Раздел 3. Обработка материалов резанием

Процесс резания металлов

 

Процесс резания металлов заклю­чается в срезании с заготовки поверх­ностного слоя для получения детали нужной формы, требуемых размеров и качества обработанной поверхности. Срезаемый слой металла называется стружкой. Обработка резанием яв­ляется наиболее важным процессом в машиностроительном производстве и применяется при изготовлении почти любой продукции. Даже в случае, если процессы резания не используются в основном производстве, они использу­ются косвенно при изготовлении тех­нологической оснастки и при ремонте оборудования.

Рис. 1. Схема процесса точения

Основными видами обработки реза­нием являются точение, фрезерование, сверление, строгание, шлифование и др. Различные виды обработки или их со­четание выполняются на металлорежу­щих станках: токарных, фрезерных, сверлильных, шлифовальных, строгаль­ных, протяжных, агрегатных и специ­альных и на автоматических линиях с помощью различных инструментов — резцов, сверл, фрез, протяжек, шлифо­вальных кругов и др.

При изучении теории резания при­нимают за основу обработку на токар­ных станках—точение, а в качестве инструмента—токарный резец. Для осуществления процесса точения необ­ходимо иметь два движения: глав­ное движение — вращательное дви­жение заготовки V (рис. 1) и переме­щение заготовки—движение по­дачи S. Скорость главного движения определяет скорость резания, движе­ние подачи обеспечивает непрерывное врезание инструмента в новые слои металла заготовки.

 

Элементы и углы резца

Резец состоит из режущей части (головки) и стержня (рис. 2). Стер­жень служит для закрепления резца в резцедержателе станка. Режущая часть состоит из следующих элементов: пе­редней поверхности 1 —поверхности, по которой сходит стружка, главной задней 5 и задней вспомогательной 3 поверхностей, обращенных к обраба­тываемой заготовке; главной режущей кромки 2, образующейся от пересече­ния передней и главной задней поверх­ностей, выполняющей основную рабо­ту резания и вспомогательной режущей кромки 6, образующейся от пересече­ния передней и вспомогательной зад­ней поверхностей.

Рис.2. Элементы резца: 1 —передняя поверхность, 2 —главная режущая кромка, 3— вспомогательная задняя поверхность, 4 —вершина резца, 5— главная задняя поверхность, 6— вспомогательная режущая кромка, 7 — режущая часть, 8— стержень.

 

Вершины резца 4— место сопряже­ния главной и вспомогательной режу­щих кромок. Вершина резца может быть острой, закругленнойи срезан­ной.

Рис. 3. Углы резца в плане:

—главный угол, —вспомогательный угол

 

Режущая часть резца имеет форму клина, заточенного с определенными углами. Чтобы обеспечить режущую способность инструмента, получить тре­буемую точность и качество поверхно­сти детали, необходимо правильно вы­брать углы режущей части резца. Различают углы в плане и основные уг­лы резца.

Углами в плане называются углы между режущими кромками резца и направлением подачи: —главный угол в плане, —вспомогательный угол в плане (рис. 3).

Рис. 4. Основные углы резца:

а — главный задний угол, — угол заострения, — передний угол, — угол резания.

Основные углы резца (рис. 4): пе­редний угол — , главный задний угол — а, угол заострения — , угол резания — .

 

7.2 Процесс образования стружки и типы стружек

 

В зависимости от условий обработ­ки стружка может быть разных видов. При обработке пластичных материа­лов (конструкционные стали) образу­ется элементная стружка (рис. 5), ступенчатая и сливная, а при обра­ботке малопластичных материалов— стружка надлома. Эта классификация стружек предложена в 1870 г. Н. А. Тиме. Ею пользуются и в настоящее вре­мя.

