книги / Резание материалов.-1
.pdfФедеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский государственный технический университет»
В.Ф. Макаров
РЕЗАНИЕ МАТЕРИАЛОВ
Допущено Учебно-методическим объединением вузов по образованию в области автоматизированного машиностроения (УМО АМ) в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки: «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств»; «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроитель-
ных производств»
Издательство Пермского государственного технического университета
2009
УДК 621.9. 02. ББК 34.63-5 М55
Рецензенты:
заведующий кафедрой «Технология авиационных двигателей, общего машиностроения и управления качеством»
Рыбинской государственной авиационной технологической академии им. П.А. Соловьева, доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ В.Ф. Безъязычный; директор НИЦ «Новые технологии и инструменты» МГТУ «Станкин», доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ В.К. Старков
Макаров, В.Ф.
М55 Резание материалов: учеб. пособие / В.Ф. Макаров. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2009. – 364 с.
ISBN 978-5-398-00139-6
Представлен современный теоретический и практический материал по обработке резанием с применением новых инструментальных материалов и новых конструкций режущих лезвийных и абразивных инструментов. Приведены методики и результаты теоретических и экспериментальных исследований отечественных и зарубежных ученых в области изучения физических явлений процесса резания, его кинематики и динамики, износа и стойкости режущего инструмента, применения связывающе-охлаждающих технологических средств, оптимизации процесса резания, параметров качества поверхностного слоя и обоснованность выбора оптимальных режимов резания различных материалов. Даны примеры высокоэффективных методов обработки резанием на современных станках с числовым программным управлением и обрабатывающих центрах. Показаны тенденции и перспективы дальнейшего развития науки и техники резания материалов.
Предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 151001 «Технология машиностроения», 151002 «Металлорежущие станки и инструменты», направление подготовки дипломированных специалистов 150900 «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств», и может быть полезно специалистам предприятий и аспирантам.
|
УДК 621.9.02 |
|
ББК 34.63-5 |
ISBN 978-5-398-00139-6 |
© ГОУ ВПО |
|
«Пермский государственный |
|
технический университет», 2009 |
2
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Введение............................................................................................... |
8 |
Глава 1. Кинематика процесса резания ............................................. |
16 |
1.1. Основы кинематики резания .................................................. |
16 |
1.1.1. Виды движений при резании материалов..................... |
16 |
1.1.2. Поверхности заготовки в процессе резания.................. |
19 |
1.1.3. Кинематические схемы резания..................................... |
20 |
1.2. Геометрия режущей части инструмента................................ |
21 |
1.2.1. Конструкция, части и поверхности токарного резца... |
21 |
1.2.2. Геометрические параметры резца (углы заточки)........ |
22 |
1.2.3. Изменения углов заточки режущих инструментов |
|
при установке и в процессе резания........................................ |
27 |
1.2.4. Формы передней поверхности резцов........................... |
33 |
1.3. Классификация видов обработки резанием .......................... |
37 |
1.4. Элементы режима резания и срезаемого слоя...................... |
41 |
1.4.1. Элементы режима резания.............................................. |
41 |
1.4.2. Элементы срезаемого слоя ............................................. |
43 |
Контрольные вопросы и задания ....................................................... |
52 |
Глава 2. Динамика процесса резания................................................ |
53 |
2.1. Деформация и напряжения в процессе резания.................... |
53 |
2.1.1. Физическая сущность процесса резания....................... |
53 |
2.1.2. Методы изучения и оценки пластической |
|
деформации................................................................................ |
59 |
2.1.3. Методы моделирования деформаций при изучении |
|
процессов резания ..................................................................... |
62 |
2.2. Процесс стружкообразования................................................. |
65 |
2.2.1. Типы стружек при резании пластичных и хрупких |
|
материалов ................................................................................. |
65 |
2.2.2. Деформированное состояние зоны |
|
стружкообразования при элементной и сливной стружке.... |
68 |
2.2.3. Взаимосвязь явлений стружкообразования |
|
в процессе резания..................................................................... |
82 |
3 |
|
2.2.4. Изменение размеров и формы стружки по сравнению |
|
со срезаемым слоем. Понятие об усадке стружки................. |
88 |
2.2.5. Методы завивания и дробления сливной стружки...... |
94 |
2.3. Контактные явления, трение и наростообразование |
|
при резании материалов................................................................. |
95 |
2.3.1. Контактные явления и трение на передней и задней |
|
поверхностях инструмента....................................................... |
95 |
2.3.2. Процесс наростообразования......................................... |
