Технологические процессы в машиностроении ЛЕКЦИЯ-8 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О

Технологические процессы в машиностроении ЛЕКЦИЯ-8 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О ТЕОРИИ РЕЗАНИЯ МАТЕРИАЛОВ

ПЛАН ЛЕКЦИИ 1 Образование стружки и сопровождающие явления 2 Тепловые явления при резании металлов 3 Изнашивание режущих инструментов 4 Влияние смазочно-охлаждающей жидкости на процесс резания 5 Жесткость и вибрации технологической системы 6 Основные факторы, влияющие на силу резания 7 Шероховатость 8 Погрешности обработки

Образование стружки и сопровождающие явления • Сливная стружка образуется при резании вязких и мягких металлов, например, мягкой стали, латуни, с высокой скоростью • Стружка надлома образуется при резании хрупких металлов, например бронзы, чугуна. • Стружка скалывания (элементная, ступенчатая) занимает промежуточное положение между сливной стружкой и стружкой надлома и образуется при обработке некоторых сортов латуни и твердых сталей с большими подачами и относительно малыми скоростями резания Рисунок 14. 1 -Виды стружки: а - элементная; б - ступенчатая; в - сливная спиральная; г - сливная ленточная; д - надлома

Наклеп o o o Под действием деформации поверхностный слой упрочняется, увеличивается его твердость и уменьшается пластичность, происходит так называемый наклеп обрабатываемой поверхности. Чем мягче и пластичнее обрабатываемый металл, тем большему наклепу он подвергается. Чугуны обладают значительно меньшей способностью к упрочнению, чем стали. Степень упрочнения и глубина наклепа увеличиваются с увеличением подачи и глубины резания и уменьшаются с увеличением скорости резания. Глубина наклепа примерно в 2— 3 раза больше при работе затупленным режущим инструментом, чем при работе острозаточенным. Смазочно-охлаждающие жидкости при резании уменьшают глубину и степень упрочнения поверхностного слоя.

Нарост o При некоторых условиях резания на переднюю поверхность режущей кромки налипает обрабатываемый металл, образуя нарост. Он имеет клиновидную форму, по твердости превышает в 2— 3 раза твердость обрабатываемого металла. Являясь как бы продолжением резца, нарост n n n изменяет его геометрические параметры; участвует в резании металла, влияет на результаты обработки, изнашивание резца и изменение сил, действующих на резец. Рисунок 14. 2 -Разрушение вершины нароста и образование неровностей на поверхности резания

Нарост o o o При обработке нарост периодически разрушается (скалывается) и вновь образуется. Часть его уходит со стружкой, а часть остается вдавленной в обработанную поверхность. Отрыв частиц нароста происходит не равномерно по длине режущего лезвия, что приводит к мгновенному изменению глубины резания. Эти явления, повторяющиеся периодически, ухудшают качество обработанной поверхности, так как вся она оказывается усеянной неровностями. С увеличением пластичности обрабатываемого металла размеры нароста возрастают. При обработке хрупких металлов, например чугуна, нарост может и не образоваться.

Нарост o o o При обработке с v < 5 м/мин нарост не образуется, наибольшая величина нароста соответствует v = 10÷ 20 м/мин для инструмента из быстрорежущей стали и v > 90 м/мин для твердосплавного инструмента. Этот диапазон скоростей является неблагоприятным для чистовой обработки. При дальнейшем увеличении скорости резания в зависимости от прочности металла температура в зоне резания возрастает и нарост, размягчаясь, постепенно исчезает. Нарост увеличивается с увеличением подачи, поэтому для чистовой обработки рекомендуются подачи в пределах 0, 1 -0, 2 мм/об. Глубина резания существенного влияния на размеры нароста не оказывает. Для уменьшения нароста рекомендуется уменьшать шероховатость передней поверхности режущего инструмента и по возможности увеличивать передний угол γ, а также применять смазочно-охлаждающие жидкости. Образование нароста улучшает условия резания при выполнении черновой обработки.

