Резание материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Резание материалов

Содержание

1. Физическая сущность процесса резания

2. Силы резания

3. Наростообразование

4. Тепловые явления при резании

5. Охлаждение и смазка при резании

6. Упрочнение материала заготовки при обработке резанием

7. Факторы, влияющие на качество и точность при обработке резанием

1. 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 (рисунок 5.1) вдавливается в металл, в срезаемом слое возникают упругие деформации.

Рисунок 5.1 - Упругонапряженное состояние металла при обработке резанием

При движении резца они, накапливаясь по абсолютной величине, переходят в пластические. В при клиновом срезаемом слое материала заготовки возникает сложное упругонапряженное состояние. В плоскости, перпендикулярной к траектории движения резца, возникают нормальные напряжения ау, а в плоскости, совпадающей с траекторией движения резца, - касательные напряжения тх. В точке приложения действующей силы значение хх наибольшее. По мере удаления от точки A ix уменьшается. Нормальные напряжения оу вначале действуют как растягивающие, затем они уменьшаются и, переходя через нуль, превращаются в напряжения сжатия. Срезаемый слой металла находится под действием давления режущего клина, 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 стружкообразования ABC, причем деформации начинаются по плоскости АВ и заканчиваются по плоскости АС, 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 ОО, которую называют плоскостью сдвига. Она располагается под углом и ? 300 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 О1О1, которая с плоскостью сдвига составляет угол в (рисунок 5.2).

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 в близок к нулю, а при обработке пластичных металлов в 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.

Рисунок 5.2 - Схема процесса образования стружки

2. Силы резания

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 1 процессу деформирования возникают реактивные силы, действующие на режущий инструмент. Реактивные силы - это силы упругого (Рy1 и Рy2) и пластического (Рn1 и Рn2) деформирования, векторы которых направлены перпендикулярно к передней и задней поверхностям лезвия резца (рисунок 5.3, а).

Наличие нормальных сил обусловливает возникновение сил трения (F1 и F2), направленных по передней и задней поверхностям лезвия инструмента. Указанную систему сил приводят к равнодействующей силе резания:

P = Pyl + Py2 + Pn1 + Pn2 + F1 + F2.

Считают, что точка приложения силы резания Р находится на главной режущей кромке инструмента (рисунок 5.3, 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 г и б в процессе резания. Для расчетов используют не равнодействующую силу резания, а ее составляющие, действующие по трем взаимно перпендикулярным направлениям - координатным осям металлорежущего станка.

а) силы, действующие на резец, б) разложение силы резания на составляющие

Рисунок 5.3 - Силы резания при обработке заготовки на токарном станке с ЧПУ

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 (рисунок 5.3, 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 Ру (Рг) (в скобках дано обозначение составляющих силы резания по ГОСТ 25762-83 для универсального токарного и других станков) действует в плоскости резания в направлении главного движения резания по оси y(z). По силе Ру определяют крутящий момент на шпинделе станка, эффективную мощность резания, деформацию изгиба (рисунок 5.4, а) заготовки в плоскости zOy, изгибающий момент, действующий на стержень резца (рисунок 5.4, б), а также ведут динамический расчет механизмов коробки скоростей станка.

Радиальная составляющая силы резания Рх (Ру) действует в плоскости xOz перпендикулярно к оси заготовки. По силе Рх (Ру) определяют величину упругого отжатия резца от заготовки и деформацию изгиба заготовки в плоскости xOz (рисунок 5.4, а). Осевая составляющая силы резания Рz (Рх) действует в плоскости xOz вдоль оси заготовки. По силе Рг (Рх) рассчитывают механизм подачи станка, а также изгибающий момент, действующий на стержень резца (рисунок 5.4, б).



а) силы, действующие на заготовку, б) силы, действующие на резец

Рисунок 5.4 - Схема действия сил при токарной обработке на станке с ЧПУ

По деформации заготовки от сил Рх и Ру рассчитывают ожидаемую точность размерной обработки заготовки и погрешность ее геометрической формы. По суммарному изгибающему моменту от сил Ру и Рх рассчитывают стержень резца на прочность.

3. Наростообразование

При обработке пластичных металлов резанием на передней поверхности лезвия инструмента образуется металл, который называют наростом - 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 (рисунок 5.5, а).

а) схемы образования и разрушения нароста, б) силы, действующие на нарост

Рисунок 5.5 - Схемы наростообразования

Объясняется это тем, что нарост находится под действием силы трения Т, сил сжатия P1 и P2 и силы растяжения Q (рисунок 5.5, б). С изменением размеров нароста меняется соотношение действующих сил. Когда сумма сил Р1 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.

Таким образом, 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 от 0,3 до 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 наростообразования позволяет дать рекомендации по борьбе с ним в условиях чистовой обработки. Это:

изменение геометрических параметров режущего инструмента;

изменение скорости движения резания;

применение смазочно-охлаждающих жидкостей;

тщательная доводка передней поверхности лезвия инструмента для снижения коэффициента трения между ней и отходящей стружкой.

