- •Резание материалов
- •Введение
- •1. Краткий исторический очерк развития науки о резании материалов
- •2. Геометрические параметры режущей части ИнСтрумента
- •2.1. Кинематическая схема резания
- •Резания при обтачивании
- •2.2. Части и поверхности резца
- •2.3. Координатные плоскости
- •2.4. Геометрические параметры резца
- •Контрольные вопросы
- •3. Элементы резания и срезаемого слоя
- •3.1. Элементы резания
- •3.2. Геометрия срезаемого слоя
- •Следовательно, действительное сечение
- •3.3. Свободное и осложненное резание. Прямоугольное и косоугольное резание
- •Контрольные вопросы
- •4. Физические основы процесса резания металлов
- •4.1. Процесс разрезания и резания
- •4.2. Процесс пластической деформации металлов
- •4.3. Основные методы экспериментального изучения стружкообразования при резании металлов
- •4.4. Типы стружек, различия в механизме их образования
- •4.5. Нарост на режущем инструменте
- •4.6. Усадка стружки
- •5.2. Система сил в условиях свободного резания
- •5.3. Длина зоны контакта между стружкой и передней поверхностью инструмента и напряженное состояние в этой зоне
- •5.4. Касательные напряжения на плоскости сдвига
- •5.5. Особенности трения в зоне контакта стружки с передней поверхностью инструмента
- •5.6. Факторы, обусловливающие величину угла скольжения
- •5.7. Взаимодействие задней поверхности инструмента с поверхностью резания. Силы на задней поверхности инструмента
- •Переходная пластически деформируемая зона (ппдз)
- •6. Силы резания при точении
- •6.1. Силы, действующие на резец и заготовку
- •6.2. Влияние различных факторов на силы , и при точении
- •Поэтому
- •6.3. Методы измерения сил резания
- •7. Теплообразование и температура резания
- •7.1. Источники образования тепла и его распределение
- •7.2. Температура резания
- •7.3. Влияние на температуру различных факторов процесса резания
- •7.4 Оптимальная температура резания
- •7.5. Экспериментальные методы исследования тепловых явлений
- •8. Износ инструментов и критерии затупления
- •8.1. Физическая природа изнашивания инструментов
- •8.2. Внешняя картина изнашивания лезвий инструментов
- •8.3. Критерии затупления режущих инструментов
- •9. Стойкость инструментов и допускаемая ими скорость резания
- •10. Влияние обработки резанием на качество поверхности и эксплуатационные свойства деталей машин
- •10.1. Понятие качества поверхностей деталей машин
- •10.2. Механизм возникновения шероховатости поверхности
- •10.3. Формирование физико-механических свойств поверхностного слоя металла при обработке резанием
- •10.4. Влияние качества поверхности на эксплуатационные свойства деталей
- •11. Процесс резания как система
- •11.1. Взаимосвязь, взаимовлияние и взаимообусловленность явлений в процессе резания
- •11.2. Система резания, ее элементы и структура
- •11.3. Оптимизация функционирования системы резания
- •12. Обрабатываемость материалов резанием
- •12.2. Обрабатываемость различных конструкционных материалов
- •Коэффициенты обрабатываемости различных сталей
- •12.3. Технологические методы повышения обрабатываемости материалов
- •13. Инструментальные материалы
- •13.1. Требования к инструментальным материалам
- •13.2. Виды инструментальных материалов и области их применения
- •Сравнительные характеристики стм на основе нитрида бора
- •13.3. Абразивные материалы
- •Химический состав абразивных материалов, %
- •Механические свойства алмазных шлифпорошков
- •Зернистость абразивных материалов
- •14. Сверление, зенкерование и развертывание
- •14.1. Сверление
- •14.2. Зенкерование и развертывание
- •Ключевые слова и понятия
- •Контрольные вопросы
- •15. Фрезерование
- •15.1. Кинематика фрезерования и координатные плоскости
- •15.2. Геометрические элементы режущей части фрезы
- •15.3. Элементы режима резания и срезаемого слоя при фрезеровании
- •Шаг винтовой канавки фрезы
- •16. Шлифование
- •16.1. Общие сведения о шлифовании
- •16.2. Шлифовальный круг как режущий инструмент
- •16.3. Формирование обработанных поверхностей при шлифовании связанным абразивом
- •16.4. Шлифование свободным абразивом
- •Контрольные вопросы
- •Заключение
- •Библиографический список
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
12.3. Технологические методы повышения обрабатываемости материалов
Общие требования к технологическим средам. Применение при обработке резанием смазочно-охлаждающих технологических сред (СОТС) повышает период стойкости режущего инструмента, уменьшает силы резания, улучшает качество обработанной поверхности детали, а следовательно, и ее эксплуатационные характеристики. Применение технологических сред – одно из основных направлений интенсификации процесса механической обработки различных материалов.