Элементная стружка (рис. 5, а) состоит из отдельных, пластически деформированных элементов, сла­бо связанных или совсем не связан­ных между собой. На рис. 6 и 7 пока­заны схемы образования элементной стружки. Резец, установленный на глубину а, перемещается под действи­ем силы Р, передаваемой суппортом станка, и постепенно вдавливается в металл заготовки, сжимает его своей передней поверхностью я вызывает сначала упругие, а затем пластические деформации. Различают следующие фазы образования элемента (по И. А. Тиме). В начале резания (рис. 6, а) происходит соприкосновение рез­ца с обрабатываемой заготовкой. За­тем резец своей вершиной вдавлива­ется в металл (рис. 6,6), который претерпевает деформацию сдвига. По мере углубления резца в срезаемом слое растут напряжения и, когда они достигнут величины предела прочно­сти обрабатываемого металла, произойдет сдвиг (скалывание) первого элемента (1) по плоскости сдвига АВ, составляющей с направленным перемещением резца угол , равный 30—40 °. Угол  называется углом сдвига. Внутри каждого элемента про­исходят межкристаллические сдвигипод углами =60—65° (рис. 7).

Рис. 5. Виды стружек, образующихся при резании

Рис. 6. Схема образования стружки (по И. А. Тиме)

Рис. 7. Схема образования стружки:  — плоскостьскалывания

 

 

После скалывания первого элемен­та стружки резец сжимает следующий близлежащий слой металла, в резуль­тате чего образуется второй элемент (2), отделяющийся от заготовки по плоскости наибольших касательных напряжений под тем же углом  и т. д. (рис. 6, в,г).

Цифрами 1, 2, 3,...,10 обозначены последовательно образуемые элемен­ты стружки.

Ступенчатая стружка (см. рис. 5, б) получается при обработке сталей со средней скоростью резания. Ступенчатая стружка имеет одну сто­рону (со стороны резца) гладкую, а другая сторона имеет ступеньки (за­зубрины) с выраженным направлени­ем отдельных элементов, прочно меж­ду собой связанных. У ступенчатой стружки разделение ее на части не происходит.

Сливная стружка (см. рис. 5, в) сходит с резца в виде ленты без зазубрин, присущих ступенчатой струж­ке. Она получается при обработке ста­лей с высокой скоростью резания. Поверхность стружки, прилегающая к пе­редней поверхности резца, сравнитель­но гладкая, а при высоких скоростях отполирована. Ее противоположная сторона покрыта мелкими зазубринками — насечкой и имеет бархатистый вид.

Стружка надлома (см. рис. 5, г) получается при обработке мало­пластичных металлов (твердый чугун, твердая бронза). Стружка состоит из отдельных, не связанных между собой кусочков различной формы и разных размеров. Обработанная поверхность при такой стружке получается шерохо­ватой с впадинами и выступами.

Тип стружки во многом зависит от рода и механических свойств обраба­тываемого материала. При резании пластичных материалов возможно об­разование элементной, ступенчатой и сливной стружки. По мере увеличения твердости и прочности обрабатываемо­го материала сливная стружка перехо­дит в ступенчатую, а затем в элемент­ную. При обработке хрупких материа­лов образуется или элементная, или стружка надлома.

 

7.3 Физические явления при стружкообразовании

Усадка стружки.

При резании каж­дый элемент стружки сдавливается под действием силы, прилагаемой со сторо­ны передней поверхности резца, в ре­зультате чего длина стружки всегда меньше длины участка поверхности, с которого она срезана (рис. 8). Это явление

Рис. 8. Схема усадки стружка

укорочения стружки по длине называется продольной усад­кой. Величина усадки характеризует­ся отношением длины обработанной по­верхности L ₀ к длине стружки L и называется коэффициентом усадки .

В зависимости от условий обра­ботки К= 1,1—10. Величина К харак­теризует напряженность процесса резания. Чем больше К, тем больше де­формирована стружка, тем больше со­противление оказывал металл скалы­ванию. По коэффициенту усадки мож­но судить о напряженности процесса резания, делать необходимые выводы и принимать практические меры для облегчения процесса резания.

 

Нарост.