4. Тепловые явления при резании

Цвет стружки, как правило, отличается от цвета металла, от которого она получена. Так, например, стальная стружка принимает светло-желтый цвет, нагреваясь до температуры 220 оС, темно-синий - при 290 оС, и при температуре 440 оС она имеет светло-серый цвет.

Это происходит из-за того, что в процессе резания выделяется много тепла, причем большую его часть поглощает стружка. Под влиянием нагрева на чистой металлической поверхности стружки образуются тонкие пленки окислов, приобретающие различный цвет, в зависимости от степени нагрева стружки.

Основные источники тепла, выделяющегося при резании

В процессе резания срезаемый слой материала сжимается. В результате чего мельчайшие частицы материала в срезаемом слое перемещаются относительно друг друга. Между ними возникает трение, в результате которого выделяется тепло. Кроме того, теплота при резании образуется еще и в результате трения стружки о переднюю поверхность резца, по которой она движется с большой скоростью. Наконец, тепло возникает и от трения задней поверхности инструмента о поверхность резания.

Практически вся механическая энергия, израсходованная на снятие стружки, превращается в тепловую (по данным П.А. Ребиндера и Г.И. Епифанова, не менее 99,5%). Следовательно, количество тепла, выделяющегося при резании, должно быть эквивалентно затраченной работе резания.

Поскольку работа А, затрачиваемая на резание в 1 минуту, может быть определена как произведение силы резания Рz на скорость резания V, то, следовательно, общее количество тепла Q, ккал/мин, выделяющегося при резании в 1 минуту,

,

где Рz - сила резания в кг;

V - скорость резания в м/мин;

Е - механический эквивалент теплоты, равный 427 кгм/ккал.

Образующееся в зоне резания тепло Q не остается в местах его появления, а распространяется от точек с высокой температурой к точкам с более низкой температурой: образуются тепловые потоки, быстро распространяющиеся в стружку, заготовку, инструмент и окружающуюся среду (рисунок 5.6).

Тепло, образующееся в зоне резания, слагается из следующих составляющих (рисунок 5.6):

QI - образующегося в результате упругопластических деформаций и разрушения при срезании стружки и формировании поверхностно слоя (отвод тепла в стружку);

QII - образующегося от трения стружки о переднюю поверхность инструмента (отвод тепла в заготовку, деталь);

QIII - образующегося от трения задних поверхностей инструмента о поверхность резания и обработанную поверхность заготовки (отвод тепла в инструмент).



Рисунок 5.6 - Схема распространения тепловых потоков в зоне резания

Тепловой баланс процесса резания выражается уравнением.

QI + QII + QIII = q1 + q2 + q3 +q4,

где q1, q2, q3 и q4 - количество тепла, уходящего соответственно в стружку, в заготовку, в режущий инструмент и в окружающую среду (таблица 5.1).

Значения членов уравнения и их соотношения не постоянны и изменяются в зависимости от физико-механических свойств обрабатываемого материала, режима резания, геометрических параметров и материала инструмента, условий обработки и др.

Так, при обработке пластичных металлов со скоростью резания 50 и 200 м/мин QI составляет соответственно 75 и 25 % от общего количества тепла резания.

С увеличением скорости резания уменьшается количество теплоты, выделяющегося за счет пластической деформации, и увеличивается за счет количества тепла, выделяемого за счет работы трения. Объясняется это тем, что с увеличением скорости резания уменьшается пластическая деформация.

Таблица 5.1 - Распределение тепла между стружкой, деталью и инструментом

Материал, обрабатываемой детали	Скорость, V, м/мин	В стружку, Q1, %	В деталь, Q2, %	В резец, Q3, %
Сталь 40Х	20-50 100-350	45 75	47 22	4,5 1,6
Жаропрочный сплав ЭИ867	3-5 15-25	25 45	45 35	28 18

С увеличением скорости резания количество тепла, идущего в резец, уменьшается, что объясняется отставанием скорости передачи тепла от скорости движения стружки. Она движется настолько быстро, что находится в контакте с инструментом совсем не продолжительное время.

При обработке жаропрочных материалов, количества тепла, идущего в инструмент, намного больше. Это вызывает при всех прочих равных условиях, более высокую температуру инструмента, что ограничивает применение высоких скоростей резания. Это объясняется тем, что жаропрочные материалы имеют повышенную прочность и пластичность, на обработку которых затрачивается больше работы, и поэтому образуется больше тепла резания.

По данным многих исследований, количество тепла, уходящее в стружку, составляет от 25 до 85 % всей выделившейся теплоты, в заготовку - от 10 до 50 %, в режущий инструмент - от 2 до 8%. С увеличением скорости резания отводимое стружкой тепло увеличивается, а заготовкой и инструментом - уменьшается.

Температура резания - наивысшая температура инструмента, при которой он не теряет режущей способности.

Температурную деформацию следует учитывать при чистовой обработке и, особенно, при настройке на точность станков - автоматов и автоматических линий.