104 |
2.3.3. Влияние условий обработки на высоту нароста........... |
107 |
2.3.4. Положительные и отрицательные свойства нароста ... |
109 |
2.3.5. Методы борьбы с наростом............................................ |
110 |
2.4. Сила резания, работа и мощность резания............................ |
111 |
2.4.1. Система сил, действующих на передней и задней |
|
поверхностях инструмента....................................................... |
111 |
2.4.2. Составляющие силы резания при точении ................... |
116 |
2.4.3. Зависимость составляющих силы резания от условий |
|
обработки................................................................................... |
119 |
2.4.4. Влияние геометрических параметров резца |
|
на составляющие силы резания ............................................... |
122 |
2.4.5. Влияние степени затупления резца и смазочно- |
|
охлаждающих жидкостей на составляющие силы резания... |
127 |
2.4.6. Методы определения сил резания ................................. |
129 |
2.4.7. Вибрации и шум при обработке резанием.................... |
135 |
2.4.8. Эмпирические формулы для расчета |
|
составляющих силы резания.................................................... |
144 |
2.4.9. Работа и мощность резания............................................ |
144 |
2.5. Контрольные вопросы и задания........................................... |
145 |
Глава 3. Теплофизика процесса резания........................................... |
146 |
3.1. Температура резания и тепловое поле................................... |
146 |
3.1.1. Источники образования тепла и распределение |
|
тепла между стружкой, инструментом и деталью ................ |
146 |
3.1.2. Понятие о тепловом поле и температуре резания....... |
151 |
3.1.3. Основные экспериментальные методы изучения |
|
тепловых явлений...................................................................... |
155 |
3.1.4. Зависимость температуры резания от условий |
|
обработки................................................................................... |
163 |
4 |
|
3.1.5. Эмпирическая формула для расчета температуры |
|
резания........................................................................................ |
165 |
3.1.6. Понятия об оптимальной температуре резания............ |
165 |
3.2. Смазывающе-охлаждающие технологические средства ..... |
167 |
3.2.1. Требования, предъявляемые к смазочно-охлаждаю- |
|
щим жидкостям.......................................................................... |
168 |
3.2.2. Классификация смазочно-охлаждающих технологи- |
|
ческих средств ........................................................................... |
170 |
3.2.3. Влияние СОТС на стойкость инструментов, силы |
|
резания и качество обработанной поверхности...................... |
182 |
3.2.4. Рекомендации по применению СОТС........................... |
184 |
Контрольные вопросы и задания ....................................................... |
185 |
Глава 4. Износ и стойкость режущего инструмента ....................... |
186 |
4.1. Краткие сведения об инструментальных материалах.......... |
186 |
4.1.1. Требования, предъявляемые к инструментальным |
|
материалам................................................................................. |
186 |
4.1.2. Классификация инструментальных материалов, |
|
их маркировка и применение ................................................... |
188 |
4.2. Изнашивание и разрушение режущих инструментов............... |
210 |
4.2.1. Напряжения в инструменте и виды износа |
|
инструмента............................................................................... |
211 |
4.2.2. Физическая сущность и виды изнашивания |
|
инструментов............................................................................. |
219 |
4.3. Понятие о стойкости режущих инструментов...................... |
230 |
4.3.1. График износа за время работы инструмента............... |
230 |
4.3.2. Период стойкости инструмента ..................................... |
234 |
4.3.3. Критерии износа-затупления инструмента................... |
235 |
4.3.4. Зависимость «скорость резания – стойкость |
|
инструмента» ............................................................................. |
239 |
4.3.5. Характеристики размерной стойкости инструмента.... |
240 |
4.3.6. Влияние скорости (температуры) резания |
|
на характеристики размерной стойкости. Зависимость |
|
стойкость–скорость (Т–V)......................................................... |
242 |
4.3.7. Положение о постоянстве оптимальной температуры |
|
резания........................................................................................ |
245 |
5 |
|
4.3.8. Экономическая скорость резания и скорость резания, |
|
соответствующая максимальной производительности |
|
на данном рабочем месте.......................................................... |
249 |
4.3.9. Возможные потери при выборе высоких периодов |
|
стойкости.................................................................................... |
250 |
4.3.10. Влияние различных факторов на скорость резания |
|
и стойкость инструмента.......................................................... |
252 |
4.3.11. Номограммы для выбора режимов резания................ |
255 |
4.3.12. Характер изнашивания и средние величины |
|
максимально допустимого износа инструментов.................. |
257 |
4.4. Контрольные вопросы и задания........................................... |
260 |