Все виды СОТС, несмотря на конкретные области их применения, должны удовлетворять следующим требованиям:
1) не снижать эксплуатационные характеристики деталей, изготовленных при их применении, прежде всего коррозионную стойкость и прочность;
2) быть устойчивыми при эксплуатации и хранении;
3) не воспламеняться при температурах, сопровождающих процесс резания;
4) не оказывать аллергического, дерматического или иного вредного воздействия на организм человека;
5) не выделять в процессе эксплуатации пену, дым, клейкие вещества, не смешиваться с машинными маслами;
6) не оказывать окрашивающего или коррозионного действия на узлы и механизмы станка.
Функциональные свойства технологических сред. Большинство операций механической обработки осуществляется с применением смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ). При резании СОЖ должны оказывать смазочное, охлаждающее и моющее действие. Под смазочным действием понимают способность СОЖ образовывать на контактных поверхностях инструмента, на стружке и детали прочные пленки, полностью или частично предотвращающие соприкосновение передней поверхности со стружкой и задних поверхностей с поверхностью резания.
Защитные пленки, образуемые СОЖ, по своему происхождению могут быть физическими, химическими и механическими. Физические пленки образуются вследствие молекулярной адсорбции. Условием образования физических пленок является присутствие в СОЖ поверхностно-активных веществ, понижающих поверхностное натяжение на границе фаз материал - жидкость. В результате этого повышается металлофильность жидкостей. Химические пленки образуются вследствие хемосорбции, сопровождающейся химической реакцией между СОЖ и смазываемыми поверхностями. Условием образования химических пленок является присутствие в СОЖ веществ, химически активных по отношению к смазываемому материалу. Механические пленки образуются вследствие содержания в СОЖ твердых веществ, заполняющих впадины неровностей, имеющихся на контактных поверхностях инструмента.
В качестве поверхностно-активных присадок применяют олеиновую кислоту, нафтеновую кислоту (асидол), окисленный петролатум и некоторые эфиры. К химически активным присадкам относятся сера, фосфор, четыреххлористый углерод и соединения, содержащие азот. Твердыми присадками служат вещества, имеющие слоистое строение: графит, дисульфид молибдена, сернистый титан, сернистый цинк и др.
Образованные в результате применения СОЖ пленки имеют различные свойства. Физические пленки имеют относительно высокое сопротивление сдвигу, но значительно хуже выдерживают нормальные контактные напряжения и отличаются низкой термостойкостью. Химические пленки, наоборот, имеют низкое сопротивление сдвигу, что уменьшает коэффициент трения скользящих пар, но они лучше сопротивляются нормальным контактным напряжениям и выдерживают, не исчезая, более высокие температуры. Механические пленки имеют еще более низкое сопротивление сдвигу и соответственно коэффициент трения.
Физические, химические и механические пленки в различной степени уменьшают силу трения и адгезионное взаимодействие между инструментом и деталью. Это снижает силу резания и уменьшает шероховатость обработанной поверхности. Кроме того, вследствие уменьшения работы резания уменьшается тепловыделение, что приводит к снижению температуры резания.
