Глава I Физико-механические основы обработки конструкционных материалов резанием

Базой научно-технического прогресса всех отраслей народного хозяйства служит машиностроение.

Развитие и совершенствование маши­ностроения связаны с его автоматизацией, созданием робототехнических комплек­сов, обработки заготовок, построенных на основе гибких производственных систем (ГПС). Гибкие производственные системы оснащаются современными станками с числовым программным управлением (ЧПУ) или управляемыми от ЭВМ, обес­печивающих функционирование ГПС в целом.

Одна из актуальных задач машино­строения - дальнейшее развитие, совер­шенствование и разработка новых техно­логических методов обработки заготовок деталей машин, применение новых конст­рукционных материалов и повышение качества обработки деталей. Особое вни­мание уделяется чистовым и отделочным технологическим методам обработки, объ­ем которых в общей трудоемкости обра­ботки деталей постоянно возрастает. На­ряду с обработкой резанием применяют методы обработки пластическим дефор­мированием с использованием химиче­ской, электрической, световой, лучевой и других видов энергии (рис. 6.1).

1. КЛАССИФИКАЦИЯ ДВИЖЕНИЙ В МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКАХ. СХЕМЫ ОБРАБОТКИ РЕЗАНИЕМ

Обработка металлов резанием -процесс срезания режущим инструментом с поверхности заготовки слоя металла в виде стружки для получения необходимых геометрической формы, точности разме­ров, взаиморасположения и шероховато­сти поверхностей детали. Чтобы срезать с заготовки слой металла, необходимо ре­жущему инструменту и заготовке сооб­щать относительные движения. Инстру­мент и заготовку устанавливают и закреп­ляют в рабочих органах станков, обеспе­чивающих эти относительные движения: в шпинделе, на столе, в револьверной го­ловке. Движения рабочих органов станков подразделяют на движения резания, уста­новочные и вспомогательные. Движения, которые обеспечивают срезание с заготов­ки слоя металла или вызывают изменение состояния обработанной поверхности за­готовки, называют движениями резания. К ним относят главное движение резания и движение подачи.

За главное (Д.) движение резания при­нимают движение, определяющее ско­рость деформирования материала и отде­ления стружки, за движение подачи (D_s) -движение, обеспечивающее врезание ре­жущей кромки инструмента в материал заготовки. Эти движения могут быть не­прерывными или прерывистыми, а по своему

X

.Механическая

Технологические методы обработки ааготовок

I

Комбинированная

|Элек

I

f" "tPi! кивание] 1—'Разрезание] Ц^Руока "]

1 —— ~~ "~ ~

(—[шабрение J] '-^Пр'итйркГгГ "J

Резанием

Пластическим деформированием >

Н Раскатывание

Без иэме-—| нения формы

-\ Калибровка

ащая

Ц Выглаживание

Накатывание

_]А

Упрочняю­щая

Ротационная

[Элек

Электроабра­зивная

. Электроалмаэ- j Элек

| Элек

iское хонинго-вание

Другие

| Хими

I Ульт | Элек

[Свет

| Элек

Строгание

Ц~Долбление

-| Обтачивание | |Растачивание | [Подрезание |

L- Разрезание

- Сверление

—\ Рассверливание

—| Зенкерование

IЗенкование

| Развертывание

Цекоеание

Фрезерование Протягивание

I—| Проши

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБРАБОТКИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ 297

I г з

е-

_s®

я)

б)

» *пр

_^№Г

й)

_е

О

_£

Рис. 6.2. Схемы обработки заготовок: а - точением; б - растачиванием; в - свер­лением; г - фрезерованием; д - шлифовани­ем на круглошлифовальном станке; е - шлифованием на плоскошлифовальном станке

характеру вращательными, поступатель­ными, возвратно-поступательными. Ско­рость главного движения резания обозна­чают v, скорость движения подачи - \_s.

Движения, обеспечивающие взаимное положение инструмента и заготовки для срезания с нее определенного слоя мате­риала, называют установочными. К вспо­могательным движениям относят транс­портирование заготовки, закрепление за­готовок и инструмента, быстрые переме­щения рабочих органов станка.

Для любого процесса резания можно составить схему обработки. На схеме ус­ловно изображают обрабатываемую заго­товку, ее установку и закрепление на станке, закрепление и положение инстру­мента относительно заготовки, а также движения резания (рис. 6.2). Инструмент показывают в положении, соответствую­щем окончанию обработки поверхности заготовки. Обработанную поверхность на схеме выделяют другим цветом или утол­щенными линиями. На схемах обработки показывают характер движений резания и их технологическое назначение, используя условные обозначения.

Существуют движения подачи: про­дольное (пр), поперечное (п), вертикаль­ное (в), круговое (кр), окружное (о), тан­генциальное (т). В процессе резания на заготовке различают обрабатываемую по­верхность /, обработанную поверхность 3

и поверхность резания 2 (рис. 6.2, а). На схемах обработки закрепление заготовки и инструмента показывают полуконструк­тивно или условными обозначениями в соответствии с ГОСТ 3.1107-81.

При обработке заготовок на станках с ЧПУ абсолютные значения скоростей главного движения резания и движения подачи вносятся в программу специаль­ными кодами.

При использовании в ГПС многоцеле­вых металлорежущих станков на одном станке можно осуществить несколько тех­нологических способов обработки, напри­мер сверление, развертывание, растачива­ние, фрезерование, что расширяет но­менклатуру деталей, обрабатываемых на одном станке, и повышает их производи­тельность.

2. МЕТОДЫ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Пространственную форму детали оп­ределяет сочетание различных поверхно­стей. Для облегчения обработки конструк­тор стремится использовать простые гео­метрические поверхности: плоские, круго­вые цилиндрические и конические, шаро­вые, торовые, геликоидные. Геометриче­ская поверхность представляет собой со­вокупность последовательных положений следов одной производящей линии, назы-

298

МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН

ваемой образующей, движущейся по другой производящей линии, называемой направляющей. Например, для обра­зования круговой цилиндрической по­верхности прямую линию (образующую) перемещают по окружности (направляю­щей). При обработке поверхностей на ме­таллорежущих станках образующие и на­правляющие линии в большинстве случа­ев отсутствуют. Они воспроизводятся комбинацией движений заготовки и инст­румента, скорости которых согласованы между собой. Движения резания являются формообразующими. Механическая обра­ботка заготовок деталей машин реализует четыре метода формообразования поверх­ностей.

Образование поверхностей по методу копирования состоит в том, что режущая кромка инструмента соответствует форме образующей / обрабатываемой поверхно­сти детали (рис. 6.3, а). Направляющая линия 2 воспроизводится вращением заго­товки. Главное движение здесь является формообразующим. Движение подачи не­обходимо для того, чтобы получить гео­метрическую поверхность определенного размера. Метод копирования широко ис­пользуют при обработке фасонных по­верхностей деталей на различных метал­лорежущих станках.

Образование поверхностей по методу следов состоит в том, что образующая линия / является траекторией движения

точки вершины режущей кромки инстру­мента, а направляющая линия 2 - траекто­рией движения точки заготовки (рис. 6.3, б). Движения резания являются формообра­зующими.

Образование поверхностей по методу касания состоит в том, что образующей линией / служит режущая кромка инстру­мента (рис. 6.3, в), а направляющей лини­ей 2 - касательная к ряду геометрических вспомогательных линий - траекторий то­чек режущей кромки инструмента. Здесь формообразующим является только дви­жение подачи.

Образование поверхностей по методу обкатки (огибания) состоит в том, что направляющая линия 2 воспроизводится вращением заготовки (рис. 6.3, г). Обра­зующая линия / получается как огибаю­щая кривая к ряду последовательных по­ложений режущей кромки инструмента относительно заготовки благодаря согла­сованию двух движений подачи. Скорости движений согласуют так, что за время прохождения круглым резцом расстояния / он делает один полный оборот относи­тельно своей оси вращения.

3. РЕЖИМ РЕЗАНИЯ, ГЕОМЕТРИЯ СРЕЗАЕМОГО СЛОЯ, ШЕРОХОВАТОСТЬ ПОВЕРХНОСТИ

При назначении режима резания опре­деляют скорости главного движения реза­ния и подачи и глубину резания.

Рис. 6.3. Методы формообразования поверхностей

в) г)

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБРАБОТКИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ 299

Скоростью главного движения резания v называют расстояние, пройденное точ­кой режущей кромки инструмента относи­тельно заготовки в единицу времени. Эта скорость измеряется в метрах в секунду (м/с). Если главное движение резания вращательное (точение), то скорость глав­ного движения резания, м/с,

v = л Z)_3arn/(1000-60),

где Djar - наибольший диаметр обрабаты­ваемой поверхности заготовки, мм; п - час­тота вращения заготовки в минуту.

