5.2 Причини виникнення шорсткості

Причини виникнення шорсткості при механічній обробці різанням поділяють на три групи:

1 Геометричні причини. Пояснюються копіюванням геометрії і нерівностей інструмента на деталь (рис.5.4). В цьому випадку шорсткість залежить від:

1.1 Подачі S. Її зменшення призводить до зменшення шорсткості (рис. 5.4а,б).

а б в г

Рисунок 5.4 – Залежність шорсткості обробленої поверхні Rz при точінні (а) від: подачі So (б), кутів у плані різця , ₁ (в), радіуса при вершині різця r (г)

1.2 Радіуса вершини різця r. Його збільшення призводить до зменшення шорсткості (рис. 5.4г):

.

1.3 Кутів у плані φ, φ₁. Їх зменшення призводить до зменшення шорсткості (рис. 5.4в).

1.4 Спрацювання інструмента. Спрацювання інструмента часто підвищує шорсткість.

1.5 Шорсткість інструмента. Доводка при заточуванні інструмента зменшує шорсткість обробленої поверхні.

2 Причини, пов’язані з пластичними і пружними деформаціями поверхневого шару. В цьому випадку шорсткість залежить від:

2.1 Швидкості різання V. При малих швидкостях різання вуглецевих сталей шорсткість мала. При збільшенні її до 40 м/хв підвищується температура, пластичність матеріалу і утворюється наріст, що призводить до збільшення шорсткості (рис.5.5). При високих швидкостях різання температура значно збільшується і наріст розміцнюється, тому зменшується шорсткість. Обробка крихких матеріалів з малими швидкостями різання призводить до відколювання частинок матеріалу і підвищення шорсткості.

Рисунок 5.5 – Вплив швидкості різання і наростоутворення на величину шорсткості при точінні сталі

2.2 Подачі S. При тонкому точінні різцем з великим радіусом при вершині і подачами S<0,06 мм/об шорсткість може збільшитись, що пояснюється пружно-пластичними деформаціями шару матеріалу, який не може бути зрізаний, а підминається різцем (рис.5.6).

Рисунок 5.6 – Залежність шорсткості від подачі: 1 – теоретична залежність; 2 – експериментальна залежність

2.3 Оброблюваного матеріалу і його структури. Шорсткість при обробці в’язких і пластичних матеріалів як правило вища за шорсткість при обробці твердіших матеріалів. Швидкість різання не має суттєвого впливу на шорсткість деталей твердістю 500НВ і більше.

2.4 Мастильно-охолоджувальної рідини. Застосування МОР зменшує тертя, схоплювання, полегшує стружкоутворення і зменшує шорсткість.

3 Вібрації технологічної системи. Вібрації технологічної системи з високими амплітудами призводять до періодичної зміни положення інструмента відносно поверхні заготовки і як наслідок – шорсткості. Вони можуть виникнути внаслідок:

3.1 Дисбалансу рухомих частин верстата, нерівномірності передач.

3.2 Зовнішніх вібрацій.

3.3 Періодичного коливання сили різання, наприклад, внаслідок нерівномірності припуску. 3.4 Співпадання власних частот системи з частотами вимушених коливань (резонанс). Для підвищення власних частот системи і уникнення резонансу слід підвищувати жорсткість технологічної системи.

Власні (вільні) коливання технологічної системи можуть викликатись під дією початкової причини. Вільні коливання реальної системи є затухаючими коливаннями внаслідок втрати енергії. Форма і частота (ω₀) власних коливань залежить від маси (m) і жорсткості (j) системи.

.

Вимушені коливання виникають під дією періодичної зовнішньої дії. При рівності частот власних і вимушених коливань виникає резонанс (суттєво підвищується амплітуда).

Рисунок 5.7 - Вимушені гармонійні коливання динамічної моделі

Гармонічні коливання моделі технологічної системи (рис.5.7) описуються диференційним рівнянням:

,

де - зовнішня гармонічна сила (сила різання), F₀ - статична складова сили, A_F - амплітуда сили, m - приведена маса, j - жорсткість.

Розв’язок диференційного рівняння має вигляд:

,

де ₀ - власна частота системи, - амплітуда переміщення.

Видно, що якщо ₀ (власна частота системи наближається до частоти вимушених коливань), то суттєво зростає амплітуда переміщення. Це явище називається резонансом. Проте суттєве підвищення амплітуди відбувається не відразу, а через певний проміжок часу, тому нетривала обробка в резонансному режимі не призводить до виникнення похибок обробки.

Автоколивання – незатухаючі коливання, які можуть існувати в реальній системі при відсутності періодичних зовнішніх дій за рахунок наявності в системі активного елементу, який поповнює втрати енергії. Причиною автоколивань технологічної системи є сам процес різання.

Частота автоколивань збільшується зі збільшенням ширини зрізу (B) і жорсткості системи (j) і зменшується зі збільшенням маси (m) і подачі (s) та залежить від геометрії інструмента і властивостей оброблюваного матеріалу (Cp_y)

,

де .

Амплітуда автоколивань зменшується зі збільшенням швидкості різання, подачі, кутів у плані, частоти і жорсткості та збільшується при збільшенні глибини різання, радіуса скруглення вершини різця і ширини зрізу.