Охлаждающее действие СОЖ заключается в основном в отборе тепла от нагретых контактных поверхностей инструмента и поверхностей обрабатываемой детали за счет конвективного теплообмена. Способность СОЖ уносить с собой тепло, соприкасаясь с нагретыми поверхностями, зависит от ее теплофизических свойств: чем ниже кинематическая вязкость, выше теплопроводность и объемная теплоемкость СОЖ, тем лучше жидкость отбирает тепло. Теплообмен между нагретыми поверхностями и СОЖ зависит также от условий испарения жидкости. Если над нагретой поверхностью образуется непрерывная паровая пленка испаряющейся СОЖ, то теплообмен затрудняется. Быстрое и без затруднений происходящее парообразование определяется способностью СОЖ смачивать металлические поверхности. Чем лучше смачивающая способность СОЖ, тем легче протекает процесс парообразования и улучшаются условия теплообмена. Теплообмен между нагретыми поверхностями инструмента, стружки, детали и СОЖ происходит тем интенсивнее, чем холоднее СОЖ и выше скорость ее относительного движения. Охлаждающее действие СОЖ проявляется в снижении температуры резания и температуры нагрева инструмента и детали.
Под моющим действием СОЖ понимают способность жидкостей удалять продукты изнашивания с поверхности резания и контактных поверхностей инструмента. Моющая способность СОЖ улучшается со снижением поверхностного натяжения жидкости. При малом поверхностном натяжении молекулы жидкости обволакивают мелкие частицы стружки и продукты изнашивания инструмента, предотвращая их слипание. Моющее действие СОЖ проявляется в уменьшении абразивного изнашивания инструмента и снижении высоты шероховатостей на чистовых операциях. Смазочное, охлаждающее и моющее свойства являются основными свойствами СОЖ. Помимо этого необходимо отметить режущее действие СОЖ. Под режущими свойствами СОТС понимают ее способность облегчать разрыв связей в обрабатываемом материале при внедрении инструмента. Это способствует повышению стойкости инструмента и облегчению процесса резания. Режущее действие вызывается совокупностью физических явлений. К ним, в частности, относится эффект П.А. Ребиндера. Он заключается в изменении механических свойств твердых тел под влиянием на них поверхностных физико-химических процессов. Проникая в микротрещины, которые образуются в процессе пластического деформирования металла, активные жидкости снижают его предел текучести на сдвиг за счет образования поверхностных пленок и создания расклинивающего давления (рис. 12.2). Например, добавка к чистой воде около
1 % стеариновой кислоты или натриевого мыла почти в два раза облегчает процесс резания.
Рис. 12.2. Эпюра расклинивающих напряжений
в микротрещине
При попадании поверхностно-активных компонентов жидкости в зону предельно деформированного срезаемого слоя возможно распадение ее на атомы Н, О, N, которые внедряются в кристаллическую решетку наиболее сильно деформированных зерен металла. В результате этого металл упрочняется и переходит в хрупкое состояние. При этом уменьшаются предельная пластическая деформация перед разрушением и удельная работа резания.
Технологические свойства СОЖ. Применение при резании металлов СОЖ уменьшает силу резания, улучшает качество обработанной поверхности и повышает стойкость режущих инструментов. Вот такое воздействие СОЖ на все технологические показатели процесса резания и называют технологическими свойствами СОЖ. Связь функциональных и технологических свойств СОЖ. Рассмотрим эту связь по результатам экспериментальных исследований процесса резания титановых сплавов [21]. Для этого заново соберём все результаты экспериментов по применению СОЖ и рассмотрим с точки зрения взаимосвязи функциональных и технологических свойств.