Глава 5. Влияние условий резания на качество поверхностного |
|
слоя обработанной детали.................................................................. |
261 |
5.1. Понятие о поверхностном слое, возникающем |
|
при резании..................................................................................... |
261 |
5.2. Основные параметры, определяющие качество |
|
поверхностного слоя...................................................................... |
262 |
5.2.1. Шероховатость обработанной поверхности................. |
262 |
5.2.2. Наклеп поверхностного слоя при резании металлов... |
264 |
5.2.3. Остаточные поверхностные напряжения...................... |
267 |
5.3. Зависимость параметров качества поверхностного слоя |
|
от условий обработки..................................................................... |
272 |
5.3.1. Влияние условий обработки на шероховатость |
|
поверхности............................................................................... |
272 |
5.3.2. Влияние условий обработки на наклеп поверхности... |
276 |
5.3.3. Влияние условий обработки на остаточные |
|
напряжения ................................................................................ |
280 |
5.4. Влияние качества поверхностного слоя |
|
на эксплуатационные свойства деталей....................................... |
283 |
5.5. Особенности образования поверхности при чистовой |
|
лезвийной и абразивной обработке .............................................. |
284 |
5.5.1. Понятие об абразивном инструменте. |
|
Характеристики абразивного инструмента............................. |
285 |
5.5.2. Виды шлифования. Элементы режима резания |
|
при круглом наружном шлифовании ...................................... |
294 |
6 |
|
5.5.3. Физическая сущность процесса шлифования, |
|
особенности образования поверхностного слоя..................... |
296 |
5.5.4. Силы резания при шлифовании ..................................... |
299 |
5.5.5. Износ и стойкость абразивного инструмента............... |
300 |
5.5.6. Назначение режимов резания при шлифовании........... |
301 |
5.6. Контрольные вопросы и задания ........................................... |
302 |
Глава 6. Оптимизация процесса резания........................................... |
302 |
6.1. Понятие об обрабатываемости материалов резанием.......... |
302 |
6.1.1. Основные параметры обрабатываемости...................... |
303 |
6.1.2. Выбор рациональных скоростей резания...................... |
306 |
6.1.3. Способы определения обрабатываемости..................... |
309 |
6.1.4. Методы улучшения обрабатываемости......................... |
316 |
6.1.5. Особенности обрабатываемости резанием |
|
различных материалов.............................................................. |
318 |
6.2. Выбор и назначение оптимальных параметров режущего |
|
инструмента .................................................................................... |
341 |
6.3. Назначение оптимальных режимов резания различными |
|
методами.......................................................................................... |
342 |
6.3.1. Табличный метод............................................................. |
343 |
6.3.2. Аналитический расчет оптимальных режимов |
|
резания........................................................................................ |
343 |
6.4. Контрольные вопросы и задания ........................................... |
345 |
Глава 7. Современные направления развития науки и практики |
|
обработки материалов резанием ........................................................ |
346 |
7.1. Адаптивное управление процессом резания......................... |
346 |
7.2. Развитие высокоскоростного резания.................................... |
347 |
7.3. Новые принципы резания в условиях гибкого |
|
производства................................................................................... |
348 |
7.4. Гидроабразивная резка материалов....................................... |
352 |
7.5. Контрольные вопросы и задания ........................................... |
358 |
Список литературы.............................................................................. |
359 |
7
ВВЕДЕНИЕ
Резание материалов – это наука, имеющая свою сложную теорию и широкое практическое применение в промышленности. Процессом резания материалов называется процесс срезания с заготовки заданного припуска материала в виде стружки с целью получения из заготовки детали необходимых формы, размеров и требуемого качества. Несмотря на значительное развитие способов формообразования без снятия стружки, таких как литье, ковка, штамповка, прессование, в начале XXI века обработка материалов резанием остается основным способом изготовления точных деталей машин и механизмов в силу таких своих существенных преимуществ перед другими видами обработки, как универсальность, гибкость, малая энергоемкость, простота эксплуатации, технологическая маневренность, высокая производительность, возможность обработки деталей любой формы и размеров с высокой точностью и качеством, обеспечивающим стабильные эксплуатационные параметры машин. Эти преимущества процесса резания сегодня еще больше возросли в машиностроении в связи с переходом от прежнего массового производства машин и механизмов на производство современных конкурентноспособных машин небольшими сериями, партиями с использованием современных станков с числовым программным управлением (ЧПУ) и гибких быстропереналаживаемых обрабатывающих центров.
