Обработка металлов резанием

Введение

 

Обработка металлов и других конструкционных  материалов резанием на металлорежущих станках — весьма распространенный производственный процесс, назначением  которого является придание поверхностям заготовки с помощью режущего инструмента правильной геометрической формы, размеров и соответствующей чистоты.

На большинстве машиностроительных заводов трудоемкость обработки  резанием составляет 45—60% от общей  трудоемкости изготовления машин и  поэтому совершенствование технологии резания металлов является актуальной народнохозяйственной задачей. Изучение закономерностей явлений, связанных с резанием металлов, конструкцией режущих инструментов и металлорежущих станков, необходимо не только для сознательного управления процессами резания, но и для проектирования более совершенных технологических процессов изготовления деталей машин и приборов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОЦЕССЕ РЕЗАНИЯ МЕТАЛЛОВ

1.1. Основные понятия и определения

 

Виды обработки металлов резанием различаются между собой конструкцией используемого режущего инструмента и характером относительных движений, совершаемых инструментом и обрабатываемой заготовкой на металлорежущем станке.

В качестве примера характер движений при некоторых способах обработки  приведен в таблице 1.

Для разных видов обработки применимы общие понятия и определения. Для удобства они рассмотрены на примере точения.

Поверхности заготовки  и координатные плоскости. На обрабатываемой заготовке при снятии с нее стружки (рис. 1) различают обрабатываемую поверхность, с которой срезается стружка; обработанную поверхность, с которой срезана стружка; поверхность резания, образованную главным режущим лезвием резца. За координатные плоскости принимают плоскость резания, касательную к поверхности резания и проходящую через главное режущее лезвие резца, и основную плоскость, параллельную направлениям продольной и поперечной подач.

 

 

Рис. 1.  Координатные плоскости  и поверхности обрабатываемой заготовки: 1-обрабатываемая поверхность; 2-обработанная поверхность; 3-поверхность резания; 4-плоскость резания; 5-основная плоскость.

Таблица 1.

Характер движений при некоторых  способах обработки.

 

Способ обработки	Наименова ние режущего инструмента	Характер движения		Траектория относительного движения
		режущего инструмента	обрабатываемой заготовки
Точение (токарный станок)	Проходной резец	Поступательное прямолинейное, параллельно оси заготовки	Вращательное	Винтовая линия
Точение (токарный станок)	Отрезной резец	Поступательное прямолинейное, перпендикулярно оси заготовки	Вращательное	Архимедова спираль
Строгание (продольно-строгальный станок)	Строгальный резец	Неподвижен в процессе резания. Периодическая поступательная подача	Прямолинейное, возвратно- поступательное	Прямая линия
Протягивание (протяжной станок)	Протяжка	Прямолинейное поступательное	Неподвижна	Прямая линия
Сверление, зенкерование, развертывание, сверлильный станок)	Сверло, зенкер, развертка	Вращательное и поступательное	Неподвижна	Винтовая линия
Сверление (токарный станок)	Сверло	Поступательное	Вращательное	Винтовая линия
Фрезерование (фрезерный  станок)	Фреза	Вращательное	Поступательное	Циклоида

 

Элементы режущей части  и геометрия (углы) резца. Резец (рис. 2), состоит из стержня /, служащего для закрепления его в резцедержателе станка, и режущей части // (головки).

Различают следующие элементы режущей  части резца:

1) передняя поверхность, по которой  сходит стружка;

2) главная задняя поверхность,  которая обращена к поверхности  резания;

 

Рис. 2. Части и элементы токарного прямого проходного резца: 1- передняя поверхность: 2-вершина резца; 3-вспомогательное режущее лезвие, 4-вспомогательная  задняя поверхность; 5-глаиная задняя поверхность: 6-главное режущее лезвие.

 

3) вспомогательная задняя поверхность, обращенная к обработанной поверхности заготовки;

4) главное режущее лезвие —  образовано пересечением передней  и главной задней поверхностей. Оно совершает основную работу  резания;

5) вспомогательное режущее лезвие  — образовано пересечением передней и вспомогательной задней поверхностей.

Вершина резца — точка пересечения  режущих лезвий. Для увеличения износостойкости  резца и повышения чистоты  обработанной поверхности вершину его закругляют дугой окружности или срезают прямолинейным переходным лезвием.