При обработке титановых сплавов резанием в различных средах наблюдается тесная связь функциональных и технологических свойств применяемых СОЖ. Так, при точении титанового сплава ВТ14 резцами ВК6М имеет место хорошая корреляция между расположением СОЖ по их воздействию на стойкость резцов и температуру резания. Испытания показали, что во всём исследованном диапазоне скоростей резания
(V = 50…150 м/мин) раствор NaI обеспечивает максимальные значения стойкости резцов, за ним следует эмульсия ЭТ-2, затем масло “Индустриальное 20”. Все три испытанные жидкости, являющиеся представителями трёх различных групп СОЖ, подаваемые в зону резания обычным поливом, обеспечивают большие значения стойкости инструмента, по сравнению с этими же составами СОЖ, но вводимыми в зону обработки в распылённом состоянии.
Температурные исследования этих составов СОЖ показывают, что максимальное снижение температуры резания (на 50…72 С) обеспечивает представитель водных растворов, за ним следует 1,5 %-я эмульсия ЭТ-2 (снижение температуры на 33…58 С). Минимальное воздействие на температуру резания оказывает масло “Индустриальное 20”, снижающее температуру в исследуемых диапазонах изменения элементов режима резания всего на 13…28 С. Применение всех исследуемых СОЖ в виде воздухо-жидкостной смеси обеспечивает несколько меньший эффект по сравнению с этими же СОЖ, подаваемыми в зону резания обычным поливом. Так, при точении сплава ВТ14 резцами ВК6М полив масла снижает температуру резания на 20…28 С, в то время как его применение в распылённом состоянии на 13…20 С, полив эмульсии – на 45…58 С, а её применение в виде воздухо-жидкостной смеси на 33…38 С. Антикоррозионная вода, подаваемая поливом, снижает температуру резания в исследованном диапазоне режимов резания на 55…72 , а распыление её – на 50…59 С.
С целью определения наиболее эффективных СОЖ, применение которых обеспечивает максимальное снижение температуры резания и получение максимальной стойкости инструмента, было испытано восемь составов СОЖ на масляной основе, шесть различных эмульсий, три водных раствора неорганических солей и поверхностно-активных веществ, а также охлаждение сжатым воздухом. СОЖ подавались в зону резания в виде воздухо-жидкостной смеси. Опыты показали, что наибольшее снижение температуры резания на 55…60 С (7 %) обеспечивают синтетические жидкости. Применение этих же СОЖ позволяет получить максимальную стойкость резцов (повышение стойкости по сравнению с резанием всухую до 4 раз). Эмульсии уменьшают температуру резания на 40…50 С (5 %) и обеспечивают повышение стойкости резцов в 2,4…3,5 раза. СОЖ на масляной основе снижает температуру в наименьшей степени (на 20…30 С, т.е. 3 %) и обеспечивают минимальное повышение стойкости резцов по сравнению с обработкой всухую (в 1,2…2,6 раза). Эти же опыты показывают, что расположение СОЖ по эффективности их воздействия на стойкость инструментов практически совпадает с их расположением по воздействию на температуру резания.
Из всего сказанного выше следует, что в условиях непрерывного резания титановых сплавов максимальную стойкость твёрдосплавных резцов обеспечивают водные растворы неорганических солей и поверхностно-активных веществ, подаваемые в зону резания обычным поливом, т.е. такие СОЖ и такие методы их использования, которые обеспечивают максимальное снижение температуры резания. Объясняется это тем, что при точении титановых сплавов проникновение СОЖ в зону контакта стружки с инструментом крайне ограничено из-за высоких контактных давлений, отсутствия наростообразования. Высокие смазочные свойства жидкостей на масляной основе в таких условиях не могут проявиться в достаточной мере. В большей степени в данном случае проявляются охлаждающие свойства СОЖ. СОЖ отводят тепло от зон контакта стружки и детали с инструментом, снижая температуру резания. Это и является решающим фактором, способствующим повышению стойкости резцов в условиях непрерывной обработки титановых сплавов.
При прерывистой обработке титановых сплавов, в отличии от точения, наиболее эффективными оказались масляные СОЖ, особенно легированные химически активными присадками, а предпочтительным методом подвода их в зону резания – распыление, т.е. такие СОЖ и такие методы их использования, которые обеспечивают максимальный смазочный эффект.