Наиболее распространенными методами измерения температуры являются:

косвенный - калориметрический, по цветам побежалости, при помощи термокрасок и микроструктурного анализа;

непосредственный - при помощи искусственной и естественной термопары.

Нагрев режущих инструментов

Под влиянием тепла, выделяемого при резании, нагреваются стружка, инструмент и обрабатываемая деталь. Однако наибольшее значение для процесса резания имеет температура нагрева режущей части инструмента. Эта температура в значительной мере определяет быстроту затупления инструмента.

Температура нагрева инструмента может быть очень высокой, так как режущее лезвие постоянно находится в зоне наибольшего тепловыделения, а теплопроводность инструментальных материалов сравнительно невелика. Температура зависит от сопротивления деформированию, теплопроводности и теплоемкости обрабатываемого материала и материала режущего инструмента.

Например, при обработке резанием жаропрочных и титановых сплавов, имеющих малую теплопроводность, температура в зоне резания, а следовательно, и температура рабочей части инструмента превышает в 2 ч 3 раза температуру при обработке в тех же условиях углеродистых сталей. С увеличением прочности и твердости обрабатываемого материала возрастает затрачиваемая на резание работа, увеличивается количество выделенного тепла и повышается температура инструмента. В поверхностном слое инструмента, находящемся в контакте со стружкой, температура может даже достичь точки плавления обрабатываемого материала. Это уменьшает усилия резания, но снижает твердость и стойкость режущих инструментов.

На температуру режущего инструмента из элементов режима резания сильнее всего влияет скорость, меньше - подача и еще меньше - глубина резания. Обработка должна производиться без перегрева режущего инструмента. В нормальных условиях работы инструментом из углеродистой стали температура не должна превышать (200 ч 250) °С, из быстрорежущей стали - (650 ч 600) °С; инструментом, оснащенным твердыми сплавами, - (800 ч 1000) оС, и минералокерамикой - (1000 ч 1200) °С.

Влияние элементов режима резания на температуру резания

Температура резания зависит, с одной стороны, от количества тепла, выделяющегося в единицу времени, и, с другой стороны, от интенсивности отвода тепла в инструмент, деталь и окружающую среду. Чем больше тепла выделяется при резании, тем выше будет температура резания. Наоборот, с усилением интенсивности отвода тепла в инструмент и обрабатываемую деталь температура резания будет ниже, даже при одном и том же количестве выделившегося тепла.

С повышением режима резания общее количество тепла, выделяющегося в 1 минуту, увеличивается, и температура резания при этом повышается. В зависимости от режима резания температура резания изменяется в интервале от 20 °С, когда скорость резания составляет примерно от 0,1 до 0,2 м/мин, до 1000 °С, когда скорость резания высока. При скоростном точении стальных деталей температура на передней поверхности резца иногда приближается к точке плавления материала обрабатываемой детали.

С ростом толщины или ширины среза увеличивается объем деформируемого металла, поэтому возникает большая сила резания, следовательно, должно увеличиваться и общее количество тепла, выделяющегося при резании. Это приводит к повышению температуры инструмента.

Однако элементы режима резания (скорость резания, толщина и ширина среза) по-разному влияют на температуру резания. Больше всего повышает температуру резания скорость резания, меньше - толщина среза и еще меньше - его ширина. Так, с увеличением скорости резания в 2 раза температура резца, по данным профессора А.М. Даниеляна (рисунок 5.7), повышалась на 32%; с увеличением толщины среза в 2 раза она возрастала только на 12%, а с ростом ширины среза в 2 раза - всего на 5%.

а) от скорости резания V; б) от толщины среза а; в) от ширины среза

Рисунок 5.7 - Влияние элементов режима резания на температуру резца при обработке мягкой стали по опытным данным профессора А.М.Даниеляна

Ширина среза в меньшей степени влияет на температуру резания, чем толщина среза и скорость резания, ввиду того что температура резания зависит не только от количества выделяющегося тепла, но и от того, насколько быстро оно отводится в резец, деталь и окружающую среду. Чем интенсивнее отводится тепло, тем ниже и температура в зоне резания. С увеличением ширины среза пропорционально ее размеру увеличивается и периметр соприкосновения режущей кромки со стружкой, создавая условия для более интенсивного отвода тепла. В этих условиях температура резания повышается незначительно.

При увеличении же скорости резания или толщины среза приток тепла, приходящегося на единицу длины работающей части режущей кромки, становится больше. Поэтому температура резания повышается намного больше, чем при увеличении ширины среза.

Влияние других факторов на температуру резания

При одинаковых режимах резания резец малого сечения затупляется быстрее, чем резец большого сечения. Чем массивнее тело инструмента, тем больше тепла отводится в тело резца и тем меньше температура резания.

Различные материалы обладают различной способностью от» водить тепло от точек, имеющих высокую температуру. Эта способность материалов, называемая теплопроводностью, имеет очень существенное значение для работы инструмента. Если стержень резца изготовить не из стали, а из меди, то стойкость резца будет намного выше. Это объясняется тем, что в медный стержень тепло будет отводиться значительно быстрее, так как теплопроводность меди раз в 15 выше теплопроводности стали.

