Отечественная школа резания материалов, основоположники:

И.Я. Тиме – профессор петербургского университета (классификация стружек, основные закономерности и др.)

Я.Г. Усачёв – металлографический метод.

Основные задачи дисциплины «Резание материалов»:

· повышение точности и качества обработки;

· освоение обработки новых конструкционных материалов, в т.ч. высокопрочных, жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов;

· изыскание новых износостойких, теплостойких инструментальных материалов;

· совершенствование конструкции режущих инструментов;

· совершенствование способов дробления и завивания стружки (для автоматических линий);

· изыскание новых составов СОТС и способов их подвода в зону резания;

· повышение производительности труда.

Место механической обработки в процессе изготовления детали

Рисунок 1

Обработка металлов резанием занимает 50 % рабочего времени. За последнее время наблюдается тенденция снижения трудоёмкости обработки резанием за счёт совершенствования заготовительных операций. Всё шире применяются литьё по выплавляемым моделям, порошковая металлургия, холодная высадка и другие заготовительные операции, обеспечивающие получение минимальных припусков на механическую обработку. Однако в силу больших преимуществ (высокая точность, производительность, качество обработанной поверхности и др.) обработка резанием ещё на долгие годы останется основным методом получения готовых деталей.

Структура дисциплины «Резание материалов»

Рисунок 2

Резание материалов: основные понятия

1.1 Поверхности заготовки

Рисунок 3

1 – обрабатываемая поверхность;

2 – поверхность резания (которой касается главное лезвие резца);

3 – обработанная поверхность заготовки.

1.2 Свободное и несвободное резание

Свободным называется процесс резания, в котором участвует лишь одно главное лезвие (одна режущая кромка).

Рисунок 4

Конструктивные и геометрические параметры резцов

Конструкция резца

Рисунок 5

Тело резца – служит для закрепления инструмента в резцедержателе и для базирования.

Головка резца – выполняет основную работу.

Передняя поверхность – та, по которой сходит стружка.

Главная задняя поверхность – обращена в сторону поверхности резания.

Вспомогательная задняя поверхность – обращена в сторону обработанной поверхности заготовки.

Главная режущая кромка – линия пересечения передней и главной задней поверхности.

Вспомогательная режущая кромка - это линия пересечения передней и вспомогательной задней поверхностей. Она подчищает обработанную поверхность.

Вершина резца – точка пересечения главной и вспомогательной режущих кромок (точка касания с обработанной поверхности заготовки).

Геометрические параметры инструмента (в статике)

Примечание: все основные положения, относящиеся к геометрии резца, справедливы для любого другого лезвийного инструмента.

Координатные плоскости

Рисунок 6

Основная плоскость - образована направлением продольной и поперечной подач.

Плоскость резания (условно) – плоскость, проходящая через главное резание, перпендикулярно основной плоскости.

Секущие плоскости

I-I – главная секущая плоскость – плоскость, перпендикулярная проекции главного лезвия на основную плоскость.

II-II – вспомогательная секущая плоскость – плоскость, перпендикулярная проекции вспомогательного лезвия на основную плоскость.

Рисунок 7

Главные углы резца (рассматриваются в главной секущей плоскости)

Рисунок 8

γ – передний угол, образованный передней поверхностью резца и плоскостью, проходящей через рассматриваемую точку главного лезвия параллельно основной плоскости.

α – задний угол, образованный задней поверхностью и плоскостью резания.

β – угол заострения – между передней и задней поверхностью.

δ – угол резания – между передней поверхностью и плоскостью резания.

α+γ+β=90⁰, δ+γ=90⁰, δ=90⁰-γ, γ=90⁰-δ

Вспомогательные углы резца

γ`, α` (определения аналогичны)

Углы в плане резца

ϕ – главный угол в плане, образованный проекцией главного лезвия на основную плоскость и направлением подачи резца.

ϕ` - вспомогательный угол в плане, образованный проекцией вспомогательного лезвия на основную плоскость и направлением противоположной подачи.

ε – угол при вершине резца, находящийся между проекциями главного и вспомогательного лезвий.

Рисунок 9

l - угол наклона главного лезвия, находится в плоскости резания между основной плоскостью и режущей кромкой.

l измеряется между главным лезвием и плоскостью, проходящей через вершину резца и параллельной основной плоскости.

λ<0, если вершина резца является наивысшей точкой главного лезвия и λ>0, когда вершина резца - наинизшая точка. Рисунок 10

λ=0, когда главное лезвие совпадает с основной плоскостью.

1.3.3 Изменение геометрии резца в кинематике

α_р=α-μ

γ_р=γ+μ

Рисунок 11

Плоскость резания в кинематике – это плоскость, проходящая через главное лезвие касательно к поверхности резания (в ней лежит вектор истинной результирующей скорости резания W).

Влияние установки резца на его геометрию

Рисунок 12

Для случая внутренней обработки отверстий, т.е. для растачивания, всё наоборот:

- при установке резца выше оси заготовки угол α увеличивается;

- γ уменьшается (отрицательный).

Рисунок 13

Установка резца на углы в плане ϕ и ϕ` осуществляется поворотом резцедержателя.

