- •Учебное пособие
- •1. Основы технологии обработки заготовок
- •1.1. Современные технологические методы формообразования
- •1.2. Кинематические основы формообразования поверхностей
- •1.5. Инструмент для формообразования поверхностей деталей машин
- •1.6. Физические закономерности (явления) процесса резания
- •1.7. Точность и качество обработанной поверхности
- •1.8. Производительность и выбор режима резания
- •1.9. Инструментальные материалы
- •2. Металлорежущие станки
- •2.1. Классификация металлорежущих станков
- •2.2. Кинематика станков
- •2.3. Классификация простейших механизмов станков
- •2.4. Условные обозначения элементов кинематических схем
- •2.5. Примеры обозначения и расчета простейших
- •2.6. Кинематическая схема токарно-винторезного станка 16к20
- •3. Обработка заготовок на токарных станках
- •3.1. Типы станков токарной группы
- •3.3. Типы токарных резцов
- •3 4. Принадлежности к токарным станкам
- •3.5. Способы закрепления заготовок
- •3.6. Работы, выполняемые на токарных станках
- •4. Обработка заготовок на фрезерных станках
- •4.1. Особенности процесса фрезерования
- •4.2. Работы, выполняемые на фрезерных станках
- •4.3. Типы фрез
- •4.5. Машинное время при фрезеровании
- •4.6. Схемы цилиндрического фрезерования
- •4.7. Типы фрезерных станков
- •4.8. Принадлежности к фрезерным станкам
- •4.9. Делительные головки
- •5. Обработка на сверлильных и расточных станках
- •5.1. Работы, выполняемые на сверлильных станках
- •5.2. Конструкции и геометрия осевых инструментов
- •5.3. Элементы режима резания
- •5.4. Типы сверлильных расточных станков
- •6. Обработка на строгальных, долбежных и протяжных станках
- •6.1. Особенности процессов строгания, долбления и протягивания
- •6.2. Станки строгально-протяжной группы
- •7. Зубонарезание
- •7.1. Методы нарезания зубчатых колес
- •7.2. Схемы обработки методом копирования
- •7.3. Схемы обработки зубчатых колес методом обкатки
- •8. Шлифование
- •8.1. Особенности процесса шлифования
- •8. 2. Характеристика и маркировка абразивного инструмента
- •500 × 50 × 305 – Размеры круга (мм); 35 м/с – допустимая окружная скорость
- •8.3. Основные схемы шлифования
- •8.4. Шлифовальные станки
- •9. Отделочные методы обработки
- •9.1. Обработка абразивными инструментами
- •9.2. Методы отделки зубьев зубчатых колес
- •9.3. Обработка методами пластического деформирования
- •10. Электрохимические и электрофизические методы размерной обработки
- •10.1. Электрохимические методы
- •10.2. Электроэрозионные методы
- •10.3. Ультразвуковая обработка
- •10.4. Лучевые методы
- •11. Основы теории обработки металлов давлением (омд). Процессы формообразования при омд
- •11.1. Сущность и основные способы обработки металлов давлением
- •11.2. Нагрев металла и нагревательные устройства
- •11.3. Технологические операции обработки металлов давлением
- •11.4. Технико-экономические показатели и критерии выбора рациональных способов обработки металлов давлением
- •Библиографический список
- •3 94026 Воронеж, Московский просп., 14
1.6. Физические закономерности (явления) процесса резания
Резание металлов - сложный процесс взаимодействия режущего инструмента и заготовки, сопровождающийся рядом физических явлений, таких как:
1) стружкообразование,
2) усадка стружки,
3) силы резания,
4) наростообразование,
5) упрочнение (наклеп) поверхностного слоя,
6) тепловыделения в зоне резания,
7) трение и износ инструмента,
8) вибрации.
● Стружкообразование и виды стружек
Процесс резания металла и образование стружки осуществляется в определенной последовательности (рис. 1.8, а):
- под действием силы резец вдавливается в металл, при этом в срезаемом слое возникают упругие деформации, которые, накапливаясь по абсолютной величине, переходят в пластические;
- возрастание пластической деформации приводит к сдвиговым деформациям - смещению частей кристаллов относительно друг друга;
- сдвиговые деформации вызывают скольжение отдельных частей зерен по плоскостям скольжения (по линии 0 - 0);
- плоскости скольжения дробят зерна на отдельные части (пластины), зерна при этом вытягиваются, располагаются цепочкой, металл упрочняется;
- при максимальной величине пластической деформации зерна смещаются относительно друг друга и скалывается элементарный объем металла.
Рис. 1.8. Схема процесса стружкообразования (а)
и виды стружек: б) сливная; в) скалывания; г) надлома
Следовательно, резание - это процесс последовательного деформирования срезаемого слоя материала; упругого и пластического разрушения.
При резании металлов с разными физико-механическими свойствами образуется три вида стружек: сливная, скалывания и надлома.
Сливная стружка (рис. 1.8, б) образуется при резании пластичных металлов и сплавов и представляет собой сплошную ленту с гладкой прирезцовой стороной и зазубринами на внешней стороне.
Стружка скалывания (рис. 1.8, в) образуется при обработке металлов средней твердости. Она состоит как бы из отдельных элементов, соединенных между собой в ленту.
Стружка надлома (рис. 1.8, г) образуется при обработке хрупких металлов и состоит из отдельных элементов, не связанных между собой.
Вид стружки кроме физико-механических свойств металла еще зависит от: режима резания, геометрии режущего инструмента, применяемых смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ).
● Усадка стружки
Усадка стружки - укорочение и утолщение стружки по сравнению с длиной и толщиной срезаемого слоя (рис. 1.9).
Рис. 1.9. Схема усадки стружки
Усадка характеризуется коэффициентом усадки К, который может быть: KL - коэффициент продольной усадки и
Ka - коэффициент поперечной усадки,
·
из равенства объемов материала стружки и срезанного слоя имеем a · b · L = a1 · b1 · L1 , при b = b1 получаем K = KL = Ka .
Чем пластичнее металл, тем больше коэффициент усадки стружки.
Для хрупких металлов К = 1, для пластичных К = 4...7.
Усадка стружки зависит от физико-механических свойств обрабатываемого материала, режима резания, геометрии инструмента, условий резания и др.
● Силы резания
Деформирование и срезание с заготовки слоя металла происходит под действием внешней силы «R», приложенной со стороны инструмента к обрабатываемой заготовке, в направлении главного движения. При этом работа, затрачиваемая на деформацию и разрушение металла равна:
A = Pz ·V = Aуд + Апд + Ат ,
где Aуд - работа, затраченная на упругое деформирование,
Апд - работа, затраченная на пластическое деформирование и разрушение металла,
Ат - работа, затраченная на преодоление сил трения инструмента о заготовку и стружку.
В результате сопротивления металла деформированию возникают реактив- ные силы, действующие на резец: нормального давления и силы трения.
Равнодействующую R от указанных сил можно разложить на состав-ляющие, действующие по трем взаимно перпендикулярным направлениям: координатным осям станка (рис. 1.10).
Такими являются:
ось x - линия центров станка,
ось y - линия, перпендикулярная к линии центров станка,
ось z - линия, перпендикулярная к плоскости (x - y).
R - равнодействующая сил, действующих на резец,
Рz - вертикальная составляющая силы резания,
Рy - радиальная составляющая силы резания,
Px - осевая составляющая силы резания.
Рис. 1.10. Разложение силы резания на составляющие
По силе Pz определяют крутящий момент на шпинделе станка, эффективную мощность резания, деформацию изгиба заготовки в плоскости (x - z), изгибающий момент на стержень резца. По силе Pz ведут динамический расчет механизмов коробки скоростей станка.
По силе Рy определяют упругое отжатие резца от заготовки и деформацию изгиба заготовки в плоскости x - y.
По силе Px рассчитывают механизмы подач станка и изгибающий момент, действующий на стержень резца.
● Наростообразование
Нарост - слой обрабатываемого металла, образующийся на передней поверхности инструмента (рис. 1.11). Нарост обладает прочностью и твердостью гораздо большими, чем у исходного металла.
Рис. 1.11. Наростообразование при точении
Нарост играет двоякую роль в процессе резания.
Преимущества нароста:
- увеличивает передний угол (+γ), что приводит к уменьшению силы резания;
- способен сам резать исходный материал;
- удаляет центр давления стружки от режущей кромки, что уменьшает износ режущего инструмента;
улучшает отвод тепла от инструмента.
Недостатки нароста:
- нарост увеличивает шероховатость обработанной поверхности, периодически срываясь с инструмента и внедряясь в обработанную поверхность;
- частицы нароста, внедрившиеся в обработанную поверхность, вызывают повышенный износ другой детали в соединении и всей пары трения;
- ввиду изменения угла γ изменяется величина силы резания, а это приводит к вибрациям станка и инструмента, что ухудшает качество обработанной поверхности.
Нарост является положительным явлением при черновых операциях и отрицательным при чистовых.
Наростообразование зависит от физико-механических свойств обрабатываемого материала, скорости резания, геометрии режущего инструмента и других факторов.
● Наклеп (упрочнение)
Упрочнение (наклеп) - увеличение твердости и прочности поверхностного слоя, в результате искажения кристаллической решетки зерен под действием упругой и пластической деформаций металла.
В реальных условиях режущая кромка инструмента всегда имеет радиус закругления (ρ) (рис. 1.12). Из-за него в процессе резания часть толщины срезаемого слоя подвергается упругопластическому деформированию.
Рис. 1.12. Схема образования поверхностного слоя и наклепа:
Н - ширина контактной площадки; hy - толщина упрочненного слоя
Наклеп характеризуется толщиной упрочненного слоя (hy) и степенью наклепа (ηH):
,
НВП - микротвердость поверхностного слоя,
НВо - микротвердость исходного материала.
Пластичные материалы подвергаются большему упрочнению, чем хрупкие или твердые.
В целях получения повышенной поверхностной прочности и остаточных напряжений сжатия, наклеп является явлением положительным. Однако, наклеп, полученный при черновых операциях, при дальнейшей чистовой обработке интенсивнее изнашивает инструмент. Это отрицательное явление наклепа.