Тепловые явления при резании металлов o o o Работа, затрачиваемая на пластические деформации, составляет около 80 % всей работы резания, Работа трения — около 20 %. Примерно 85— 90 % всей работы резания превращается в тепловую энергию, которая поглощается стружкой - 50 -86 %, n резцом - 10 -40%, n обрабатываемой деталью - 3 -9 %, n около 1 % теплоты излучается в окружающее пространство, n Рисунок 14. 3 -Температура резца (а) и температурное поле зоны резания (б): 1 - стружка; 2 - резец; 3 - заготовка

Тепловые явления при резании металлов o o o o Температура в зоне резания зависит от физико-механических свойств обрабатываемого материала, режимов резания, геометрических параметров режущего инструмента и применяемой смазочноохлаждающей жидкости. При обработке стали выделяется больше теплоты, чем при обработке чугуна. Чем выше прочность и твердость обрабатываемого материала, тем выше температура в зоне контакта инструмента, которая при тяжелых условиях работы может достигать 1000— 1100°С. При увеличении подачи температура в зоне резания повышается, но менее интенсивно, чем при увеличении скорости резания. Еще меньше влияет на температуру глубина резания. Применение смазочно-охлаждающей жидкости существенно уменьшает температуру в зоне резания. Температура в зоне резания оказывает непосредственное влияние на износостойкость инструмента, состояние обрабатываемого материала, качество обработанной поверхности и производительность резания.

Изнашивание режущих инструментов o o o Абразивное изнашивание инструмента заключается во внедрении материала стружки в рабочую поверхность инструмента. При этом съем металла с рабочей поверхности инструмента происходит микроцарапанием. Адгезионное изнашивание инструмента происходит в результате схватывания или прилипания трущихся поверхностей и последующего отрыва мельчайших частиц материала инструмента. Результатом этого вида изнашивания, происходящего при температурах ниже 900°С, являются кратеры на рабочих поверхностях инструмента, при слиянии которых образуются лунки. Уменьшить адгезионное изнашивание можно повышением твердости инструмента. Диффузионное изнашивание инструмента происходит в результате взаимного растворения металла детали и материала инструмента. На активность процесса растворения оказывает влияние высокая температура (900— 1200°С) контактного слоя, возникающая при высокой скорости резания. Это приводит к изменению химического состава и физикохимических свойств поверхностных слоев инструмента, снижает его износостойкость. Поэтому диффузионное изнашивание можно рассматривать как разновидность химического изнашивания.

Изнашивание режущих инструментов o o Чем выше механические свойства обрабатываемого материала и содержание в нем углерода, хрома, вольфрама, титана, молибдена, тем интенсивнее изнашивание инструмента. Наибольшее влияние на интенсивность изнашивания оказывает скорость резания, меньшее — подача и глубина резания. Рисунок 14. 4 -Износ режущего инструмента

Изнашивание режущих инструментов o o o За критерий изнашивания обычно принимают допустимый износ h 3 по задней поверхности инструмента Преобладающее изнашивание по передней поверхности наблюдается при большом удельном давлении и высокой температуре в зоне резания На практике наблюдается одновременное изнашивание инструмента по задней и передней поверхности с увеличением радиуса скругления режущей кромки. Преобладание изнашивания по этим поверхностям зависит от режимов обработки детали. Рисунок 14. 4 -Износ режущего инструмента

Изнашивание режущих инструментов o o o При чистовой обработке деталей за критерий оценки изнашивания инструмента принимают конструктивнотехнологические требования к качеству деталей. Они предусматривают допустимый износ, при превышении которого точность получаемых размеров и шероховатость обработанной поверхности перестают удовлетворять заданным техническим требованиям. Так, технологическим критерием оценки изнашивания мерных инструментов для обработки отверстий (например, разверток) является износ инструмента по задней поверхности, при котором получаемое отверстие начинает выходить за пределы допуска на размер или не отвечает заданному качеству поверхности.

Стойкость инструмента o o Стойкость инструмента характеризуется его способностью без переточки возможно длительное время обрабатывать заготовки в соответствии с техническими требованиями. Стойкость определяется временем непосредственной работы (исключая время перерывов) инструмента от переточки до переточки на заданном режиме резания до наступления принятого критерия затупления. Это время называют периодом стойкости или стойкостью инструмента, его обозначают буквой Т и измеряют в минутах. Скорость резания оказывает существенное влияние на стойкость инструмента. Возрастание скорости резания на 50 % снижает стойкость примерно на 75 %, в то же время аналогичное увеличение подачи — лишь на 60 %. Наоборот, снижение скорости резания на 30% может в определенном интервале режимов обработки увеличить стойкость инструмента в 2, 5 раза, а уменьшение подачи — всего в 1, 4 раза.

