Т 8 Наростоутворення при різанні

При утворенні зливної стружки під впливом високого тиску (до 4000 МПа) і температур (до1000⁰С і більше) частинки оброблюваного матеріалу затримуються на передній поверхні леза, міцно зчіплюються з нею, утворюючи наріст.

Внаслідок надзвичайно сильної деформації він набуває дуже великої твердості, в 2-3 рази більше твердості оброблюваного металу і тому сам може здійснювати різання.

За наявності наростів змінюється форма передньої поверхні різця, збільшується передній кут γ. Це полегшує стружкоутворення, зменшує нагрів леза. Крім того, наріст захищає ріжучу кромку інструменту від стирання стружкою, що сходить. Наріст періодично зривається і знову відновлюється. Частота зривів і відновлення наросту залежать від швидкості різання і температур. При цьому діапазон швидкостей можна приблизно розділити на чотири зони.

Зона перша – швидкість до 3 м/хв – наросту немає або він дуже малий.

Зона друга – швидкість від 3-50м/хв – наріст з'являється і збільшується.

Зона третя – швидкість від 50-80м/хв – наріст починає зменшуватися.

Зона четверта – швидкість від 80-120м/хв і більше – наросту немає.

Головною причиною зміни величини наросту зі зміною швидкості різання є температура різання. При низьких швидкостях, - коли температура в зоні різання не велика, коефіцієнт тертя відносно невеликий, тому наросту немає. При підвищенні швидкості різання росте температура, збільшується коефіцієнт тертя стружки об передню поверхню інструменту – наріст збільшується. Досягнувши певної температури він стає максимальним. Подальше підвищення швидкості і температури викликає розм'якшення поверхневих шарів металу, зменшення коефіцієнта тертя і розмірів наросту. Нестабільність наросту по висоті приводить до істотного збільшення шорсткості обробленої поверхні і зміни її розмірів. Отже наріст є позитивним явищем при чорновій обробці і негативний при чистовій.

Із збільшенням подачі розміри наросту збільшуються. Глибина різання істотного впливу на розміри наросту не надає.

Для боротьби з наростоутворенням необхідно:

1. Працювати в зоні високих швидкостей де наріст не утворюється

2. Ретельно доводити передню поверхню ріжучого інструменту для зменшення коефіцієнта тертя

3. По можливості збільшувати передній кут γ. Наприклад, при γ = 45⁰ наріст майже не утворюється.

4. Застосування ЗОР.

Явище наклепу при різанні

В процесі різання пластичній деформації піддається не тільки шар, що зрізується, але і шар, розташований на деякій глибині під обробленою поверхнею. Зона деформації випереджає ріжучу кромку і проникає під оброблювану поверхню. Величини l і h залежать від режимів різання, геометрії інструменту та властивостей оброблюваного матеріалу і коливаються в межах (мм): l = 5-15; h =0,1-1,5.

Схема утворення наклепу обробленої поверхні показано на рисунку. При обробці різанням на інструменті завжди утворюється радіус кривизни вершини леза. Тому при сталому процесі різання точка найбільших напружень буде знаходиться в площині сколювання – точка В. Тому в стружку перейде тільки шар металу, що знаходиться вище за лінію ВС. Шар металу, що знаходиться нижче за лінію ВС здавлюватиметься інструментом і піддаватися пружним і пластичним деформаціям, а значить, і наклепу. Після проходження різця відбуваються пружні відновлення поверхневого шару на деяку величину h_y.

В результаті наклепу зерна металу подрібнюються і він стає міцнішим і твердішим. Наклеп характеризується глибиною h_н і ступенем наклепу, визначається по формулі , де Н_Н і Н_В – мікротвердість відповідно поверхневого і вихідного матеріалу, а також величиною і знаком залишкових напружень.

Чим м'якше і пластичніше оброблюваний матеріал, тим більшому наклепу він піддається. Пластична деформація викликає і залишкові напруження які розповсюджуються приблизно на глибину наклепаного шару. Вони можуть бути такими, що розтягують і стискають.

Для твердих сталей підвищення втомної міцності в результаті дії стискаючих напружень досягає 50%, а зниження її за рахунок напружень розтягу – близько 30%.

Твердість поверхневого шару внаслідок наклепу порівняно з початковою підвищується: у алюмінію – на 90-100%, у латуні – на 60-70%, у твердої конструкційної сталі – на 20-30%.

Глибина наклепу зростає із збільшенням поперечного перерізу шару, що зрізується, і зменшенням переднього кута γ. Збільшення швидкості різання знижує h_н – глибину наклепу. Глибину і ступінь зміцнення металу можна понизити використовуючи ЗОР.

Зміцнення поверхневого шару корисно, він зносостійкіший, якщо залишкові напруження будуть стискаючими. З іншого боку підвищення твердості поверхневого шару в результаті чорнової обробки ускладнює чистову обробку, оскільки підвищується знос інструменту і збільшується шорсткість поверхні.

Відпалюванням і нормалізацією можна повністю зняти зміцнення обробленої поверхні. Термічна обробка зміцненого шару може викликати сітку тріщин на заготовці, оскільки наклепаний шар, знаходиться в напруженому стані.

Вібрації при різанні

В процесі різання в системі верстат – пристосування – інструмент – деталь(ВПІД) за певних умов виникають вібрації – періодичні коливальні рухи. Вібрації шкідливо діють на процес різання: збільшується знос інструменту, особливо твердосплавного і мінералокерамічного; погіршується якість оброблюваної поверхні; прискорюється знос верстата.