Связь функциональных и технологических свойств СОЖ просматривается также и при сопоставлении результатов исследований температурных и силовых зависимостей при резании титановых сплавов в различных средах и качества обработанной поверхности, а также эксплуатационных характеристик деталей, обработанных в этих средах. Особенно ярко эта связь проявляется между температурой резания и остаточными напряжениями в поверхностных слоях титановых сплавов. Исследования показали, что минимальные остаточные напряжения сжатия (max = -385 Н/мм2) формируются в поверхностных слоях при точении всухую. Применение всех СОЖ приводит к увеличению напряжений сжатия. В большей мере сжимающие напряжения увеличиваются при использовании в качестве охлаждения – смазки синтетических жидкостей, увеличивающих сжимающие остаточные напряжения max в 1,2…1,25 раза. Далее следуют эмульсии, повышающие max в 1,11…1,2 раза, и СОЖ на масляной основе, обеспечивающие увеличение максимальных сжимающих напряжений в 1,1…1,15 раза по сравнению с напряжениями, возникающими при обработке всухую. Рассмотрение результатов исследований образцов из титанового сплава ВТ14, обработанных с различными СОЖ при варьировании режимов резания в широком диапазоне, показывает, что все испытанные составы СОЖ, подаваемые в зону резания поливом, увеличивают максимальные остаточные напряжения сжатия, глубину их залегания и общую глубину проникновения сжимающих напряжений в большей мере, чем эти же СОЖ, используемые в виде воздухо-жидкостной смеси.
Итак, наиболее сильное воздействие на формирование благоприятных сжимающих остаточных напряжений оказывают такие СОЖ и методы их подвода, которые за счёт своих охлаждающих свойств в наибольшей степени снижают температуру резания. Этому же способствует тот факт, что водные СОЖ во всём исследованном диапазоне скоростей резания увеличивают составляющие силы резания, в то время как СОЖ на масляной основе (сульфофрезол, В32К) снижают их.
Учитывая область применения титановых сплавов как конструкционного материала, следует отметить особую важность вопроса о влиянии технологических условий (в частности применения СОЖ) обработки деталей из титановых сплавов на их прочностные характеристики. Проведённые исследования говорят о том, что составы СОЖ и методы их исследования не дают практически ощутимых изменений характеристик В, 0,2, и образцов из сплава ОТ4, подвергающихся кратковременному растяжению в условиях как нормальных, так и повышенных (300 С) температур.
Заметное влияние СОЖ оказывают лишь на предел выносливости при испытаниях на изгиб вращающихся образцов. При температуре испытаний 20 С СОЖ повышает предел выносливости, выраженный числом циклов нагружений N при
-1 = 305 Н/мм2: масляные СОЖ – полив – в 1,7…2,3 раза, распыливание – в 1,4…1,9 раза; эмульсия Р3-СОЖ8 – полив – в 3,6 раза, распыливание – в 3,1 раза; СОЖ НИАТ – полив – в 4,3 раза, распыливание – в 3,8 раза.
Как видим, водные СОЖ увеличивают N в большей степени, чем масла, а полив СОЖ – в большей степени, чем их распыливание. При температуре усталостных испытаний 300С воздействие СОЖ, применявшихся при обработке, сказывается на повышении стойкости образцов в циклах при -1 = 300 мн/м2 значительно слабее, чем при нормальных температурах.
Таким образом, все описанные результаты исследований говорят о том, что при точении титановых сплавов существует тесная связь между функциональными и технологическими свойствами СОЖ: чем выше охлаждающая способность жидкости, тем больше стойкость режущего инструмента, тем значительнее сжимающие остаточные напряжения формируются в поверхностных слоях обработанных поверхностей, тем больше ресурс работы деталей из титановых сплавов.
Составы и способы применения СОТС. Существующие смазочно-охлаждающие технологические средства (СОТС), применяемые при резании металлов, можно разделить на несколько групп.