Если главное движение возвратно-пос­тупательное, а скорости рабочего и вспо­могательного ходов различны, то скорость главного движения резания, м/с,

у = £и(* + 1)/(1000-60),

где L - расчетная длина хода инструмента, мм; т - число двойных ходов инструмента в минуту; к - коэффициент, показываю­щий соотношение скоростей рабочего и вспомогательного ходов.

Подачей s называют путь точки режу­щей кромки инструмента относительно заготовки в направлении движения подачи за один ход заготовки или инструмента. Подача в зависимости от технологическо­го метода обработки измеряется в мм/об -для точения и сверления; мм/дв. ход - для строгания и шлифования.

На станках с ЧПУ величина подачи может непрерывно изменяться в процессе обработки заготовки в соответствии с за­даваемой программой управления. В адап­тивных системах ЧПУ подача может ав­томатически изменяться по результатам измерения шероховатости обработанной поверхности заготовки (самонастраиваю­щаяся система ЧПУ).

Глубиной резания t называют расстоя­ние между обрабатываемой и обработан­ной поверхностями заготовки, измеренное перпендикулярно к последней. Глубину резания задают на каждый рабочий ход инструмента относительно обрабатывае­мой поверхности. Глубина резания изме­ряется в миллиметрах.

При точении цилиндрической поверх­ности глубину резания определяют как полуразность диаметров до и после обра­ботки (рис. 6.4):

t = (D_3ar-d)/2,

где d - диаметр обработанной поверхно­сти заготовки, мм.

Форму сечения срезаемого слоя мате­риала рассмотрим на примере обтачива­ния цилиндрической поверхности на то­карном станке. На рис. 6.4 показаны два последовательных положения резца отно­сительно заготовки за время одного пол­ного ее оборота. Резец срезает с заготовки материал площадью поперечного сечения /abcd, называемой номинальной площадью среза/,, мм². Для резцов с прямолинейной режущей кромкой

= ts.

ABCD

/н=/,

Форма и размеры номинального сече­ния срезаемого слоя материала зависят от ■Snp ^и U углов ф и ф' и формы режущей кромки. В процессе резания участвуют одновременно два движения, поэтому тра­екторией движения вершины резца отно­сительно заготовки будет винтовая линия. Начав резание в точке А, резец вновь встретится с этой образующей цилиндри­ческой поверхности только в точке В. Сле-

Рис. 6.4. Элементы резания и геометрия срезаемого слоя

300

МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН

довательно, не вся площадь среза /abcd будет срезана с заготовки, а только часть ее, и на обработанной поверхности оста­нутся микронеровности. Остаточное сече­ние площади срезаемого слоя f₀ = f_ABE. Действительное сечение площади срезае­мого слоя материала /_д = /bcde будет меньше номинального /_н на величину площади осевого сечения микронеровностей.

Остаточное сечение площади срезае­мого слоя материала образует на обрабо­танной поверхности микровыступы и микровпадины, что создает шероховатость поверхности. Этим и отличается реальная обработанная поверхность от идеальной геометрической.

Шероховатость поверхности - это со­вокупность неровностей обработанной по­верхности с относительно малыми шага­ми. Шероховатость - одна из характери­стик качества поверхностного слоя заго­товки. Она оценивается несколькими па­раметрами, в частности критерием Ra -средним арифметическим отклонением профиля, т.е. средним арифметическим абсолютных значений отклонений про­филя в пределах определенной базовой длины обработанной поверхности.

Допустимое значение шероховатости обработанных поверхностей деталей ма­шин указывается на чертежах условными обозначениями по ГОСТ 2789-73. Пред­почтительные значения параметра Ra для разных технологических методов обра­ботки лежат в следующих пределах, мкм: для предварительной, черновой, обработ­ки 100 ... 22,5; для чистовой обработки 6,3 ... 0,4; для отделочной и доводочной обра­ботки 0,2 ... 0,012.

На шероховатость поверхности, обра­ботанной резанием, оказывает влияние большое число факторов, связанных с ус­ловиями изготовления детали, например режим резания, геометрия режущего ин­струмента, вибрации, физико-механичес­кие свойства материала заготовки.

К параметрам процесса резания отно­сят основное технологическое время об­работки, время, затрачиваемое непосред-

ственно на процесс изменения формы, размеров и шероховатости обрабатывае­мой поверхности заготовки. При токарной обработке цилиндрической поверхности основное время Т₀, мин,

Т₀ = Li/(ns_np),

где L = / + Д/ - путь режущего инструмен­та относительно заготовки в направлении подачи [/ - длина обработанной поверхно­сти, мм; А/ - величина врезания и выхода (перебег) резца, мм]; г - число рабочих ходов резца, необходимое для снятия ма­териала, оставленного на обработку.

4. ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ПРОЦЕСС РЕЗАНИЯ И КАЧЕСТВО ОБРАБОТАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Геометрические параметры режущего инструмента целесообразно рассматривать на примере токарного прямого проходного резца как типового образца режущего клина. Геометрические параметры других лезвийных режущих инструментов всегда можно отождествлять с геометрическими параметрами токарного прямого проход­ного резца с учетом особенностей их кон­струкции и способа воздействия на обра­батываемый материал заготовки.

Токарный прямой проходной резец (рис. 6.5) имеет режущую часть / и при­соединительную часть II, которая служит для закрепления резца в резцедержателе. Режущая часть образуется при специаль­ной заточке резца и имеет следующие элементы: переднюю поверхность лезвия /, по которой сходит стружка; заднюю по­верхность лезвия 2, обращенную к по­верхности резания заготовки; вспомога­тельную заднюю поверхность 5, обращен­ную к обработанной поверхности заготов­ки; режущую кромку 3, вспомогательную режущую кромку б, вершину лезвия 4. Инструмент затачивают по передней и задним поверхностям. Для определения

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБРАБОТКИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ 3 01

Рис. 6.5. Элементы токарного прямого проходного резца

углов, под которыми расположены по­верхности режущей части инструмента относительно друг друга, вводят коорди­натные плоскости (рис. 6.6). Основная плоскость Р_чс проходит через точку режу­щей кромки перпендикулярно к направле­нию скорости главного движения резания. Плоскость резания Р_т проходит касатель­но к режущей кромке лезвия перпендику­лярно к основной плоскости. Главная се­кущая плоскость Р_хс проходит перпенди­кулярно к линии пересечения основной плоскости и плоскости резания. Вспомо­гательная секущая плоскость Р_тс1 - плос­кость, перпендикулярная к проекции вспомогательной режущей кромки на ос­новную плоскость.

Углы резца определяют положение элементов режущей части в пространстве относительно координатных плоскостей и относительно друг друга. Эти углы назы­вают углами резца в статике. Углы инст­румента оказывают существенное влияние на процесс резания и качество обработан­ных поверхностей заготовок.

У токарного резца различают главные и вспомогательные углы, которые рас­сматривают исходя из следующих усло­вий: ось резца перпендикулярна к линии центров станка; вершина резца находится на линии центров станка; совершается главное движение резания.

Передний угол у измеряют в главной секущей плоскости между следом перед­ней поверхности лезвия и следом плоско­сти, перпендикулярной к следу плоскости резания. Передний угол у оказывает боль­шое влияние на процесс резания. С увели­чением угла у уменьшается деформация срезаемого слоя, так как инструмент легче врезается в материал, снижаются силы резания и расход мощности. Одновремен­но улучшаются условия схода стружки, а качество обработанной поверхности заго­товки повышается. Чрезмерное увеличе­ние угла у приводит к снижению прочно­сти главной режущей кромки, увеличению износа вследствие выкрашивания, ухуд­шению условий теплоотвода от режущей кромки.

При обработке заготовок из хрупких и твердых материалов для повышения проч­ности и стойкости резца следует назначать меньшие значения угла у, иногда - отри­цательные. При обработке заготовок из мягких и вязких материалов угол у увели­чивают.

Главный задний угол а измеряют в главной секущей плоскости между следом плоскости резания и следом главной зад­ней поверхности. Наличие угла а умень­шает трение между главной задней по­верхностью инструмента и поверхностью резания заготовки, что уменьшает износ инструмента по главной задней поверхно­сти. Чрезмерное увеличение угла а при-

Рис. 6.6. Углы резца в статике

302

МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН

водит к снижению прочности режущей кромки. Угол а назначают исходя из ве­личины упругого деформирования мате­риала обрабатываемой заготовки.

Вспомогательный задний угол а' изме­ряют во вспомогательной секущей плос­кости между следом вспомогательной задней поверхности и следом плоскости, проходящей через вспомогательную ре­жущую кромку перпендикулярно к основ­ной плоскости. Наличие угла а' уменьша­ет трение между вспомогательной задней поверхностью инструмента и обработан­ной поверхностью заготовки.