Вібрації при різанні бувають двох видів: вимушені коливання і автоколивання. Вимушеними називають такі коливання коли існує зовнішня періодично діюча збуджуюча сила. Наприклад, вібрації унаслідок неврівноваженості обертаючихся частин верстата або заготівки; дефекти передач верстатів; нерівномірний припуск і т.д. Заходи боротьби з вимушеними коливаннями – це усунення причин, що викликають збуджуючу силу. (балансування, віброізоляція та ін.).

Найбільші ускладнення при різанні викликають коливання, що самозбуджуються – автоколивання. Автоколивання – це незгасаючі коливання систем, які самі є джерелами цих коливань, причому амплітуда і період коливань визначаються властивостями самої системи. Для їх виникнення необхідно первинний поштовх. Звичайно у верстаті розглядають дві основні коливальні системи: систему заготовки (шпиндель, заготовка, піноль та ін.) і систему інструменту (інструмент, різцетримач, супорт та ін.). Ці системи мають різні частоти власних коливань. Дослідами встановлено, що при роботі з низькими швидкостями виникають низькочастотні коливання (до 1 кГц), при роботі з високими швидкостями – високочастотні (до 6 кГц). Частота перших коливань близька до частоти власних коливань оброблюваної деталі, а частота других близька до частоти власних коливань різця.

Основними причинами автоколивань є: утворення і зриви наросту, що приводять до зміни сили різання; зміна сил тертя на робочих поверхнях інструменту; зміна площі поперечного перерізу шару, що зрізується; пружні деформації заготовки і інструменту та ін.

З елементів режиму різання найбільше на вібрацію впливає швидкість різання. Вібрації, як правило, не виникають при малих і великих швидкостях різання, тобто у межах відсутності наросту. Інтенсивність вібрації збільшується майже пропорційно глибині різання, при t > S, оскільки зростають сили різання. Із збільшенням головного кута в плані φ вібрації знижуються, оскільки зменшується сила Р_у, із збільшенням переднього кута γ коливання знижуються.

Найбільш простим способом зменшення вібрацій є правильний вибір геометричних параметрів інструменту (кутів φ, φ₁, γ, α, r_b) і режимів різання. Великий вплив на автоколивання здійснює жорсткість системи ВПІД. Чим жорсткіша ця система, тим менше можливість виникнення автоколивань. Для цього необхідно регулярно проводити підтяжку стикових з'єднань верстата, а також своєчасний його ремонт. Кріплення оброблюваної деталі на верстаті повинно бути найбільш жорстким. Різець повинен мати як можна більший переріз державки і мінімальний виліт. Виліт пінолі задньої бабки приймають, як можна меншим. Підвищити вібростійкість різання можна застосуванням віброгасників різних конструкцій (динамічний віброгасник – пружинний).

Якість обробленої поверхні

Експлуатаційні властивості і довговічність деталей машин значною мірою визначаються якістю обробленої поверхні, з якої деталі починають руйнуватися. Якість обробленої поверхні заготовки визначається відхиленнями від геометричних характеристик заданих кресленням, а також відмінностями фізичних властивостей поверхні і основної маси матеріалу. Фізико-механічні властивості поверхневого шару характеризуються глибиною і ступенем зміцнення (наклепу), а також величиною і знаком залишкових напружень.

Геометричні параметри обробленої поверхні характеризуються наступними відхиленнями від геометричної форми: макрогеометрія (конусність, овальність, бочкоподібність (для циліндрів), неплощинність та ін.) і мікрогеометрія (шорсткість, хвилястість).

Критерієм для умовного розмежовування шорсткості та інших відхилень форми поверхні служить відношення кроку S до висоти нерівності R_z.

При S/R_z < 50 – шорсткість поверхні; при S/R_z = 50…1000 – хвилястість; при S/R_z > 1000 – макрогеометричні відхилення.

Під точністю обробки розуміють ступінь відповідності форми, розмірів і положення обробленої поверхні вимогам креслення і технічних умов. Точність розмірів обробленої деталі визначаються допусками, тобто різницею між найбільшим і найменшим граничними розмірами.

Допуск залежно від номінального розміру відповідно до ЕСДП встановлює 19 квалітетів.

Погрішності геометричної форми повинні бути в межах допуску на розмір. Шорсткість поверхні – це сукупність нерівностей поверхні з відносно малими кроками S на базовій довжині l.

При різанні на обробленій поверхні завжди залишаються гребінці, висота Н яких визначає шорсткість поверхні. У свою чергу висота Н залежить від подачі S, головного і допоміжного кутів в плані φ і φ₁, радіусу кривизни вершини леза. При зменшенні подачі S, кутів φ і φ₁ із збільшенням радіусу r_b висота гребінців зменшується. Глибина різання на шорсткість майже не впливає.

Поряд з геометричними параметрами на шорсткість істотний вплив чинять технологічні чинники.

Вплив швидкості різання визначається процесами стружкоутворення і наростоутворення. У зоні малих швидкостей, коли наріст не утворюється, шорсткість незначна. Із збільшенням швидкості різання розміри нерівностей зростають і досягають максимального значення; подальше підвищення швидкості різання зменшує наріст і знижує шорсткість. У зоні високих швидкостей, коли наріст не утворюється, глибина пластичної деформації незначна, шорсткість поверхні мінімальна. Застосування ЗОР сприяє зниженню висоти нерівностей завдяки зменшенню тертя і наростоутвореня.

Матеріал заготовки чинить на шорсткість істотний вплив. З підвищенням твердості металу висота мікронерівностей знижується, із збільшенням пластичності сталі деформація шару, що зрізується, і висота наросту зростають і чистота обробки погіршується.

При обробці крихких металів на ріжучій кромці різця майже не утворюється наріст і чистота поверхні змінюється не суттєво.