1. Жидкости: а) водные растворы мыл, масел и минеральных электролитов, эмульсии (двухфазная дисперсная система, состоящая из жидкостей, не смешивающихся друг с другом); б) минеральные и растительные масла (сурепные, льняные, касторовые и др.), минеральные масла с добавками фосфора, серы и хлора, сульфофрезолы (осерненные масла), олеиновая кислота, четырёххлористый углерод и др.; в) керосин, растворы поверхностно-активных веществ (ПАВ) в керосине, керосин с добавками растительных масел; г) масла и эмульсии с добавками твёрдых смазочных веществ (коллоидный графит, хлорированный парафин, воск, дисульфид молибдена и др.). При резании труднообрабатываемых металлов и сплавов значительный эффект даёт применение СОЖ сложного состава, например, таких, как 5…10 % Укринол-1, 5…10 % Аквол-3, 5…8 % Р3-СОЖ8, МР-4 и др.
2. Газообразные вещества: а) газы (СО2, азот, воздух и др.); б) пары поверхностно- активных веществ; в) распылённые жидкости и пены.
3. Твёрдые вещества: а) порошки мыл и парафина, петролатум, битум, воск, графит, дисульфид молибдена и др. В некоторых случаях твёрдые смазки наносятся непосредственно на поверхности режущих инструментов, но чаще применяются в виде добавок к СОЖ.
Эффективность применения СОТС и экономические показатели её использования в значительной степени определяются способом её подвода в зону обработки. Самое широкое распространение получила подача СОЖ поливом под давлением 0,02…0,03 МПа, что объясняется в первую очередь простотой реализации способа. Его эффективность зависит от расхода СОЖ, размеров, формы и траектории струи. Последняя в любом случае должна перекрывать всю зону контакта инструмента с заготовкой.
Подача СОЖ под давлением 0,1...2 МПа через сопловые насадки применяется в целях увеличения расхода СОЖ, проходящей через зону обработки, и вымывания из этой зоны стружки. Последнее особенно важно для автоматизированного оборудования. Разновидностью подачи СОЖ под давлением является струйно-напорный способ. В этом случае тонкую струю СОЖ направляют в зону контакта инструмента с заготовкой со стороны задней поверхности лезвия. Эффективность подачи СОЖ под давлением значительно выше, чем при поливе, однако этот способ значительно сложнее и дороже. При таком виде охлаждения период стойкости резцов из быстрорежущей стали возрастает в 3 — 7 раз по сравнению с использованием обычного охлаждения и в 10 — 20 раз по сравнению с точением всухую. Применение высоконапорного охлаждения при обработке резцами, оснащенными твердым сплавом, менее эффективно. Период стойкости таких резцов возрастает лишь в 1,5 раза по сравнению с обычным охлаждением.
При использовании станков с ЧПУ получила распространение подача СОЖ в распыленном состоянии. В этом случае СОЖ с помощью сжатого воздуха распыляется на мельчайшие капельки и вместе с воздухом в виде тумана с большой (до 200...300 м/с) скоростью подается в зону резания. Расход жидкости очень мал. Период стойкости инструмента повышается в 2…4 раза по сравнению с обычным охлаждением свободно падающей струей и в 2 раза — с высоконапорным охлаждением. Кроме того, охлаждение распыленной жидкостью более удобно, так как не требует точного направления струи. Распыленная жидкость оказывает наибольший охлаждающий эффект по сравнению с остальными способами охлаждения, так как смесь жидкости и воздуха расширяется при выходе из сопла и при этом ее температура снижается до 3...12 °С; распыленные частицы жидкости очень малы и, попадая на разогретую поверхность стружки и инструмента, легко испаряются, интенсивно поглощая дополнительное количество теплоты; имея меньшую вязкость, распыленная смесь легко проникает в микротрещины.
