2. Обработка материалов резанием

2.1. Кинематические и геометрические параметры способов обработки резанием

2.1.1. Способы лезвийной и абразивной обработки

Движение резания – это такое относительное движение детали и инструмента, которое без движения подачи осуществило бы только однократный cъем cрезаемого слоя за один оборот или ход [1].

Движение подачи совместно с движением резания обеспечивает многократный или постоянный съем срезаемого слоя в течение нескольких оборотов или ходов.

Движения резания и подачи показаны на схеме в системе декартовых координат XYZ (рис. 2.1), причем эту схему обычно называют принципиальной кинематической.

а) б)

Рис. 2.1. Принципиальная кинематическая схема продольного точения (а) и схема продольного точения в основной плоскости (б): а) 1 – основная плоскость, 2 – рабочая плоскость, 3 – плоскость стружкообразования, v – вектор скорости резания, v_n – направление нормали к режущей кромке в плоскости резания, v1 – вектор

скорости схода стружки, S – направление подачи;

б) 1 – деталь, 2 – резец, 3 – стружка

Одной принципиальной кинематической схеме может соответствовать несколько способов обработки, отличающихся друг от друга не кинематическими, а какими-либо другими признаками. В частности, одной схемой могут быть охарактеризованы продольное точение, растачивание, сверление, зенкерование, развертывание.

Давая определения способам лезвийной обработки, необходимо охарактеризовать движение резания, движение подачи и режущий инструмент.

Под точением обычно имеют в виду обработку резцом с замкнутым (чаще всего круговым) движением резания и любым движением подачи в плоскости, перпендикулярной направлению движения резания.

При движении подачи вдоль оси вращения детали точение называют продольным. Обработанная поверхность в этом случае представляет собой цилиндр.

При поперечном (торцовом) точении движение подачи перпендикулярно оси вращения, при наружной токарной обработке конических поверхностей направление подачи составляет с осью вращения постоянный угол. При токарной обработке фасонных поверхностей этот угол изменяется.

Строгание – способ лезвийной обработки при прямолинейном возвратно-поступательном движении резания и дискретном прямолинейном движении подачи, осуществляемом в направлении, перпендикулярном движению резания (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Принципиальная кинематическая схема строгания (а) и схема строгания в основной плоскости (б): а) 1– основная плоскость, 2– рабочая плоскость, 3– плоскость стружкообразования, v – вектор скорости резания, – направление нормали к режущей кромке

в плоскости резания, – вектор скорости схода стружки,

s – направление подачи, б) 1 – резец, 2 – деталь, 3 – стружка

Обработку инструментом, которому сообщается вращательное движение резания при любых направлениях подачи в плоскости, перпендикулярной оси вращения (рис. 2.3), называют фрезерованием [1].

Угол между скоростью резания v и подачей s является угловой координатой, характеризующей положение зуба, его называют углом контакта [1].

Особенностью процессов фрезерования в сравнении со строганием является переменность угла контакта . Способы лезвийной обработки с изменяющимся углом  между скоростью резания v и подачей s относят к нестационарному резанию. Это связано с изменением нормальной к скорости резания составляющей подачи , влияющей на толщину срезаемого слоя.

Рис. 2.3. Принципиальная кинематическая схема фрезерования (а) и схема торцового фрезерования в основной плоскости (б);

a) v – вектор скорости резания, s_м – вектор подачи,

s_ – нормальная к скорости резания составляющая подачи,

 – угол между скоростью резания и подачей; б) 1– фреза,

2 – деталь, 3 – стружка в основной плоскости

При строгании, точении, сверлении угол контакта постоянен и равен 90. Поэтому эти способы относят к стационарному резанию [1].

Способы шлифования достаточно разнообразны. Процесс шлифования характеризуется весьма малыми значениями толщины слоя, срезаемого каждым зерном. Однако благодаря одновременному участию в процессе шлифования большого числа абразивных зерен может быть достигнута относительно высокая производительность резания и небольшая шероховатость обработанной поверхности.

Абразивная обработка существенно расширяет технологические возможности формообразования резанием. Это относится к окончательной обработке деталей с высокими требованиями к точности и шероховатости, прошедших термическую обработку и имеющих высокую твердость. Например, при шлифовании сравнительно легко можно обеспечить допуск до 0,5 мкм по некруглости, до 4 мкм – по точности сопряжения. При обычном шлифовании достигается шероховатость поверхности R_а=0,63–1,25 мкм (7–8-й класс), при тонком шлифовании – R_а=0,16–0,32 мкм (9–10-й класс), а при отделочных операциях (притирке, доводке, хонинговании, полировании, суперфинишировании) – R_а = 0,04–0,08 мкм (11–12-й класс) и выше [1]. В машиностроении станки для абразивной обработки составляют примерно пятую часть всех металлорежущих станков, а в некоторых отраслях еще выше (например, в подшипниковой промышленности до 60%).