В подтверждение этого предположения сошлемся на следующий опыт. Испытывались резцы, поверхность которых была покрыта слоем меди толщиной от 0,1 до 0,3 мм, и эти же резцы испытывались до их омеднения. Вследствие сильной теплопроводности меди выделяющееся тепло очень быстро отводилось по медному покрытию от режущей кромки в стержень резца. В результате температура омедненных резцов оказалась значительно ниже температуры неомедненных и омедненные резцы показали стойкость в 2ч3 раза выше. резание охлаждение смазка заготовка

Еще большее влияние на температуру резания оказывает теплопроводность металла обрабатываемой детали. Чем она меньше, тем большая доля тепла уходит в инструмент и тем больше повышается его температура. Так, например, теплопроводность нержавеющей стали Х18Н10Т в 3 раза, а титанового сплава ВТ2 - в 10 раз меньше теплопроводности стали 45. Поэтому при обработке деталей из стали Х18Н10Т и сплава ВТ2 температура инструмента повышается в (1,5 ч 2,5) раза (рисунок 5.8).



а) при обработке детали из стали 45 и XI8H10T резцом

с пластинкой твердого сплава; б) при обработке деталей из

стали 45 и сплава ВТ2 резцом из быстрорежущей стали

Рисунок 5.8 - Влияние скорости резания на температуру резца:

Влияние температуры резания на процесс образования стружки

Исследования профессора А.Н. Еремина показали, что температура резания не только влияет на работоспособность инструмента, но и является одной из главных причин изменения всех явлений, связанных с процессом образования стружки. Температура резания воздействует на величину коэффициента трения, и на величину деформации срезаемого слоя, и на образование нароста, и на другие явления, сопровождающие процесс резания.

Проводили такой опыт. На токарном станке обрабатывали стальной вал при постоянных режимах резания, подогревая его в процессе резания до различных температур при помощи специальной высокочастотной установки. При этом измеряли коэффициент трения стружки о переднюю поверхность резца и усадку стружки.

Такой же опыт провели без искусственного подогрева обрабатываемого стального вала, изменяя температуру резания путем изменения скорости резания. Результаты опытов в обоих случаях получались одинаковые: величина коэффициента трения с повышением температуры нагрева в первом опыте и с повышением скорости резания во втором опыте вначале уменьшалась, затем увеличивалась и, наконец, снова уменьшалась. Так же изменялась и усадка стружки К.

Профессор А.Н. Еремин на основании своих исследований считает, что действительной причиной изменения всех явлений, наблюдаемых при резании металлов, являются не параметры режима резания, а температура резания, которая изменяется с изменением этих параметров.

Профессор А.Н. Еремин в связи с этим делает следующие выводы:

Интенсивность влияния различных факторов на образование нароста, усадку стружки, наклеп и другие явления при резании, очевидно, зависит от того, насколько сильно эти факторы действуют на повышение температуры резания.

Изменения физических явлений, наблюдаемых при резании (нарост, усадки стружки, наклеп), в желаемом для нас направлении можно добиться не только путем изменения параметров режима резания и геометрии инструмента, но и путем искусственного воздействия на температуру резания при помощи подогрева обрабатываемого металла или применения охлаждающих жидкостей.

Таким образом, влияние условий резания на температуру резания, можно сформулировать в выводах:

Температура резания повышается непропорционально скорости резания, т.к. с увеличением скорости уменьшается пластическая деформация, а следовательно уменьшается и количество теплоты.

Температура повышается непропорционально глубине резания и подаче. С увеличением глубины резания увеличивается работа резания, а значит и количество тепла, но одновременно с этим увеличивается длина лезвия, что улучшает термоотвод.

Подача в большей степени влияет на температуру резания, чем глубина резания, из-за того, что с увеличением глубины резания отвод тепла лучше, чем при увеличении подачи

Из элементов режима резания наибольшее влияние на температуру резания оказывает скорость резания, несколько меньше - подача и самое меньшее - глубина резания.

Влияние главного угла в плане - с его увеличением уменьшается рабочая длина лезвия, поэтому теплоотвод улучшается.

С увеличением отношения глубины резания к подаче и радиуса закругления увеличивается рабочая длина лезвия, что улучшает теплоотвод. Последний улучшается с увеличением поперечного сечения державки резца

При работе твердосплавным инструментом показатели степени у скорости, глубины резания и подачи меньше, чем при обработке быстрорежущим, из-за того, что при высоких скоростях резания уменьшается пластическая деформация и коэффициент трения, поэтому температура увеличивается медленнее.

Чем ниже теплопроводность инструментального материала, тем выше температура резания.

5. Охлаждение и смазка при резании

В настоящее время почти все операции обработки металлов резанием - точение, сверление, фрезерование, развертывание, протягивание, нарезание зубчатых колес, резьбы и многие другие операции, как правило, производятся с охлаждением. Исключением является строгание и точение на крупных токарных и карусельных станках.