При обработке отверстий стержневыми инструментами широко применяется подача СОЖ под давлением через каналы в теле инструмента с выходом в зону резания. В результате не только облегчается надежный подвод СОЖ к контактным площадкам, но и удаление стружки из этой зоны. Такой способ охлаждения даже при обработке высокопрочных сталей позволяет увеличить скорость резания на 25...40 %. Для подачи жидкости через внутренние каналы вращающихся инструментов применяются специальные патроны. Период стойкости сверл с внутренним подводом СОЖ повышается в 3—10 раз по сравнению с обычными.
Аналогичные явления наблюдаются при подаче СОЖ через поры и каналы в шлифовальном круге за счет действия центробежных сил.
Твёрдые смазочные материалы вводятся в зону резания в результате периодической или непрерывной обмазки рабочих поверхностей инструмента. При шлифовании хорошо зарекомендовали себя круги, пропитанные такими материалами, как сера, углеводородистые и кремнийорганические соединения.
Одним из средств улучшения обрабатываемости резанием является искусственный подогрев материала срезаемого слоя заготовки до определенной температуры, так называемое терморезание. Этот метод обработки эффективен прежде всего для обработки сталей и сплавов высокой прочности, тугоплавких материалов, а также нержавеющих и жаропрочных материалов.
Рис. 12.3. Схема установки для локального нагрева заготовки
Способы нагрева заготовок можно разделить на две группы: способ сплошного нагрева и способ локального нагрева. Сплошной нагрев материала заготовки осуществляют в печах; его недостатками являются необходимость установки печей в механических цехах, применение средств защиты станков от теплового воздействия, трудности, связанные с перемещением и закреплением заготовок. Поэтому наиболее целесообразным является использование тепла предыдущей заготовительной операции (отливки, штамповки, прокатки).
К способам локального нагрева заготовки относятся индуктивный, электродуговой, электроконтактный. Наиболее распространен способ индуктивного нагрева токами повышенной и высокой частот. Электродуговой нагрев обеспечивает высокую температуру и локализацию нагрева, однако широкого промышленного применения не получил. Электроконтактный нагрев осуществляют введением электрического тока через инструмент или установкой специальных стержневых или вращающихся электродов. Применяют плазменный, или лучевой нагрев, а также способ локального нагрева в электролите (рис. 12.3). В этом случае: через электролит (25-процентный водный раствор К2СО3), поступающий через специальную трубку, пропускают электрический ток повышенного напряжения (более 140В). Установка монтируется на суппорте станка и перемещается вместе с ним, безопасность эксплуатации обеспечивается предохранительным щитом. Последний способ обладает рядом достоинств: независимость степени нагрева от магнитных свойств материала заготовки, возможность нагрева заготовок с черной и неровной поверхностью, обеспечение защиты от воздействия внешней среды. Безокислительность нагрева обусловлена образованием в зоне смачивания сплошной газовой оболочки, состоящей из водорода и положительных ионов металлов, входящих в состав электролита. Электрические разряды, наблюдаемые в оболочке, происходят по отдельным ярко светящимся каналам различной формы. Эти электронные и ионные лавины повышают давление и температуру (3500° С).
Предварительный нагрев плазменной горелкой, устанавливаемой в резцедержателе токарного станка, успешно применяется для обработки крупногабаритных деталей из высокопрочных материалов. Обработка производится на глубинах резания до 5 мм и подачах до 0,5 мм/об. Применение нагрева при резании ограничивается интенсификацией износа рабочих граней инструментов. Поэтому введение предварительного нагрева улучшает обрабатываемость в тех случаях резания, когда увеличение стойкости инструмента вследствие снижения удельной работы резания больше, чем отрицательное воздействие повышенных температур на увеличение интенсивности явлений схватывания и износа инструмента.