По форме обрабатываемых поверхностей различают шлифование: плоское, круглое, винтовых поверхностей (резьбы), зубчатых колес, профильное, копировальное и вручную. По расположению рабочей поверхности шлифовального круга различают периферийное и торцовое шлифование, а по виду движения подачи – продольное или врезное. По способу крепления детали различают шлифование с закреплением детали и бесцентровое [12].

Кинематические характеристики процессов шлифования. Для характеристики кинематики шлифования используется большое число факторов (рис. 2.4).

При наружном круглом шлифовании используются:

ширина шлифовального круга B_кр;

ширина контакта шлифовального круга b_к;

скорость резания или окружная скорость шлифовального круга, м/с:

(2.1)

где D_кр – диаметр круга, мм; n_кр – частота вращения круга, об/мин;

окружная скорость детали или скорость круговой подачи, м/мин:

(2.2)

где D_д – диаметр детали, мм; n_д – частота вращения детали, об/мин;

продольная подача круга (или детали) на один оборот детали, мм/об:

, (2.3)

где U_t  – скорость продольной подачи, мм/мин;

поперечная подача врезания круга на один оборот детали, мм/об:

, (2.4)

где U_p – скорость поперечной подачи (врезания), мм/мин.

а) б)

Рис. 2.4. Параметры наружного круглого шлифования:

а – врезного, б – продольного

Обработка абразивными кругами применяется не только для формообразования, но и для разделения. Примерами являются абразивная отрезка пруткового материала, труб, профилей, удаление прибылей, раковин на отливках и др.

При наружном круглом продольном или врезном шлифовании поперечная подача на один оборот детали является также глубиной врезания, т. е. S_p = e. Глубина резания измеряется в направлении, перпендикулярном рабочей плоскости, т. е. t = S_t. Если рабочая ширина круга больше подачи S_t, то вычисляют коэффициент перекрытия при шлифовании K_b= b_к/S_t .

Для характеристики производительности шлифования и износа шлифовального круга используют следующие показатели: объем снятого материала V (мм³) и удельный объем снятого материала V^ (мм³/мм), объемный износ шлифовального круга V_кр (мм³), коэффициент абразивной способности G=V/V_кр , объемную производительность Z (мм³/с) и удельную объемную производительность Z (мм³/(ммс)).

При наружном круглом продольном шлифовании (см. рис. 2.4) объемную производительность вычисляют по формуле

(2.5)

Удельную объемную производительность (производительность резания) относят к единице ширины шлифовального круга.

Отношение скоростей круга и деталей называют коэффициентом скоростей [1]

(2.6)

При скоростном шлифовании q = 60 – 80.

Способы абразивного отрезания различаются движениями подачи инструмента (или детали). Наиболее простым по кинематике является отрезание при неподвижной детали. При этом отрезной круг вращается и перемещается в направлении нормали к скорости резания (рис. 2.5) или в направлении самой скорости (рис. 2.6).

Подача может осуществляться и за счет перемещения детали. При неподвижной детали и подаче круга по нормали к скорости резания (рис. 2.5) обеспечивается наибольшая площадь контакта абразивного круга с деталью. Этой схеме соответствуют высокая производительность, но и более высокие температуры, вследствие чего возможно появление прижогов на обработанной поверхности.

Рис. 2.5. Схема абразивного отрезания при

неподвижной детали с вертикальной подачей круга

При подаче круга в направлении скорости резания (рис. 2.6) площадь контакта круга с деталью вдвое меньше. При этом соответственно снижаются силы и температура шлифования.

Рис. 2.6. Схема абразивного отрезания при

неподвижной детали с подачей круга по горизонтали

Схема абразивного отрезания при возвратно поступательном движении детали (или инструмента) отличается от схемы с подачей в направлении скорости тем, что съем металла по высоте детали H разбивается на интервалы, равные глубине врезания e. Для обеспечения глубины врезания при каждом реверсе детали (или инструмента) осуществляется вертикальная подача круга S_p / 2=e (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Схема абразивного отрезания

при возвратно-поступательном движении детали

(или инструмента) и с вертикальной подачей на глубину врезания

При такой схеме площадь контакта круга с деталью еще меньше, что приводит к снижению сил и температуры шлифования. Уменьшение глубины врезания позволяет применять большие тангенциальные подачи.

Однако производительность отрезки достигается более низкая, чем в первых двух случаях.

При отрезке круглых деталей (прутков) возвратно-поступательное движение детали может быть заменено вращательным.