то при первом снимают около 80 % припуска, при втором (чистовом) - около 20 %.

Затем выбирают величину подачи. Ре­комендуют назначать наибольшую допус­тимую величину подачи, учитывая требо­вания точности и допустимой шерохова­тости обработанной поверхности, а также мощность станка, режущие свойства мате­риала инструмента, жесткость и динами­ческую характеристику технологической системы. Наконец определяют скорость резания исходя из выбранных значений глубины резания, подачи и стойкости ре­жущего инструмента.

Скорость главного движения резания при точении, например, определяют по следующей эмпирической формуле, м/с:

v = cj(60t^x"s^y"T^m),

где C_v - коэффициент, учитывающий фи­зико-механические свойства материала обрабатываемой заготовки и условия об­работки (указан в справочниках, как и значения показателей степени x_w, y_w).

После вычисления скорости резания определяют частоту вращения шпинделя станка, соответствующую этой скорости резания, м/с:

и = 1000у/(60я£)^).

Многие модели станков с ЧПУ имеют бесступенчатое регулирование частоты вращения шпинделя и скорости движения подачи, что позволяет обрабатывать по­верхности заготовок на расчетных режи­мах резания.

Режим резания вводят в программу управления работой станка. Адаптивные

(самонастраивающиеся) системы про­граммного управления в процессе обра­ботки заготовок контролируют и коррек­тируют режим резания, учитывая изме­няющиеся условия обработки: изменение сил резания, износ инструмента, деформа­ции заготовки. Корректирование режима

С Начало ")

_Г