К учебно-исследовательской лабораторной работе

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

«ПОЛОЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

 

 

 

ДЕФОРМАЦИЯ СРЕЗАЕМОГО СЛОЯ

 

Методические указания

К учебно-исследовательской лабораторной работе

по дисциплинам

«Теория резания», «Резание материалов»

для студентов специальностей

Технология машиностроения»

И 1-36 01 03 «Технологическое оборудование

Машиностроительного производства»

 

Новополоцк 2016

Министерство образования Республики Беларусь

 

Учреждение образования

«Полоцкий государственный университет»

 

 

Деформация срезаемого слоя

Методические указания

к учебно-исследовательской лабораторной работе

по дисциплинам

«Теория резания», «Резание материалов»

для студентов специальностей 1-36 01 01 «Технология машиностроения»

и 1-36 01 03 «Технологическое оборудование машиностроительного

производства»

 

Новополоцк 2016

УДК 621.91.01

ББК 34.5-5я73

 

Одобрены и рекомендованы к изданию методической комиссией факультета машиностроения и автомобильного транспорта в качестве методических указаний

 

 

Кафедра «Технология и оборудование машиностроительного производства»

 

Составители:

Н.Н. Попок, д-р техн. наук, профессор;

А.В.Сидикевич, ст. преподаватель;

Г.И. Гвоздь, ассистент.

 

 

Рецензенты:

В.И. Абрамов, канд. техн. наук, доцент;

А.М. Долгих, канд. техн. наук, доцент.

 

 

 

 

© Оформление. УО «Полоцкий государственный университет», 2016

 

ЦЕЛЬ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

 

Цель работы – экспериментальным путем установить влияние на усадку стружки элементов режима резания.

Рекомендуется выполнять работу в следующем порядке:

1. Изучить теоретический материал.

2. Провести три серии опытов по определению влияния скорости резания u (м/мин), глубины резания t (мм)иподачи S_о (мм/об)на коэффициенты усадки стружки.

3. Заполнить протокол исследования деформации срезаемого слоя (приложение 1).

4. По полученным результатам построить графики зависимостей коэффициентов усадки стружки от скорости главного движения u (м/мин), скорости движения подачи S_о (мм/об) и глубины резания t (мм).

5. Выводы.

МЕХАНИКА СТРУЖКООБРАЗОВАНИЯ

 

Процесс пластического деформирования срезаемого слоя является основным процессом при обработке резанием. Большую роль в изучении этого процесса играет стружка – деформированный и отделенный в результате обработки поверхностный слой материала заготовки (рис. 1). Раздел теории резания, изучающий закономерности превращения срезаемого слоя в стружку называется механикой стружкообразования.

Рисунок 1 – Схема стружкообразования: 1 – инструмент; 2 – заготовка;

3 – стружка

 

При изучении пластического деформирования и стружкообразования используются следующие методы:

1. Визуальный, заключающийся во внешнем осмотре стружки с определением показателей процесса деформирования и стружкообразования по очевидным качествам. Например, виду и форме стружки, цвету стружки, наличию или отсутствию нароста и следов износа и т. п.

2. Скоростной кино- и видеосъемки, заключающийся в фотографировании срезаемого слоя и стружки скоростной кино- или видеокамерой с частотой до 10000 кадров в секунду. Это позволяет наблюдать быстропротекающий процесс стружкообразования в замедленном виде.

3. Делительной сетки, заключающийся в нанесении на боковую поверхность образца краской, травлением, царапанием и т. п. прямоугольников, квадратов или окружностей, которые при резании теряют правильную форму, и по их искажению на стружке судят о пластической деформации. Для сопоставления нанесенной сетки на образце и искаженной на стружке с помощью специальных приспособлений для «мгновенного» прекращения процесса резания получают так называемый корень стружки. Корень стружки – это фиксированный объем срезаемого слоя с неотделенным участком стружки.

4. Микротвердости, заключающийся в измерении твердости в различных точках корня стружки на приборе ПМТ – 3 с последующим построением изосклер (линий постоянной твердости), по которым судят о пластической деформации и напряжениях.

5. Металлографический, заключающийся в изготовлении шлифов боковой поверхности корня стружки с последующим изучением его структуры под микроскопом.

6. Механический, заключающийся в последовательном удалении с поверхностей образца детали тонких слоев материала и измерении с помощью тензометрических датчиков величин деформации, по которым судят о величине и знаке напряжений первого рода.