Применение предварительного нагрева повышает стойкость инструмента в том случае, если при его использовании в процессе резания увеличивается разница твердости обрабатываемого материала и контактной твердости инструмента, т.е. разупрочнение обрабатываемого материала превалирует над разупрочнением рабочих поверхностей инструмента. При работе быстрорежущим инструментом эта разница обычно уменьшается; поэтому резание с нагревом в этом случае не применяют. При работе инструментом, оснащенным твердым сплавом, она увеличивается; при этом степень увеличения для закаленных сталей больше, чем для отожженных. Этим объясняется рентабельность применения резания с предварительным подогревом для твердых закаленных сталей, поскольку интенсивность адгезионного износа 1 (рис. 12.4) снижается с ростом температуры.
Рис. 12.4 Зависимость износа и стойкости инструмента
от температуры нагрева заготовки
Напротив, интенсивность диффузионного износа Т непрерывно растет с увеличением температуры нагрева. Минимум кривой суммарного износа 2 определяет величину оптимальной температуры нагрева, т. е. максимальную стойкость инструмента 3.
Температура к контактных слоев инструментального и обрабатываемого материалов при резании с нагревом складывается из температуры н, обусловленной предварительным нагревом, и приращения температуры ∆р, обусловленной тепловыделением в процессе резания:
к = н + ∆р .
Оптимальную температуру контактных слоев можно получить и при обычном резании без подогрева путем рационального выбора режимов обработки (н = 20 °С; ∆р к). Однако стойкость инструмента в этом случае может получиться значительно ниже. Это обусловлено тем, что при оптимальных условиях предварительный подогрев материала срезаемого слоя обусловливает его значительно большее разупрочнение и на большую глубину. В результате уменьшаются силы резания и контактные усилия трения, что ведет к снижению тепловыделения, обусловленного процессом резания, так как приращение температуры эквивалентно работе, совершенной инструментом. Таким образом, предварительный нагрев, с одной стороны, повышает температуру в зоне резания, а с другой, снижая интенсивность тепловыделения, оказывает на температуру резания косвенное влияние, уменьшая ее. Поэтому величина температуры резания складывается из сумм этих противоположно направленных воздействий; причем она может быть ниже, чем при обычном резании без подогрева.
При выборе температуры нагрева не следует достигать температур, вызывающих структурные изменения в материале. Исходя из этого, во всех случаях температурный интервал при резании с нагревом принимают на 35…40 С ниже температурного интервала для отжига и старения; во избежание структурных превращений обработку с нагревом следует выполнять преимущественно до термообработки.
Создание качественно новых способов обработки резанием с целью улучшения обрабатываемости материалов, особенно труднообрабатываемых, ведётся в направлении изменения характера приложения механического воздействия на срезаемый слой, использования химических, электрических и тепловых видов воздействия, а также применение комбинированных методов обработки, основанных на совмещении механического, теплового, химического и электрического воздействия (резание с опережающим пластическим деформированием, обработка резанием с вибрациями, сверхскоростное резание и др.).
Ключевые слова и понятия
Обрабатываемость материалов |
Эмульсии |
Показатели обрабатываемости |
Масла |
Коэффициент обрабатываемости |
Газообразные СОТС |
Методы повышения |
Твёрдые СОТС |
обрабатываемости |
Способы применения |
Функциональные свойства СОЖ |
СОТС |
Смазочное действие СОЖ |
Полив СОЖ |
Моющее действие СОЖ |
Распыливание СОЖ |
Технологические свойства СОЖ |
Сплошной нагрев |
Составы СОТС |
Электроконтактный нагрев |
Водные растворы |
|
Контрольные вопросы
Назовите показатели обрабатываемости материалов на черновых и чистовых операциях.
Для каких целей производится определение обрабатываемости материала?
Что такое коэффициент обрабатываемости? Принцип разбивки материалов на группы по обрабатываемости.
Охарактеризуйте обрабатываемость различных материалов: конструкционных и инструментальных сталей, чугунов, нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов, титановых сплавов.
Охарактеризуйте основные пути и способы улучшения обрабатываемости материалов.
Каковы основные функциональные и технологические функции СОТС?
Назовите основные составы и способы применения СОТС при резании материалов.