Влияние смазочно-охлаждающих жидкостей на процесс резания и работу инструмента

Возникающие при резании высокая температура и силы трения ускоряют износ режущего инструмента, снижают его стойкость и ухудшают качество обработанной поверхности. Для уменьшения этого вредного влияния применяют смазочно-охлаждающие вещества.

В качестве смазочно-охлаждающих веществ используют, главным образом, жидкости - СОЖ, в которые иногда добавляют твердые вещества (порошки мыла и парафина, битум, воск, графит, дисульфит молибдена, соду и др.). Значительно реже для этой цели используют газы (таблица 5.2).

Многочисленные исследования показали, что СОЖ оказывает такое влияние на процесс резания:

попадая в зону резания, смазывает трущиеся поверхности и уменьшает трение;

проникая в микротрещины деформируемого слоя материала, снижает работу деформации;

поглощая выделяющееся при резании тепло, охлаждает деформируемый слой и обработанную поверхность заготовки, понижает температуру режущего инструмента, что повышает его стойкость;

смазывая рабочие части инструмента, препятствует образованию на них схватывания инструмента со стружкой, наростов, что влечет за собой уменьшение шероховатости обработанной поверхности.

Таблица 5.2 - Смазочно-охлаждающие жидкости

Название жидкости	Состав жидкости	Область применения и краткая характеристика
	Составляющие вещества	Весовое содержание,%
1	2	3	4
Водный раствор соды I	Сода кальцинированная техническая Вода	1,5 остальное	Черновое обтачивание. Введение в раствор нитрита натрия повышает его антикоррозионные свойства. По своему охлаждающему действию растворы соды и тринатрийфосфата равноценны
Водный раствор соды II	Сода кальцинированная техническая Нитрит натрия Вода	0,8 0,25 остальное
Водный раствор тринатрийфосфата I	Тринатрийфосфат Вода	1,5 Остальное
Водный раствор тринатрийфосфата II	Тринатрийфосфат Нитрит натрия Вода	0,8 0,25 остальное
Водный раствор мыла I	Мыло специальное калийное Сода кальцинированная техническая или тринатрийфосфат Нитрит натрия Вода	0,5 - 1,0 0,5 - ,75 0,25 остальное	Чистовое и фасонное точение Наряду с жидким калийным мылом может быть использовано любое водорастворимое мыло при отсутствии в нем хлористых солей. Хозяйственное мыло по экономическим соображениям применяется лишь в исключительных случаях
Водный раствор мыла II	Мыло специальное калийное Сода кальцинированная техническая Вода	4,0 1,5 остальное
Продолжение таблицы 5.2
мульсия на стандартном эмульсолеI	Эмульсол Э-2 (Б) Сода кальцинированная техническая или тринатрийфосфат Вода	2 -3 0,4 - 0,6 остальное	Обработка поверхностей, которые не требуют особой чистоты, производящаяся при высоких скоростях резания, с образованием длинной завивающейся стружки большого поперечного сечения
Эмульсия на стандартном эмульсоле II	Эмульсия Э-2 (Б) Сода кальцинированная техническая или тринатрийфосфат Вода	5, 0 - 8,0 0,2 остальное	Чистовое обтачивание
Эмульсия на основе окисленного петролатума IV	Эмульсол на основе окисленного петролатума Сода кальцинированная техническая Нитрит натрия Вода	5,0 0,3 0,2 остальное	Черновое и чистовое обтачивание. Получаемая чистота поверхности выше, чем при охлаждении эмульсиями на стандартном эмульсоле
Смешенное масло	Индустриальное масло 20 Льняное масло (2-й сорт) Керосин	70,0 15,0 15,0	Нарезание резьбы с высокой точностью. Обработка дорогостоящими фасонными инструментами
Сульфофрезол		100,0	Чистовая обработка с малым сечением среза. Применение сульфофрезола при черновых работах не рекомендуется, т. к. вследствие образования большого количества тепла происходит разложение сульфофрезола (выделение серы), вредное для здоровья рабочего
Смесь сульфофрезола с керосином	Сульфофрезол Керосин	90,0 10,0	Нарезание резьбы, глубокое сверление, чистовая обработка поверхностей
Керосин		100,0	Обработка алюминия Обработка колеблющимися брусками

Примечание: В смазочно-охлаждающих жидкостях применяются тринатрийфосфат и нитрит натрия второго сорта.

При использовании СОЖ стойкость режущего инструмента значительно возрастает, а, следовательно, увеличивается допустимая скорость резания; обработанные поверхности имеют большую точность и меньшую шероховатость; уменьшается на (10 ч 15) % эффективная мощность резания.

СОЖ подразделяются на три основные группы:

обладающие только охлаждающим свойством, ? водные растворы электролитов;

обладающие охлаждающим свойством и частично смазывающим, ? водные растворы мыла, эмульсии;

обладающие смазывающим свойством и частично охлаждающим, ? масляные жидкости.