Угол в плане ф - угол между проекцией главной режущей кромки на основную плоскость и направлением движения по­дачи - оказывает значительное влияние на шероховатость обработанной поверхно­сти. С уменьшением угла ф шероховатость обработанной поверхности снижается. Од­новременно увеличивается активная рабо­чая длина главной режущей кромки. Сила и температура резания, приходящиеся на единицу длины кромки, уменьшаются, что снижает износ инструмента. С уменьше­нием угла ф возрастает сила резания, на­правленная перпендикулярно к оси заго­товки и вызывающая ее повышенную де­формацию. С уменьшением угла ф воз­можно возникновение вибраций в процес­се резания, снижающих качество обрабо­танной поверхности.

Вспомогательный угол в плане ф' -угол между проекцией вспомогательной режущей кромки на основную плоскость и направлением, обратным движению пода­чи. С уменьшением угла ф' шероховатость обработанной поверхности снижается, увеличивается прочность вершины резца, снижается его износ.

Угол наклона режущей кромки X - угол в плоскости резания между режущей кромкой и основной плоскостью. С увели­чением угла X качество обработанной по­верхности ухудшается.

Углы у, «, ф и ф' могут изменяться вследствие погрешности установки резца.

Если при обтачивании цилиндрической поверхности вершину резца установить выше линии центров, то угол у увеличит­ся, а угол а уменьшится, а при установке вершины резца ниже линии центров стан­ка - наоборот. Если ось резца будет не­перпендикулярна к линии центров станка, то это вызовет изменение углов ф и ф'.

В процессе резания углы у и а резца меняются. Это можно объяснить тем, что меняется положение плоскости резания в пространстве вследствие вращения заго­товки и поступательного движения резца. В этом случае реальной поверхностью резания, к которой касательна плоскость резания, будет винтовая поверхность. При работе с большими подачами и при наре­зании резьбы резцом изменение углов у и а будет существенным, что следует учи­тывать при изготовлении резцов, внося коррекцию в значение этих углов.

Углы у и а в процессе резания могут оказаться переменными, что имеет место при обработке сложных поверхностей де­талей типа кулачков, лопаток турбин, вин­товых поверхностей с переменным шагом.

5. ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ

Резание металлов - сложный процесс взаимодействия режущего инструмента и заготовки, сопровождающийся опреде­ленными физическими явлениями, напри­мер деформированием срезаемого слоя металла. Упрощенно процесс резания можно представить по следующей схеме. В начальный момент процесса резания, когда движущийся резец под действием силы резания Р (рис. 6.7) вдавливается в металл, в срезаемом слое возникают упру­гие деформации. При движении резца они, накапливаясь по абсолютной величине, переходят в пластические. В прирезцовом срезаемом слое материала заготовки воз­никает сложное упругонапряженное со­стояние. В плоскости, перпендикулярной к траектории движения резца, возникают

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБРАБОТКИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ 303

Рис. 6.7. Упругонапряженное состояние металла при обработке резанием

нормальные напряжения о_у, а в плоскости, совпадающей с траекторией движения рез­ца, - касательные напряжения х_х. В точке приложения действующей силы значение х_х наибольшее. По мере удаления от точки А х_х уменьшается. Нормальные напряже­ния <з_у вначале действуют как растяги­вающие, затем они уменьшаются и, пере­ходя через нуль, превращаются в напря­жения сжатия. Срезаемый слой металла находится под действием давления резца, касательных и нормальных напряжений.

Сложное упругонапряженное состоя­ние металла приводит к пластической де­формации, а рост ее - к сдвиговым дефор­мациям, т.е. к смещению частей кристал­литов относительно друг друга. Сдвиго­вые деформации происходят в зоне струж-кообразования ABC, причем деформации начинаются по плоскости АВ и заканчи­ваются по плоскости А С, в которой завер­шается разрушение кристаллитов, т.е. ска­лывается элементарный объем металла и образуется стружка. Далее процесс повто­ряется и образуется следующий элемент стружки.

Условно считают, что сдвиговые де­формации происходят по плоскости 00, которую называют плоскостью сдвига. Она располагается под углом 8 » 30° к направлению движения резца. Угол 9 на­зывают углом сдвига. Наличие поверхности сдвига в процессе стружкообразования и положение ее в пространстве установлены

русскими учеными И. А. Тиме и К. А. Зво­рыкиным. Срезанный слой металла допол­нительно деформируется вследствие тре­ния стружки о переднюю поверхность инструмента. Структуры металла зоны ABC и стружки резко отличаются от структуры основного металла. В зоне ABC расположены деформированные и разрушенные кристаллиты, сильно из­мельченные и вытянутые в цепочки в од­ном, вполне определенном направлении, совпадающем с направлением плоскости 0\0\, которая с плоскостью сдвига со­ставляет угол (3 (рис. 6.8).

Характер деформирования срезаемого слоя зависит от физико-механических свойств материала обрабатываемой заго­товки, геометрии инструмента, режима резания, условий обработки. В процессе резания заготовок из пластичных металлов и сталей средней твердости превалирует пластическая деформация. У хрупких ме­таллов пластическая деформация практи­чески отсутствует. Поэтому при обработке хрупких металлов угол (3 близок к нулю, а при обработке пластичных металлов (3 доходит до 30°, что свидетельствует о сложном внутреннем процессе деформи­рования кристаллитов и формировании новой структуры. Знание законов пласти­ческого деформирования и явлений, со­провождающих процесс резания, позволя­ет повысить качество обработанных по­верхностей деталей машин и их надеж­ность.

При резании металлов образуется стружка сливная, суставчатая или эле­ментная. Сливная стружка, появляющаяся

Рис. 6.8. Схема процесса образования стружки

304

МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН

при резании пластичных металлов, пред­ставляет собой сплошную ленту с гладкой прирезцовой стороной. На внешней сто­роне ее видны слабые пилообразные за­зубрины. Стружка суставчатая, образую­щаяся при резании металлов средней твердости, представляет собой ленту с гладкой прирезцовой стороной, на внеш­ней стороне - ярко выраженные зазубри­ны. Стружка элементная образуется при резании хрупких металлов и состоит из отдельных, не связанных между собой элементов. Вид образующейся стружки зависит от физико-механических свойств металла обрабатываемой заготовки, ре­жима резания, геометрических параметров режущего инструмента, применяемых в процессе резания смазочно-охлаждающих средств.

Вид образующей стружки влияет на износ режущего инструмента, шерохова­тость обработанной поверхности, силу резания, конструкцию инструмента. От вида стружки зависит возможность ее ав­томатического отвода из зоны резания и транспортирования. Особые проблемы отвода и транспортирования стружки из зоны резания возникают при обработке заготовок на станках с ЧПУ в условиях ГПС. Станки с ЧПУ оснащаются специ­альными транспортными системами (шне-ковыми, скребковыми), что в ряде случаев вызывает перекомпоновку узлов станков и ГПС.

Чтобы перевести стружку из одного состояния в другое, например стружку суставчатую в элементную, в конструкции режущего инструмента вводят стружко-ломательные устройства, пороги, раздели­тельные канавки. Иногда применяют пре­рывистый процесс резания, например при сверлении отверстий на станках с ЧПУ, или вибрационное резание материалов. Кроме того, стружка в процессе обработки заготовки может забиваться в ее полости, оставаться в отверстиях. Для удаления стружки из заготовок в линиях ГПС при­ходится встраивать специальные автома­тические моечные машины. Однако все

эти мероприятия полностью не решают проблем удаления стружки из заготовок и со станка, ее транспортирования и даль­нейшей переработки.

Стружка, образующаяся в процессе ре­зания, подвергается значительному пла­стическому деформированию, в результа­те которого происходят ее укорочение и утолщение. Эти изменения стружки со­стоят в том, что длина стружки оказывает­ся меньше длины обработанной поверхно­сти, а толщина - больше толщины среза. Изменение размеров стружки характери­зуется коэффициентами укорочения и утолщения (Ki и К_а).

Чем пластичнее металл заготовки, тем больше значение коэффициента K_t струж­ки. Для заготовок из хрупких металлов K_t близко к 1, а для заготовок из пластичных металлов К/ доходит до 5 ... 7. Величины укорочения и утолщения стружки зависят от физико-механических свойств обраба­тываемого металла, режима и условий резания, геометрических параметров ин­струмента.

Изменение размеров стружки следует учитывать при проектировании режущего инструмента и назначении размеров стру­жечных канавок между режущими эле­ментами инструмента, например, размеров канавок между двумя соседними зубьями фрезы, протяжки.

Силовое взаимодействие инструмен­та и заготовки. Деформирование и среза­ние с заготовки слоя металла происходят под действием внешней силы резания, приложенной со стороны инструмента к обрабатываемой заготовке. Направление вектора силы совпадает с вектором скоро­сти главного движения резания v. Работа, затрачиваемая на деформирование и раз­рушение материала заготовки (Pv), расхо­дуется на упругое и пластическое дефор­мирование металла, его разрушение, на преодоление сил трения задних поверхно­стей о заготовку и стружки о переднюю поверхность лезвия инструмента.