За прошедшее столетие в области науки о резании металлов выполнено огромное количество научных исследований, установлены основные закономерности процесса резания, разработаны высокоэффективные инструментальные материалы, создано современное высокопроизводительное компьютеризированное оборудование.
Дальнейшее развитие науки о резании связано с решением проблем обработки деталей новых высокоэффективных конкурентоспособных на внутреннем и внешнем рынках машин и механизмов, имеющих более высокие эксплуатационные параметры и изготавливаемых из новых более труднообрабатываемых материалов. Сегодня это, например, наиболее актуально для предприятий авиационно-
8
космического профиля Пермского края при изготовлении такого особого класса сложнейших машин и механизмов, как газотурбинные двигатели (ГТД) для авиации, наземных энергетических и газоперекачивающих установок, двигатели первой ступени ракеты «Протон», артиллерийские и ракетные установки и др. Появление новых обрабатываемых материалов, повышение точности размеров, обеспечение более низкой шероховатости, снижение себестоимости обработки деталей ставит перед специалистами машиностроительного производства все новые и более сложные задачи.
Процесс срезания припуска осуществляется при помощи специальных режущих инструментов, имеющих в поперечном сечении форму клина. Форма клина для режущего инструмента изобретена еще древним человеком много сотен лет назад. Первоначально это были деревянные и каменные инструменты в виде ножей и топоров, а позднее появились и металлические инструменты. Форма клина для любого режущего инструмента изобретена древним человеком неслучайно. Сегодня мы можем объяснить наличие клина на режущих инструментах с физической точки зрения. Например, при колке дров применяют режущий инструмент – топор или колун, имеющий форму клина в поперечном сечении. В ходе колки мы можем проследить последовательно несколько процессов. Сначала режущая кромка топора упруго деформирует деревянный материал. Происходит упругая деформация. Затем наступает пластическая деформация материала со следами врезания топора, а затем под действием клина происходит разрыв межмолекулярных связей обрабатываемого материала. Образуется трещина, и чурка раскалывается на два полена. Наличие наклонных поверхностей клина на топоре и создает силу разрыва межмолекулярных связей и разрушение материала. Эти явления мы можем наблюдать и при резке других материалов в бытовых условиях и, конечно, при обработке заготовок деталей машин на металлорежущих станках. Здесь с обрабатываемой поверхности заготовки последовательно срезаются тонкие слои материала, называемые стружкой, с целью получения детали необходимой формы и размеров.
9
В процессе механической обработки деталей помимо видоизменения формы и размеров заготовки происходит формирование особых свойств поверхностного слоя, его макро- и микроструктуры, что непосредственным образом влияет на усталостную прочность, долговечность деталей и, в конечном счете, на надежность и ресурс работы изготавливаемого изделия. Окончательное формирование основных параметров качества поверхностного слоя и усталостной прочности деталей машин происходит на чистовых финишных операциях механической обработки, с которыми студенты познакомятся в данном учебном пособии.
Наука о резании материалов – относительно молодая наука. Первые теоретические работы в этой области знаний появились в конце XIX века в России. Ранее в различных странах Европы и США проводились лишь отдельные чисто экспериментальные работы без объяснения физического смысла процесса резания. Основоположником научного направления в резании материалов является русский профессор Санкт-Петербургского горного института Иван Августович Тиме (1838–1920). В 1870 году он опубликовал монографию «Сопротивление металла и дерева резанию». В ней он впервые показал, что без детального изучения физических основ резания невозможно организовать рациональную и научно обоснованную механическую обработку. Он впервые исследовал характер деформации срезаемого слоя, установил классификацию типов стружек, разработал методы измерения сил резания и предложил формулы для их вычисления. Аналогичные результаты были опубликованы в Англии спустя 55 лет. Исследования И.А. Тиме продолжил профессор Харьковского технологического института К.А. Зворыкин (1861–1928). Он в 1893 году опубликовал книгу «Работа и усилие, необходимое для отделения металлических стружек при резании», где представил разработанные конструкции динамометра для определения сил резания, а также вывел формулу для их расчета с учетом сил трения на передней и задней поверхностях инструмента. Необходимо отметить, что лишь спустя 50 лет аналогичную теорию опубликовал профессор из США М.Е. Мерчант, «забыв» сослаться на труды К.А. Зворыкина.
10