Охлаждающие СОЖ должны обладать высокой теплопроводностью и теплоемкостью, значительной скрытой теплотой парообразования и низкой вязкостью. Лучшую охлаждающую способность имеют жидкости на водной основе - эмульсии, водные растворы соды, солей и др. Эмульсии получают растворением в воде эмульсолов - растворов мыла и органических кислот в минеральных маслах. Охлаждающие СОЖ используют при черновой обработке вязких металлов, когда температура нагревания инструментов высока, а шероховатость обработанной поверхности не имеет особого значения. Сильное охлаждение от 8 до 12 л/мин при черновом точении резцами из быстрорежущей стали дает возможность повысить скорость резания на (15 ч 25) %.

При чистовой обработке, когда нужно получить точную поверхность с малой шероховатостью, а также при нарезании резьбы и зубьев зубчатых колес применяют смазывающие СОЖ (минеральные и растительные масла, керосин). Они обладают хорошей смачиваемостью и благодаря высокой смазочной способности значительно снижают трение. Добавка дисперсных порошков поверхностно-активных веществ повышает их смазочное действие и теплопроводность. Широко используют сульфофрезолы - минеральные масла, содержащие добавки серы.

Смазывающее действие СОЖ заключается в следующем. Молекулы жидкости адсорбируются на поверхности инструмента. В результате адсорбции образуются очень тонкие пленки смазки, которые снижают трение на рабочих поверхностях инструмента, препятствуют схватыванию обрабатываемого металла с инструментом, замедляют его износ. Кроме того, смазка, проникая в микротрещины, имеющиеся в зоне резания, образует там смазочные пленки, уменьшает внутреннее трение и тем самым облегчает скольжение кристаллов.

В результате смазывающего действия жидкости сила резания уменьшается. Например, при точении без смазки сила резания составляет 100%, а в зависимости от состава охлаждающей жидкости изменяется так:

Роль смазки особенно сильно проявляется там, где имеется большое трение и снимается тонкая стружка. Например, если при работе резцами смазка может снизить силу резания на 25 %, то при работе протяжками - на (35 ч 40) %, а метчиками - до 50 %.

Смазочно-охлаждающая жидкость Сила резания в %

Вода с содой ………………… 97

Эмульсия ………………… 90

Минеральное масло.................................. 85

Осерненное масло:

на минеральной основе............... 80

на растительной основе............... 75

При высоких скоростях резания частицы жидкости не успевают проникать на поверхности контакта. Поэтому смазывающее действие жидкости наиболее сильно проявляется при работе на низких скоростях с малой толщиной среза.

Охлаждающее действие СОЖ состоит в следующем. СОЖ, соприкасаясь с горячей стружкой, с нагретым режущим инструментом и обрабатываемой деталью, поглощает и отводит часть тепла из зоны резания. Часть жидкости при этом испаряется, поглощая тепло. Таким образом, охлаждающее действие жидкости зависит от ее теплопроводности, теплоемкости и скрытого тепла испарения.

Если смазывающее действие жидкостей наиболее сильно проявляется при тонкой стружке и низких скоростях резания, то охлаждающее действие - при больших размерах среза.

Способы охлаждения режущих инструментов

Эффективность действия СОЖ зависит не только от состава и свойств жидкости, но и от способа ее подвода к зоне резания, скорости резания, толщины среза.

В настоящее время наряду с обычным способом наружного охлаждения свободно падающей струей жидкости, применяется внутреннее охлаждение инструмента и новые способы охлаждения: высоконапорное (тонкоструйное) охлаждение и охлаждение тонкораспыленной жидкостью (рисунок 5.9). Кроме того, разработаны и другие виды охлаждения: охлаждение жидкостью низкой температуры, жидкой углекислотой, углекислым газом, сжатым воздухом.

Охлаждение свободно падающей струей (рисунок 5.9, а) наиболее распространено благодаря своей простоте, однако обладает существенными недостатками: мала скорость струи, велик расход жидкости от 8 до 12 л/мин, СОЖ разбрызгивается.

При этом способе охлаждения СОЖ, имеющая температуру от 18 до 25 °С, в количестве до 20 л/мин насосами подается сверху на срезаемый слой металла поливом под давлением от 0,05 до 0,2 МПа.

а) свободно падающей струей; б) под большим давлением со стороны задней поверхности; в) под большим давлением со стороны передней поверхности

Рисунок 5.9 - Способы подведения СОЖ в зону резания

Свободно падая на стружку в месте ее отделения от детали (при точении) или же на вращающийся инструмент (например, при фрезеровании), жидкость попадает в зону резания, охлаждает стружку, инструмент и обрабатываемую деталь; при этом средняя температура в зоне резания понижается на (50 ч 100) °С, а стойкость инструмента, в зависимости главным образом от материала детали и скорости резания, повышается в (2 ч 4) раза. При высоких скоростях резания эффективность этого способа охлаждения незначительна, поэтому при работе инструментом с пластинкой твердого сплава этот способ не применяется.