В результате сопротивления металла процессу деформирования возникают ре-

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБРАБОТКИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ 305

активные силы, действующие на режущий инструмент. Реактивные силы - это силы упругого (Р_У1 и Р_у2) и пластического (Р_п1 и Pro) деформирования, векторы которых направлены перпендикулярно к передней и задней поверхностям лезвия резца (рис. 6.9, а). Наличие нормальных сил обуслов­ливает возникновение сил трения (F\ и F₂), направленных по передней и задней по­верхностям лезвия инструмента Указан­ную систему сил приводят к равнодейст­вующей силе резания:

P = P_yl+P_y2+P_n]+P_n2+F_]+F₂.

Считают, что точка приложения силы резания Р находится на главной режущей кромке инструмента (рис. 6.9, б). Абсо­лютное значение, точка приложения и на­правление равнодействующей силы реза­ния Р в процессе обработки переменны. Это можно объяснить неоднородностью структуры материала заготовки, перемен­ной поверхностной твердостью материала заготовки, непостоянством срезаемого слоя металла, наличием штамповочных и литейных уклонов, изменением углов у и а в процессе резания. Для расчетов ис­пользуют не равнодействующую силу ре­зания, а ее составляющие, действующие по трем взаимно перпендикулярным на­правлениям - координатным осям метал­лорежущего станка.

Для обеспечения единства трактовки международный стандарт ISO-841 и оте­чественный отраслевой устанавливают номенклатуру и единое направление коор­динатных осей металлорежущих станков с ЧПУ, обязательные для всех изготовите­лей. Например, для токарно-винторезного станка с ЧПУ: ось z - линия центров стан­ка; ось х - горизонтальная линия, перпен­дикулярная к линии центров станка; ось у - линия, перпендикулярная к плоскости zOx (рис. 6.9, б).

Стандарт устанавливает следующее общее направление координатных осей: ось z - ось вращения заготовки или инст­румента; оси х и у - направления продоль­ного и поперечного движений подачи за­готовки или инструмента. За положитель­ное направление координатных осей счи­тают то, при котором инструмент или за­готовка отходят друг от друга.

Для токарного станка с ЧПУ главная составляющая силы резания Р_у (Р₂)* дей­ствует в плоскости резания в направлении главного движения резания по оси y(z) По силе Р_у определяют крутящий момент на шпинделе станка, эффективную мощность резания, деформацию изгиба (рис. 6.10, а) заготовки в плоскости zOy, изгибающий момент, действующий на стержень резца (рис. 6.10, б), а также ведут динамический расчет механизмов коробки скоростей станка. Радиальная составляющая силы резания Р_х (Р_у) действует в плоскости xOz перпендикулярно к оси заготовки. По силе Р_х (Ру) определяют величину упругого отжатия резца от заготовки и деформацию изгиба заготовки в плоскости xOz (рис. 6.10, а). Осевая составляющая силы реза­ния P_z (P_t) действует в плоскости xOz вдоль оси заготовки. По силе Р₂ (Р_х) рас­считывают механизм подачи станка, а также изгибающий момент, действующий на стержень резца (рис. 6.10, б).

Рис. 6.9. Силы, действующие на резец (а), и разложение силы резания на составляющие (б) при обработке заготовки на токарном станке с ЧПУ

* В скобках дано обозначение составляю­щих силы резания по ГОСТ 25762-83 для уни­версального токарного и других станков.

306

МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН

е

ь_

«У

^~

_{-== ife}

б)

а)

Рис. 6.10. Силы, действующие на заготовку (а) и резец (б), при обработке заготовки на токар­ном станке с ЧПУ

По деформации заготовки от сил Р_х и Р_у рассчитывают ожидаемую точность размерной обработки заготовки и погреш­ность ее геометрической формы. По сум­марному изгибающему моменту от сил Р_у и Р_х рассчитывают стержень резца на прочность. Равнодействующая силы реза­ния, Н:

■-V

р²,+р}+р}

,'л,

Силу Ру (Р_г) определяют по эмпириче­ской формуле, Н:

Л, = С_Р t

^М/>у

'У -у

где С_Р - коэффициент, учитывающий

физико-механические свойства материала

обрабатываемой заготовки; к_м - коэф-

^ру

фициент, учитывающий факторы, не во­шедшие в формулу, значения углов резца, материал резца и т.д.

Значения коэффициентов С_Р и 4„ ,

У "у

а также показателей степеней х_Р , у_Р и

r_y> s г у

Пр даны в справочниках для конкретных

условий обработки.

Аналогичные формулы существуют для определения сил Р_х и Р_г. Условно можно считать, что для острого резца с у= 15°, ф = 45°, а = 0 при точении стали

без охлаждения Р_у: Р_х : Р₂ = 1: 0,45 : 0,35. Отношения Р_х: Р_у аР_г: Р_у растут с увели­чением износа резца, уменьшение угла ф увеличивает отношение Р_х : Р_у, а повыше­ние подачи приводит к росту отношения P_z : Р_у. Знание значений и направлений сил Р_у, Р_х и Р_г необходимо для расчета элементов станка, а также приспособле­ний и режущего инструмента.

Крутящий момент на шпинделе станка, Нм:

•10"

М.

■ 0,5P_yD_3i

Изгибающий момент, действующий на стержень резца (рис. 6.10, б), Н • м:

М = ^М^г_у+м1=1^Р²_у+Р² .

Величина общего упругого перемеще­ния стержня резца и заготовки под дейст­вием силы Р_х (расчет на точность обработ­ки), мм:

х = "_х /J ыг ⁺ "х IJ н >

где J_3ar - жесткость системы заготовка -приспособление - элемент станка, на ко­тором закреплена заготовка; У_и - жест­кость системы инструмент - приспособле­ние - элемент станка, на котором закреп­лен инструмент.

Зная составляющие силы резания, можно определить эффективную мощ­ность и мощность электродвигателя станка.

Эффективной мощностью N_e называют мощность, расходуемую на процесс де­формирования и срезания с заготовки слоя металла. При точении цилиндрической поверхности на токарно-винторезном станке эффективная мощность, кВт:

N_e = Р_у уДбО • 10³)+ Р_гп s„_p ДбО • 10⁶),

где п - частота вращения заготовки, об/мин.

Мощность электродвигателя станка N.,, кВт:

N₃=N_e/r\,

где л - КПД механизмов и передач станка.

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБРАБОТКИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ 307

6. ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ КОНТАКТНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ РЕЗАНИИ МЕТАЛЛОВ

Наростообразоваиие при резаиии металлов. При обработке пластичных металлов резанием на передней поверхно­сти лезвия инструмента образуется ме­талл, который называют наростом. Это сильно деформированный металл вы­сокой твердости, структура которого от­личается от структур обрабатываемого металла и стружки.

Образование нароста объясняется тем, что геометрическая форма инструмента не идеальна для обтекания ее металлом. При некоторых условиях обработки силы тре­ния между передней поверхностью лезвия инструмента и частицами срезанного слоя металла становятся больше сил внутрен­него сцепления, и при определенных тем­пературных условиях металл прочно осе­дает на передней поверхности лезвия ин­струмента.

В процессе обработки резанием разме­ры и форма нароста непрерывно меняются в результате действия сил трения между отходящей стружкой и внешней поверх­ностью нароста. Частицы нароста посто­янно уносятся стружкой, увлекаются об­работанной поверхностью заготовки, ино­гда нарост целиком срывается с передней поверхности лезвия инструмента и тут же вновь образуется (рис. 6.11, а). Объясня­ется это тем, что нарост находится под действием силы трения Т, сил сжатия Р_х и Р₂ и силы растяжения Q (рис. 6.11, б). С изменением размеров нароста меняется соотношение действующих сил. Когда сумма сил Р\, Р₂ и Q становится больше

силы трения Т, происходят разрушение и срыв нароста. Частота срывов нароста за­висит от скорости резания и достигает нескольких сотен в секунду.

Нарост существенно влияет на процесс резания и качество обработанной поверх­ности заготовки, так как при его наличии меняются условия стружкообразования.

Положительное влияние нароста со­стоит в том, что при наличии его меняется форма передней поверхности лезвия инст­румента, это приводит к увеличению главного переднего угла, а следовательно, к уменьшению силы резания. Вследствие высокой твердости нарост способен резать металл. Нарост удаляет центр давления стружки от главной режущей кромки, в результате чего уменьшается износ режу­щего инструмента по передней поверхно­сти лезвия. Нарост улучшает теплоотвод от режущего инструмента.

Отрицательное влияние нароста состо­ит в том, что он увеличивает шерохова­тость обработанной поверхности. Частицы нароста, внедрившиеся в обработанную поверхность, при работе детали с сопря­гаемой деталью вызывают повышенный износ пары. Вследствие изменения нарос­том геометрических параметров режущего инструмента меняются размеры обраба­тываемой поверхности в поперечных диа­метральных сечениях по длине заготовки, и обработанная поверхность получается волнистой. Вследствие изменения перед­него угла инструмента меняется сила ре­зания, что вызывает вибрацию узлов стан­ка и инструмента, а это, в свою очередь, ухудшает качество обработанной поверх­ности.