7. Рентгенографический, заключающий в стравливании поверхностного слоя образца детали и съеме рентгенограмм, по которым изучаются напряжения второго рода, действующие внутри кристаллического зерна.

8. Поляризационно-оптический основан на том, что прозрачные изотропные тела при действии на них сил становятся анизотропными, и если их рассматривать в поляризованном свете, то интерференционная картина позволяет определить величину и знак действующих напряжений. Метод дает точные величины напряжений только в упругой области и при резании образцов из оптически активных материалов, например, органического стекла.

ВИДЫ СТРУЖКИ

 

В зависимости от условий резания заготовок образуются различные виды стружек. Вид стружки определяется видом надрезцовой стороны стружки.

Все образующиеся при резании стружки можно условно разделить на три вида: сливную, элементную и надлома.

Сливная стружка.

На надрезцовой стороне сливной стружки имеются не четко выраженные следы пластической деформации в виде мелких заостренных выступов (рис. 2, а). Сливная стружка образуется при резании вязких и пластичных материалов с большими скоростями резания и малыми подачами, т.е. при небольших толщинах среза, при больших положительных передних углах инструмента.

а б

в

Рисунок 2 – Виды стружки: а – сливная, б – элементная, в – надлома.

Стружка элементная.

Стружка элементная имеет на надрезцовой стороне четко выраженные элементы, прочно связанные друг с другом (рис. 2, б). Элементная стружка образуется при обработке пластичных материалов при большой толщине среза, относительно небольшой скорости резания и небольшом переднем угле режущего инструмента

Стружка надлома.

Стружка надлома имеет вид отдельных, произвольной формы элементов, не связанных друг с другом (рис. 2, в). Стружка надлома образуется при обработке малопластичных и хрупких материалов, например чугуна и бронзы, при работе с малыми скоростями резания, большими подачами и малыми передними углами.

В зависимости от условий обработки одних и тех же материалов может образовываться как сливная, так и элементная стружки. Например, при уменьшении скорости резания и переднего угла лезвия, при увеличении подачи, а также при обработке без охлаждения и обработке вязких материалов образующаяся сливная стружка переходит в элементную. Как правило, образование элементной стружки и стружки надлома приводит к вибрациям в процессе резания и ухудшению качества обработки. Поэтому при чистовой обработке нужно стремиться к образованию сливной стружки.

Стружку также классифицируют: по форме, например, ленточная, спутанная, винтовая, спирально-винтовая, завитковая, осколочная; по размерам; степени и направлению скручивания; по цвету стружки и т. д. Такая классификация стружки важна для оценки резания с точки зрения эффективного дробления, удаления и переработки стружки, автоматизации производственного процесса, силовой и тепловой напряженности в зоне резания, качества обработанной поверхности детали.

На производстве всегда стремятся получить компактную и короткую по форме стружку. Для этого используются различные способы и устройства для дробления стружки в процессе резания, в частности:

1. Подбор геометрии лезвия инструмента.

2. Подбор режима резания.

3. Выполнение уступов и лунок на передней поверхности лезвия.

4. Использование накладных стружколомов на передней поверхности лезвия.

5. Кинематическое дробление стружки за счет прерывания подачи, наложения вибраций и колебаний на зону резания, использования видов обработки, обеспечивающих прерывистый характер работы инструмента.

6. Нанесение канавок и рисок на обрабатываемую поверхность или поверхность резания.

7. Термическое дробление стружки путем расплавления или пережигания импульсами электрического тока.

МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ СЛИВНОЙ СТРУЖКИ

 

В образовании сливной стружки можно выделить три переходящие друг в друга этапа (рис. 3):

 

Рисунок 3 – Основные этапы стружкообразоваия:

а – образование элемента смятия; б – разрушение элемента смятия;

в – формирование стружки

 

1. При воздействии лезвия инструмента на срезаемый слой (рис. 3, а) впереди него создается упруго – пластическая зона, сконцентрированная в ограниченной области обрабатываемого материала и примыкающая к передней поверхности лезвия инструмента. Образуемый в результате пластической деформации смятия элемент срезаемого слоя увеличивается в объеме. В нем возрастают пластические напряжения смятия вплоть до величины предела прочности материала.