Из-за малой скорости подачи жидкости от 0,2 до 1,5 м/сек интенсивность охлаждения при этом способе сравнительно небольшая. Однако из-за простоты его он находит самое широкое применение.

Высоконапорное или тонкоструйное охлаждение (рисунок 5.9, б) более эффективно, чем предыдущий способ охлаждения. При этом высоконапорном охлаждении тонкая струя жидкости через сопло диаметром от 0,2 до 0,6 мм под высоким давлением до 3 МПа подается к режущим кромкам резца со стороны задней поверхности. Расход жидкости от 0,6 до 4 л/мин.

Перемещаясь с большой скоростью, струя жидкости проникает в зону наиболее интенсивного трения на передней и задней поверхностях, отчего эффективность охлаждающего и смазывающего действия ее сильно повышается. Струйное охлаждение значительно повышает стойкость режущего инструмента, особенно при резании труднообрабатываемых материалов (жаропрочных и титановых сплавов), но требует применения специальных насосов и защитных устройств от разбрызгивания СОЖ.

По сравнению с обычным способом охлаждения стойкость быстрорежущих резцов повышается от 3 до 7 раз, а твердосплавных - примерно в 1,5 раза.

Охлаждение тонкораспыленной СОЖ (рисунок 5.9, в) состоит в том, что жидкость, распыленная в инжекторной установке при помощи воздуха на мельчайшие частицы в виде тумана, выбрасывается в зону резания под давлением от 0,2 до 0,3 МПа со стороны задней поверхности.

Соприкасаясь с горячей стружкой, резцом и обрабатываемой деталью, жидкость быстро испаряется, интенсивно поглощая значительное количество тепла, выделяющегося при резании. Молекулы же воздуха, двигаясь с большой скоростью, свободно проникают в различные поры и трещины, возникающие в обрабатываемом металле в процессе его деформации, и увлекают туда частицы жидкости, которые оказывают смазывающее и расклинивающее действие.

Достоинствами данного способа охлаждения являются:

малый расход СОЖ (эмульсии - от 100 до 300, а масла - от 0,5 до 2 г/ч);

высокая скорость струи (примерно 300 м/сек);

высокое качество обработки.

Стойкость инструмента при таком методе охлаждения по сравнению со стойкостью при высоконапорном охлаждении примерно в 2 раза меньше. Но этот метод более удобный, так как не требует точного направления струи, и его можно применять при работе многолезвийными инструментами.

Метод требуем тщательного соблюдения правил техники безопасности, применении специальных отсасывающих устройств.

В некоторых случаях, например при точении или сверлении хрупких материалов, инструмент или зону резания охлаждают прокачиванием охлаждающей жидкости по внутренним каналам в инструменте (резец, сверло). В некоторых случаях, например при глубоком сверлении, СОЖ, подаваемая под давлением (2 ч 2,5) МПа, не только охлаждает зону резания, но и вымывает стружку.

Для охлаждения хрупких материалов, когда образуется стружка скалывания, довольно часто используют газы (азот, сжатый воздух, углекислоту), подаваемые под давлением в зону резания. Стружка газовой струей удаляется в специальные сборники.

6. Упрочнение материала 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 с (рисунок 5.10 а), равный при обычных методах заточки примерно 0,02 мм. Такой инструмент срезает с заготовки стружку при условии, что глубина резания t больше радиуса с.

а) образование поверхностного слоя заготовки, б) эпюра распространения упрочнения по толщине заготовки

I - зона разрушенной структуры; II - зона наклепанного металла; III - основной металл

Рисунок 5.10 - Схема образования поверхности и эпюра упрочнения

Тогда в стружку переходит часть срезаемого слоя металла, лежащая выше линии CD. Слой металла, соизмеримый с радиусом с и лежащий между линиями АВ и CD, упругопластически деформируется. При работе инструмента значение радиуса с 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.

После перемещения резца относительно обработанной поверхности происходит упругое восстановление поверхностного деформированного слоя на величину hy (рисунок 5.10, 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 V и трения F. Чем больше значение упругой деформации, тем больше сила трения. Для уменьшения сил трения у режущего инструмента делают задние углы (б и б'), 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.

Таким образом, 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 деформированием, например обкатку поверхностей заготовок стальным закаленным роликом или шариком.

Условно поверхностный слой обработанной заготовки можно разделить на три зоны (рисунок 5.10, б): 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; III - 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. Факторы, влияющие на качество и точность при обработке резанием

Влияние тепловых процессов при резании на качество обработки

В связи с тем, что нагрев инструмента во время обработки изменяет его геометрические размеры, возникают погрешности размером и геометрической формы обработанных поверхностей. Размеры заготовки изменяются и от нагрева самой заготовки, которая при жестком закреплении на станке может также деформироваться. Таким образом, тепловые процессы при резании металлов могут вызвать снижение точности и нарушение правильности геометрической формы обработанных поверхностей.

При напряженных режимах резания нагрев поверхностного слоя обработанной металлической поверхности может быть таким, что в нем происходит фазовые превращения, существенно изменяющие его свойства.