● Тепловыделения в зоне резания
Работа, затрачиваемая на упругопластическое деформирование обрабатываемого материала, трение стружки о режущий инструмент, трение инструмента о поверхность резания и обработанную поверхность заготовки, превращается в тепловую энергию.
Общее количество теплоты, выделившееся в процессе резания в минуту составляет: Q = Рz • V (Дж/мин).
Тепловой баланс процесса резания можно записать (рис. 1.13):
Q = Qупд + Qтп + Qтз = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 ,
где Qупд - тепло выделившееся при упругопластическом деформировании обрабатываемого материала,
Qтп - тепло от трения стружки о переднюю поверхность инструмента,
Qтз - тепло от трения задней поверхности инструмента о заготовку,
Q1 - тепло, отводимое стружкой (30 ... 80 % от Q),
Q2 - тепло, отводимое заготовкой (10 ... 50 %),
Q3 - тепло, отводимое режущим инструментом (2 ... 8 %),
Q4 - тепло, переходящее в окружающую среду (около 1 %).
Рис. 1.13. Источники образования и распределения теплоты резания
Теплообразование отрицательно влияет на процесс резания:
- нагрев инструмента снижает его твердость и приводит к ускорению износа;
- нагрев инструмента изменяет его размеры, что приводит к ухудшению точности размеров и формы обработанных поверхностей;
- нагрев заготовки вызывает изменение размеров и формы деталей;
- температурные деформации инструмента, приспособления, заготовки и станка снижают качество обработки.
Для снижения влияния теплоты на процесс резания используют смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ) и смазочно-охлаждающие вещества (СОВ).
Различают следующие СОЖ:
- водные растворы минеральных электролитов, эмульсии, мыльные растворы;
- минеральные, животные и растительные масла;
- минеральные масла с добавлением фосфора, серы, хлора (сульфо- фрезолы), керосин и растворы поверхностно-активных веществ в керосине;
масла и эмульсии с добавлением смазывающих веществ (графита, парафина, воска).
СОВ тоже могут быть различные:
- газы и газообразные вещества: СО2, CCl2, N2;
- пары поверхностно-активных веществ;
- распыленные жидкости (туман) и пены;
- твердые вещества: порошки воска, парафина, петролатума, битума;
- мыльные порошки.
Чаще всего при обработке резанием применяют СОЖ, особенно водные эмульсии с добавками ингибиторов (антикоррозионных добавок). Кроме этого, существенную роль в охлаждении имеет способ подачи СОЖ в зону резания.
● Трение, износ и стойкость инструмента
Трение между инструментом, стружкой и заготовкой вызывает износ режущего инструмента.
Износ режущего клина может происходить:
- по задней поверхности,
- по передней поверхности,
- по задней и передней поверхностям одновременно.
Износ по задней поверхности является определяющим.
Характер изнашивания (вид износа) может быть различным.
Виды износа:
- абразивно-механический - разрушение (царапанье) слоев инструмента твердыми частицами обрабатываемого материала при трении;
- адгезионный - схватывание микрочастиц материалов инструмента и заготовки при высоких температурах;
- диффузионный - взаимное растворение химических элементов материалов инструмента и заготовки, особенно при повышенных температурах (Θ > 800°С);
- окислительный - образование малопрочных окислов при нагреве инструмента в среде кислорода воздуха, которые легко изнашиваются стружкой и заготовкой;
- усталостный - в результате периодической нагрузки на режущую кромку при резании поверхности с большими микронеровностями.
При реальном изнашивании в конкретных условиях резания могут быть различные комбинации перечисленных видов износа.
При достижении определенного значения допустимого износа по задней поверхности - hз, который называется критерием износа, инструмент подвер-гается заточке.
Период работы инструмента между переточками называется стойкостью - « Ti », которая измеряется в минутах.
Суммарный период службы инструмента:
ΣT = ni • Ti ,
где ni - число переточек инструмента до полной амортизации
режущей части.
Стойкость инструмента зависит от физико-механических свойств материалов инструмента и заготовки, режима резания, геометрии инструмента, условий обработки.
Наибольшее влияние на стойкость оказывает скорость резания, в соответствии с зависимостью:
полученной из
где СV - коэффициент, учитывающий свойства обрабатываемого
материала;
т - показатель относительной стойкости.
● Вибрации при резании металлов
При определенных условиях обработки заготовок на станках возникают периодические колебательные движения - вибрации, при которых процесс резания теряет устойчивость, резко снижается качество обработанной поверх- ности: появляется волнистость, возрастает шероховатость. При вибрациях возникает шум, который утомляет станочников.
Различают вибрации - вынужденные и автоколебания.
Вынужденные колебания (вибрации) возникают под действием внешних периодических возмущающих сил. Их можно легко устранить, уменьшив величину возмущающих сил, повысив жесткость узлов станка.
Автоколебания характеризуются тем, что силы, вызывающие колебания, возникают в процессе резания. Уменьшить автоколебания можно правильным выбором режима резания, инструмента с определенной геометрией, правильной установкой инструмента и заготовки на станке, применением виброгасителей и т.п.