Назначение геометрических параметров инструмента

α – задний угол, предназначен для уменьшения сил трения задней поверхности инструмента о поверхность резания (чем больше α, тем меньше трение).

α=6-12⁰, большие значения берутся к обработке вязких материалов, склонных к упругому восстановлению.

γ – передний угол, влияет на условия образования стружки, на степень пластической деформации срезаемого слоя. Может принимать значения от -10⁰ до +20⁰. Для вязких материалов даётся угол ближе к 20⁰. При обработке твёрдых сплавов применяется отрицательный угол γ.

Рисунок 14 Рисунок 15

ϕ – главный угол в плане, оказывает влияние на шероховатость обработанной поверхности, а также на силы, действующие на заготовку со стороны резца.

При жёсткой системе СПИД стараются работать с меньшими углами ϕ, а именно: ϕ=30-40⁰.

При обработке нежёстких деталей принимается ϕ≈90⁰.

Рисунок 16

ϕ` - влияет на шероховатость обработанной поверхности, при его уменьшении шероховатость уменьшается. ϕ`= 10-15⁰.

λ – угол наклона главной режущей кромки, влияет на направление схода стружки, а также увеличивает прочность режущего клина.

λ<0 нельзя применять при обработке прерывистых поверхностей.

Если λ>0, то отделяемая стружка сходит в направлении обработанной поверхности детали – применяют при обработке материалов, имеющих литейную корку.

λ=10-30⁰.

Радиус при вершине резца служит для упрочнения вершины резца и для снижения класса шероховатости обработанной поверхности.

r=1-5 мм для быстрорежущих резцов;

r=0,2-3 мм для твердосплавного инструмента.

ϕ₀ – служит для упрочнения вершины резца, равен 15-20⁰ (для отрезных резцов – 30-40⁰).

1.3.6 Формы передней поверхности резца

Рисунок 17

а) плоская передняя поверхность – применяется при обработке хрупких материалов;

б) плоская поверхность с фаской – применяется для обработки любых материалов и когда имеется ударная нагрузка, f = 0,2-0,5 мм, γ=-(3-5)⁰;

в) радиусная – служит для завивания стружки.

l=2-2,5 мм, R=2l.

г) радиусная с фаской

Классификация резцов

а) по виду обработки:

- проходные;

- расточные;

- подрезные;

- прорезные;

- отрезные;

- канавочные;

- фасонные;

- галтельные;

- фасочные.

б) по направлению подачи:

- правые;

- левые («правило руки»).

Рисунок 18

в) по конструкции головки резца:

- прямые;

- отогнутые (определяются по большому пальцу руки);

- изогнутые – вверх или вперёд (здесь изгибается вся державка);

- оттянутые – вправо или влево (головка уже державки).

г) по методу крепления режущей части к державке:

- цельные;

- сварные (с целью экономии материала);

- сборные, с механическим креплением (режущая часть крепится к державке);

- с припаянными, приклеенными пластинами.

Рисунок 19

д) по виду операции:

- токарные;

- строгальные;

- долбёжные.

Рисунок 20

Элементы режима резания

Скорость резания

,

где D – диаметр обрабатываемой поверхности, мм;

n – частота вращения заготовки, об/мин.

· Подача S, мм/об;

· Глубина резания t - величина снимаемого припуска за один проход, всегда перпендикулярна к подаче.

Рисунок 21

Размеры сечения срезаемого слоя

Различают технологические и физические размеры срезаемого слоя.

S, t – технологические;

a, b – физические размеры срезаемого слоя.

Рисунок 22

Площадь сечения срезаемого слоя .

Инструментальные материалы

Характеристики:

- высокая твёрдость;

- высокая прочность;

- низкая хрупкость;

- высокая вязкость;

- малая чувствительность к циклическим изменениям t⁰;

- высокая теплостойкость;

- высокая износостойкость;

- низкая стоимость.

Углеродистые инструментальные стали

У10, У10А, У12 , У12А, У13, У13А

У – углеродистая инструментальная сталь;

10 – углерод в десятых долях %;

А – качественная.

Характеризуются низкой теплостойкостью, t_крит.=200-250⁰С,

s_изг.=300-320 кгс/мм².

1.6.2 Легированные инструментальные стали

ХВ5, 9ХС, ХВГ

Теплостойкость 250-300⁰С, HRC 63-65.

Из этих сталей изготавливают фасонные резцы, инструменты, метчики, плашки. Например, ХВГ применяется для изготовления протяжек.

Высоколегированные инструментальные стали (быстрорезы)

Р9, Р18, Р6М5

Содержат: углерод, хром, вольфрам, ванадий, молибден.

Р9 – плохо шлифуется,

Р18 – хорошо шлифуется, высокая теплостойкость, t_крит.=600⁰С,

s_изг.=290-310 кгс/мм², HRC 62-65.

К быстрорезам повышенной прочности относятся: Р18Ф2, Р14Ф4, Р9Ф5, Р9К5, Р9К10.

Ванадиевая сталь – HRC 67-68, плохо шлифуется, t_крит.=625-635⁰.

Кобальтовая сталь - HRC 65-68, более прочная и хрупкая, t_крит.=640-670⁰.

Твёрдые сплавы

Получаются путём сбегания различных элементов карбидов Ti, V, Ta. Связующим веществом является кобальт (Co).