Рис. 9. Схема образования на­роста:

1 — заготовка, 2 — нарост, 3 — стружка, 4— резец, 5 —частицы нароста на стружке и заготовке.

 При резании пластичных материалов у лезвия инструмента пе­ред его передней поверхностью обра­зуется нарост 2 (рис. 9). Он имеет клиновидную форму и представляет собой часть обрабатываемого металла, прилипшего или приваренного к рез­цу. Причиной возникновения нароста являются трение и притормаживание поверхностного слоя сходящей струж­ки о переднюю поверхность резца. На­рост обладает вьрсокой твердостью вследствие подкаливания и наклепа. Форма и размеры его непостоянны. В сотые доли секунды нарост возникает, увеличивает свою высоту до предела, а затем частично или полностью раз­рушается. Одна часть разрушенного нароста 5 уносится стружкой 3, а вто­рая — поверхностью резания 1 (см. рис. 9). После разрушения нарост вновь возрастает, затем вновь разру­шается и т. д. Отрывающиеся частич­ки образуют лунки на обрабатываемой поверхности, а прилипшие кусочки создают шероховатость (рис. 10). При наростообразовании невозможно по­лучение поверхности высокого качест­ва (не выше параметра шероховато­сти Rz 20— 10). При черновой обра­ботке нарост, воспринимая на себя нагрузку, предохраняет переднюю по­верхность резца инструмента от перегрева и износа. Поэтому при черновой обработке образование нароста не вредно, а даже полезно.

На размер нароста влияют механи­ческие свойства металла, скорость резания, подача, передний угол инстру­мента и род СОЖ. Такие металлы, как медь, латунь, бронза, олово, сви­нец, большинство типовых сплавов, ле­гированные стали с большим содержа­нием хрома и никеля не склонны к наростообразованию; конструкционные углеродистые и большинство легиро­ванных сталей, серый чугун, алю­миний склонны к наростообразованию.

Рис. 10. Схема разрушения на­роста

Предотвращение наростообразования достигается следующими путями: подбором и работой на определенных скоростях резания. Наиболее интен­сивно нарост образуется при скоростях v ==7—80 м/мин. При больших скорос­тях резания (v >80 м/мин) нарост не успевает привариться к резцу, так как уносится быстро сходящей стружкой. Чистовую обработку многолезвийными инструментами из быстрорежущей ста­ли и фасонными резцами ведут на низ­ких скоростях резания, а твердосплав­ными резцами, фрезами, зенкерами — на высоких скоростях резания. При ра­боте инструментом с отполированной передней поверхностью нарост практи­чески не образуется. Наростообразование уменьшается при правильном под­боре и применении СОЖ. При наладке станков для получения поверхности нужного параметра шероховатости на­ладчик всегда должен помнить и знать о влиянии нароста на качество обра­ботки.

 

Упрочнение.

При резании в резуль­тате пластической деформации срезае­мого слоя и слоя основной массы ме­ала обработанная поверхность всег­да имеет более высокую твердость. Глубина упрочненного слоя достигает 1—2 мм. Степень повышения твердости к глубина слоя упрочнения зависят от механических свойств металла, угла резания, радиуса закругления режу­щей кромки инструмента, величины по­дачи, скорости резания и свойств при­меняемой СОЖ. Чем мягче и пластич­нее металл, тем большему упрочнению он подвергается. Чугуны меньше под­даются упрочнению, чем стали. Чем больше угол резания, радиус закругле­ния режущей кромки и толщина среза, тем степень упрочнения выше. Приме­нение СРЖ уменьшает глубину упроч­ненного слоя и твердость. Упрочнение снимается отжигом и нормализацией.