Влияние смазочно-охлаждающей жидкости на процесс резания o Смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ) благоприятно воздействуют на процесс резания металлов, n n n o o o значительно уменьшают износ режущего инструмента, повышают качество обработанной поверхности снижают затраты энергии, препятствуют образованию нароста у режущей кромки инструмента способствуют удалению стружки и абразивных частиц из зоны резания. При обработке чугуна и других хрупких материалов СОЖ не применяют, так как эффект от их действия незначителен. При работе твердосплавным инструментом на высоких скоростях необходимо подавать обильную и непрерывную струю жидкости, так как при прерывистом охлаждении могут образоваться трещины в режущих пластинках из твердого сплава. Наиболее эффективны смазочно-охлаждающие жидкости при резании вязких, пластичных и сильно упрочняющихся при деформации металлов. При этом с увеличением толщины среза и скорости резания положительный эффект на стружкообразование от действия СОЖ уменьшается.

Влияние смазочно-охлаждающей жидкости на процесс резания o o o СОЖ должны обладать высокими охлаждающими, смазывающими, антикоррозионными свойствами и быть безвредными для работающего. Все применяемые жидкости можно разбить на две основные группы — охлаждающие и смазочные. К первой группе относят водные растворы и эмульсии, обладающие большой теплоемкостью и теплопроводностью. Широко распространены водные эмульсии (цвета от молочно-белого до коричневого), в состав которых входят 2— 20 % масла и 0, 3— 2 % мыла и поверхностно-активные вещества. Водные эмульсии применяют при обдирочных работах, когда к шероховатости поверхности не предъявляют высоких требований. Ко второй группе относят СОЖ, обладающие высокой маслянистостью; минеральные масла, керосин, а также растворы в масле или керосине поверхностно-активных веществ. Жидкости этой группы применяют при чистовых и отделочных работах. Применяют также осерненные масла, так называемые сульфофрезолы, содержащие в качестве активированной добавки серу.

Жесткость и вибрации технологической системы o o o o Технологическая система СПИД (СПИЗ): станок — приспособление —инструмент — деталь (заготовка) Возникающие при резании металла нагрузки воспринимаются инструментом и приспособлением для его крепления, а также деталью и приспособлением для ее установки и крепления. Возникающие нагрузки передаются через приспособления на узлы и механизмы станка. Образуется замкнутая технологическая система Характер изменения условий обработки зависит от жесткости указанной системы, т. е. способности препятствовать перемещению ее элементов при воздействии на них нагрузок. Жесткость является одним из основных критериев работоспособности станка и его точности работы под нагрузкой. Характер изменения колебаний во времени называют вибрациями. Колебания при резании разделяют на вынужденные, когда причиной колебаний являются периодически действующие возмущающие силы, и автоколебания, которые не зависят от действия периодически возмущающих сил. Зная причины возникновения вибраций, можно найти способы их уменьшения.

Основные факторы, влияющие на силу резания o Силу резания Р при обработке точением можно разложить на три составляющие: n n n тангенциальную Pz, направленную вертикально вниз и определяющую мощность, потребляемую приводом главного движения; радиальную Ру, направленную вдоль поперечной подачи, которая отжимает резец и учитывается при расчете прочности инструмента и механизма поперечной подачи станка; осевую Рх, направленную вдоль продольной подачи, которая стремится отжать резец в сторону суппорта и учитывается при определении допустимой нагрузки на резец и механизмы станка при продольной подаче. Рисунок 14. 5 -Составляющие силы резания

Основные факторы, влияющие на силу резания o o В процессе резания на силы Pz, Ру и Рх влияют обрабатываемый металл, глубина резания, подача, передний угол резца, главный угол резца в плане, радиус скругления при вершине резца, смазочно-охлаждающие жидкости, скорость резания и износ резца. Чем больше предел прочности при растяжении σв и твердость обрабатываемого металла, тем больше силы Pz, Ру и Рх. Увеличение глубины резания и подачи приводит к увеличению силы резания, затрачиваемой на образование стружки, причем глубина резания больше влияет на силу резания, чем подача. o o o Смазочно-охлаждающие жидкости уменьшают силу Pz при тонких срезах, при увеличении толщины среза и скорости резания эффект от применения СОЖ уменьшается. Режимы резания также влияют на составляющие силы резания. Сила резания зависит от материала режущей части резца. При обработке твердосплавными резцами силы резания несколько меньше, чем резцами из быстрорежущей стали. Рисунок 14. 5 -Составляющие силы резания

Шероховатость o o Совокупность микронеровностей, образующихся на поверхности детали, называют шероховатостью поверхности. Шероховатость поверхности оказывает непосредственное влияние на качество неподвижных и подвижных соединений в машинах. Рисунок 14. 6 -Профиль и параметры шероховатости поверхности

Шероховатость o o o На поверхности, обработанной токарным резцом, образуются микронеровности в виде винтовых выступов и винтовых канавок. Высота Н и характер микронеровностей зависят от обрабатываемого материала, режимов резания, геометрии режущих кромок инструмента и др. Микронеровности на поверхности деталей в большинстве случаев являются следами режущих кромок инструмента, расположение которых зависит от подачи. Рисунок 14. 7 -Зависимость шероховатости от режущих кромок инструмента o o По мере увеличения скорости резания глубина наклепа возрастает. Изменяя геометрические параметры режущего инструмента и режимы резания, можно существенно менять характеристики шероховатости поверхности при обработке одинаковых по физико-механическим свойствам материалов

Шероховатость o o o С увеличением скорости резания и уменьшением шероховатости до оптимальной износостойкость и коррозионная стойкость увеличиваются. Усталостная прочность повышается с увеличением степени и глубины наклепа, а также с повышением остаточных напряжений сжатия. При увеличении подачи шероховатость обработанной поверхности повышается, глубина наклепа возрастает. Увеличение подачи способствует также увеличению остаточных напряжений и уменьшению износостойкости и коррозионной стойкости. Усталостная прочность в этом случае повышается. Увеличение радиуса r закругления резца в пределах от 0, 5 до 4 мм снижает шероховатость обработанной поверхности; износостойкость повышается в пределах оптимальной шероховатости, усталостная прочность увеличивается. Шероховатость обработанной поверхности возрастает по мере затупления инструмента. Применение тщательно доведенного инструмента способствует уменьшению глубины наклепа. Износостойкость и усталостная прочность изменяются до установленных оптимальных значений шероховатости и наклепа. Явление слипаемости материала заготовки с передней поверхностью инструмента приводит к увеличению высоты микронеровностей и, наоборот, при использовании твердосплавных и керамических резцов шероховатость снижается. В производственных условиях шероховатость обработанных поверхностей оценивают методом сравнения с образцом. Для этого обработанную деталь аттестуют по качеству поверхности в лабораторных условиях, а затем она служит эталоном при контроле качества обработки аналогичных деталей.

Погрешности обработки Рисунок 14. 8 -Схема причинно-следственных связей формирования погрешности детали

Погрешности обработки o К систематическим относят погрешности, которые определяют точность обрабатываемой детали. Основными причинами систематических погрешностей являются: n n o неточность станка, например непрямолинейность направляющих станины и суппортов, непараллельность или неперпендикулярность направляющих к оси шпинделя, неточности изготовления шпинделя и его опор; деформация узлов и деталей станка под действием сил резания и нагрева в процессе работы; неточность изготовления режущих инструментов и приспособлений и их износ; деформация инструментов и приспособлений под действием сил резания и нагрева в процессе обработки; неточность установки и базирования заготовки на станке; деформация обрабатываемой заготовки под действием сил резания, зажима и нагрева в процессе обработки, а также при возникновении внутренних напряжений; неточность установки и настройки инструмента на размер; неточность измерения деталей, вызванная неточностью измерительных инструментов и приборов, а также ошибками рабочего при оценке показаний измерительных устройств. Причины возникновения систематических погрешностей можно установить и устранить. К случайным относят погрешности, возникающие в результате случайных упругих деформаций заготовки, станка, приспособления и режущего инструмента, например, из-за неоднородности обрабатываемого материала.

Используемые информационные источники 1. 2. 3. Грановский Г. И. , Грановский В. Г. Резание металлов: Учебник для машиностр. и приборостр. спец. вузов. – М. : Высш. шк. , 1985. – 304 с. Добрыднев, И. С. Курсовое проектирование по предмету «Технология машиностроения» [Текст]: учебн. пособие для техникумов по специальности «Обработка металлов резанием» / И. С. Добрыднев. – М. : Машиностроение, 1985. – 184 с. Справочник технолога-машиностроителя [Текст]. В 2 -х томах / Под ред. А. Г. Косиловой и Р. К. Мещерякова. – М. : Машиностроение, 1985 Ящерицын, П. И. Теория резания: учеб. / П. И. Ящерицын, Е. Э. Фельдштейн, М. А. Корниевич. – МН. : Новое знание, 2005. – 512 с. : ил. - (Техническое образование)