а) Рис. 6.11. Схемы образования и разрушения

(а) и силы, действующие на нарост (б)

308

МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Следовательно, нарост оказывает бла­гоприятное действие при черновой обра­ботке, когда возникают большие силы резания, срезается толстый слой металла и выделяется большое количество теплоты, и, наоборот, нарост вреден при чистовой обработке, например при протягивании, нарезании резьбы, развертывании, так как приводит к снижению качества обрабо­танной поверхности.

Наростообразование зависит от физи­ко-механических свойств обрабатываемо­го металла, скорости резания, геометриче­ских параметров режущего инструмента и других факторов. Наиболее интенсивно нарост образуется при обработке пластич­ных металлов. Считают, что наибольшее наростообразование при обработке пла­стичных металлов происходит при скоро­стях резания 0,3 ... 0,5 м/с, а при скоро­стях резания до 0,2 м/с и свыше 1 м/с на­рост на режущем инструменте не образуется.

Исследование процесса наростообра-зования позволяет дать рекомендации по борьбе с ним в условиях чистовой обра­ботки. Это изменение геометрических па­раметров режущего инструмента и скоро­сти движения резания, применение сма-зочно-охлаждающих жидкостей, тщатель­ная доводка передней поверхности лезвия инструмента для снижения коэффициента трения между ней и отходящей стружкой.

Упрочнение поверхностного слоя за­готовки при обработке резанием. Ре­зультатом упругого и пластического де­формирования материала обрабатываемой заготовки является упрочнение (наклеп) поверхностного слоя. При рассмотрении процесса стружкообразования считают инструмент острым. Однако инструмент всегда имеет радиус скругления режущей кромки р (рис. 6.12, а), равный при обыч­ных методах заточки примерно 0,02 мм. Такой инструмент срезает с заготовки стружку при условии, что глубина резания t больше радиуса р. Тогда в стружку пере­ходит часть срезаемого слоя металла, ле­жащая выше линии CD. Слой металла, соизмеримый с радиусом р и лежащий между линиями АВ и CD, упругопластиче-ски деформируется. При работе инстру­мента значение радиуса р быстро растет вследствие затупления режущей кромки, и расстояние между линиями АВ и CD уве­личивается.

Упрочнение металла обработанной по­верхности заготовки проявляется в повы­шении ее поверхностной твердости. Твер­дость металла обработанной поверхности после обработки резанием может увели­читься в ~2 раза. Значение твердости мо­жет колебаться, так как значение пласти­ческой деформации и глубина ее зависят от физико-механических свойств металла обрабатываемой заготовки, геометрии режущего инструмента и режима резания.

в)

б)

Рис. 6.12. Схема образования поверхностного слоя заготовки (а) и эпюра распространения упрочнения по толщине заготовки (б)

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБРАБОТКИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ 309

После перемещения резца относитель­но обработанной поверхности происходит упругое восстановление поверхностного деформированного слоя на величину h_y (рис. 6.12, а) - упругое последействие. В результате образуется контактная пло­щадка шириной Н между обработанной поверхностью и вспомогательной задней поверхностью резца. Со стороны обрабо­танной поверхности возникают силы нор­мального давления N и трения F. Чем больше значение упругой деформации, тем больше сила трения. Для уменьшения сил трения у режущего инструмента де­лают задние углы (а и а'), значения кото­рых зависят от степени упругой деформа­ции металла заготовки.

Упругопластическое деформирование металла приводит к возникновению в по­верхностном слое заготовки остаточных напряжений растяжения или сжатия. На­пряжения растяжения снижают предел выносливости металла заготовки, так как приводят к появлению микротрещин в поверхностном слое, развитие которых ускоряется действием корродирующей среды. Напряжения сжатия, напротив, по­вышают предел выносливости деталей. Неравномерная релаксация остаточных напряжений искажает геометрическую форму обработанных поверхностей, сни­жает точность их взаимного расположения и размеров. Релаксация напряжений, про­должающаяся в процессе эксплуатации машин, снижает их качество и, в частно­сти, надежность.

Следовательно, окончательную обра­ботку поверхностей заготовок следует вести такими методами и в таких услови­ях, чтобы остаточные напряжения отсут­ствовали или были минимальными. Целе­сообразно, чтобы в поверхностном слое возникали напряжения сжатия. Напряже­ния можно снизить, применяя, например, электрохимическую обработку. Для полу­чения в поверхностном слое напряжений сжатия можно рекомендовать обработку поверхностным пластическим деформиро-

ванием, например обкатку поверхностей заготовок стальным закаленным роликом или шариком.

Условно поверхностный слой обрабо­танной заготовки можно разделить на три зоны (рис. 6.12, 6): I - зону разрушенной структуры с измельченными зернами, рез­кими искажениями кристаллической ре­шетки и большим количеством микротре­щин; ее следует обязательно удалять при каждой последующей обработке поверх­ности заготовки; II - зону наклепанного металла; /// - основной металл. В зависи­мости от физико-механических свойств материала обрабатываемой заготовки и режима резания глубина наклепанного слоя составляет от нескольких миллимет­ров при черновой обработке до сотых и тысячных долей миллиметра при чистовой обработке. Пластичные металлы подверга­ются большему упрочнению, чем твердые.

Наклеп обработанной поверхности можно рассматривать как полезное явле­ние, если возникающие остаточные на­пряжения являются сжимающими. Однако наклеп, полученный при черновой обра­ботке, отрицательно влияет на процесс резания при последующей чистовой обра­ботке, когда срезаются тонкие стружки (при развертывании, протягивании). В этом случае инструмент работает по поверхно­сти с повышенной твердостью, что приво­дит к его быстрому затуплению; шерохо­ватость поверхности увеличивается.

7. ТЕПЛОТА И ТЕМПЕРАТУРА В ЗОНЕ РЕЗАНИЯ МАТЕРИАЛА

Одним из физических процессов, со­провождающих стружкообразование и разрушение конструкционного материала резанием, является тепловыделение. Прак­тически вся механическая работа, затра­чиваемая на срезание припуска с заготов­ки, превращается в теплоту. Полное коли­чество теплоты Q, выделяющейся в еди­ницу времени, можно определить из вы­ражения, Дж/с,

Q*P₂v.

310

МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Теплота генерируется в результате уп-ругопластического деформирования мате­риала заготовки в зоне стружкообразо-вания, трения стружки о переднюю по­верхность лезвия инструмента, трения задних поверхностей инструмента о по­верхность резания и обработанную по­верхность заготовки (рис. 6.13). Тепловой баланс процесса резания можно предста­вить тождеством, Дж:

Q = Сд +бп.п +бз.п = Qc + бзаг +би +бл -

где Q_a - количество теплоты, выделяемой при упругопластическом деформировании обрабатываемого материала; Q_nn - коли­чество теплоты, выделяемой при трении стружки о переднюю поверхность лезвия инструмента; Q,_n - количество теплоты, выделяемой при трении задних поверхно­стей инструмента о заготовку; g_c - коли­чество теплоты, отводимой стружкой; бзаг ^_ количество теплоты, отводимой за­готовкой; Q„ - количество теплоты, отво­димой режущим инструментом; Q„ - ко­личество теплоты, отводимой в окружаю­щую среду (теплота лучеиспускания).

В зависимости от технологического метода и условий обработки стружкой отводится 25 ... 85 % всей выделившейся теплоты; заготовкой 10 ... 50 %; инстру­ментом 2 ... 8 %. Количественное распре­деление теплоты зависит главным образом от скорости резания (рис. 6.14).

Рис. 6.13. Источники образования и распределения теплоты резания

0 100 200 300 400 Цм/мин

Рис. 6.14. Распределение теплоты резания в зависимости от скорости резания

Теплообразование отрицательно вли­яет на процесс резания. Нагрев инструмен­та до высоких температур 800 ... 1000 °С вызывает структурные превращения в ме­талле, из которого он изготовлен, сниже­ние твердости инструмента и потерю ре­жущих свойств. Нагрев инструмента вы­зывает изменение его геометрических размеров, что влияет на точность размеров и геометрическую форму обработанных поверхностей. Например, при обтачива­нии цилиндрической поверхности на то­карном станке удлинение резца при по­вышении его температуры изменяет глу­бину резания, и обработанная поверхность получается конусообразной. Нагрев заго­товки вызывает изменение ее геометриче­ских размеров. Вследствие жесткого за­крепления на станке заготовка деформи­руется. Температурные деформации инст­румента, приспособления, заготовки и станка снижают качество обработки.