 

 

Образование и распределение тепла при резании металлов. Температура резания

Рис. 11. Распределение тепла (при резании) между стружкой, ин­струментом и заготовкой

В процессе резания металлов меха­ническая энергия, затрачиваемая на работу резания, переходит в тепловую. В зоне резания возникает тепло за счет работы, затрачиваемой на пластичес­кие деформации Q_д (рис. 11) и преодоление трения по передней Q_т.п и зад­ней поверхностям резца Q_т.з. Нагрева­ются заготовка, режущий инструмент и стружка. При значительной скорости температура в зоне резания достигает значительных величин. При работе на высоких скоростях при точении и фре­зеровании можно наблюдать сходящую из-под резца или фрезы ярко-красную стружку, нагретую до 900 °С. На обра­ботанной поверхности стальной дета­ли появляются цвета побежалости, свидетельствующие о высокой темпе­ратуре поверхностного слоя детали во время соприкосновения ее с задней по­верхностью инструмента. Полученное тепло при точении распределяется сле­дующим образом: уходит в стружку 50—80 % (Q_дс+Q_тп);в резец 40—10 % (Q_п+Q_з), в обрабатываемую деталь 9—3% (Q_тз+Q_д) и в окружающую среду около 1 %. При затуплении инст­румента характер распределения тепла изменяется: резец и заготовка нагрева­ются в большей степени. Как в струж­ке, так в резце и в заготовке тепло распределяется неравномерно. В слоях стружки, ближе расположенных к пе­редней поверхности резца, температура выше, чем в слоях, удаленных от нее (рис. 12). Температура обрабатываемой заготовки понижается по мере уда­ления рассматриваемой точки от по­верхности резания, а наибольшая тем­пература находится в месте контакта резца с заготовкой. Температура инст­румента также различна в различных точках. Самая высокая температура соответствует точке, лежащей в центре давления стружки на резец.

 

Рис. 12. Распределение темпе­ратур на передней поверхно­сти резца (по Б. И. Костецкому)

 

Температура резания. Под темпе­ратурой резания понимается средняя температура на поверхности контакта инструмента со стружкой. На темпера­туру резания Q влияют многие факто­ры: механические свойства обрабаты­ваемого материала, размер площади срезаемого слоя и скорость резания:

где c_q — коэффициент, характеризую­щий род и механические свойства об­рабатываемого материала, геометри­ческие параметры инструмента и свой­ства СОЖ; v — скорость резания, м/мин; т, п, q — коэффициенты степе­ней, причем m > n > q, т. е. на темпера­туру резания большее влияние оказы­вает скорость, затем толщина срезае­мого слоя а и наименьшее — ширина срезаемого слоя b.

Большое влияние на температуру резания оказывают механические свой­ства обрабатываемого металла. Чем выше предел прочности и твердость металла заготовки, тем большее сопро­тивление необходимо преодолеть при стружкообразовании, тем большую ра­боту надо затратить на резание, тем больше выделится тепла и будет выше температура резания. При резании твердых материалов стружка соприка­сается с передней плоскостью резца на меньшей площади, чем при резании мягких сталей. Это повышает давление на единицу поверхности контакта, а отвод тепла в тело резца и толщу стружки ухудшается, что приводит к повышению температуры в поверхност­ных слоях резца. Чем выше теплоем­кость и теплопроводность обрабатыва­емого металла, тем лучше отвод тепла в стружку и в обрабатываемую заго­товку и тем меньше температура на по­верхности резца.

Большое влияние на температуру резания. оказывают геометрические элементы резца: угол резания, глав­ный угол и радиус закругления при вершине резца. Отрицательный перед­ний угол по сравнению с положитель­ным вызывает большие деформации и приводит к большему выделению тепла. При работе с передним углом y =-10° температура резания повы­шается на 15° по сравнению с работой резцом, имеющим положительный угол у =+10°. При увеличении главного угла в плане уменьшается ширина стружки и длина активной части режу­щей кромки, что приводит к менее ин­тенсивному отводу тепла в заготовку и в тело резца, теплота концентрируется на меньшей ширине среза около вер­шины резца, и температура резания повышается. Наиболее резкое увели­чение температуры резания происхо­дит в пределах =20—60 °.