2. В некоторой области деформированного элемента напряжения смятия превосходят предел прочности обрабатываемого материала и этот элемент разрушается путем пластического сдвига по некоторой поверхности или плоскости сдвига (рис. 3, б). Угол наклона этой плоскости к направлению вектора скорости резания называется углом сдвига β₁. Угол β₁ является комплексной характеристикой напряженного состояния зоны стружкообразования и его величина зависит от свойств обрабатываемого материала, геометрии инструмента, режима резания и других условий обработки.

В момент разрушения сопротивление элемента сдвигу снижается, а продолжающееся движение инструмента приводит к формированию нового элемента и повторению первого этапа. Сдвинутый элемент имеет тенденцию перемещаться по направлению перпендикулярному плоскости сдвига. Однако, встречая сопротивление со стороны передней поверхности инструмента, элемент стружки изменяет свое направление по вектору скорости движения стружки u_c.

3. Элемент стружки, перемещаясь вдоль передней поверхности инструмента, испытывает в приконтактных слоях большое давление, которое приводит к дополнительному пластическому деформированию приконтактных слоев стружки (рис. 3, в). По этой причине стружка завивается и отрывается от передней поверхности инструмента. При этом для новых элементов совершаются первые два этапа стружкообразования.

ЗОНА СТРУЖКООБРАЗОВАНИЯ

 

Рассмотрим схему образования сливной стружки (рис.4).

Рисунок 4 – Зона стружкообразования: 1 – зона первичной деформации;

2 – зона вторичной деформации

 

Как отмечалось выше, лезвие инструмента, воздействуя на срезаемый слой толщиной а, создает в нем область упругой деформации, переходящей на линии ОА в пластическую. По представлению И.А. Тиме пластические деформации сдвига происходят в одной плоскости по линии ОЕ, наклонной к вектору скорости резания u под углом β₁. Однако А.А. Брикс, а позднее Н.Н. Зорев предположили и доказали, что пластические сдвиги происходят в семействе плоскостей или поверхностей, ограниченном областью ОАВ, называемой зоной первичной деформации. Линия ОВ – это поверхность или плоскость, по которой осуществляется последняя сдвиговая деформация. Левее линии ОА находятся еще недеформированные структурные зерна кристаллической решетки материала срезаемого слоя толщиной a, а правее линии ОВ – структурные зерна материала стружки толщиной a ₁. Форма структурных зерен материала в зоне первичной деформации претерпевает изменения в виде вытянутости в поперечном по отношению к скорости их движения u и u_е направлению. Это приводит к формированию поперечной текстуры стружки.

Стружка, перемещаясь по передней поверхности инструмента, из-за неровностей контактируемых поверхностей и других причин на участке OF длиной l_П затормаживается, и отдельные ее элементы или волокна на участке ОД, длиной примерно l_П /2 могут вообще остановиться. Это приводит к дополнительной деформации элементов стружки, изменению направления образования структуры стружки с поперечного на продольное (вдоль скорости движения стружки u_c) и формированию продольной текстуры стружки. Зона, в которой происходят эти процессы, называется зоной вторичной деформации или застойной зоной. Участок OF – это участок контакта стружки с передней поверхностью лезвию и включает участок пластического контакта ОД и упругого контакта ДF.

Длина контакта заготовки с задней поверхностью лезвия характеризуется величиной l₃. Наличие зон деформации приводит к пластическому h_n и упругому изменению h_y поверхностных слоев заготовки и детали.

 

