Обработка металлов резанием

Но нарост не удерживается постоянно  на передней поверхности резца. Периодически, с большой частотой, он разрушается  и срывается, ускоряя при этом износ резца, ухудшая чистоту  обработанной поверхности, нарушая стабильность процесса резания.

Вероятность появления нароста при обработке разных металлов  зависит от скорости резания. На появление нароста влияет угол резания: чем он больше, тем вероятнее появление нароста.

Применением смазывающе-охлаждающих  жидкостей и тщательной доводкой режущих поверхностей инструмента вероятность появления нароста можно уменьшить.

Упрочнение поверхностного слоя —  наклеп. Как было сказано, тонкий поверхностный слой обрабатываемой заготовки деформируется за линией среза. При прохождении относительно задней поверхности резца этот слой дополнительно деформируется. В результате на обработанной поверхности появляется тонкий слой металла, обладающий твердостью, в 1,5—2 раза большей, чем твердость исходного материала.

В этом слое в результате неравномерной  деформации и нагрева по сечению возникают также остаточные напряжения (растягивающие или сжимающие), которые вместе с изменением твердости существенно влияют на эксплуатационные свойства детали.

Степень упрочнения зависит от пластичности металла и возрастает с увеличением угла резания, а также толщины срезаемого слоя. В поверхностном слое заготовки возможны структурные превращения под действием высоких температур резания.

Теплота, температура резания, смазывающе-охлаждающие  жидкости. При резании металлов почти вся механическая работа деформации и трения переходит в теплоту. Полагают, что 10—15% работы резания переходит в скрытую энергию искажения кристаллической решетки. Выделяющаяся при резании теплота существенно влияет на процесс резания и прежде всего на износ инструмента.

Источником образования теплоты  является работа, затрачиваемая на упругопластическую деформацию срезаемого слоя металла, и работа сил трения. Очаги выделения теплоты в процессе резания показаны на рис. 7.

 

Рис. 7. Расположение очагов образования теплоты и ее распределение.

 

Возникающая в указанных очагах теплота по законам теплопередачи переходит от более нагретых участков к менее нагретым, уходит со стружкой, нагревает режущий инструмент и заготовку.

Большая часть теплоты (60—80%) уходит со стружкой. С увеличением скорости резания и толщины срезаемого слоя доля теплоты, уходящей со стружкой, увеличивается. Небольшая часть теплоты уходит в резец, но, так как режущая часть его непрерывно находится в зоне резания, температура режущих лезвий инструмента очень высокая.                        

Температура резания — результат  теплового баланса процесса резания  и зависит как от условий образования, так и от условий отвода теплоты.

Так, при прочих равных условиях температура  резания возрастает с; ростом прочности и твердости обрабатываемого материала и снижается с увеличением теплопроводности.

Температура резания возрастает с  увеличением скорости резания, подачи и глубины резания. При этом наибольшее влияние на температуру оказывает скорость резания, затем подача и меньше всего влияет глубина резания.

Нагрев режущего инструмента и  обрабатываемой заготовки в ряде случаев оказывает большое влияние  на точность обработки, в частности на точность размеров обрабатываемых поверхностей и точность их геометрической формы.

Большое влияние на температуру  резания оказывают смазывающе-охлаждающие  жидкости — СОЖ. Они оказывают  на процесс резания следующие  действия: охлаждающее — отвод  теплоты, смазывающее — снижение сил внешнего трения, разрушающее — облегчение процесса резания за счет явлений адсорбции и охрупчивания металла в зоне резания с помощью поверхностно активных веществ. СОЖ способствуют удалению, стружки из зоны резания.

При разных методах обработки применяют  различные смазывающе-охлаждающие  жидкости.

В качестве смазывающе-охлаждающих  жидкостей применяют эмульсии и  масла (растительные, животные, минеральные, компаундированные, осерненные). В состав эмульсий входят вода, масло, ингибитор коррозии, поверхностно активные вещества, эмульгатор. При черновых методах обработки чаще всего используют эмульсии, при чистовых — масла.

Эффективность воздействия СОЖ  на процесс обработки зависит  от способа подвода ее в зону резания. На заводах широко используют подачу жидкости под высоким давлением или распыленной струёй. Как показал опыт, при этом резко повышается эффект теплоотдачи, снижается эффективная мощность резания, уменьшается расход жидкости.     

На рис. 8 доказан способ подачи жидкости в зону резания под небольшим  давлением. Способ мало эффективен, так как оказывает низкое охлаждающее действие, жидкость не попадает на контактные поверхности, несмотря на большой расход ее.

На рис. 8 показана схема подачи жидкости под давлением 1,5—2,0 Мн/м² (15—20 кгс/см²) или распыленной струёй со стороны задней или передней поверхности резца. Здесь жидкость проникает на контактные поверхности и оказывает все виды положительного воздействия на процесс резания.

 

Рис. 8. Схема подвода СОЖ  поливом и высоконапорной струёй в зону резания.

Силы резания. Сопротивление металла резанию преодолевается силой резания.

Работа силы резания  затрачивается на упругопластическую деформацию металла и отрыв элемента стружки от основной массы  металла, а также на преодоление трения на контактных поверхностях режущего инструмента.

Сведения о силах резания  необходимы для расчета на прочность элементов металлорежущих станков, режущих инструментов, а также при выборе режимов резания, обеспечивающих заданную точность формы и размеров обрабатываемой заготовки.

В общем случае сила резания представляет собой равнодействующую сил нормального давления и сил трения, приложенных к рабочим поверхностям инструмента.

Для решения  практических задач равнодействующую силу резания Р заменяют ее составляющими, как это показано на рис. 9для случая точения. Направление составляющих сил выбрано не случайно. Оно совпадает с движениями, совершаемыми на станке. Сила Р_z — главная составляющая сила резания, Н (кгс). Эта сила направлена по касательной к поверхности резания в направлении главного движения. Ее называют вертикальной или тангенциальной силой.

 

Рис. 9. Силы резания при точении.

 

По величине силы Р_z определяют эффективную мощность резания:

 кВт.

Зная Р_z, можно определить крутящий момент на обрабатываемой заготовке по формуле

  Н×мм (кгс×мм),

где D — диаметр обрабатываемой заготовки, мм. Момент резания воспринимается механизмом главного вращательного движения станка и используется при расчете этого механизма на прочность.

Сила Р_y — радиальная составляющая силы резания — направлена перпендикулярно оси обрабатываемой заготовки.

Вместе с Р_z сила Р_y изгибает изделие и инструмент, кроме того, она нагружает механизм поперечной подачи и используется при расчете его на прочность.

Сила Р_x — осевая составляющая силы резания — направлена параллельно оси заготовки. Она нагружает механизмы продольной подачи — коробку подач и фартук станка.

Силы резания существенно зависят  от условий резания и физико-механических свойств обрабатываемого материала.

На практике силы резания определяют в каждом отдельном случае экспериментально.

Большое влияние  на силы резания оказывают размеры  срезаемого слоя, определяемые подачей и глубиной резания, с их увеличением силы резания возрастают.

Силы резания зависят также от геометрии режущей части инструмента. С увеличением угла резания d все три составляющие силы возрастают. Более интенсивно растут силы Р_y и Р_x.

С увеличением  главного угла в плане j до 60° сила резания Р_z уменьшается, а при дальнейшем увеличении его несколько возрастает. Сила Р_х растет, а сила Р_у уменьшается с увеличением главного угла в плане j. Силы Р_z и Р_у возрастают с увеличением радиуса закругления режущего лезвия.

По мере износа резца силы резания  возрастают, особенно силы Р_у и Р_x.

Применение смазывающе-охлаждающих  жидкостей позволяет уменьшить  значение силы резания на 15—30%.