Радиус закругления при вершине резца в плане оказывает влияние на общее тепловыделение и на его отвод. Увеличение радиуса закругления хотя и увеличивает тепловыделение, но и увеличивает длину активной части ре­жущей кромки, объем головки резца улучшает отвод тепла в тело резца и в заготовку, что является преобладаю­щим, и приводит к снижению темпе­ратуры резания. Чем больше площадь поперечного сечения тела резца, тем интенсивнее отвод тепла от мест его образования в тело резца, тем меньше температура резания.

 

Элементы режима резания

 

К элементам режима резания отно­сятся: скорость резания, подача и глу­бина резания. Скоростью реза­ния называется величина перемеще­ния наиболее удаленной точки режу­щей кромки относительно поверхности резания в единицу времени (минуту). Скорость резания в разных точках ре­жущей кромки неодинакова. Однако в расчетах при определении скорости резания принимается ее наибольшее зна­чение. Скорость резания зависит от быстроты вращения и диаметра обра­батываемой заготовки. Чем больше диаметр заготовки D (рис. 13), тем больше скорость резания при одних и тех же оборотах заготовки . Скорость резания (мм/мин) определяется по формуле

где D — наибольший диаметр поверх­ности резания, мм; п — частота вра­щения заготовки, об/мин; — посто­янное число, равное 3,14.

Рис. 13. Элементы срезаемого слоя при то­чении

 

При продольном точении скорость резания постоянна. При подрезания торца скорость резания имеет наи­большее значение у наружной поверх­ности и равна нулю в центре заготов­ки. При растачивании скорость реза­ния принимается также по наибольше­му диаметру поверхности резания — по диаметру обработанной поверхно­сти.

Величина перемещения режущей кромки относительно обрабатываемой поверхности в единицу времени в на­правления движения подачи называ­ется скоростью подачи или просто подачей. Различают пода­чи — минутную и за один оборот заго­товки. Величина относительного пере­мещения инструмента по отношению к заготовке за одну минуту называет­ся минутной подачей. Величи­на перемещения резца инструмента за один оборот заготовки называется, подачей за один оборот заготовки. Между минутной подачей и подачей за один оборот заготовки (в мм/об) существует зависимость

где s — подача за один оборот, мм./об; s _м — минутная подача, мм/мин; п — частота вращения заготовки, об/мин.

Глубиной резания  назы­вается размер срезаемого слоя за один рабочий ход резца (инструмента), из­меренный перпендикулярно направле­нию движения подачи (рис. 13). Глу­бина резания (мм) определяется по формуле

При наружном продольном точе­нии, при растачивании глубина реза­ния определяется как полуразность между диаметром отверстия после об­работки и диаметром отверстия до об­работки. При подрезании за глубину резания принимается величина срезае­мого слоя, измеренная в направлении, перпендикулярном обработанному торцу.

При отрезании и прорезании глу­бина резания равняется ширине ка­навки, образуемой отрезным или про­резным резцом.

 

Элементы срезаемого слоя

Элементами срезаемого слоя явля­ются ширина, толщина и площадь по­перечного сечения среза. Если рассечь слой металла, срезаемого с поверхно­сти резания за один оборот, плоскостью, проходящей через ось детали, в сечении получим параллелограмм с основанием s, высотой t и сторонами АВ и DC, наклоненными к оси детали под углом  (рис. 13). Полученный па­раллелограмм называется площадью сечения срезаемого слоя, а его сторо­ны (размеры) t и s— технологически­ми размерами срезаемого слоя.

Размер а расстояние между дву­мя последовательными положениями 1 и 2 главной режущей кромки резца за один оборот детали называется тол­щиной среза.

Размер b — длина контакта режу­щей кромки резца с обрабатываемой заготовкой называется шириной среза.

Физические и технологические раз­меры срезаемого слоя связаны между собой следующими соотношениями (рис. 13):

Площадь поперечного сечения сре­за (мм²)

F == а b = st.