Тепловые явления при резании

 

Резание сопровождается образованием теплоты. Количество теплоты Q (Дж/мин), выделяющейся в единицу времени. Q=PzV.

Причинами образования теплоты являются упруго-пластическое деформирование в зоне стружкообразования, трение стружки о переднюю поверхность лезвия инструмента, трение задних поверхностей лезвия инструмента о поверхность резания и обработанную поверхность заготовки

Тепловой баланс процесса резания можно представить тождеством:

Q=Q_д+Q_пп+Q_зп=Q_с+Q_з+Q_р+Q_л

где: Q_д – количество теплоты, выделяющейся при упругопластическом деформировании обрабатываемого материала, Дж;

Q_пп – количество теплоты, выделяющейся при трении стружки о переднюю поверхность лезвия инструмента, Дж;

Q_зп – количество теплоты, выделяющейся при трении задних поверхностей лезвия инструмента о заготовку, Дж;

Q_с – количество теплоты, отводимое стружкой, Дж;

Q_з – количество теплоты, отводимое заготов­кой, Дж;

Q_р – количество теплоты, отводимое режущим инструментом, Дж;

Q_л – количество теплоты, переходящее в окружающую среду (теплота лучеиспускания), Дж..

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.

Теплообразование отрицательно влияет на процесс резания. Нагрев инструмента до высоких температур (800 ÷ 1000⁰С) вызывает структурные превращения в материале, из которого он изготовлен, снижение твердости инструмента и потерю его режущих способностей.

Нагрев инструмента вызывает изменение его геометрических размеров, что влияет на отклонение размеров и формы обработанных поверхностей. Например, при обтачивании цилиндрической поверхности на токарно-винторезном станке удлинение резца при повышении его темпе­ратуры изменяет глубину резания, и обработанная поверхность может получиться конусообразной. Нагрев заготовки вызывает изменение ее размеров. Вследствие жесткого закрепления на станке заготовка начинает деформироваться. Температурные деформации инструмента, приспособлений, заготовки и станка изменяют глубину реза­ния и снижают точность формы и размеров ее поверхности.

Отклонение формы обработанных поверхностей возрастает в связи с тем, что температурное поле переменно по объему заготовки.После охлаждения у заготовки происходит дополнительное отклонение формы обработанной поверхности. Температурные погрешности, влияющие на отклонение формы и размеров обрабатываемой заготовки, следует учитывать при наладке станков, особенно автоматов и полуавтоматов.

Для уменьшения отрицательного влияния теплоты на резание обработку следует вести с применением смазочно-охлаждающих технологических сред. В зависимости от технологического метода обработки, физико-механических свойств материалов обрабатываемой заготовки и режущего инструмента, а также от режима резания применяют различные смазочно-охлаждающие технологические среды, которые можно разделить на следующие группы:

жидкости – водные растворы солей, эмульсии, растворы мыл; минеральные, животные и растительные масла; минеральные масла с добавлением фосфора, серы, хлора (сульфофрезолы); керосин и растворы поверхностно-активных веществ в керосине; масла и эмульсия с добавлением смазывающих веществ – графита, парафина, воска;

газы и газообразные вещества – газы С0₂, СС1₄, N55; пары поверхностно-активных веществ; распыленные жидкости (туман) и пены;

твердые вещества – порошки воска, 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 лезвия инструмента о заготовку. Одновременно снижается работа деформирования. Общее количество теплоты, выделяющейся при резании, уменьшается. Смазочно-охлаждающие средства отводят теплоту во внешнюю среду, охлаждая тем самым режущий инструмент, деформируемый слой и обработанную поверхность заготовки.

Глава 11

Инструментальные материалы

 

Требования к инструментальным материалам

Режущие инструменты работают в условиях больших нагрузок, высоких температур, трения и износа. Поэтому инструментальные материалы должны иметь особые эксплуатационные физико-механические свойства. Материал рабочей части инструмента должен иметь боль­шую твердость и высокие допускаемые напряжения на изгиб, растяжение, сжатие, кручение. Твердость материала рабочей части инструмента предусматривают значительно большей, чем твердость материала обрабатываемой заготовки.

Высокие прочностные свойства необходимы, чтобы инструмент обладал сопротивляемостью соответствующим деформациям в процессе резания, а достаточная вязкость материала инструмента позволяла воспринимать ударную динамическую нагрузку, возникающую при обработке заготовок из хрупких материалов и заготовок с прерывистой поверхностью. Инструментальные материалы должны иметь высокую теплостойкость, то есть сохранять постоянными твердость и режущие свойства при высоких температурах. Важнейшей характеристикой материала рабочей части инструмента является износостойкость. Чем выше износостойкость, тем медленнее изнашивается инструмент и выше его размерная стойкость. Это значит, что детали, последовательно обработанные одним и тем же инструментом, будут иметь минимальный разброс размеров. В целях повышения износостойкости на рабочую часть инструментов наносят специальными методами одно– и многослойные покрытия из карбидов вольфрама или нитридов титана. Материалы для изготовления инструментов должны по возможности иметь наименьшее процентное содержание дефицитных элементов.