Углы резца определяют взаимное расположение поверхностей его режущей  части, а также остроту режущего клина, форму поперечного сечения срезаемого слоя.

Главные углы резца (рис. 3, а) рассматривают в главной секущей плоскости А, которая проходит перпендикулярно к проекции главного режущего лезвия на основную плоскость.

Передний угол g измеряют между передней поверхностью резца и плоскостью, перпендикулярной к плоскости резания. Его назначение —уменьшить усилие деформации срезаемого слоя металла.

Главный задний угол a измеряют между главной задней поверхностью резца и плоскостью резания; он служит для уменьшения трения между главной задней поверхностью резца, и поверхностью резания заготовки.

 

Рис. 3. Углы заточки резца: а — главные углы: б — углы в плане: в — угол наклона главного режущего лезвия.

 

Угол заострения b измеряют между передней и главной задней поверхностями резца. Угол b на чертеже обычно не обозначают, так как его величину определяют из выражения

b = 90° — (a° + g°).

Угол резания  измеряют между плоскостью резания и передней поверхностью резца. Значение угла d определяют из выражения

d=90°—g°.

Если d < 90°, то угол g положительный, если d > 90°, то угол g отрицательный и обозначается со знаком «минус».

Вспомогательные углы резца  a₁ и g₁ измеряют во вспомогательной секущей плоскости.

Углы резца в плане измеряют в основной плоскости (рис. 3, б).

Главный угол в плане j измеряют между проекцией главного режущего лезвия на основную плоскость и направлением продольной подачи. От его величины зависит форма поперечного сечения срезаемого слоя, чистота обработанной поверхности, износ инструмента.

Вспомогательный угол в плане j₁ измеряют между проекцией вспомогательного режущего лезвия на основную плоскость и направлением, обратным направлению продольной подачи. Он оказывает влияние на чистоту, обработанной поверхности.

Угол в плане при вершине  резца e измеряют между проекциями режущих лезвий на основную плоскость.

Его величину определяют из выражения

e = 180° — (j⁰ + j₁⁰).

Угол наклона главного режущего лезвия l (рис. 3, в) измеряют в плоскости резания между главным режущим лезвием резца и линией, проведенной через вершину резца параллельно основной плоскости. Как видно из рис. 3. в, угол l может быть положительным, отрицательным и равным 0. Угол l определяет положение передней поверхности резца в пространстве и влияет на направление схода стружки.

Режим резания и размеры срезаемого слоя (рис. 4). На металлорежущем станке обычно совершается два рабочих  движения: главное движение, которое определяет скорость деформирования металла и отделения стружки, а также движение подачи, которое обеспечивает непрерывность процесса резания.

 

Рис. 4. Элементы резания и геометрий срезаемого слоя.

 

В случае токарной обработки главное движение — вращение заготовки, а движение подачи — поступательное перемещение резца.

Скорость резания u — это скорость перемещения точки режущего лезвия инструмента относительно обрабатываемой поверхности заготовки в направлении главного движения. Ее измеряют в метрах в минуту и определяют по формуле:

 м/мин,

где D — диаметр заготовки, мм (по обрабатываемой поверхности);

n— число оборотов заготовки в мин.

Подача S (мм/об) — это перемещение  инструмента в направлении движения подачи за один оборот заготовки.

Различают также минутную подачу S_мин — перемещение инструмента за одну минуту: S_мин == Sn мм/мин.

Глубина резания  t (мм) — расстояние между обрабатываемой и обработанной поверхностями, измеренное в направлении, перпендикулярном к последней за один проход:

 мм,

где d — диаметр заготовки по обработанной поверхности, мм. Величины S и t определяют номинальную площадь поперечного сечения срезаемого слоя металла

f = tS мм²

Объем металла, срезаемый за одну минуту: G = vSt см³/мин.

Основное (технологическое) время обработки поверхности  заготовки определяют из выражения

 мин,

где L  — путь перемещения инструмента при обработке поверхности заготовки за один проход, мм;

h — припуск на сторону, мм.

Отношение h/t = i — число проходов.

Толщиной срезаемого металла  a называется расстояние между двумя последовательными положениями главного режущего лезвия инструмента за время одного полного оборота заготовки. Ширина срезаемого слоя b — это расстояние между обрабатываемой и обработанной поверхностями, измеренное по поверхности резания. Согласно данным, приведенным на рис. 4, имеем

a = S sin j;

;

f = St = ab мм².