Влияние режима резания на шероховатость обработанной поверхности

Образование нароста значительно увеличивает шероховатость обработанной поверхности. Появление и исчезновение нароста, а также его высота зависят от режима резания. Поэтому высота шероховатостей и общая высота неровностей обработанной поверхности находятся в прямой зависимости от режима резания и, прежде всего, от скорости резания (рисунок 5.11, а).

Рисунок 5.11 - Влияние на величину неровностей при чистовом точении скорости резания и подачи (а), переднего угла (б)

Некоторые ученые считают, что действительной причиной влияния скорости резания на высоту шероховатостей является не собственно скорость резания, а температура, в свою очередь, зависящая от скорости резания.

В самом деле, при одной и той же скорости резания можно получить различную чистоту обработанной поверхности, если обрабатываемую деталь нагревать до различной температуры. Так, например, на Кировском заводе в Ленинграде был проделан такой опыт. Сталь 45Х обрабатывали при одних и тех же режимах резания (V = 30 м/мин; t = 0,2 мм и S = 0,118 мм/об) с подогревом ее электромеханическим способом до температуры 800 оС и без подогрева. При резании подогретой стальной заготовки нарост на инструменте не образовывался, и по этой причине максимальная высота неровностей была почти в 10 раз меньше, чем во втором случае.

Влияние подачи на чистоту обработанной поверхности (рисунок 5.11, а) несколько сложнее, чем влияние скорости резания. Дело в том, что с изменением подачи меняется не только высота шероховатостей (Нш), но и высота остаточных гребешков (Нт). Кроме того, чем больше толщина среза, тем больше объем материала, деформируемого при резании, больше высота нароста и шероховатость становится еще больше.

Влияние подачи на рост шероховатостей сильнее всего сказывается в момент наибольшей высоты нароста.

Влияние свойств обрабатываемого материала на чистоту обработанной поверхности

Известно, что стальная деталь может быть обработана несравненно чище, чем деталь из чугуна, особенно, когда он имеет структуру крупнозернистого перлита со значительным содержанием графита.

Некоторые материалы трудно поддаются чистовой обработке. К таким материалам, например, относятся мягкие и в то же время вязкие пластичные стали с малым содержанием углерода. Хотя они и легко режутся, но, тем не менее получить чистую поверхность на таких материалах почти невозможно.

Дело в том, что с увеличением пластичности стали деформация срезаемого слоя и высота нароста увеличиваются; изменяется и чистота обработанной поверхности.

Иногда при одной и той же механической обработке двух деталей, изготовленных из одной и той же марки стали, чистота поверхности получается различной, несмотря на одинаковую твердость и химический состав обрабатываемого материала.

Это объясняется различной микроструктурой стали. При различной термической обработке в структуре стали может преобладать какая-либо одна из двух составляющих: феррит или перлит. Феррит - мягкий, вязкий, тягучий материал. Он легко поддается резанию, мало изнашивает инструмент, но прилипает к режущим кромкам инструмента и увеличивает шероховатость обработанной поверхности. Поэтому сталь, структура которой состоит из крупных неравномерных скоплений феррита, трудно поддается чистовой обработке, особенно такими инструментами, как развертки или протяжки. Обработанная ими поверхность получается рваной, с большими задирами.

Наилучшую по чистоте поверхность дают стали с микроструктурой мелкозернистого перлита.

Влияние геометрии инструмента на чистоту обработанной поверхности

От геометрии инструмента зависит не только Нт, но и Нш. Высота остаточных гребешков Нт зависит от углов в плане и, особенно, от радиуса закругления вершины режущей части инструмента. Поэтому при чистовом точении радиус при вершине резца и делают возможно большим. Кроме того, величина Нт зависит от величины вспомогательного угла в плане ц1. С уменьшением угла ц1 высота остаточных гребешков уменьшается. Не случайно у разверток и некоторых других чистовых инструментов длину вспомогательной режущей кромки делают намного больше подачи, а угол ц1 - равным 0°. При такой конструкции режущей части остаточные гребешки отсутствуют, то есть Нт = Нш

Высота шероховатостей Нш зависит и от величины переднего угла г. Ведь одной из основных причин, определяющих величину шероховатостей, служит наличие нароста. Если уменьшается передний угол г, то деформация обрабатываемого металла растет, высота нароста и шероховатость увеличиваются.

Интенсивность влияния переднего угла на Нш зависит от режимов резания и, прежде всего, от скорости резания.

На рисунке 5.11, б, заимствованном из работ профессора А.Н. Еремина, показана связь между высотой неровностей и скоростью резания при точении стальных деталей резцами с различными величинами углов г. При низких скоростях резания, когда образуется нарост, уменьшение гла г дает сильное увеличение шероховатостей. В самом деле, чем меньше угол г, тем выше расположена кривая, выражающая эту связь, то есть тем больше величина Нш.

Наоборот, при высоких скоростях резания, когда нарост на передней поверхности отсутствует, кривые почти сливаются в одну линию, что говорит об отсутствии влияния угла г на шероховатость поверхности.