Инструментальные стали

 

Углеродистые инструментальные стали содержат 1,0 ÷ 1,3% С. Для изготовления инструментов применяют стали У10А, У11А, У12А и др. После термической обработки стали (НRС 60 ÷ 62) имеют теплостойкость 200 ÷ 240⁰С. При этих температурах твердость стали резко уменьшается и инструменты не могут выполнять работу резания. Допустимые скорости резания не превышают 15 ÷ 18 м/мин. Из этих сталей изготовляют метчики, плашки, ножовочные полотна, сверла и зенкеры малых диаметров.

Легированные инструментальные стали. Основой их служат инструментальные углеродистые стали, легированные хромом, вольфрамом, ванадием, кремнием и другими элементами. После термообработки теплостойкость легированных сталей (НRС 62 ÷ 64) составляет 220 ÷ 260⁰С. Легированные стали по сравнению с углеродистыми имеют повышенную вязкость в закаленном состоянии, более высокую прокаливаемость, меньшую склонность к деформациям ипоявлению трещин при закалке. Допустимая скорость резания 15 ÷ 25 м/мин. Для изготовления протяжек, сверл, метчиков, плашек, разверток используют стали: 9ХВГ, ХВГ, ХГ, 6ХС, 9ХС и др.

Быстрорежущие стали содержат, %: 5,5 ÷ 19 W, 3,8 ÷ 4,4 Сr, 2 ÷ 10 Со и V. Для изготовления режущих инструментов используют стали Р9, Р12, Р18, Р6МЗ, Р6М5, Р9Ф5, Р14Ф4, Р18Ф2, Р9К5, Р9КЮ, Р10К5Ф2и др. Режущий инструмент из быстрорежущей стали после термической обработки (HRC 62 ÷ 65) имеет теплостойкость 600 ÷ 640⁰С и обладает повышенной износостойкостью. Он может работать со скоростями до 100 м/мин.

Сталь Р9 рекомендуют для изготовления инструментов простой формы (резцов, фрез, зенкеров), фасонных и сложных инструментов (для нарезания резьбы и зубьев). Кобальтовые быстрорежущие стали (Р9К5, Р18К5Ф2, Р9К10) применяют для обработки труднообрабатываемых корро­зионно-стойких и жаропрочных сталей и сплавов в условиях тяжелого прерывистого резания. Ванадиевые быстрорежущие стали (Р9Ф5, Р14Ф4) рекомендуют для изготовления инструментов, предназначенных для чистовой обработки (протяжки, развертки, шеверы). Их применяют для обработки труднообрабатываемых материалов при срезании стружек небольшого поперечного сечения.

Вольфрамомолибденовые стали (Р9М4, Р6МЗ) используют для инструментов, применяемых при черновой обработке, и изготовления протяжек, долбяков, шеверов, фрез.

С целью экономии быстрорежущих сталей режущий инструмент изготовляют сборным или сварным. Рабочую часть инструмента делают из быстрорежущей стали, которую сваривают с хвостовиком из конструкционной стали 45, 50, 40Х. Часто используют пластинки из быстрорежущей стали, которые приваривают к державкам или корпусам инструментов.

Твердые сплавы

 

Твердые сплавы ÷ это твердый раствор карбидов вольфрама, титана и тантала (WС, TiС, ТаС) в металлическом кобальте(Со). Твердые сплавы применяют в виде пластинок определенных форм и размеров, изготовляемых порошковой металлургией. Пластинки предварительно прессуют, а затем спекают при температуре 1500 ÷ 1900⁰С. Твердые сплавы делят на группы:

вольфрамовую (ВК) – ВК2, ВКЗ, ВКЗМ, ВК4, ВК4В, ВК6М, ВК6, ВК6В, ВК8, ВК8В, ВК10, ВК15, ВК20, ВК25;

титано-вольфрамовую (ТК) – Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12В;

титанотанталовольфрамовую (ТТК) – ТТ7К12, ТТ10К8Б.

Пластинки из твердого сплава (НRC 86 ÷ 92) обладают высокой износостойкостью и теплостойкостью 800 ÷ 1250⁰С, что позволяет вести обработку со скоростями до 800 м/мин. Эти пластинки припаивают к державкам или корпусам инструментов медными, латунными припоями или крепят механическим способом.

В промышленности применяют многогранные повторно не затачиваемые твердосплавные пластинки (трех-, четырех,- пяти-, шестигранные), которые крепят механическим способом. После изнашивания одной из режущих кромок пластинки ее поворачивают и обработку выполняют следующими кромками. Недостатком твердых сплавов является низкая пластичность.

Твердые сплавы группы ВК используют для обработки заготовок из хрупких металлов, пластмасс и других неметаллических материалов, сплавы группы ТК – для обработки заготовок из пластичных и вязких металлов и сплавов. Мелкозернистый твердый сплав ВК6М применяют для обработки заготовок из труднообрабатываемых коррозионно-стойких и жаропрочных сталей и сплавов, твердых чугунов, бронз, закаленных сталей, сплавов легких металлов, сплавов титана, фарфора, керамики, стекла, ферритов. Трехкарбидные сплавы ТТК отличаются от сплавов групп

ВК, ТК повышенными износостойкостью, прочностью и вязкостью. Их применяют для обработки заготовок из труднообрабатываемых сталей аустенитного класса.