Износ и стойкость инструмента. Износостойкость режущей части инструмента характеризуется его способностью сопротивляться микроскопическим разрушениям на поверхностях контакта.

В общем случае износ инструмента  является сложным процессом, состоящим  из нескольких самостоятельных, каждый из которых может определять общую  интенсивность износа.

В зависимости от того, какой вид  износа является преобладающим, следует предъявлять различные требования к свойствам материала инструмента.

Различают следующие виды износа.

Абразивный износ — результат скалывания, срезания и смятия неровностей на контактных поверхностях режущего инструмента при относительном движении. Этот вид износа преобладает при обработке хрупких материалов, а также материалов с твердыми составляющими структуры.                                           

Адгезионный износ заключается в непрерывно происходящих процессах схватывания и последующего отрыва мельчайших частиц материала инструмента. При оптимальных режимах резания преобладает этот вид износа.

Диффузионный износ наблюдается при обработке сталей твердосплавными инструментами на высоких скоростях резания. Он наступает тогда, когда температура контактных поверхностей превышает критическое значение начала химического взаимодействия твердого сплава с обрабатываемым материалом.

При этом происходит взаимное растворение элементов контактирующей пары — диффузия.

В результате диффузии карбиды вольфрама в твердом сплаве обезуглероживаются, твердость материала инструмента снижается, что способствует ускорению абразивного и адгезионного видов износа.

Скачкообразный (хрупкий) износ заключается в скалывании, выкрашивании частиц инструментального   материала, которые уносятся стружкой или обрабатываемым материалом.

Этот вид износа наблюдается  при прерывистых процессах резания, когда циклически возникающие «пики» температур и контактных напряжений создают динамическую нагрузку.

Инструменты, работающие на малых скоростях резания (сверла, зенкеры, развертки, метчики, протяжки и др.), изнашиваются чаще всего за счет истирания в результате сочетания абразивного и адгезионного износа. Интенсивность износа определяется отношением твёрдостей материала заготовки и инструмента при реальных температурах резания.

Интенсивность износа твердосплавных инструментов при высоких скоростях  резания определяется главным образом  взаимным диффузионным растворением, которое в свою очередь обусловлено наличием адгезии.

 

Рис. 10. Износ токарного резца.

 

Общий характер износа резца показан  на рис.10. Износ инструмента по главной задней поверхности приводит к образованию площадки с задним углом, равным нулю, а на передней поверхности — углубления в виде лунки.

Износ режущего инструмента приводит к ухудшению чистоты обработанной поверхности или отклонению размеров детали от заданных.

Для оценки степени износа инструмента  и своевременной смены затупившегося  инструмента существуют критерии износа. За критерий износа принимают чаще всего износ инструмента по главной задней поверхности.

Стойкость инструмента — время непрерывной работы его на постоянных режимах резания до затупления или до заданной величины износа.

Стойкость инструмента зависит  от условий резания. Так, при заданном обрабатываемом материале и инструменте стойкость уменьшается с увеличением скорости резания, подачи, глубины резания.

Стойкость инструмента определяется условиями достижения наибольшей производительности труда. 

                      

1.3. Скорость  резания, выбор режима резания

 

Скорость резания оказывает  наибольшее влияние на стойкость  инструмента. Поэтому при назначении режима резания ее выбирают последней  и такой, чтобы стойкость инструмента  была близка к оптимальной.                     

Выбор режима резания производят в  следующей последовательности.    

После того как определены оптимальная  геометрия инструмента и его  материал, выбирают режим резания. Величины u, S и t назначают такими, чтобы наиболее полно использовать режущие свойства инструмента и возможности металлорежущего станка.

Вначале задаются глубиной резания, так  как она меньше всего влияет на стойкость инструмента. При выборе глубины резания стремятся снять  припуск на обработку за один проход, оставляя лишь небольшую часть его  для последующей чистовой обработки.