Приведенные соотношения показывают, что при неизменных t и S можно изменять форму поперечного сечения срезаемого слоя металла за счет изменения величины главного угла в плане.

 

1.2. Физические основы процесса  резания металлов

 

Целью процесса резания является удаление с заготовки части металла  в виде стружки для придания ей необходимой геометрической формы, размеров и чистоты поверхностей. При срезании стружки наблюдаются пластическая деформация и выделение большого количества теплоты. На рабочие поверхности инструмента и заготовку действуют значительные контактные напряжения, под влиянием которых инструмент интенсивно изнашивается.

Изучение закономерностей этих явлений позволяет сознательно  управлять процессом резания, определять оптимальные условия обработки  заготовок на металлорежущих станках.

Явления пластической деформации, при  резании металлов. При внедрении режущей части инструмента в обрабатываемый материал образуется упруго- и пластически деформированный объем—зона опережающей деформаций или зона стружкообразования, которая охватывает как срезаемый слой, так и часть материала под обработанной поверхностью.

 

 

Рис. 5. Схематическое изображение зоны стружкообразования.

 

Будущий элемент стружки вначале  деформируется упруго, затем пластически  и, наконец, когда напряжения превзойдут предел прочности, отделяется от остального металла.

Как видно из рис.5, зона стружкообразования имеет клинообразную форму и ограничивается линией ОА, являющейся начальной границей зоны стружкообразования, вдоль которой происходят первые сдвиговые деформации, и линией 0В — конечной границей зоны стружкообразования. Достигнув этой границы, деформируемый материал приобретает наибольшую степень пластической деформации, свойственную образовавшейся стружке.

Для упрощения зону стружкообразования заменяют одной плоскостью, которая называется плоскостью сдвига, а угол, под которым наклонена эта плоскость к направлению движения, называют углом сдвига.

Зона опережающей деформации проникает  за линию среза XX, что приводит к  пластической деформации слоя металла  под обработанной поверхностью (рис. 5).

Образовавшийся элемент стружки при своем движении по передней поверхности резца дополнительно деформируется вследствие трения. Вот почему нижние прирезцовые слои стружки всегда значительнее деформированы, чем наружные.

Таким образом, процесс образования  элемента стружки можно разделить на три этапа. На первом этапе происходит упругопластическая деформация металла; будущий элемент стружки упрочняется в зоне стружкообразования.

На втором этапе элемент стружки  сдвигается по плоскости сдвига. Это  происходит в тот момент, когда напряжение в срезаемом слое превышает сопротивление сдвигу.

Третий этап заключается в дополнительной деформации образовавшегося элемента стружки при движении его по передней поверхности резца.                 

В зависимости от условий резания  и свойств обрабатываемого материала стружка может иметь различную форму.

Процесс стружкообразования сопровождается такими явлениями, как усадка стружки, нарост и упрочнение поверхностного слоя обработанной детали.

Усадка стружки происходит в  результате пластической деформации срезаемого слоя и заключается в изменении его формы.

Затормаживаясь под действием  сил трения на передней поверхности, стружка становится короче, а поперечное сечение ее увеличивается. Усадка стружки сравнительно легко поддается измерению и поэтому может служить мерой степени пластической деформации срезаемого слоя.

Степень усадки стружки больше у  пластичных материалов, она увеличивается  с ростом угла резания и уменьшается  с увеличением толщины срезаемого слоя и скорости резания. Увеличение толщины срезаемого слоя и скорости резания не только ускоряет процесс обработки, но и снижает удельный расход работы на срезание металла. Следует иметь ввиду, что около 90% работы резания расходуется на пластическое деформирование металла.

Нарост. При обработке пластичных металлов в определенном диапазоне скоростей резания на передней поверхности резца вблизи режущего лезвия появляется так называемый нарост (рис. 6), который обладает высокой твердостью.

 

Рис. 6. Схема образования нароста.

 

Нарост — результат своеобразного явления схватывания — адгезии, имеющей место на участке контакта между стружкой и передней поверхностью резца под действием высоких температур и давлений. Нарост уменьшает угол резания и защищает резец от износа. В этом его положительное значение.

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.