Погрешность формы обработанных поверхностей возрастает из-за непосто­янства температурного поля по объему заготовки в процессе обработки (рис. 6.15, а), и после охлаждения обработанной заго­товки возникают дополнительные по­грешности обработанной поверхности (рис. 6.15, б). Температурные погрешно-

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБРАБОТКИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ 311

Рис. 6.15. Влияние нагрева на заготовку: а - температурное поле заготовки; 6 - форма заго­товки после обработки

сти следует учитывать при наладке стан­ков. Для определения погрешностей необ­ходимо знать температуру инструмента и заготовки или количество теплоты, пере­ходящей в них (см. рис. 6.14).

Количественную оценку тепловых процессов, происходящих в зоне струж-кообразования, можно проводить и экспе­риментальными методами. Измерение количества выделяющейся и отводимой теплоты осуществляют следующими ме­тодами: калориметрическим по абсолют­ному содержанию теплоты в заготовке, инструменте и стружке; по изменению цвета термокрасок, наносимых на заготов­ку и инструмент; сравнительным анализом цветов побежалости стружки и обрабо-

танной поверхности заготовки; методами оптической пирометрии. Однако наи­большее применение нашли методы тер­моэлектрической эмиссии при использо­вании различных термопар. Для измере­ния температуры процесса резания ис­пользуют искусственные термопары -хромель-алюмелевые и хромель-копеле-вые (рис. 6.16, а); полуискусственные термопары - копелевую или константано-вую проволоку и инструмент (рис. 6.16, 6) или заготовку; естественные термопары -инструмент и заготовку (рис. 6.16, в).

Выделяющаяся теплота отрицательно влияет на экологическую обстановку в цехе и работу систем ЧПУ станков. По­этому в механообрабатывающих цехах принимают меры по устранению отрица­тельного влияния теплоты на работу сис­тем ЧПУ: обработка заготовок в условиях обильного охлаждения смазочно-охлаж-дающими жидкостями, применение сис­тем приточно-вытяжной вентиляции и систем кондиционирования воздуха, изо­ляция систем ЧПУ в специальных поме­щениях.

Для уменьшения отрицательного вли­яния теплоты на процесс резания обработ­ку ведут в условиях применения смазоч-но-охлаждающих сред. В зависимости от технологического метода обработки, фи­зико-механических свойств материала обрабатываемой заготовки и режущего инструмента, а также от режима резания

а) б)

Рис. 6.16. Измерение температуры методом термопар

в)

312

МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН

используют различные смазочно-охлаж-дающие среды, которые делят на следую­щие группы:

жидкости: водные растворы минераль­ных электролитов, эмульсии, растворы мыл; минеральные, животные и расти­тельные масла; минеральные масла с до­бавлением фосфора, серы, хлора (суль-фофрезолы), керосин и растворы поверх­ностно-активных веществ в керосине; масла и эмульсии с добавлением смазы­вающих веществ (графита, парафина, вос­ка);

газы и газообразные вещества: газы С0₂, ССЦ, N₂; пары поверхностно-активных веществ; распыленные жидко­сти (туман) и пены;

твердые вещества: порошки песка, па­рафина, петролатума, битума; мыльные порошки.

Чаще всего при обработке резанием применяют смазочно-охлаждающие жид­кости. Обладая смазывающими свойства­ми, жидкости снижают внешнее трение стружки о переднюю поверхность лезвия инструмента и задних поверхностей инст­румента о заготовку. Одновременно сни­жается работа деформирования. Общее количество теплоты, выделяющейся при резании, уменьшается. Смазочно-охлаждающие вещества отводят теплоту во внешнюю среду от мест ее образова­ния, охлаждая тем самым режущий инст­румент, деформируемый слой и обрабо­танную поверхность заготовки. Интенсив­ный отвод теплоты снижает общую тепло­вую напряженность процесса резания. Смазывающее действие сред препятствует наростообразованию на рабочих поверх­ностях инструмента, в результате чего снижается шероховатость обработанных поверхностей заготовки.

Указанные положительные свойства смазочно-охлаждающих сред приводят к тому, что эффективная мощность резания уменьшается на 10 ... 15 %; стойкость ре­жущего инструмента возрастает, обрабо­танные поверхности заготовок имеют

меньшую шероховатость и большую точ­ность, чем при обработке без применения смазочно-охлаждающих средств.

При черновой и получистовой обработ­ке, когда необходимо иметь сильное охлаж­дающее действие среды, широко применяют водные эмульсии. Количество эмульсии, используемой в процессе резания, зависит от технологического метода обработки и режима резания (5 ... 150 л/мин). Увели­ченную подачу жидкости используют при работе инструментов, армированных пла­стинками твердого сплава, что способст­вует их равномерному охлаждению и пре­дохраняет от растрескивания. При чисто­вой обработке, когда требуется получить высокое качество обработанной поверхно­сти, используют различные масла. Для активации смазок к ним добавляют актив­ные вещества - фосфор, серу, хлор. Под влиянием высоких температур и давлений эти вещества образуют с материалом кон­тактирующих поверхностей соединения, снижающие трение, - фосфиды, хлориды, сульфиды. При обработке заготовок из хрупких материалов (чугунов, бронз), ко­гда образуется элементная стружка, в ка­честве охлаждающей среды применяют сжатый воздух, углекислоту.

Смазочно-охлаждающие среды по-разному подаются в зону резания. Наибо­лее распространенным способом подачи жидкости служит ее подвод через узкое сопло на переднюю поверхность лезвия инструмента. Более эффективно высоко­напорное охлаждение. В этом случае жид­кость подается тонкой струей, с большой скоростью со стороны задних поверхно­стей инструмента. Весьма эффективно охлаждение распыленными жидкостями -туманом, который подается со стороны задних поверхностей лезвия инструмента. В тех случаях, когда охлаждение режуще­го инструмента затруднено, используют подвод жидкости непосредственно в зону резания через полый режущий инстру­мент. Такой способ подачи жидкости в зону резания применяют, например, при

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБРАБОТКИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ 313

сверлении глубоких отверстий. Кроме того, охлаждение режущего инструмента можно осуществлять циркуляцией охлаж­дающей жидкости по каналам, предусмот­ренным в присоединительных частях ин­струментов.

8. ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССОВ ИЗНАШИВАНИЯ ЛЕЗВИЙНЫХ РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ

Трение между стружкой и передней поверхностью лезвия инструмента и меж­ду его главной задней поверхностью и поверхностью резания заготовки вызывает износ режущего инструмента. В условиях сухого и полусухого трения преобладает абразивное изнашивание инструмента. Высокие температуры и контактные дав­ления вызывают следующие виды изна­шивания: окислительное - разрушение поверхностных оксидных пленок; адгези­онное - вырывание частиц материала ин­струмента стружкой или материалом заго­товки вследствие их молекулярного сцеп­ления; термическое - структурные пре­вращения в материале инструмента.

Износ инструмента приводит к сниже­нию точности размеров и геометрической формы обработанных поверхностей.

Работа затупившимся инструментом вызывает рост силы резания. Соответст­венно, увеличиваются составляющие силы резания, что вызывает повышенную де­формацию заготовки и инструмента и еще более снижает точность и форму обрабо­танных поверхностей заготовок. Уве­личиваются глубина наклепанного по­верхностного слоя материала заготовки и силы трения между заготовкой и инстру­ментом, что, в свою очередь, увеличивает теплообразование в процессе резания.

При обработке на настроенных станках износ инструмента приводит к рассеянию размеров обработанных поверхностей за­готовок, что снижает качество сборки де­талей в условиях взаимозаменяемости.

Уменьшить влияние износа на точность обработки можно периодической подна-ладкой станка. Для этого в зоне обработки поверхности заготовки устанавливают специальные устройства активного кон­троля размеров. В случае отклонения раз­мера обработанной поверхности от допус­ка на него устройство дает электрический импульс на включение привода системы подналадки или выключает электродвига­тель станка.

Общий характер износа режущего ин­струмента показан на примере токарного резца (рис. 6.17, а). При износе резца на передней поверхности лезвия образуется лунка шириной Ь, а на главной задней по­верхности - ленточка шириной h. У инструментов из разных материалов и при разных режимах резания преобладает износ по передней или главной задней поверхности. При одновременном износе по этим поверхностям образуется пере­мычка/

Износ резца по главной задней поверх­ности в процессе обработки изменяет глу­бину резания, так как уменьшает вылет резца из резцедержателя на величину и = 1~1_и (рис. 6.17, б). Значение износа резца про­порционально времени обработки, поэто­му по мере роста значения и глубина реза­ния / уменьшается. Обработанная поверх­ность получается конусообразной с наи­большим диаметром D_u и наименьшим D.

Количественное выражение допусти­мого значения износа называют критери­ем износа. За критерий износа принимают

Рис. 6.17. Износ резца (а) и изменение разме­ров резца и заготовки в результате износа (б)

314

МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН

в большинстве случаев износ инструмента по главной задней поверхности h. Для то­карных резцов из быстрорежущей стали допустимый износ h = 1,5 ... 2 мм, для резцов с пластинками твердого сплава h = 0,8 ... 1 мм, с минералокерамическими пластинками h = 0,5 ... 0,8 мм. Допусти­мому износу инструмента соответствует определенный период стойкости (стой­кость).