Элементы режима резания

u – скорость резания
Влияние скорости резания на усадку стружки опосредовано свойствами обрабатываемого материала. Если обрабатывается пластичный материал (например, сталь 40), дающий сливную стружку, то зависимость усадки стружки от скорости резания имеет неоднозначный характер в различных интервалах скоростей.   При увеличении скорости резания от 5 до 20–25 м/мин степень пластической деформации и величина К уменьшаются т.к. растет нарост (Нн) на передней поверхности инструмента, который увеличивает фактический передний угол (γн).   Начиная со скорости 20–25 м/мин высота нароста уменьшается, фактический передний угол уменьшается, что увеличивает степень пластической деформации и величину К. На скоростях 40–50 м/мин нарост исчезает, передний угол принимает свое номинальное значение, степень пластической деформации и величина К достигают максимума.   При дальнейшем увеличении скорости резания степень пластической деформации и величина К уменьшаются, т.к. растет температура резания, подрезцовый слой стружки размягчается и начинает играть роль твердой смазки. Уменьшается коэффициент трения, что облегчает процесс резания.   При обработке хрупких материалов (например, серых чугунов), дающих стружку скалывания, зависимость коэффициента усадки стружки от скорости резания имеет однозначный характер во всех интервалах скоростей. Это объясняется отсутствием нароста при обработке хрупких и твердых материалов.   С увеличением скорости резания при обработке хрупких материалов степень пластической деформации уменьшается, что приводит к уменьшению величины К.
Sо – подача
Увеличение подачи (So), в свою очередь, связано с увеличением толщины срезаемого слоя а, что вызывает уменьшение степени пластической деформации в срезаемом слое и приводит к уменьшению величины К. Чем толще стружка, тем меньше она пластически деформируется.
t – глубина резания
Увеличение глубины резания (t) приводит к увеличению ширины срезаемого слоя b и снижению степени пластической деформации, что влечет за собой удлинение стружки и уменьшение величины К. Отмеченная зависимость характерна для резания с малыми сечениями среза, т.е. для чистовых и получистовых операций.

 

Геометрия режущего лезвия

Передний угол γ
С увеличением переднего угла (γ) уменьшаются степень пластической деформации срезаемого слоя, а также силы трения между стружкой и передней поверхностью инструмента, что приводит к уменьшению величины К.
Угол в плане φ
Увеличение главного угла в плане (φ) приводит к увеличению толщины срезаемого слоя а и уменьшению степени его пластической деформации, что влечет за собой уменьшение величины К.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УСАДКИ СТРУЖКИ

 

Для экспериментального определения усадки стружки существует несколько методов – метод непосредственного измерения параметров стружки и весовой метод.

Измерение толщины и ширины стружки производится в зависимости от требуемой точности с помощью инструментального микроскопа, микрометра или штангенциркуля. Длину стружки измеряют с помощью гибкой проволоки или нити по ее прирезцовой стороне. Толщина и ширина срезаемого слоя определяется по известным формулам. Например, при точении:

,

,

где S_о – подача, мм/об; – глубина резания, мм; – угол резца в плане.

 

Длина срезаемого слоя:

,

где d – диаметр обрабатываемой заготовки, мм; e – ширина продольного паза на заготовке, мм.

 

Измеренные параметры стружки позволяют по приведенным в п.5 формулам рассчитать коэффициенты K_a, K_b, K_l.

 

Весовой метод основан на равенстве объемов стружки и срезаемого слоя. При этом замеряют длину произвольно выбранного элемента стружки, определяют его массу взвешиванием на аналитических весах. По формуле определяют коэффициента усадки стружки:

 

,

 

где – масса стружки, мг; S_о – подача, мм/об; t – глубина резания, мм; L_стр – длина элемента стружки, подлежащего взвешиванию, мг; – плотность обрабатываемого материала, мг/мм³.

 

ОБОРУДОВАНИЕ И ПРИБОРЫ

 

 

1.Станок токарно-винторезный модели JET GH-1840ZX.

2. Резцы токарные.

3. Весы аналитические модели ВЛА-200г-М.

4. Заготовка проката Ø 50-100 мм длиной не менее 250 мм:

• Сталь 45 ГОСТ 1050

• Сталь 40Х ГОСТ 4543.

5. Гибкая проволока или нить.

6. Штангенциркуль ШЦ-1:0,05мм.

7. Микрометр МК-25.

8. Микроскоп универсальный БМИ-01.

СТРУКТУРА ОТЧЕТА

1. Название, цель.

2. Краткие сведения о механике стружкообразования, видах стружки, характеристиках пластической деформации срезаемого слоя (Приложение 1).

3. Протокол исследования деформации срезаемого слоя.

4. Графики зависимостей К_а, К_b, К_l, ε =f(t); К_а, К_b, К_l, ε =f(S); К_а, К_b, К_l, ε =f(u).

5. Выводы.

Приложение 1

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

«ПОЛОЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

 

 

 

ДЕФОРМАЦИЯ СРЕЗАЕМОГО СЛОЯ

 

Методические указания

к учебно-исследовательской лабораторной работе

по дисциплинам

«Теория резания», «Резание материалов»

для студентов специальностей

Технология машиностроения»