· Твёрдые сплавы могут быть однокарбидные, двухкарбидные и трёхкарбидные.

- Однокарбидные: ВК2, ВК3, ВК4 (встречается редко),ВК6, ВК8 (даны в порядке уменьшения режущих свойств, но прочность увеличивается).

В – карбиды вольфрама, К – кобальт.

ВК3М – структура мелкозернистая(высокая твёрдость),

ВК8В – структура крупнозернистая (высокая прочность),

ВК60М – особо мелкозернистая,

ВК60М – особо мелкозернистая, легированная хромом.

Применяются для обработки чугуна при высоких нагрузках и черновой обработки закалённой стали.

t_крит.=800⁰С, HRA 88-90, s_изг.=100-140 кгс/мм².

- Двухкарбидные (титановольфрамокобальтовые): Т5К10, Т15К6, Т30К4, Т14К8.

Т – карбиды титана, К – кобальт, остальное – вольфрам.

Т30К4 – применяется при чистовой обработке закалённой стали.

t_крит.=900-1000⁰С, HRA 89-92, s_изг.=95-120 кгс/мм².

- Трёхкарбидные типа ТТК: ТТ7К12, ТТ7К4.

Первая Т – титан, вторая Т – тантал, К – кобальт.

ТТ7 – показывает, что сумма титана и тантала – 7%.

По прочности занимают промежуточное положение.

Применяются, когда на режущий клин действует большая нагрузка.

t_крит.=900⁰С, HRA 88,5, s_изг.=150 кгс/мм².

· Твёрдые сплавы с покрытиями

Для увеличения износостойкости твёрдые сплавы покрывают тонким слоем карбидов, нитридов, карбонитридов, боридов и других различных элементов (тантал, титан, молибден). Покрытие делают либо напылением, либо диффузионным способом.

· Безвольфрамовые твёрдые сплавы:

Основаны на Ni-Mo связке.

сплавы на основе карбидов титана и ниобия;

Марки ТМ1, ТМ3.

Титан и ниобий в ТМ1 – около 90%,

ТМ3 – 64% карбида титана и ниобия, всё остальное - Ni-Mo связка.

ТМ1 - HRA 91-92, s_изг.=80 кгс/мм²,

ТМ3 - s_изг.=120 кгс/мм².

На основе только карбидов титана: ТНМ-20, МНТ1-А2; на основе карбидов и нитритов титана.

КТН-16 – 16% никеля и молибдена, КТН–20 – 20% никеля и молибдена.

Минералокерамика

· ЦМ-332 – получают методом спекания, основой является окись алюминия Al₂O₃.

Спекают:

при температуре 1100⁰С за время 2 часа;

при температуре 1720-1760⁰С за 10-15 часов.

Делают в виде пластин.

HRA 91-93, t_крит.=1200⁰С, s_изг.=30-40 кгс/мм², s_сж. – превышает твёрдый сплав.

· Металлизированная металлокерамика (керметы)

Для увеличения прочности вводят добавки W, Ti, Mo. Износостойкость, твёрдость, теплостойкость снижаются, но несмотря на это эти сплав широко применяются при повышенных нагрузках, так как они имеют повышенную изгибную прочность.

Марки: В-3, ВОК-60, ВОК-63.

Применяются при обработке труднообрабатываемых материалов, причём закалённых. Можно обработать чугун.

1.6.6 Алмазы

Алмаз – кристаллический углерод, который встречается в природе (Якутское).

Получают искусственным путём пи высоком давлении в 200 тыс. атм. и высоких температурах – 24 тыс. градусов.

Достоинства:

1) алмаз – самое твёрдое в природе вещество, его микротвёрдость – 10000 кгс/мм², это в 7 раз выше микротвёрдости карбида вольфрама.

2) очень высокая теплопроводность;

3) очень малое (удельное) расширение (линейное);

4) низкий коэффициент трения;

5) самая высокая долговечность;

6) малая склонность к адгезии.

Адгезия – схватываемость двух материалов.

Недостатки:

низкий s_изг.=30 кгс/мм², s_сж.=200 кгс/мм²;

t_крит.=700⁰С (происходит графитизация алмаза);

низкая химическая устойчивость. При температуре 750⁰С происходит интенсивное растворение углерода в железе;

высокая стоимость (в 50 раз дороже твёрдых сплавов, алмаз применяется при обработке цветных материалов, стойкость высокая – несколько лет).

Синтетические сверхтвёрдые материалы

· кубический нитрид бора (КНБ) - кубическое соединение бора и азота.

Технология производства сходна с алмазами, t⁰ 1360-2000⁰C, давление 60-200 тыс. атм., s_изг.= до 100 кгс/мм², t_крит.=1200-1300⁰С.

Применяют при обработке закалённых сталей с твёрдостью до 50 единиц, показывает высокий класс шероховатости (1й-2й).

· поликристаллы (композиты)

- Композит-01 (эльбор-р), композит-02 (белбор) применяются для обработки закалённых сталей с HRC до 70 единиц.

- Композит-05 применяется для обработки чугунов.

- Композит-10 - гексанит-р (1972)– сверхтвёрдый инструментальный материал. Исходное сырьё – нитрид бора, спекается при сверхвысоком давлении. Применяется для чистовой обработки закалённой стали до 62 HRC. Можно использовать вместо шлифования.

V_рез.=50-300 м/мин.; подача S=0,02-0,2 мм/об; глубина резания t=0,1-0,5 мм.

Физические основы процесса резания

Теория процесса резания рассматривается на простейшем виде обработки – строгании. Схема операции показана на рисунке 23

Рисунок 23

Методы изучения зоны образования стружки

1. Визуальное наблюдение процесса деформации срезаемого слоя.

2. Метод ускоренной киносъёмки.

3. Метод координатной сетки (осуществляется в статике после фиксации зоны резания). По искажению сетки судят о деформации.

4. Поляризационно-оптический метод (осуществляют только на прозрачных образцах). В процессе резания наблюдается интерференционная картина упругих деформаций. По ней судят о деформации в зоне резания. Недостаток: нельзя проводить в металлах.

5. Рентгеноструктурный и механический метод.

Направляемый слой помещается в электролит. Снимается направление и образец выгибается наоборот. Рентгеноструктурный – наблюдение под рентген-аппаратом, образуется интерфереционная картина.

6. Металлографический метод (Усачёв). Основан на получении корня стружки с помощью специального приспособления (рис. 24).

7.

Рисунок 24 – Приспособление для получения корней стружек

Типы стружек

При обработке резанием в различных условиях (геометрия инструмента, режим и т.д.) образуются различные виды стружек. Все их можно свести к 4 различным типам стружек (классификация И.А.Тиме). Стружка образуется в результате сильных деформаций срезаемого слоя.

Рисунок 25 – Типы стружек (классификация И.А. Тиме)

Стружка надлома получается при обработке хрупких материалов: чугуна, бронзы и т.д. Остальные – при обработке стали. При увеличении скорости, переднего угла, уменьшении подачи, твёрдости материала стружка изменяется от первого к последнему типу.

а) Элементная стружка.

Рисунок 26

Состоит из отдельных сильно деформированных, слабо связанных между собой элементов, примерно одинаковой геометрической формы и размеров. Она образуется при обработке твёрдых материалов на низких скоростях резания, при малых передних углах и больших толщинах срезаемого слоя. Резание осуществляется неравномерно. При резании образуются вибрации, что ухудшает чистоту обработанной поверхности. Длина контакта стружки с передней поверхностью невелика. Поэтому на передней поверхности вблизи главного лезвия концентрируются большие удельные нагрузки, требующие применения высокопрочных материалов. Износ инструмента происходит только по передней поверхности.

б) Суставчатая стружка.

Рисунок 27

Состоит из отдельных элементов в форме трапеции, которые деформированы по плоскости сдвига, а внутри элемент деформирован меньше.

Неравномерность нагрузки на инструмент ниже, так как элементы полностью не скалываются. Поэтому шероховатость ниже. Длина контакта стружки с передней поверхностью больше. Удельная нагрузка несколько ниже. Износ инструмента происходит как по передней, так и по задней поверхности.

в) Сливная стружка.

Рисунок 28

Представляет собой бесконечную ленту, сплошную, постоянную по величине. Контактная сторона стружки очень гладкая. А внешняя – B – имеет бархатистый вид. Имеет большую длину контакта с передней поверхностью резца. Сходит по передней поверхности с большей скоростью и изнашивает её наибольшим образом в месте максимального давления (в виде лунки). На передней поверхности образуется лунка. Изнашивается и задняя поверхность, но в меньшей степени. Нагрузка на резец самая плавная. Эта стружка самая опасная для работающего и окружающих.

г) Стружка надлома.

Образуется при резании хрупких материалов (чугун, бронза). Она состоит из отдельных частичек различной формы и материалов. Площадка контакта наименьшая. Удельные нагрузки максимальны. Нужно применять самый прочный твёрдый сплав. Процесс стружкообразования происходит за счёт упругих деформаций. Большая шероховатость получается за счёт выкрашивания.

Образование сливной стружки

Многочисленными исследованиями установлено, что сливная стружка образуется за счёт пластической деформации, которая имеет место в зоне резания перед режущим лезвием инструмента.

I – зона первичной пластической деформации;

У – зона упругих деформаций;

ОА – начало пластической деформации;

BO – конец пластической деформации;

II – зона вторичной пластической деформации

Рисунок 29

За счёт сил трения контактные слои стружки деформируются дополнительно. Зона АОВ непостоянна. Имеют значения размеры при малой скорости резания, при большой толщине срезаемого слоя и при большой вязкости обрабатываемого материала. С изменением указанных характеристик на противоположные зона I сужается. При условиях, близких к рабочим значениям, эта зона сужается до очень небольших размеров. И с практически допустимой погрешностью можно принять, что все пластические деформации происходят в условной плоскости сдвига, расположенной под углом сдвига b₁ к направлению вектора скорости резания. b₁ зависит от скорости резания.

Рисунок 30

С увеличением толщины среза срезаемого слоя угол сдвига также увеличивается.

Связь между углами b₁, w и g

Q – угол трения

V – скорость резания

Рисунок 31

С увеличением скорости резания сила трения F уменьшается. При этом происходит поворот равнодействующего вектора, т.е. уменьшается угол w, а угол b₁ – увеличивается.

С увеличением a - N увеличивается, F увеличивается незначительно, следовательно угол b₁ – увеличивается.

Влияние переднего угла g на b₁

При увеличении g угол b₁ увеличивается.

Рисунок 32

Сила сдвига и касательные напряжения в условной плоскости сдвига.

,

,

где b – ширина срезаемого слоя,

mn – длина поверхности сдвига.

Превращение срезаемого слоя в стружку происходит путём простого сдвига.

КК` - абсолютный сдвиг,

- относительный сдвиг.

При перемещении режущего клина из одного положения во второе осуществляется деформация простого сдвига в элементарном малом объёме ABCD, который превращается в A`BCD` в стружку.

Образование текстуры стружки и нароста

Рисунок 33

Текстура – это вытянутые в определённом направлении сдеформированные зёрна.

Y - угол наклона текстуры.

С увеличением пластической деформации срезаемого слоя угол Y уменьшается. В зоне трения текстура меняет своё направление (контактные слои стружки перемещаются по передней поверхности с меньшей скоростью), образуется так называемый «заторможенный слой». При некоторых условиях скорость контактного слоя может приравняться к нулю (когда силы трения и силы адгезии будут больше сил сопротивления внутреннему скольжению).

Если твёрдость материала застойной зоны за счёт явления наклёпа, упрочнения будет достаточно высока, то она превращается в нарост, который сам способен выполнять функции режущего инструмента. Твёрдость нароста в 2-3 раза больше твёрдости обрабатываемого материала.

Рисунок 34

Рисунок 35 – Схема строения нароста

Нарост имеет непостоянную форму и размеры. Его вершина постоянно обновляется путём срыва контактной стороной стружки обработанной поверхности и появлением вновь.

Основание нароста – постоянно и достаточно прочно удерживается на передней поверхности инструмента, прикрывая переднюю поверхность от изнашивания.

Влияние различных факторов на образование нароста

Скорость резания – из-за температуры оказывает сложное влияние.

Толщина срезаемого слоя.

Чем она больше, тем при меньших значениях скорости резания появляется и исчезает нарост. Это объясняется температурой резания.

Твёрдость и прочность обрабатываемого материала.

Чем она больше, тем при меньших значениях скорости резания возникает и исчезает нарост.

Чем труднее условия процесса резания, то есть чем больше толщина срезаемого слоя и прочность, чем меньше передний угол, тем при меньших значениях скорости резания появляется и исчезает нарост. Определяющим фактором является температура резания.

Рисунок 36

Положительные стороны нароста

а) Облегчается процесс резания.

С появлением нароста увеличивается фактический передний угол, следовательно, увеличивается угол сдвига b₁, поэтому:

Ø снижается степень пластической деформации (усадка стружки);

Ø уменьшаются: работа пластической деформации,

силы резания,

температура резания,

износ инструмента;

Ø облегчаются условия процесса образования стружки.

б) Нарост прикрывает от изнашивания площадки контакта стружки с передней поверхностью резца, прикрывает главную режущую кромку и заднюю поверхность инструмента.

Отрицательные стороны нароста

а) Вершина нароста часто срывается как стружкой, так поверхностью резания. Шероховатость обработанной поверхности резко ухудшается.

б) Силы резания непостоянны, возникают вибрации.

Таким образом, нарост полезен при черновой обработке материала и недопустим при чистовой.

Усадка стружки

При превращении срезаемого слоя в стружку за счёт пластических деформаций в зоне резания происходит изменение размеров и формы срезаемого слоя. Объём срезаемого слоя является постоянной величиной.

, отсюда .

Определение коэффициента усадки стружки

а) При строгании:

,

где a – толщина среза;

a_c – толщина стружки;

K_L – коэффициент усадки стружки.

Рисунок 37

б) При точении

,

где D – диаметр заготовки;

b – ширина паза;

n – число пазов;

L – ширина стружки.

в) Весовой метод

Вес снимаемого слоя:

Способ применяется при образовании элементной и суставчатой стружки.

Влияние различных факторов на коэффициент усадки стружки

а) С увеличением твёрдости и прочности обрабатываемого материала снижается коэффициент усадки стружки (К_с).

б) С увеличением скорости резания уменьшается коэффициент усадки стружки (К_с).

Рисунок 38

в) С увеличением толщины срезаемого слоя уменьшается коэффициент усадки стружки (К_с), так как β₁ увеличивается.

Рисунок 39 - Влияние толщины срезаемого слоя на К_с

г) С увеличением переднего угла γ усадка стружки снижается.

Увеличение угла γ приводит к повороту всех сил по часовой стрелке. Вследствие этого угол действия ω уменьшается, а угол сдвига β₁ увеличивается. Увеличение угла β₁ снижает работу пластической деформации срезаемого слоя, так как площадь поверхности сдвига уменьшается, следовательно, уменьшается усадка стружки.

Рисунок 40

Чем больше γ, тем хуже условия для образования нароста. При γ=45⁰ нароста не образуется при любых скоростях.

д) С увеличением главного угла в плане ϕ усадка стружки снижается, так как увеличивается толщина срезаемого слоя.

е) Применение смазочно-охлаждающей жидкости снижает К_L за счёт уменьшения сил трения.

На высоких скоростях резания эффективность СОЖ снижается, так как высокая температура разрушает (испаряет) плёнку СОЖ.

Основные операции механической обработки

Точение

Черновое точение – 12 квалитет (13 - экономический).

Получистовое – 10…11 квалитет, R_z 40…20

Чистовое – 7…9 квалитет (8…10 - экономический).

Рисунок 67 – Токарно-винторезный станок

Силы резания

Силы, действующие на переднюю и заднюю поверхности инструмента, дают равнодействующую Р.

Рисунок 68

Для удобства расчётов равнодействующую силу Р раскладывают на 3 составляющие, как показано на рисунке 69.

Рисунок 69

P_x – осевая составляющая;

P_y – радиальная составляющая;

P_z – тангенциальная составляющая.

P_x изгибает резец в горизонтальной плоскости, стремится вывернуть резец из резцедержателя и препятствует движению подачи резца. По ней рассчитывают механизм подачи станка.

P_y отжимает резец от заготовки, а её реакция – заготовку от резца. По ней рассчитывается жёсткость заготовки.

P_z – главная составляющая силы резания. Она изгибает резец в вертикальной плоскости, а реакция силы – препятствует вращению заготовки. По ней рассчитывают резец на изгиб, а также мощность привода главного движения станка.

,

P_z – в Н, V – в м/мин.

.

Между равнодействующими и её составляющими существует соотношение:

,

.

для стали 45, .

(через усадку стружки)

Режимы резания:

·

Скорость резания – влияет на составляющие силы аналогично её влиянию на коэффициент усадки стружки.

Рисунок 70-а

при V₂ – максимальное наростообразование;

при V₃ – нарост исчезает,

при V₁ – начало образования нароста.

· Подача.

Поскольку имеет место снижение усадки стружки, то получается замедление роста составляющих силы резания.

Рисунок 70-б

· Глубина резания.

Поскольку усадка стружки при изменении глубины резания остаётся постоянной, то силы, действующие на резец, примерно пропорционально растут глубине резания.

Рисунок 70-в

Влияние геометрии

Рисунок 71

Рисунок 72

С увеличением f P_x увеличивается, P_y уменьшается, так как равнодействующая в горизонтальной плоскости поворачивается против часовой стрелки (направление всегда перпендикулярно режущей кромке).

·

Влияние радиуса сопряжения режущих лезвий.

С увеличением R f_ср. уменьшается.

Рисунок 73

· Влияние износа резца

В случае образования нароста износ резца не оказывает влияния на составляющие силы резания.

В случае отсутствия нароста износ задней поверхности увеличивает силу отжима заготовки P_y.

P_z практически не зависит от износа задней поверхности.

Износ по передней поверхности снижает силы, так как увеличивается g_л за счёт лунки.

Рисунок 74

· Влияние СОЖ

СОЖ уменьшает силы трения и на 10-15% уменьшает силы резания.

Силы измеряются с помощью динамометров, которые бывают:

· однокомпонентные для измерения P_z;

· двухкомпонентыне для измерения P_z и P_x;

· трёхкомпонетные для измерения P_x, P_y, P_z;

· четырёхкомпонетные, для измерения P_x, P_y, P_z и М_кр.

- упруго-механической системы (до V=5 м/мин);

- гидравлической системы (доV=80 м/мин);

- упруго-электрической системы (скорости не ограничены).

Упругий элемент действует на датчик, который даёт сигнал на прибор через усилитель.

Рисунок 75

Формулы для определения составляющих сил резания:

,

, x>y

,

где C – постоянный коэффициент, зависящий от условий обработки;

z,y,x – показатели, характеризующие степени влияния на силы резания.

В процессе резания возникают вибрации, которые приводят к изменению положения резца по отношению к заготовке и снижается стойкость режущего инструмента. Причины возникновения вибраций:

· Недостаточно жёсткая система СПИД;

· Неуравновешенность деталей узлов станка (при этом «бьют» шестерни, муфты, шкивы);

· Неравномерный припуск на обработку. Это выражается в биении заготовки.

Меры:

·

увеличить жёсткость системы СПИД, для этого применяют либо люнеты, либо виброгасители, представленные на рисунках 76, 77.

Рисунок 76 – Люнеты

Рисунок 77

Для завивания стружки используется резец с канавкой на передней поверхности.

Рисунок 78

На станках-автоматах ломают стружку с помощью уступов, представляющих собой порожки. Уступы бывают неподвижные и регулируемые.

Неподвижные применяются при массовом производстве.

Уступ устанавливается за пределами площадки контакта, так как возникают дополнительные силы деформации и резания.

Рисунок 79

Кинематический способ – изменение толщины срезаемого слоя в процессе резания путём прерывистой подачи или наложения колебаний.

Рисунок 80 - Возможные Рисунок 81- Изменение

направления колебаний резца толщины срезаемого слоя

Исходные данные:

1. рабочий чертёж детали;

2. рабочий чертёж заготовки;

3. механические свойства обрабатываемого материала;

4. паспортные данные станка, а именно

- мощность,

- наибольший крутящий момент, допускаемый станком,

- максимальное усилие подачи P_{x max},

- ряд чисел оборотов шпинделя,

- К.П.Д. станка,

- размеры посадочных мест инструмента.

Требуется назначить оптимальный режим резания.

I. Выбирают характеристику режущего инструмента

1. Геометрические параметры в зависимости от материала, от вида обработки, от жёсткости системы СПИД.

2. Материал режущего инструмента в зависимости от свойств обрабатываемого материала, от характера заготовки, состояния поверхностного слоя, от наличия корки, окалины.

3. Размер инструмента в зависимости от формы и от размеров посадочных мест на станке.

II. Назначают режимы резания

1. Устанавливают глубину резания t в зависимости от величины припуска, от обработки, от жёсткости системы СПИД.

Если припуск равен 1…3 мм, то t равна припуску, но если припуск больше, т.е. 4…6 мм, то припуск делится на 2 прохода, где снимается в предварительном проходе ¾ или 2/3 всего припуска, и окончательный, где снимается остальной припуск.

2. Подача s.

Выбирается в зависимости от требуемой шероховатости и мощности привода подач.

Выбранную подачу сравнивают с подачей на станке и берут ближайшую меньшую.

III. Критерий затупления

Выбирается в зависимости от:

· Вида обработки

· требуемой точности заготовки;

· заданной шероховатости;

· материала режущего инструмента.

IV. Период стойкости инструмента T

Выбирается в зависимости от:

· вида обработки;

· материала инструмента;

· качества обрабатываемой поверхности;

· допустимого износа;

· типа производства.

V. Вычисляется скорость резания V, допустимая режущим инструментом

VI. Рассчитать частоту вращения шпинделя станка

.

VII. Подобрать по станку ближайшее значение n_ст. (берут ближайшее большее, если не отличается от n_р больше, чем на 5%)

VIII. Вычисляется фактическая скорость резания

IX. Рассчитать P_z

X. Рассчитывается осевая составляющая P_x

XI. Рассчитывается подача по прочности сечения резца

XII. Проверяется подача по жёсткости сечения резца [4], стр.110

XIII. Проверяется подача по жёсткости обрабатываемой детали в связи со способом её крепления, [6], стр.384-388.

XIV. Проверяется подача по прочности пластинки твёрдого сплава, [6], стр.383

XV. Проверяется скорость резания по мощности привода главного движения

,

P_z – в Н.

XVI. Рассчитывается машинное время

,

,

,

где i – число проходов,

n – частота вращения.

Рисунок 82 – Элементы пути резца

Стойкость инструмента:

m>y>x

Необходимо брать t_max, так как она наименьшим образом влияет на температуру, а значит и на стойкость инструмента.

Таким образом, схему последовательности назначения параметров режима резания можно кратко представить так:

Глубина резания (t) – величина срезаемого слоя за один проход, измеренная в направлении 1 – обработанной поверхности.

Скорость резания (V) – величина перемещения точки режущей кромки относительно поверхности резания в единицу времени в процессе осуществления движения резца.

Подача (S) – величина перемещения режущей кромки относительно обработанной поверхности в единицу времени в направлении движения подачи.

Подача S бывает двух видов – в мм/мин. («минутная подача») и в мм/об. (просто «подача») Взаимосвязь между ними отражается зависимостью:

,

где n – частота вращения;

S_z – подача на зуб.

Средние значения скорости резания V для наружного точения, м/мин

Строганием обрабатываются плоские и фасонные поверхности, оно выполняется обычными резцами на строгальных станках.

Продольно-строгальные станки служат для обработки длинных поверхностей. Заготовка устанавливается на столе. Резцы устанавливают на суппорт станка, имеющего движение подачи заготовки перпендикулярно столу.

В поперечно-строгальных станках (рис. 83) главным движением является движение инструмента, закреплённого на ползуне. Заготовка устанавливается на столе, имеющем движение подачи в поперечном и вертикальном направлении. Применяется для обработки коротких поверхностей.

Точность обработки строганием – 7-13 квалитеты, шероховатость –

R_z 80…40.

Элементы режима резания

Рисунок 84

Если бы резец был прямой, то он портил бы обработанную поверхность, врезаясь глубже под нагрузкой.

S, мм/дв.х.

t – минимальное расстояние от обрабатываемой до обработанной поверхности.

5.2.2 Физические параметры срезаемого слоя

a – толщина срезаемого слоя – минимальное расстояние между двумя положениями режущей кромки, когда резец переместится на величину подачи.

b – ширина срезаемого слоя:

Площадь срезаемого слоя:

Особенности процесса строгания

1. Прерывистость процесса резания. Резцы делают изогнутыми.

2. Резец работает с ударом.

Преимущество: при обратном ходе происходит охлаждение инструмента.

Силы резания измеряются и рассчитывается аналогично операции точения.

Назначение режимов резания

1. По аналогии с точением выбирается глубина точения t.

2. Назначается подача.

3. Рассчитывается скорость резания.

4. Число двойных ходов

,

,

.

m – отношение скорости рабочего хода к скорости холостого хода.

5. Фактическая скорость резания определяется:

, м/мин.

6. Рассчитывается машинное время

,

где B – ширина заготовки,

y₁ – величина врезания,

y₂ – величина перебега.

, кВт.

Все остальные параметры вычисляются так же, как и при точении.

Долбление

Рисунок 85

Долбление служит для обработки как наружных, так и внутренних поверхностей заготовок различной конфигурации.

Процесс резания прерывистый, имеет те же особенности, режимы резания рассматриваются аналогично.

При обработке долблением достигаются 7-13 квалитеты точности, шероховатость R_z 80…40 мкм.

Сверление

Рисунок 86

Применяется для обработки отверстий как в сплошном материале, так и имеющих предварительные отверстия. Главное движение имеет шпиндель станка.

, м/мин,

, мм/об,

,

t всегда перпендикулярно подаче.

При обработке сверлением достижимы 11-12 квалитеты, R_a 5…10 мкм.

Физические размеры сечения срезаемого слоя

Рисунок 87 – Сечение срезаемого слоя при сверлении и рассверливании

,

,

.

Конструкция сверла

Рисунок 88

Координатные плоскости и углы сверла

Основная плоскость – плоскость, проходящая через ось и рассматриваемую точку режущей кромки.

Плоскость резания – касательная к поверхности резания, проходящая через главное лезвие.

Передний угол g всегда рассматривается в нормальной секущей плоскости N-N.

Задний угол a рассматривается в плоскости, параллельной оси сверла.

Рисунок 89

Y – это угол между проекциями перемычки и главным лезвием на плоскость, перпендикулярную оси сверла.

Толщина сердцевины к хвостовику увеличивается, так как крутящий момент увеличивается.

Рисунок 90

,

,

.

Изменение геометрии происходит потому, что чем ближе к центру от периферии, тем меньше скорость, тем больше угол m, так как подача имеет постоянную величину.

Угол g_з – уменьшается к центру, угол a_з – увеличивается.

Заточка сверла

Рисунок 91

Заточка нужна для увеличения угла a, для уменьшения сил действия на сверло. Кроме того, она увеличивает обратную конусность сверла для уменьшения защемления сверла в отверстии.

Способы уменьшения защемления сверла: делаются ступеньки на ленточке с целью увеличения f` и для сохранения диаметра отверстия после заточки.

Рисунок 92

Асимметричная заточка сверла служит для уменьшения защемления сверла в отверстии.

Рисунок 93

Данный способ нужно применять только для грубой обработки. Такой способ резко снижает защемление сверла. При сверлении очень затруднён выход стружки по спиральным канавкам. Чтобы избежать этого, на задней или передней поверхности сверла делаются стружкоразделительные канавки.

Рисунок 94

1. Наличие поперечной режущей кромки, которая имеет большее отрицательное значение переднего угла, что затрудняет процесс резания.

2. Различная геометрия вдоль главного лезвия (от периферии к центру a увеличивается, а g уменьшается) – это причина различного коэффициента усадки стружки вдоль главного лезвия.

3. Вспомогательный задний угол на ленточке a₁=0, что способствует защемлению сверла.

4. Угол f₁ близок к 0, что также способствует защемлению сверла в отверстии.

5. Диаметр отверстия ограничен, следовательно, затруднён отвод тепла из зоны резания, отвод стружки, подвод СОЖ, недостаточна жёсткость и прочность сверла.

5.5 Зенкерование

Рисунок 95

Рисунок 96 – Элементы срезаемого слоя при зенкеровании

Цельные зенкеры делаются от 10 до 32 мм, насадные – от 25 до 80 мм.

2f=60…120⁰, w=10…30⁰, f₁=0,5-1⁰, g=10…18⁰, a=6…15⁰.

Зенкерованием можно достичь 8-9 квалитета точности, R_a 3,2…6,4 мкм.

а – конструкция зенкера, б – четырехперый цельный быстрорежущий зенкер, в – твердосплавный, г – насадной быстрорежущий, д – насадной твердосплавный, е – насадной со вставными ножами

Рисунок 97 – Виды зенкеров

Рисунок 98 – Схема резания и размеры срезаемого слоя при развёртывании

Развёртывание применяется для окончательной обработки и отличается малым припуском – от 0,05 до 0,5 мм на сторону. Проводится на сверлильных и токарных станках. Развёртка – многозубый инструмент. Точность обработки – 5-7 квалитет (экономический – 6-8 квалитеты), шероховатость R_a 0,5…1,6 мкм.

Рисунок 99 – Конструкция развёртки

1 – направляющий конус;

2 – заборная часть;

3 – калибрующая часть;

4 – обратный конус;

5 – рабочая часть;

6 – шейка;

7 – хвостовик;

2ψ – угол конуса заборной части.

γ = 0…10⁰,

α = 6…15⁰,

ϕ =0,5…1,5⁰.

Для машинных развёрток ϕ=15⁰ для сталей, ϕ=5⁰ для чугуна, ϕ=30-45⁰ для твёрдосплавного инструмента.

Особенности процесса зенкерования и развёртывания

1. Отсутствие перемычки (меньше осевые силы, больше количество зубьев, перьев). Общая длина режущих кромок больше, следовательно выше производительность обработки.

2. Легче отвод стружки. Жёсткость и прочность значительно больше.

3. Улучшены условия теплоотвода.

Элементы режима резания

· Скорость резания