Под стойкостью инструмента Т понимают суммарное время (мин) его ра­боты между переточками на определен­ном режиме резания. Стойкость токарных резцов, режущая часть которых изготов­лена из разных инструментальных мате­риалов, составляет 30 ... 90 мин. Стой­кость инструмента зависит от физико-механических свойств материала инстру­мента и заготовки, режима резания, гео­метрии инструмента и условий обработки. Наибольшее влияние на стойкость оказы­вает скорость резания.

Между величинами v и Т существует зависимость

v,!/" = v₂r₂^m = v„r„" = const или v = c/T^m ,

где С - постоянная величина; m - показа­тель относительной стойкости (для резцов m = 0,1... 0,3).

Так как величина m мала, то стойкость резцов резко падает даже при незначи­тельном повышении скорости резания. Поэтому обработку следует вести на рас­четной скорости. Это условие легковы­полнимо на станках с бесступенчатым регулированием частоты вращения шпин­деля, в частности на большинстве типов станков с ЧПУ. На станках со ступенча­тым регулированием частоты вращения шпинделя обработку ведут на ближайшей меньшей к расчетной частоте вращения заготовки. В этом случае при небольшом уменьшении скорости главного движения резания стойкость инструмента будет больше принятой. Это уменьшит время на смену затупившегося инструмента, но, как

правило, не снизит производительность.

Применение автоматических подна-ладчиков в значительной степени умень­шает влияние износа режущего инстру­мента на точность размеров и форм обра­ботанных поверхностей заготовок на то­карных, фрезерных, шлифовальных и дру­гих станках.

В металлорежущих станках с система­ми программного управления износ ре­жущего инструмента может компенсиро­ваться в процессе обработки партии заго­товок специально предусматриваемыми для этой цели блоками систем обратной связи. Когда износ режущего инструмента приводит к тому, что размер обработанной поверхности заготовки не соответствует допуску на него, датчики системы актив­ного контроля дают сигналы в систему коррекции и в программу обработки заго­товки вносится соответствующая величи­на перемещения инструмента в опреде­ленном направлении.

В станках с ЧПУ и инструментальны­ми магазинами при износе инструментов или переходе на обработку другого типа заготовок можно целиком заменять весь магазин. Установку и наладку инструмен­тов в магазине производят вне станка. На станках с ЧПУ в условиях обработки заго­товок в ГПС для повышения стойкости инструментов широко используют непере-тачиваемые пластины из сверхтвердых и керамических материалов.

9. ВИБРАЦИИ В ПРОЦЕССЕ РЕЗАНИЯ

При обработке заготовок на станках иногда возникают периодические колеба­тельные движения вибрации элементов технологической системы: станок - при­способление - инструмент - заготовка. В этих условиях процесс резания Q теряет устойчивость.

Колебания инструмента относительно заготовки резко снижают качество по­верхностного слоя: шероховатость возрас-

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБРАБОТКИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ 315

тает; появляется волнистость; усиливается динамический характер силы резания, а нагрузки на движущиеся детали и узлы станка возрастают в десятки раз, особенно в условиях резонанса, когда частота соб­ственных колебаний технологической системы совпадает с частотой колебаний процесса резания. Стойкость инструмен­та, особенно с пластинками из твердых сплавов, при колебаниях резко падает. При наличии вибраций возникает шум, утомляюще действующий на окружающих людей, и производительность труда сни­жается.

При резании вынужденные колебания возникают под действием внешних перио­дических возмущающих сил вследствие прерывистости процесса резания, неурав­новешенности вращающихся масс, по­грешностей изготовления и сборки пере­дач и ритмичности работы близко распо­ложенных машин. Вынужденные колеба­ния устраняют, уменьшая величину воз­мущающих сил и повышая жесткость станка.

Автоколебания (незатухающие само­поддерживающиеся) технологической сис­темы создаются силами, возникающими в процессе резания. Возмущающая сила создается и управляется процессом реза­ния и после прекращения его исчезает. Причины автоколебаний: изменения сил резания, трения на рабочих поверхностях инструмента и площади поперечного се­чения срезаемого слоя металла; образова­ние наростов; упругие деформации заго­товки и инструмента. Автоколебания мо­гут быть низкочастотными (f= 50 ... 500 Гц) и высокочастотными (f= 800 ... 6000 Гц). Первые вызывают на обработанной по­верхности заготовки волнистость, вто­рые - мелкую рябь. Возникновение авто­колебаний можно предупредить, изменяя режим резания и геометрические парамет­ры инструмента, правильно устанавливая заготовку и инструмент на станке, а также

обрабатывая заготовки на больших скоро­стях резания.

Большое влияние на автоколебания оказывает жесткость технологической системы, т.е. способность системы сопро­тивляться действию возникающих сил в процессе резания.

Для уменьшения автоколебаний жест­кость технологической системы изме­няют: уменьшают массы колебательных систем, особенно массу обрабатываемой заготовки; применяют виброгасители. Для гашения автоколебаний используют дина­мические, упругие, гидравлические и дру­гие вибросистемы.

Однако вибрации при обработке мож­но использовать так, чтобы они положи­тельно влияли на процесс резания и шеро­ховатость обработанных поверхностей, в частности применять вибрационное реза­ние труднообрабатываемых материалов. Сущность вибрационного резания состоит в том, что в процессе обработки создаются искусственные колебания инструмента с регулируемой частотой и заданной ампли­тудой в определенном направлении. Ис­точниками искусственных колебаний служат механические вибраторы или вы­сокочастотные генераторы. Частота коле­баний 200 ... 20 000 Гц, амплитуда коле­баний 0,02 ... 0,002 мм. Выбор оптималь­ных амплитуд и частоты колебаний зави­сит от технологического метода обработки и режима резания. Колебания задают по направлению движения подачи или скоро­сти главного движения резания.

Вибрационное резание по сравнению с обычным имеет ряд преимуществ: обеспе­чивает устойчивое дробление стружки на отдельные элементы, снижает сопротив­ление металла деформированию и эффек­тивную мощность резания. При вибраци­онном резании не образуются нарост на режущем инструменте и заусенцы на об­работанной поверхности, однако в неко­торых случаях стойкость инструмента несколько снижается. Вибрационное реза­ние применяют при точении, сверлении,

316

МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН

нарезании резьбы плашками и метчиками, шлифовании, фрезеровании и других ме­тодах обработки.

10. КАЧЕСТВО

И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ

ОБРАБОТКИ

Надежность машины зависит от точно­сти обработки заготовок, качества поверх­ностных слоев и точности сборки. Под точностью обработки понимают степень совпадения размеров, формы и взаимо­расположения поверхностей с указанными на рабочем чертеже детали. Точность вы­полнения размеров определяет отклонение фактических размеров обработанной по­верхности детали от ее конструктивных размеров, указываемых в рабочем чертеже в соответствии с допустимыми отклоне­ниями на размеры обрабатываемых по­верхностей, регламентируемыми ГОСТом.

Под точностью формы поверхностей понимают степень их соответствия гео­метрически правильным поверхностям, с которыми они отождествляются. Пре­дельные отклонения формы обработанных поверхностей регламентируются государ­ственными стандартами так же, как точ­ность их взаимного расположения. Пре­дельные отклонения формы и расположе­ния поверхностей на рабочих чертежах деталей обозначают условно в соответст­вии с государственными стандартами или оговаривают текстом в технических тре­бованиях на изготовление деталей.

Одним из показателей качества по­верхностного слоя изготовленной детали является шероховатость (см. п. 3). Чем выше требования, предъявляемые к точ­ности и качеству поверхностного слоя, тем длительнее процесс обработки заго­товки и сложнее технологический процесс изготовления деталей машин.

Точность и качество деталей могут быть существенно повышены при обра­ботке заготовок в автоматизированном режиме на станках с ЧПУ. Обратная связь

замкнутых систем ЧПУ контролирует точность исполнения команд, задаваемых программой обработки, и в случае их рас­согласования вносит коррекцию в пере­мещения исполнительных органов станка, повышая тем самым точность размеров обрабатываемых поверхностей заготовок. Наилучшие результаты достижения высо­кой точности обработки обеспечивают адаптивные системы программного управ­ления.

Производительность обработки опре­деляет число деталей, изготовляемых в единицу времени:

Q = VT_K.

Время Г_к (мин) складывается из основ­ного (технологического) и вспомогатель­ного; кроме того, учитывается время, свя­занное с особенностями обработки кон­кретных заготовок.

Основное технологическое время t₀ за­трачивается непосредственно на процесс изменения формы, размеров и достижения заданной шероховатости обрабатываемой поверхности заготовок. Формулы для оп­ределения основного времени в зависимо­сти от технологического метода обработки приведены в справочной литературе. На­пример, при обтачивании цилиндрической поверхности на токарно-винторезном станке, мин:

t₀ = Lh/(ns_np t) ,

где L - расчетная длина хода резца отно­сительно заготовки, мм; h - припуск на обработку, мм {hit - число проходов инст­румента).

Наибольшая производительность будет при работе с наибольшей подачей, глуби­ной резания (/ = И) и скоростью главного движения резания при наименьшей длине обрабатываемой поверхности. При увели­чении Япр и / производительность возрас­тает, но шероховатость резко падает, по­этому обработку заготовок следует вести на таком режиме резания, при котором

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБРАБОТКИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ 317

будут высокие точность обработки и за­данная шероховатость при требуемой производительности.

Элементы режима резания назначают следующим образом. Сначала выбирают глубину резания. При этом стремятся весь припуск на обработку срезать за один ра­бочий ход (проход) режущего инструмен­та. Если по технологическим причинам необходимо делать два прохода, то при первом снимают около 80 % припуска, при втором (чистовом) - около 20 %.

Затем выбирают величину подачи. Ре­комендуют назначать наибольшую допус­тимую величину подачи, учитывая требо­вания точности и допустимой шерохова­тости обработанной поверхности, а также мощность станка, режущие свойства мате­риала инструмента, жесткость и динами­ческую характеристику технологической системы. Наконец определяют скорость резания исходя из выбранных значений глубины резания, подачи и стойкости ре­жущего инструмента.

Скорость главного движения резания при точении, например, определяют по следующей эмпирической формуле, м/с:

v = cj(60t^x"s^y"T^m),

где C_v - коэффициент, учитывающий фи­зико-механические свойства материала обрабатываемой заготовки и условия об­работки (указан в справочниках, как и значения показателей степени x_w, y_w).

После вычисления скорости резания определяют частоту вращения шпинделя станка, соответствующую этой скорости резания, м/с:

и = 1000у/(60я£)^).

Многие модели станков с ЧПУ имеют бесступенчатое регулирование частоты вращения шпинделя и скорости движения подачи, что позволяет обрабатывать по­верхности заготовок на расчетных режи­мах резания.

Режим резания вводят в программу управления работой станка. Адаптивные

(самонастраивающиеся) системы про­граммного управления в процессе обра­ботки заготовок контролируют и коррек­тируют режим резания, учитывая изме­няющиеся условия обработки: изменение сил резания, износ инструмента, деформа­ции заготовки. Корректирование режима

С Начало ")

_Г

/Исходные Данные заготов­ки и резца:

B_sar,d,d,Ra,L,l,

е_в,Л;Л5К6,Т,

т,Е,я

*тах~'~^А

_т

при fl_max

_I

v°*f(e_b,tsXm,k_K)\

_I

Py-f(«„,t,s,v,A_p)

_E

\y-f(P_y,L,UEJ~)

(~КонецJ

Рис. 6.18. Алгоритм выбора режима резания

318

МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН

резания необходимо для ограничения кон­тролируемых параметров предельными допустимыми значениями, что оптимизи­рует процесс обработки по выбранному критерию.

Алгоритм* выбора режима резания для обтачивания цилиндрической поверхности на токарном станке с ЧПУ показан на рис. 6.18. По алгоритму в зависимости от исходных данных заготовки и инструмен­та осуществляют выбор величины реко­мендуемой подачи как функции параметра шероховатости поверхности Ra. После расчета v, P_y и прогиба заготовки у от си­лы Р_у ведут расчет ожидаемой точности размера. Если 2у > 0,35, где 5 - допуск на размер диаметра d, то расчет проводят заново, выбрав новую величину подачи.

11. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ

Многие эксплуатационные качества деталей машин и приборов, например дол­говечность, длительность сохранения кон­структивных форм, коррозионная стой­кость, прочность и другие, зависят не только от конструктивных форм, но и от точности изготовления и состояния по­верхностного слоя их обработанных по­верхностей. Эти качества формируются как на стадии производства заготовок, так и в процессе их механической обработки.

При рассмотрении физических основ механической обработки резанием было показано, как различные процессы, сопро­вождающие обработку заготовок, влияют на точность геометрических форм обрабо­танных поверхностей и их размеров, состояние качества поверхностного слоя, микротвердость, микро- и макро-

* Все буквенные обозначения в алгоритме при­ведены ранее по тексту или на рисунках. Кроме того: с, - предел прочности материала заготовки; Т15К6 - марка твердосплавной пластинки токарного резца; Е- модуль упругости материала заготовки.

рельеф поверхности, остаточные напря­жения и т.д.

Технологический процесс изготовле­ния деталей складывается из ряда опера­ций, следующих в определенной последо­вательности одна за другой. Поверхности детали обрабатываются последовательно несколькими технологическими методами. На каждой стадии обработки поверхности происходят изменения и сохранение тех или иных ее свойств.

Все объекты машиностроения - детали и изделия в целом - имеют соответствую­щие показатели качества. Эти показатели устанавливают исходя из служебного на­значения объектов. Для одних главными являются размеры, для других - шерохо­ватость поверхности или форма напряже­ния поверхностных слоев, взаимное рас­положение поверхностей и т.п. Погрешно­сти обработки и сборки возникают всегда. Изделия без отклонений от номинального значения показателя качества не бывает. Однако любое отклонение должно нахо­диться в допустимых пределах - допусках.

Информация об истории возникнове­ния каждого отклонения важна потому, что с ее помощью представляется воз­можным влиять на величину отклонения и тем самым повышать показатели качества машиностроительных изделий. Поэтому в процессе создания изделий, начиная с выбора материала для заготовки конкрет­ной детали, обработки заготовки и т.д., возникает необходимость рассмотрения производственного изготовления изделия во времени. При этом и появляется понятие о технологической наследст­венности.

Технологическим наследованием на­зывается явление переноса свойств объек­тов от предшествующих технологических операций к последующим. Эти свойства могут быть как полезными, так и вредны­ми. Сохранение этих свойств у объектов называют технологической наследствен­ностью. Такие термины являются доста­точно емкими. С помощью их и соответ­ствующих методик можно проследить за

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБРАБОТКИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ 319

состоянием объекта производства в любой момент времени с учетом всех предшест­вующих технологических воздействий. В процессе передачи свойств важную роль играет так называемая наследствен­ная информация. Она заключается в мате­риале деталей и поверхностных слоях этих деталей. Информация представляет собой большой перечень показателей качества.

Очень существенными являются уста­новление общих закономерностей техно­логического наследования, определение количественной стороны технологическо­го наследования таких понятий, как кон­структивные формы заготовок и деталей, погрешности технологических баз, по­грешности формы и пространственных отклонений заготовки, их волнистости, физико-механические свойства поверхно­стных слоев и др. Исключительно боль­шое значение имеют наследственные по­грешности при сборке.

Технологическую наследственность можно оценивать коэффициентами техно­логического наследования, показываю­щими количественные изменения опреде­ленного свойства. Например, коэффици­ент изменения точности размера опреде­ляют из выражения

^кт =⁸,/£,+« .

где 5 - допуск на размер; i - номер теку­щей операции; и - число операций сверх /, после проведения которых количественно определяется данное свойство (здесь -размер).

При оценке эксплуатационных качеств детали можно использовать ряд других коэффициентов: отклонения формы, из­менения шероховатости, напряжений, по­верхностной твердости, глубины накле­панного слоя, изменения структуры по­верхностного слоя и др.

Проявление технологической наслед­ственности может привести как к улучше-

нию, так и к ухудшению эксплуатацион­ных свойств деталей машин.

Для целесообразного использования явления технологической наследственно­сти следует устанавливать связи между эксплуатационными характеристиками деталей машин и различными элементами технологических методов их обработки. Подобные связи в ряде случаев можно выявить в виде математических зависимо­стей: например, состояние поверхностного слоя - функция режимов резания. Полу­ченные зависимости имеют большое зна­чение при моделировании технологиче­ских методов формообразования поверх­ностей деталей машин, что особенно важ­но при разработке и эксплуатации ГПС.

Следовательно, процессом технологи­ческого наследования можно управлять с тем, чтобы свойства, положительно влияющие на надежность детали, сохра­нять в течение всего технологического процесса, а свойства, влияющие отрица­тельно, ликвидировать в его начале.

12. ОБРАБАТЫВАЕМОСТЬ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ

Обрабатываемость - одно из техноло­гических свойств конструкционных мате­риалов - это комплексная взаимосвязь физико-механических и других свойств конструкционного материала и требова­ний, учитывающих возможности обработ­ки этого материала лезвийными режущи­ми инструментами.

Среди требований, предъявляемых процессом резания, следует отметить наи­меньшую сопротивляемость конструкци­онного материала деформированию и раз­рушению (образование стружки) его в процессе резания лезвийными инструмен­тами; возможность достижения заданных шероховатости и качества поверхностного слоя; склонность обрабатываемого мате-

320

МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН