Д.т.н., проф. Михайлов Станислав Васильевич
Резание материалов
Курс лекций
Список рекомендуемой литературы
Грановский Г.И., Грановский В.Г. Резание металлов: Учебник для машиностр.
и приборостр. спец. вузов. – М.: Высш. шк., 1985. – 304с.
Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов. М., Машиностроение, 1975.–
340с.
Силин С.С. Метод подобия при резании материалов. – М.: Машиностроение,
1979. – 152 с.
Михайлов С.В. Компьютерное моделирование и системный анализ причинноследственных связей процессов образования, завивания и дробления сливной стружки:
монография.– Кострома: Изд-во Костром. Гос. Технол.ун-та,, 2009.-159 с.
Михайлов
С.В.
Оптимизация
режимов
методическое пособие.- Кострома: КГУ,2020.-24 с.
токарной
обработки:
учебно-
2
Теория резания как наука. Цели и задачи теории резания
Теорией резания называется совокупность теоретических представлений о природе и основных физических закономерностях деформирования срезаемого слоя и
стружкообразования, изнашивания режущего инструмента, формирования обработанной поверхности детали, а также об оптимизации процесса резания и управлении его
параметрами.
Основными целями теории резания являются:
1. Повышение производительности процесса резания за счет применения прогрессивных видов обработки резанием, конструкций инструментов и станков, рациональных режимов резания, эффективных инструментальных материалов, охлаждающих средств и т. д.
2. Повышение точности и качества изделий, полученных путем обработки резанием.
3. Снижение себестоимости выпуска продукции за счет уменьшения расходов,
связанных с процессом резания и инструментом.
Для достижения этих целей необходимо решить ряд задач, связанных с изучением:
− кинематики процесса резания;
− геометрии режущего инструмента;
− инструментальных материалов;
− деформации и стружкообразования при резании;
− сил и колебаний при резании;
− тепловых явлений, сопровождающих процесс резания;
− изнашивания режущих инструментов;
− точности и качества обработанной поверхности детали;
− особенностей обработки резанием материалов со специфическими свойствами;
− функционирования системы резания, ее оптимизации и управления.
3
Вклад Российских ученых в развитие науки о резании материалов
1.
Иван Августович Тиме (1838-1920г.) – основоположник науки о резании мате-
риалов, профессор Петербургского института корпуса горных инженеров, впервые
рассмотрел процесс деформации металла при стружкообразовании. В своих научных
трудах «Сопротивление металлов и дерева резанию» и «Мемуары о строгании металлов» он впервые: 1) Высказал мысль о единстве закономерностей процесса резания
независимо от метода обработки металлов резанием (строгание, точение, резание на
ножницах и др.); 2) Доказал, что резание является последовательным скалыванием отдельных элементов металла; 3) Установил понятие о плоскости и угле скалывания β1 и
доказал, что при снятии стружки основное деформирование металла имеет место в
пределах указанного угла; 4) Установил явление усадки стружки и ввел понятие о коэффициенте усадки; 5) Ввел понятие о «коэффициенте резания» как силе резания, отнесенной к 1 мм2 поперечного сечения срезаемого слоя (удельная сила резания); 6)
Разработал классификацию стружек (сливная, суставчатая, надлома); 7) Вывел приближенное уравнение для расчета силы резания.
2.
Константин Алексеевич Зворыкин (1861-1928г.), профессор Харьковского технологического института. Впервые применил гидравлический динамометр.
К.А.Зворыкин теоретически определил качественное влияние основных факторов процесса резания на положение плоскости скалывания. Установил, что ширина и толщина
срезаемого слоя влияют не одинаково на главную составляющую силы резания.
3. Андрей Александрович Брикс, проф. Михайловской артеллерийской Академии, генерал-майор, участник турецкой компании. В 1896 г. А.А. Брикс систематизировал понятия и уточнил терминологию, принятую в резании. Такие термины, как
«режущее лезвие», «передняя грань», «задняя грань», «угол заострения», «задний
угол», «передний угол» утвердились в науке о резании металлов и сохранились до
наших дней.
4. В 1905-1910 годах – Н.Н. Савиным выполнены исследования влияния смазочно-охлаждающей жидкости на процесс резания и качество обработанной поверхности.
5. Я.Г. Усачев (1873-1941), проф. Санкт-Петербургского политехнического инсти-
4
тута. Впервые применил металлографический метод микроструктурного анализа корней стружек, позволивший увидеть плоскости скалывания и плоскости сдвигов внутри
элементов стружки. Я.Г. Усачев обратил внимание на явление образования нароста на
передней поверхности резца, которое он охарактеризовал как явление приспособляемости металла к условиям резания. Ценными являются исследования тепловых явлений.
6. Существенное влияние на развитие теории резания оказали исследования Фредерика Уинслоу Тейлора (США), который в своей работе «Искусство обработки металлов» (1900 г.) установил обрабатываемость материалов и определил стойкостные
свойства режущих материалов.
7. В 1938-1940 г. А.И. Каширин, В.А. Кривоухов, И.М. Беспрозванный и С.Д. Тишин разрабатывают справочные материалы по режимам резания. Впервые в мировой
практике созданы нормативно-справочные материалы по резанию металлов.
8. 1945-70 г. – В.А. Кривоухов, И.М. Беспрозванный, С.Ф. Глебов, А.И. Исаев,
М.И. Клушин, Н.Н. Зорев, А.М. Даниелян, Б.И. Костецкоий и др. Работы послевоенного периода были направлены на определение оптимальных условий обработки новых
материалов.
9. 1970- по н.в. С.С. Силин, А.Д. Макаров, В.Ф. Безъязычный и др. На основе физического представления сложных механизмов в зоне резания создаются математические модели, используемые в автоматизированных системах проектирования технологических процессов и режущих инструментов.
5
Способы формообразования деталей
1. Способы первичного формообразования – это способы, с помощью которых
из бесформенного материала создается изделие.
2.
Способы формообразования для изменения или создания новой формы
изделия путем пластической деформации заготовки.
3.
Способы отделения и разделения. Отличаются тем, что часть материала
заготовки отделяется от нее.
Способы
формообразования деталей
Литье, экструзионная
обработка,
метод спекания и т.д.
Аддитивные технологии «трёхмерной
печати»
Операции обработки
материалов давлениемштамповка, вытяжка,
гибка, обжим,
отбортовка, обжим и
др.
Резание, разрезка ножницами,
электроискровая,
электрохимическая
ультразвуковая,
лазерная
Все способы и виды обработки материалов, основанные на срезании припуска и превращении его в стружку, составляют разновидности, определяемые термином «резание
материалов».
Способы разделения металлов на части, при которых стружка не образуется, к обработке резанием не относится.
6
Преимущества процессов резания материалов
1) высокая производительность;
2) высокая точность обработки;
3) получение высокого качества обработанных поверхностей;
4) гибкость и универсальность операций.
В табл. 1.1 приведены данные по производительности различных методов обработки и затраты мощности для удаления 1см3 материала за 1 мин.
Таблица 1.1
Производительность и удельная мощность различных видов обработки
Вид обработки
Производительность,
Удельная мощность,
см3/мин
(кВт мин)/ см3
Точение
1500
0,06
Шлифование
800
0,6
Электроискровая
15
1
Электрохимическая
15
10
Ультразвуковая
1
25
Лазерная
0,001
4000
7
Формообразующие движения при резании материалов
Кинематика резания – это раздел теории резания, рассматривающий относительное движение инструмента и заготовки в процессе резания, его элементы, влияние
этих элементов на процесс резания.
Все движения на металлорежущем оборудовании предназначены для получения
деталей требуемой формы и размеров. Их можно разделить на 3 движения:
1. главное движение резания Dг;
2. движение подачи Ds;
3. вспомогательное движение.
Главное движение резания – это движение инструмента или заготовки с
наибольшей скоростью. Главное движение определяет направление и скорость пластической деформации срезаемого слоя.
Движение подачи – это движение инструмента или заготовки, с помощью которого удаляется срезаемый слой по всему контуру обрабатываемой детали. Скорость
движения подачи меньше скорости главного движения.
Вспомогательное движение – это движение, предназначенное для подвода инструмента к зоне резания и отвода.
Главное движение и движение подачи создают суммарное результирующее
движение резания Dе со скоростью vе.
8
Схемы видов лезвийной обработки
Резание материалов подразделяется на лезвийную и абразивную обработку.
Лезвийная обработка – обработка резанием, осуществляемая лезвийным инструментом; абразивная обработка – обработка абразивным инструментом, Примеры лезвий
обработки представлены на рисунках.
Схемы видов лезвийной обработки:
а – строгание; б – строгание по копиру; в – долбление; г – обтачивание; д – растачивание; в – подрезание; 1 – обрабатываемая поверхность; 2 – обработанная поверхность; 3 – поверхность резания; Dr – главное движение; Ds – движение подачи
9
Схемы видов лезвийной обработки: а – сверление; б – центрование; в – зенкерование; г – развертывание; д – зенкование; е – цекование; 1 – обрабатываемая поверхность; 2 – обработанная поверхность; 3 – поверхность резания; Dr – главное движение; Ds – движение подачи
10
Схемы видов лезвийной обработки: а – периферийное (цилиндрическое, дисковое и т. п.) фрезерование; б – торцовое фрезерование; в – круговое фрезерование;
г – внутреннее протягивание; д – наружное протягивание; е – ротационное точение; 1 –
обрабатываемая поверхность; 2 – обработанная поверхность; 3 – поверхность резания;
Dr – главное движение; Ds – движение подачи
11
Схемы зубонарезания: а – модульной пальцевой фрезой; б – модульной дисковой фрезой; в – зубофрезерование модульной червячной фрезой; г – зубострогание; д –
зубодолбление; е – зуботочение долбяком; 1 – обрабатываемая поверхность; 2 – обработанная поверхность; 3 – поверхность резания; Dr – главное движение; Ds – движение
подачи
12
Понятия скорости резания и подачи
Поскольку скорости главного движения многократно превышают скорости подачи, то под скоростью резания принято понимать скорость главного движения:
v= Dn/1000 (м/мин),
где
n – частота вращения заготовки или инструмента, об/мин, D – диаметр заготов-
ки, мм
Существует несколько разновидностей подач:
1. sм – минутная подача, мм/мин
Перемещение заготовки или инструмента в единицу времени;
2. sо – подача на оборот, мм/об
Перемещение за один оборот заготовки или инструмента;
3. sz – подача на зуб, мм/зуб
Перемещение заготовки или инструмента в промежутке оборота инструмента на один зуб.
so=szz;
sм=son
13
Элементы резания. Основные понятия и определения
Поверхности обрабатываемой заготовки при резании материалов
Припуск – часть материала, которая удаляется с заготовки в процессе резания.
Припуск может удаляться за один или несколько проходов.
Способ механической обработки с удалением припуска и превращением его в
стружку называется резанием (рис.1).
В процессе срезания припуска с заготовки различают характерные поверхности:
1. Обработанная поверхность.
2. Поверхность резания.
3. Обрабатываемая поверхность.
Z
x=dз/2+y*tg
A
2
3
A
1
2
1
Y
t
Dз
dз
3
4
X
Y
X
14
Лезвие инструмента
Срезание припуска с заготовки осуществляется лезвием инструмента клинообразной формы. Лезвие ограничено передней и задней поверхностями инструмента.
Передняя поверхность (1) – поверхность по которой перемещается стружка в
процессе резания. Задняя поверхность (2) – поверхность, контактирующая в процессе
резания с поверхностями обрабатываемой заготовки.
На пересечении передней и задней поверхностей образуется режущая кромка
(3). На инструменте может быть несколько режущих кромок. Наиболее нагруженная
при резании металла режущая кромка называется главной. Остальные - вспомогательные.
N
3
F
r
A
1
A-A
A
a
1
v
cp
M
v
c.cp
a
c.cp
2
v
X
A
b2
2
1
15
Геометрические параметры лезвия инструмента
На пересечении главной и вспомогательной режущих кромок образуется вершина инструмента.
Задняя поверхность, проходящая через главную режущую кромку, называется
главной задней поверхностью или просто задней поверхностью.
Задняя поверхность, проходящая через вспомогательную режущую кромку,
называется вспомогательной задней поверхностью.
Главная задняя поверхность примыкает к поверхности резания. Вспомогательная задняя поверхность обращена к обработанной поверхности
а
16
Классификация основных случаев резания
Свободное резание, если в работе участвует только одна главная режущая
кромка AB;
Несвободное резание, если в работе участвуют две (АО и ОВ) и более сопряженные режущие кромки;
а)
б)
Схемы свободного (а) и несвободного (б) резания
Прямоугольное резание, если вектор скорости резания v перпендикулярен режущей кромке АО.
Косоугольное резание, если вектор скорости резания v не перпендикулярен режущей кромке АО.
а)
б)
Схема прямоугольного (а) и косоугольного (б) резания
17
Инструментальные материалы
Требования, предъявляемые к инструментальным материалам
3 группы требований к инструментальным материалам:
1) эксплуатационные,
2) технологические,
3) экономические требования.
Эксплуатационные требования вытекают из условий, в которых работает инструмент – высокие контактные давления, близкие к пределу прочности конструкционных материалов и высокие температуры до 1000 град С.
Отсюда
1. Твердость материала
HRCинстр >>HRC ст не менее, чем в 2,5 раза
2. Прочность и ударная вязкость (способность инструментов сопротивляться
хрупкому разрушению при статических и динамических нагрузках)
в инстр. >>в стали
Прочность и твердость – противоположные свойства. Увеличение твердости, как
правило, приводит к уменьшению прочности (увеличению хрупкости).
3. Теплостойкость (для быстрорежущих сталей еще называют красностойкость). Свойство инструментального материала сохранять высокую твердость и прочность при повышенных температурах, возникающих в процессе резания.
Для углеродистых инструментальных сталей – 220 0C. (резание Ст45 с v= 10…15
м/мин).
Для быстрорежущих - 620..640 0С. (резание Ст45 с v= 40…60 м/мин)
Для твердых сплавов - 800-1000 0C. (резание Ст45 с v= 120…250 м/мин)
Керамика- 1200 0C (резание Ст45 с v= 500…600 м/мин)
Теплостойкость позволяет работать с большими скоростями резания.
4. Теплопроводность. Способность отводить тепло с контактных площадок инструмента.
5.Сродство с обрабатываемым материалом. Для уменьшения адгезионноусталостных процессов изнашивания кристаллохимические свойства инструментальных материалов должны существенно отличаться от соответствующих свойств обрабатываемых материалов.
18
6. Износостойкость. Сопротивляемость истиранию обрабарываемым материалом. Комплексный показатель. Зависит от всех вышеперечисленных свойств.
Технологические требования – обеспечивают хорошие условия изготовления.
Для инструментальных сталей:
1-хорошая обрабатываемость, особенно шлифуемость;
2- хорошая закаливаемость;
3-способность к пластическому деформированию.
Экономические требования - дешевый материал.
Классификация инструментальных материалов
Инструментальные материалы
I
II
III
IV
V
Высокоуглерод. инстр.
стали
Легир.
инстр. стали
Быстрореж. инструмент. стали
Твердые сплавы (Металлокерамика)
Минерало-керамика.
СНП
СПП
Вольфрамосодер. ТС
VI
СТМ
Безвольфр.
ТС
В современном машиностроении применяется 45 % инструментальных и быстрорежущих сталей, 40% твердых сплавов, 15% минералокерамических и сверхтведых
материалов
Углеродистые инструментальные стали
Это стали с высоким содержанием углерода ( 0,7…1,3%). Кроме железа и углерода стали содержат 0,2…0,4% марганца. В России углеродистые стали обозначаются
буквой У, за ней следует цифра, характеризующая массовое содержание углерода в в
десятых долях %.
У7,У8,У10,У11,У12,У13
У7А,У8А,У10А,У11А,У12А,У13А.
Буква А в конце соответствует высококачественным сталям с пониженным содержанием примесей.
19
После закалки твердость этих сталей большая – 60…62 НRC, однако теплостойкость низкая. В результате распада мартенсита твердость углеродистых сталей падает
при =220 град С. Из таких сталей изготавливают простой слесарный инструмент, пилы, напильники, кернеры (нем Kȍrner),простой режущий инструмент, работающий при
скоростях до 10 м/мин. Сложный инструмент не делают из-за коробления при термической обработке.
Легированные инструментальные стали
В состав легированных инструментальных сталей кроме углерода входят такие
легирующие элементы как хром, вольфрам, ванадий, марганец, кремний.
Х, ХВГ, ХВСГ, 9ХС, ХВ5,Х12Ф1
Дополнительное легирование в сочетании с достаточно высоким содержанием
углерода позволило поднять теплостойкость на 50 град С. Однако это привело к незначительному увеличению максимальной Vрез – до 20 м/мин.
Основное преимущество легированных инструментальных сталей- малые деформации при термической обработке, что приводит к уменьшению коробления и образования трещин. Легированные стали рекомендуются для инструментов сложной
формы, работающих с малыми скоростями резания – плашки, развертки, резьбонакатной инструмент, ножовочные полотна.
В России инструментальные легированные стали обозначаются цифрой, характеризующей массовое содержание углерода в десятых долях % (если цифра отсутствует, содержание углерода 1%). За цифрой следуют буквы, соответствующие легирующим элементам (Г-марганец, Х- хром, С- кремнии, В- вольфрам, Ф- ванадий, Н - никель, М-молибден), и цифры, обозначающие содержание легирующих элементов в %.
I. Быстрорежущие стали
Созданы и начали использоваться в начале прошлого века в Британии. В обозначении быстрорежущей стали буква Р означает быстрая (rapid steel- быстрая сталь).
Инструменты из быстрорежущей стали иностранного производства обычно маркируются аббревиатурой HSS (High Speed Steel), а также HSSE (кобальтовая сталь).
Помимо большого процента углерода ( от 0,8% до 1%) содержат значительные
добавки вольфрама (буква В- вольфрам в обозначении не указывается), молибдена
(М), ванадия (Ф), кобальта (К). При этом основной компонент – вольфрам (до 18%).
Главной причиной повышения режущих свойств сталей является не химсостав, а режим обработки – закалка до высоких температур нагрева 1200оС и многократный
(обычно 3-х кратный ) отпуск. При отпуске из структуры мартенсита и аустенита выделяются износостойкие карбиды легирующих элементов WC, MoC, VC, обеспечивающие повышение теплостойкости. Теплостойкость – 620 оС.
В настоящее время принято делить БИС на 2 группы - стали нормальной производительности (СНП) и стали повышенной производительности (СПП).
20
СНП
Р18, Р12, Р9, Р6М5
В настоящее время используют молибденовые БИС – Р6М5. Молибденовые БИС
были созданы с целью снизить стоимость инструментального материала за счет замены части W молибденом. 1% Мо эквивалентен 1,5% W. В результате добавления Мо
теплостойкость практически не изменяется, а положительные свойства появляются за
счет повышения ударной прочности. Прочность повышается в результате более равномерного распределения карбидов по сечению. По стоимости Мо стали примерно в
1,5…2 раза ниже чем основная марка Р18.
СПП
Кобальтовые : Р9К5, Р6М5К5
Ванадиевые : Р12Ф3, Р6М5Ф3, Р10К5Ф5.
Содержание хрома до 4% в обозначениях марок не указывается.
Кобальт как и ванадий повышает теплостойкость и твердость.
Теплостойкость составляет 660 – 680 оС.
Твердость 63 – 65 HRC.
Стоимость в 2 раза выше СНП. Недостаток – повышение хрупкости.
Промышленное производство быстрорежущих сталей осуществляется как посредством открытой дуговой выплавки, так и методом порошковой металлургии.
Порошковые стали имеют в обозначении две буквы –МП. Например, Р6М5Ф3–
МП. Структура современных порошковых сталей лучше (мелче зерно аустинита и более равномерное). Стойкость в 1.5…2 раза выше.
II. Твердые сплавы
Твердые сплавы являются основным инструментальным материалом. Твердосплавным инструментом удаляется до 85 % стружки. К твердым сплавам относятся
сплавы карбидов тугоплавких металлов. В качестве цементирующей связки используется кобальт или никель-молибденовый сплав.
Технология получения металлокерамики:
Предварительно получают порошки карбидов и порошки связки. Дисперсность
порошка составляет величины порядка 1 мкм. Порошки в нужной пропорции смешиваются. В состав добавляется пластификатор (спиртовой раствор каучука или парафин) и из этого состава прессуются изделия требуемой формы. Полученное изделие
подвергается спеканию в вакууме или в среде водорода. Температура спекания равна
температуре плавления связки кобальта – 1400…1550оС.
Основным карбидом твердых сплавов является карбид вольфрама.
В соответствии с Международной классификацией ISO твердые сплавы разделены на группы и подгруппы резания (группы применения). В зависимости от обрабатываемого материала и вида образующейся стружки, в соответствии со стандартом ISO,
инструментальные материалы подразделяют на 6 групп резания - Р, М, К, N, S и Н,
каждая из которых обозначается определенным цветом. В свою очередь группы реза-
21
ния подразделяют на группы применения, которые обозначают буквой (группа резания) и числовым индексом (группа применения).
Согласно Российскому стандарту ГОСТ 3882–74 (в ред. 1991г.) все вольфрамосодержащие твердые сплавы делятся на 3 группы:
1.
Однокарбидные (вольфрамовые)
2.
Двухкарбидные (титановольфрамовые)
3.
Трехкарбидные (титанотанталовольфрамовые).
ВК2, ВК3, ВК3М,
Чистовая обр.
1.
Однокарбидные твердые сплавы.
ВК6В
ВК4, ВК6,
ВК8, ВК10, ВК15
ВК6М.
Черновая обр
ВК6ОМ
прочность
твердость и износостойкость
ВК2
В - крупное зерно (4-5 мкм)
98% WC
2% Co
М – мелкое зерно (1-2 мкм)
ОМ – особо мелкое зерно ( от 1 до 0,5 мкм)
ВК6 – среднее зерно ( 2-4 мкм)
Чем больше связки, тем меньше твердость, но выше прочность. Чем больше
карбидов, тем больше износостойкость инструмента.
Достоинства этой группы – высокая прочность, хорошая теплопроводность.
Недостатки – склонность к схватыванию с металлами группы железа при повышенных температурах. Поэтому на высоких скоростях резания наблюдается повышенный износ при обработке сталей.
Область использования – обработка чугунов, цветных металлов, хрупких материалов, образующих сыпучую стружку. Вследствие повышенной прочности они же
используются для обработки нержавеющих и жаропрочных сталей.
Все сплавы внутри групп условно делятся на – сплавы для чистовой и отделочной обработки, получистовой, черновой и обдирочной обработки.
Чем мельче зерно карбидов , тем сплав более износоустойчив.
Чем крупнее зерна карбидов, тем больше прочность на изгиб.
2.
Двухкарбидные твердые сплавы.
Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12
Чист.
Чернов.
Твердость и износоустойчивость
Прочность
22
Т30 К4
30 %TiC 4%Co
66%WC
По сравнению с однокарбидными эти сплавы более тверды и теплостойки, но их
хрупкость выше, что делает их мало эффективными при обработке чугунов, нержавеющих и жаропрочных сталей. Они значительно лучше противостоят износу при обработке углеродистых и легированных сталей, дающих сливную стружку.
3.
Трехкарбидные твердые сплавы
ТТ7К12, ТТ20К10
Состав: после ТТ указывается % суммарного содержания карбидов титана и тантала, % кобальта после К. Остальное карбид вольфрама.
Введение в состав карбидов тантала приводит к появлению еще более сложных
карбидов. Износоустойчивость повышается.
Применения сплавов – универсальное. Они применяются для обработки чугунов и сталей. Из-за наличия в этих сплавах редких металлов они дорогие и используются в наиболее ответственных случаях, там, где обычные марки работают плохо.
Ультрамелкозернистые твердые сплавы
Важной новейшей разработкой является создание особо- и ультрамелкозернистых твердых сплавов с зернами WC размером от 0,5 мкм и меньше (до 0,2 мкм). Производство таких сплавов стало возможным благодаря разработке новых технологий
получения порошковых материалов.
Все частички карбидов, в отличии от стандартного сырья, имеют круглую форму, что благоприятно сказывается на равномерной структуре спекаемого материала. В
результате уменьшения зерна и улучшения формы повышается твердость и изгибная
прочность режущей кромки пластины, увеличивается острота кромки.
Твердые сплавы с износостойкими покрытиями
Сменные режущие пластины (СРП) из твердых сплавов с износостойкими покрытиями позволяют повысить скорости резания на 20...40 % при той же стойкости или
позволяют увеличить в 1,8...5 раз стойкость инструментов при той же скорости, что и у
пластин без покрытий. Имеются некоторые ограничения при эксплуатации твердосплавных пластин с нанесенными покрытиями. Их нельзя применять для чернового
прерывистого резания из-за выкрашивания и сколов режущих кромок. Из-за увеличения
радиуса скругления режущей кромки пластин (до 40 мкм) в процессе нанесения покрытия ограничивается их применение для чистовых операций.
Покрытия, наносимые на инструменты, обычно представляют собой нитриды,
карбиды, карбонитриды и оксиды тугоплавких металлов – А12О3, TiN, TiC, TiCN TiAIN
23
и др. На рис. 8 представлены твердость (HV) и температура окисления {Ток) некоторых
соединений, используемых в качестве покрытий.
В настоящее время в производстве инструмента используют два основных метода
нанесения износостойких покрытий: метод химического осаждения покрытий из газовой фазы Chemical Vapour Deposition (CVD) и метод физического осаждения покрытий
в вакууме Physical Vapour Deposition (PVD). К разновидностям метода CVD относятся:
высокотемпературное осаждение покрытий – high-temperature (HT-CVD) и среднетемпературное осаждение покрытий – medium-temperature (MT-CVD). Методы CVD и PVD
различаются по температуре нанесения покрытия и давлению. С их помощью можно
получать различные по составам покрытия для разных областей применения. Методами
CVD в основном получают покрытия А12О3, TiN, TiC и TiCN.
Существенное значение для стойкости режущих кромок, передних и задних поверхностей имеет материал основы (подложки) для нанесения покрытия. Применение
одинакового по параметрам метода нанесения покрытий для различных по характеристикам основ из твердых сплавов приводит к большому разбросу показателей стойкости. Поэтому разработке специальных твердых сплавов для подложек изготовители инструмента уделяют особое внимание.
Температура, превышающая 750 °С, при которой формируются покрытия методами HT-CVD и MT-CVD, исключает возможность их применения на инструментах из
быстрорежущих сталей. Для устранения этого ограничения применяют метод химического осаждения покрытий с плазменным сопровождением (PA-CVD), который реализуется при температурах 550...650 °С.
Помимо однослойных покрытий TiN, TiC и TiCN широко используются и многослойные покрытия. Типичным представителем таких покрытий является покрытие TiCTiCN-Al2O3. Наружный слой из А12О3 служит своеобразным термоизолирующим барьером и снижает окисление инструментального материала при повышенных температурах резания. Карбид титана TiC обладает кристаллохимической совместимостью с
твердосплавной подложкой, а карбонитрид титана TiCN повышает прочность адгезионной связи между инструментальным материалом и наружным слоем покрытия.
Кроме состава покрытия, очень важной характеристикой является его толщина. С
одной стороны, ее рост благоприятно сказывается на повышении износостойкости рабочих поверхностей инструмента, с другой – приводит к заметному увеличению количества дефектов в покрытии, снижению прочности сцепления покрытия с инструментальным материалом и уменьшению способности покрытия сопротивляться хрупкому
разрушению. Поэтому при нанесении покрытий на инструменты, эксплуатирующиеся в
условиях прерывистого резания, например, при фрезеровании, когда покрытие должно
сопротивляться циклическим нагрузкам, его толщина, как правило, не превышает 6...7
мкм, в то время как при точении этот показатель может достигать 15 мкм. Нанесение
покрытий позволяет увеличить стойкость инструментов в 1,8...5 раз или существенно
повысить производительность обработки при исходной стойкости.
PVD-методы нанесения покрытий универсальны с точки зрения получения
гаммы однослойных, многослойных и композиционных покрытий на основе нитридов, карбидов, карбонитридов, оксидов и боридов тугоплавких металлов. Они позво-
24
ляютреализовывать процессы нанесения покрытий при температурах 500...600 °С, что
обеспечивает нанесение покрытий на быстрорежущие стали, твердые сплавы и керамику.
Правила выбора марки твердого сплава
Тип сплава (одно, двух или трехкарбидный) выбирается в зависимости от вида
обрабатываемого материала и типа образующейся стружки. Конкретная марка сплава
определяется исходя из требований к прочности сплава и его износостойкости. Чем
выше содержание связки в сплаве, тем больше его прочность на изгиб, но ниже твердость и износостойкость. Требования к прочности инструментального материала зависят от вида обработки – для черновой обработки выбираются марка сплава с большим
содержанием связки, для чистовой – с меньшим.
В зависимости от обрабатываемого материала и вида образующейся стружки, в соответствии со стандартом ISO, инструментальные материалы подразделяют на 6 групп
резания - Р, М, К, N, S и Н, каждая из которых обозначается определенным цветом. В
свою очередь группы резания подразделяют на группы применения, которые обозначают
буквой (группа резания) и числовым индексом (группа применения). Чем больше индекс
группы применения, тем ниже твердость и износостойкость твердого сплава и допускаемая скорость резания, но выше прочность (ударная вязкость), допускаемая подача и глубина резания.
Группы резания по стандарту ISO 513
Группа
резания
Р (синий)
Основная область применения
М (желтый)
К (красный)
Обработка коррозионно-стойких сталей и сплавов, дающих как сливную
стружку, так и стружку скалывания
Обработка чугунов, дающих стружку скалывания
N (зеленый)
Обработка алюминиевых и медных сплавов
Обработка материалов, дающих сливную стружку, в основном сталей
S
Обработка труднообрабатываемых материалов (жаропрочные стали и сплавы,
(коричневый) титан и его сплавы)
Н (серый)
Обработка закаленных сталей и литейных чугунов
Меньшее значение числового индекса группы применения соответствует чистовым операциям, когда от твердых сплавов требуются высокая износостойкость и малая
прочность, а большой индекс соответствует черновым операциям, т.е. когда твердые
сплавы должны иметь высокие прочностные свойства. В связи с этим каждая марка
25
имеет свою предпочтительную область применения, в которой она обеспечивает максимальные работоспособность сплава и производительность процесса обработки.
Обычно производители предлагают на рынке два вида твердых сплавов:
а) специализированные марки для определенного обрабатываемого материала и типа
операции (черновая, чистовая), которые обеспечивают наибольшую производительность обработки; б) универсальные марки для обработки различных материалов
и типов операций, которые во всех возможных случаях обеспечивают достаточную
производительность и стойкость.
Для массового и крупносерийного производств характерно применение специализированных марок. Однако большая номенклатура специализированных марок
твердых сплавов приводит к увеличению затрат на хранение и обслуживание, а также
велика вероятность ошибок при замене сплавов. При обработке часто сменяемых малых партий деталей из различных материалов используют универсальные марки твердых сплавов, В этом случае сокращаются затраты на переналадку станков, хранение и
обслуживание инструментов. Однако при этом производительность и стойкость универсальных марок на 10...25 % ниже, чем у специализированных.
Соответствие марок твердых сплавов по ГОСТу международной классификации
Наименование
изменения
свойств
Повышение
износостойкости
Повы
выше
шение
проч
ности
Марка по ГОСТ
3882 - 74
Т30К4
Т15К6
Т14К8
ТТ20К9
Т5К10
ТТ10К8-Б
Т5К12
ТТ7К12
ВК6-ОМ, ВК6-М
ТТ8К6
ТТ10К8-Б
ВК10-ОМ, ВК10-М, ВК8
ТТ7К12
ВК3, ВК3-М
ВК6-ОМ
ВК6-М, ТТ8К6
ВК6, ВК4
ВК8, ВК4
Группа применения
основподная
группа
Р01
Р10
Р20
Р
Р25
Р30
Р40
М
М05
М10
М20
М30
М40
К
К01
К05
К10
К20
К30
Маркировочный цвет
Материал заготовки
Сталь, ковкий чугун со
сливной стружкой
Синий
Жёлтый
Сталь, марганцовистая
сталь, легированный
чугун, аустенитовая
сталь, ковкий чугун,
автоматная сталь
Чугун, ковкий чугун со
стружкой скалывания
Красный
26
Безвольфрамовые твердые сплавы.
Созданы с целью экономии вольфрама. В них в качестве карбидов применяют
TiC, TiN, NbC, в качестве связки используют не кобальт, а тугоплавкий никель и молибден (Ni , Mo).
Обозначение
Основа
сплавов
Карбид титана
Карбонитрид
титана
Карбиды титана
и ниобия
ТН 20
КНТ 16
ТМ 1, ТМ 3
В результате отсутствия WC удельный вес меньше, твердость высокая. Недостаток – меньшая прочность, высокая хрупкость. Из этого материала делают пластины
для механического крепления на инструмент. Область использования – Чистовая обработка сталей с высокой скоростью резания с небольшими сечениями среза. В настоящее время ведутся работы по увеличению прочности БТС путем добавки в связку частиц Ta, W, M.
Минералокерамика (Режущая керамика)
Основа этой группы – окись алюминия Al2O3 (технический глинозем, получаемый из боксита при производстве алюминия), являющийся дешевым и доступным материалом.
Работы шли с 1920-х годов. К началу войны у нас появилась оксидная (белая)
керамика ЦМ332 – чистая минеральная керамика. Высокая твердость и теплостойкость
позволяли работать со скоростями до 800 м/мин. Однако, прочность в 3 раза ниже, чем
у твердых сплавов. Низкая механическая прочность затрудняла ее практическое применение. В дальнейшем был разработан новый вид керамики – оксидно-карбидная
(смешанная или черная) керамика, содержащая кроме неметаллических составляющих,
таких как окись алюминия Al2O3 , окись кремния SiО, карбиды тугоплавких металлов –
TiC, WC, MoC.
ВОК 60 - 40%TiC, 60% - Al2O3
ВОК 63
ВО12
ВО13 - .
Современные ВОК–200 (В2)
Прочность новой керамики увеличилась, но повысилась и стоимость пластин. По
сравнению с твердыми сплавами твердость керметов больше в 1,5…2раза. Рекомендуется для чистовой и получистовой обработки закаленных сталей и чугунов.
Относительно недавно появилась нитридная керамика на основе нитрида кремния Si3N4 (силинит) – ТВИН 200 (Т2). Обладает хорошей ударной вязкостью и износо-
27
стойкостью. Может быть использована при черновом точении и фрезеровании серого
чугуна и жаростойких сплавов.
К новым разработкам относится керамика армированная (вискерованная) –
ТВИН 400 (Т4). Окись аллюминия Al2O3, армируется (легируется) нитивидными кристаллами SiC. В результате прочность увеличивается.
Началось применение керамического инструмента с покрытием TiC, NiN+ Al2O3/
Технология изготовления керметов аналогична технологии изготовления
твердых сплавов. Технический глинозём, содержащий 98,5 – 99,5% Al2O3 , после прокаливания при температуре 1400 – 1600 0С размалывают в порошок по мокрому способу в шаровых мельницах или в других размольных установках до требуемой зернистости 1 – 2 мкм.
Размельчённый материал тщательно промывают и высушивают. К хорошо высушенному мелкозернистому глинозёму примешивают добавки в зависимости от изготовляемого режущего материала. Металлы Мо, Ni (при изготовлении материалов типа
кермета) и карбиды металлов TiC (при изготовлении оксидно-карбидной керамики)
добавляют в глинозём в виде тонкого чистого порошка, размеры зёрен которого, как
правило, меньше 2 мкм. Порошкообразные смеси тщательно перемешивают в шаровых
или вибрационных мельницах, чтобы обеспечить равномерное распределение отдельных компонентов материала.
Режущие пластины формируют прессованием увлажнённого порошка или литьём пластифицированной массы под давлением. Чтобы облегчить процесс прессования
и предотвратить возникновение пороков и дефектов в изделии, при прессовании смеси
порошков из металлов и окислов металлов в массу добавляют целлюлозу, а при изготовлении оксидно-карбидной керамики – несколько процентов гликоля (двухатомного
спирта). Спрессованные на гидравлических прессах давлением около 1000 кГс/см 2 или
литые пластины сушат. Затем керметы спекают в газовоздушных печах и печах с молибденовыми элементами при температуре 1820 0С. Для оксидно-карбидной керамики
наиболее благоприятным является спекание в угольно-трубчатых печах при температуре 1880±20 0С.
Сверхтвердые материалы (СТМ)
К СТМ относятся инструментальные материалы на базе алмаза и кубического
нитрида бора.
Алмаз – самый твердый материал, который существует в природе. Он в 5 раз
тверже ТС. До 50-х годов использовались только природные алмазы. Потом в Америке был изобретен синтетический алмаз – модифицированный углерод (С). Алмаз синтезирован из графита при высоких давлениях и температурах. И природный и синтетический алмаз имеют существенный недостаток. Температура его окисления –
700…800оС. Поэтому алмазный инструмент хорошо работает при обработке цветных
металлов и сплавов, неметаллических материалов. В зависимости от режимов синтеза
получают алмаз различного качаства и свойств.
Обозначение алмазных материалов.
А – природный алмаз.
28
АСО – алмаз синтетический обыкновенный.
АСТ – алмаз синтетический твердый.
АСП – алмаз синтетический повышенной прочности.
Поиск материала, обладающего более высокой термостойкостью, привел к созданию нового материала на базе кубического нитрида бора с кристаллической решеткой близкой к решетке алмаза. Американцы его назвали «борозон». Борозон получен
из графитоподобного нитрида бора (BN).
Материалы на основе нитрида бора обладают высокой красностойкостью до
1300…1400 оС и нейтральны по отношению к железу. Применяют при обработке чугунов и сталей.
Распространение получили абразивные порошки «ЛБОР» (эльбор) или Ленинградский борозон, «Кубонит» - Украина.
Поликристаллические пластины выпускаются под названием «композиты»:
композит 01 (эльбор-Р),
композит 02
Прочн.
……………
композит 10 (гексанит).
Поликристаллы кубического нитрида бора и алмаза изготавливаются в 2 стадии:
а) синтез зерен алмаза и кубического нитрида бора; б) спекание зерен для получения
крупных поликристаллов. Поликристаллы изготавливаются в виде цилиндров.
Учитывая пониженную прочность СТМ эксплуатируют на s=0,1мм/об с t до 1мм.
Абразивные материалы для абразивных инструментов
Отдельную группу инструментальных материалов составляют абразивные материалы для абразивных инструментов. К ним относятся: электрокорунд, карбид кремния, карбид бора, алмаз, кубический нитрид бора, белбор и другие. При маркировке
абразивных материалов используют цифровые и буквенные обозначения, например,
белый электрокорунд – 25А, 24А, 23А, 22А; карбид кремния черный – 55С, 54С, 53С;
карбид кремния зеленый – 64С, 63С, 62С; алмаз природный – А; алмаз синтетический
– АСО, АСР, АСВ; эльбор – Л и т. д. Размеры зерен абразивного материала подразделяют по номерам зернистости: 125, 80, 50, 40 и т. д., что соответствует – 1,25 мм, 0,8
мм, 0,5 мм, 0,4 мм и т. д. Твердость материала обозначают буквами: М – мягкий, СМ –
среднемягкий, С – средний, СТ – среднетвердый. Абразивные зерна могут использоваться в свободном состоянии и связываться между собой при помощи специальных
веществ, называемых связками: К – керамическая, Б – бакелитовая, В – вулканитовая,
29
М – металлическая и т. д. Различают плотную, среднюю и открытую структуры абразивного материала, например, 4, 5, 6, 7 – средняя структура. Эти обозначения входят в
маркировку
абразивных
инструментов.
Например,
шлифовальный
круг
ЧАЗ
250×16×75 25А 40 С25К5 35 м/с А 1кл ГОСТ 2424-83, где ЧАЗ – наименование завода
изготовителя, 250×16×75 – размеры круга (наружный диаметр, высота, внутренний
диаметр). 25А – вид абразивного материала, 40 – зернистость, С2 – твердость, 5 –
структура, К5 – вид связки, 35 м/с – скорость вращения круга, А – класс точности, 1кл
– класс неуравновешенности.
30
Геометрия инструмента
Геометрические параметры инструмента в зависимости от целей их применения
рассматривают в 3-х системах координат- инструментальной, статической и кинематической.
1. Инструментальная с. к. – это прямоугольная система координат ориентированная относительно геометрических элементов режущего инструмента. Эту систему
используют для изготовления и контроля инструмента.
2. Статическая с. к. – это прямоугольная система координат ориентированная
относительно направления вектора скорости главного движения резания. Применяется
для приближенного определения геометрических углов инструментов в процессе резания.
3. Кинематическая с. к. – это прямоугольная система координат ориентированная относительно вектора скорости результирующего движения резания. Эта система
координат определяет кинематику резания.
ИСК
ССК
КСК
Рn
Рn
Рn
k
V
k Ve
V
c
Рv
Рv
k
c
Dг
г
Vs
Рv
Ds
Ds
Ds
k
31
Базовые поверхности инструмента
Базовыми поверхностями при определении геометрии инструмента во всех этих
системах являются 2-е взаимно перпендикулярные координатные плоскости: основная
и плоскость резания.
Основная плоскость Рv – координатная плоскость, проведенная через рассматриваемую точку режущей кромки перпендикулярно к направлению скорости главного
или результирующего движения в этой точке.
В инструментальной системе координат направление скорости главного движения принимается условно.
Плоскость резания Pn – плоскость, касательная к режущей кромке в рассматриваемой точке и перпендикулярная к основной плоскости. (Плоскость, касательная к
режущей кромке и проходящая через вектор скорости резания).
Плоскость резания, касательная вспомогательной режущей кромке называется
вспомогательной плоскостью резания Pn1 .
32
Секущие плоскости инструмента
Основные геометрические параметры режущего клина определяют в двух секущих плоскостях – главной и вспомогательной.
Главная секущая плоскость Рτ – перпендикулярная проекции главной режущей
кромки на основную плоскость.
Вспомогательная секущая плоскость Рτ1 – перпендикулярная проекции вспомогательной режущей кромки на основную плоскость.
Кроме этих плоскостей геометрия может задаваться в нормальной секущей
плоскости, плоскости схода стружки и рабочей плоскости.
Нормальная секущая плоскость Pn – перпендикулярная режущей кромке в рассматриваемой точке.
Секущая плоскость схода стружки Рс – проходящая через направления схода
стружки и скорости резания в рассматриваемой точке режущей кромки.
Рабочая плоскость Рs – плоскость, в которой расположены векторы скоростей
главного движения и движения подачи.
33
34
Геометрические параметры режущего клина инструмента
Геометрия в секущих плоскостях
В главной секущей плоскости геометрия инструмента определяется 4-я углами:
главный передний , главный задний , главный угол заострения , главный угол резания .
– угол в главной секущей плоскости, между передней поверхностью и основной плоскостью.
– угол в главной секущей плоскости, между задней поверхностью и поверхностью резания.
– угол в главной секущей плоскости, между передней и задней поверхностью.
– угол в главной секущей плоскости, между передней поверхностью и плоскостью резания.
++=900
+= – угол резания
35
Геометрия инструмента во вспомогательной секущей плоскости
Во вспомогательной секущей плоскости геометрия инструмента задана вспомогательными углами: 1, 1, 1, 1.
1 – вспомогательный передний угол – угол во вспомогательной секущей плоскости, расположенный между передней поверхностью и основной плоскостью.
1 – угол во вспомогательной секущей плоскости между вспомогательной задней поверхностью и вспомогательной плоскостью резания.
1 – угол во вспомогательной секущей плоскости между передней и вспомогательной задней поверхностью.
1 – угол во вспомогательной секущей плоскости между передней поверхностью и вспомогательной плоскостью резания.
36
Геометрия в плане
Геометрия в плане показывает расположение режущих кромок в проекции на
основную плоскость.
– главный угол в плане. Это угол между проекцией главной режущей кромки
на основную плоскость и направлением подачи.
1 – вспомогательный угол в плане. Это угол между проекцией вспомогательной режущей кромки на основную плоскость и противоположным направлением подачи.
– угол при вершине. Это угол между проекциями главной и вспомогательной
режущих кромок на основную плоскость.
+1+=1800
37
Геометрия в плоскости резания
В плоскости резания геометрия инструмента определяется с помощью угла
наклона главной режущей кромки .
Угол – это угол между главной режущей кромкой и основной плоскостью.
может быть положительный или отрицательный.
По нашему ГОСТу если вершина инструмента является самой высокой точкой
на режущей кромке, то – отрицательный. Если вершина – самая низкая точка, то –
положительный. По ISO - наоборот.
38
Геометрические параметры резца
39
Пересчёт геометрических параметров из нормальной секущей плоскости
в продольную и поперечную
Помимо углов в главных и вспомогательных секущих плоскостях части возникает
необходимость знать углы в продольных и поперечных плоскостях
1. Пересчёт задних углов
Поскольку высота резца для всех сечений одинакова можно записать
h
CC1 DD1 EE1 tg x CC1 tg y EE1
tg x tg tg y , tg DD1 , tg DD1
С помощью вида резца в плане получим
sin
BD D1D
;
BC C1C
tg x
tg
;
sin
cos
tg y
BD D1D
BE E1E
tg
.
cos
2. Пересчёт передних углов осуществляется по аналогичному алгоритму
40
Влияние погрешности установки инструмента на станке на его геометрию
Размеры угловых параметров режущей части резца при установке резца и в
процессе резания могут отличаться от размеров на чертеже. Изменения геометрических параметров может происходить по следующим причинам:
1) в результате погрешностей установки и закрепления инструмента;
2) в результате кинематических особенностей относительных движений инструмента и обрабатываемой заготовки;
3) в результате износа контактных поверхностей лезвия резца.
Погрешности установки резца на углы в плане применительно к точению
При отклонении резца от нормали к оси заготовки происходит изменение главного и вспомогательного углов в плане.
c и ;
c и Q; c и Q;
На схеме и – угол заточки
c и Q; c и Q;
41
Погрешность установки по высоте применительно к наружному точению
На высоте оси центров станка.
Ниже центров
c и ; c и .
c и у ; c и у ; у arcsin
Установка выше центров
c и у ; c и у ; у arcsin
2h
;
D
2h
;
D
42
Погрешность установки по высоте применительно
к растачиванию отверстий
На операции растачивания отверстий влияние погрешности установки обратное.
При смещении расточного резца выше оси центров задний угол увеличивается, а
передний уменьшается.
Наиболее тщательная установка инструмента производится при малых значениях углов и диаметров заготовки.
D, мм
h, мм
τу, град
200
1
0,6
100
1
1,15
50
1
2,3
10
1
11,54
43
Влияние кинематики процесса резания на изменение геометрии инструмента
(на примере операции отрезки)
В процессе резания углы инструмента изменяются в результате изменения
направления вектора результирующей скорости резания и самой плоскости резания.
Пусть и и – углы заточки
Тогда к и к ; к и к ; к arc tg
Vs
;
V
V Dn, м / мин; Vs so n, м / мин; к arc tg
so n
s
arc tg o ;
Dn
D
44
Элементы режима резания
Различают понятия условия резания и режимы резания. К элементам режима
резания относят 3 параметра
1. Глубина резания t;
2. Подача s;
3. Скорость резания v.
Глубина резания – это размер срезаемого слоя, измеренный по нормали к
направлению движения подачи. Это высота сечения срезаемого слоя.
При продольном точении t
Dd
;
2
Подача – это перемещение инструмента или заготовки в направлении движения
подачи за один оборот, за единицу времени или на один зуб инструмента.
Скорость резания – это скорость движения срезаемого слоя материала относительно режущей кромки инструмента.
v=πDn/1000 м/мин; D мм, n об/мин.
Под скоростью резания понимают скорость главного движения. Скорость резания численно равна окружной скорости вращения точки детали, расположенной на обрабатываемой поверхности диаметром D.
45
Параметры сечения срезаемого слоя
Сечение срезаемого слоя характеризуется двумя физическими размерными параметрами (толщиной а и шириной b). Эти параметры зависят от технологических параметров (подачи S и глубины резания t).
Физические и технологические параметры срезаемого слоя связаны соотношениями
a so sin ;
b
t
;
sin
Номинальная площадь сечения срезаемого слоя – площадь поперечного сечения
срезаемого слоя расположенного между двумя последовательными положениями
главной режущей кромки инструмента через оборот заголовки.
Действительная площадь срезаемого слоя f д – это площадь BCDK поперечного сечения срезаемого слоя, ограниченного двумя последующими положениями главной и вспомогательной режущими кромками через оборот заготовки.
Остаточной площадью сечения срезаемого слоя fост – площадь АВК сечения
срезаемого слоя, которая остается на обработанной поверхности детали.
fост=fн+fд ,
fн ab tso ;
46
Влияние технологических параметров резания на шероховатость
Для прямолинейных главной и вспомогательной режущих кромок высота Rz
определится по следующей формуле
So=Rz ctg(1)+Rz ctg(); Rz=So/(ctg(1)+ctg());
Из этого уравнения следует, что шероховатость тем больше, чем больше значение углов в плане φ и φ1.
Для инструментов с радиусом при вершине r.
s02 s02
Rz r r
4 8r
2
Использование инструмента с радиусом при вершине позволяет резко уменьшить высоту остаточных неровностей.
47
Экспериментальные методы изучения процесса стружкообразования
Исследование пластических деформаций
Формирование стружки происходит в результате пластических деформаций
срезаемого слоя.
Исследование пластических деформаций осуществляется с помощью следующих методов: 1) метод делительных сеток; 2) метод измерения микротвердости; 3) поляризационно-оптический метод; 4) металлографический.
Наибольшее применение получил металлографический метод исследования искажения зерен структуры обрабатываемого материала в зоне стружкообразования.
Полученный с помощью, приспособления для «мгновенного» прекращения, резания корень стружки вырезают, тщательно полируют его боковую сторону, а затем
протравливают соответствующим реактивом. Полученный микрошлиф корня стружки
рассматривают под микроскопом при увеличении в 25-200 раз или делают микрофотографию. Изменения структуры стружки в зоне деформации позволяют установить границы зоны деформации и судить о деформационных процессах, в ней происходивших.
Способ фиксации пластической деформации в зоне резания
0
48
Фотографии микрошлифов продольных сечений корней стружек
Микрофотографии продольных сечений корней стружек с разной величиной Rn,
полученных при одинаковых режимах резания: сталь 45–Т5К10
а)
б)
Границы зоны стружкообразования, установленные по изменению микроструктуры стружек
a
1
Rn
B
a
h
пл
2
l
C
пл
a
A
1
h
пл
Rn
B
a
2
A
пл
C
l
49
Способ определения длины участка пластического контакта стружки с инструментом и динамики её изменения в процессе резания
В-В
l0 = a + (k - 1) z
5
2
В
Б
6
s
3
n
n
v2
1
Б
А
А
В
2
l
l0
7
n
4
n
Б-Б
3
a
k
h
7
Внешний вид прирезцовой поверхности сливной и суставчатой стружки с рисками
50
Пластические деформации при обработке материалов резанием
Зона первичной пластической деформаций
Зона первичных пластических деформаций отделяет стружку от срезаемого
слоя. Основным видом пластических деформаций в этой зоне является сдвиг. Зона
имеет веерообразную форму с центром у вершины резца. С увеличением скорости резания границы зоны поворачиваются по часовой стрелке, при этом интенсивность поворота начальной границы выше, чем конечной. В результате при высоких скоростях
резания толщина зоны сильно сужается и превращается в узкую полоску. Зону первичной деформации часто заменяют плоскостью сдвига расположенной под углом 1 к
скорости. За конечной границей зоны первичных сдвигов в верхней свободной части
стружки пластические деформации прекращаются.
51
Зона вторичной пластической деформации
Зона вторичной пластической деформации (зона II) расположена между передней поверхностью и стружкой. Характеризуется длиной контакта l0 и толщиной h0. Вся
длина контакта стружки с передней поверхностью резца делится на 2 участка: lпл –
длина пластичного контакта и lупр – длина упругого контакта. Видами пластической
деформации является сдвиг осложненный сжатием по толщине стружки и растяжением в направлении схода стружки. Степень пластической деформации в зоне II
наибольшая по сравнению с другими зонами.
Скорость движения слоев стружки в этой зоне меньше скорости основной части
стружки. Поэтому зону вторичной пластической деформации называют застойной зоной. Размеры зоны влияют на форму стружки. Чем больше l0 и меньше h0, тем радиус
искривления стружки меньше. Для стружки в форме прямой ленты l/l0=2. Чем меньше
радиус кривизны стружки, тем это соотношение ближе к 1.
52
Деформации вблизи задней поверхности инструмента
III – зона деформации на задней поверхности инструмента. Размеры зоны зависят от радиуса округления режущей кромки , фаски износа hз и от коэффициента
сцепления обрабатываемого и инструментального материалов. Чем выше коэффициент
адгезионного схватывания, тем больше т. «С» приближается к т. «М», и тем меньше
зона III.
53
Понятие нароста и его влияние на характеристики процесса резания
При развитой зоне вторичной пластической деформации с застойными слоями
стружки велика вероятность возникновения нароста на передней поверхности инструмента. При определенных условиях заторможенный участок стружки может прочно
соединиться с передней поверхностью инструмента и полностью остановиться. В этом
случае образуется неподвижная область материала у лезвия инструмента, называемая наростом.
Прирезцовые слои стружки вследствие межмолекулярных сил сцепления оказываются соединенными между собой и передней поверхностью резца. Наибольшая
прочность сцепления возникает при температуре 300-400оС. Нарост при резании не
стабилен. Он, то увеличивается, то срывается и уносится или стружкой или попадает
под заднюю поверхность инструмента. Формирование и разрушение верхней части
нароста происходит с высокой частотой за десятые доли секунды. Срыв всего нароста
целиком происходит значительно реже.
54
Влияние нароста на процесс резания
Нарост изменяет геометрию резания. С возникновением нароста увеличивается
передний угол, что сказывается на механике резания.
В целом нарост может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на процесс обработки. Для черновой обработки с использованием жесткого технологического оборудования нарост можно рассматривать как явление положительной. Он позволяет повысить работоспособность инструмента. Связано это с тем, что
увеличивается передний угол инструмента, увеличивается угол наклона условной
плоскости сдвига, уменьшаются силы и температура резания. Кроме того нарост
предохраняет сам режущий клин от изнашивания. Для условий чистовой обработки на
нежестком оборудовании нарост вреден. Частицы разрушившегося нароста портят обработанную поверхность, а из-за пульсации сил резания возможно появления вибраций.
55
Влияние условий резания на величину нароста
Высота нароста зависти от скорости резания и переднего угла инструмента.
Чем меньше передний угол, тем больше вероятность появления нароста.
Методы борьбы с наростом
1. Интенсивная смазка и охлаждение режущего клина путем подачи СОЖ.
2. Резание на низких скоростях 5..10 м/мин или увеличение скорости выше 80
м/мин.
56
Типы стружек
В 1870 г. русским ученым И.А.Тиме была предложена классификация типов
стружек, образующаяся при резании различным материалов. Согласно классификации
Тиме все стружки можно разделить на 4 группы.
Сливная стружка
Суставчатая стружка
Элементная стружка (стружка скалывания)
Стружка надлома
Элементная
1
Суставчатая
1
2
n
с
m
Надлома
1
а
n
Сливная
m
Сливная стружка. Стружка лентообразной формы, прочная, имеющая небольшие зазубрины на свободной поверхности.
Суставчатая стружка. Состоит из хорошо различимых элементов, прочно
связанных между собой. Суставчатая стружка является промежуточной между сливной и стружкой скалывания. На сливной стружке разрушений нет, на суставчатой они
только появляются.
Элементная стружка (стружка скалывания). Состоит из отдельных фрагментов, слабо связанных между собой.
Стружка надлома. Состоит из отдельных кусочков срезаемого слоя, слабо деформированных, различной формы и размеров.
57
Условия образования различных типов стружек
При резании пластичных материалов образуются в основном два типа стружек
– сливная и суставчатая. Обработка резанием хрупких материалов сопровождается
формированием элементной стружки или стружки надлома. По мере изменения условий резания один тип стружки может переходить в другой. Увеличение подачи для
пластичных материалов приводит к изменению типа стружки от сливной к элементной. Глубина резания на формирование типа стружки влияния не оказывает. Для
большинства углеродистых и легированных конструкционных сталей с увеличением
скорости резания стружка последовательно изменяется от элементной или суставчатой
к сливной. При обработке жаропрочных сталей и сплавов, титановых сплавов, напротив, с увеличением скорости резания сливная стружка переходит в элементную. Из
геометрических параметров наиболее сильное влияние оказывает передний угол режущего инструмента. С увеличением переднего угла элементная стружка при резании
пластичных материалов превращается в суставчатую, а затем в сливную.
С точки зрения удаления стружки от станка и ее переработки наиболее благоприятным типом является элементная стружка. Однако резание при образовании такой
стружки протекает с циклическим изменением силы резания и контактных нагрузок на
инструменте, что приводит к возникновению вибраций в зоне обработки и снижению
работоспособности инструмента.
58
Механика образования сливной стружки
Режущий клин инструмента через площадку контакта действует на срезаемый
слой толщиной a1. Сосредоточенная сила R, с которой передняя поверхность инструмента давит на срезаемый слой, получила название силы стружкообразования. Сила
стружкообразования наклонена к поверхности резания под углом действия w. Угол
действия зависит от соотношения нормальной силы FN и касательной Fτ=μN, где μ –
коэффициент трения скольжения между стружкой и инструментом.
Разложим силу стружкообразования на две силы: силу PN, перпендикулятную к
условной плоскости сдвига, и силу Pτ, действующую вдоль плоскости сдвига. Сила PN
сжимает сдвигаемый слой, а сила Pτ сдвигает его. Таким образом, сдвиговой процесс
при образовании стружки вызывает сила Pτ, получившая название силы сдвига. Сдвиговая деформация начнется в том случае, когда напряжение сдвига станет равным пределу текучести на сдвиг
τcд = τp.
Положение плоскости сдвига тесно связано с направлением действия сил.
59
Степень пластического деформирования и методы ее оценки
Степень пластической деформации сдвига количественно оценивается величиной относительного сдвига:
=S/h
где S – абсолютное значение сдвига, h – толщина сдвигаемого слоя.
Применительно к схеме резания запишем
=AC/BD=(CD+AD)/BD=tg(1-)+ctg1
Видно, что степень деформации срезаемого слоя связана с углом наклона плоскости сдвига и передним углом инструмента.
Для реальных условий резания с увеличением угла β1 степень пластической деформации сдвига уменьшается и наоборот.
Качественная оценка степени пластической деформации
Качественная оценка степени пластической деформации срезаемого слоя производится с помощью коэффициентов утолщения, укорочения и уширения стружки.
ka
a2
l
kl 2
a1 ,
l1 ,
kb
b2
b1
60
Согласно терминологии, введенной И.А. Тиме в 1870 г., отношение длины срезаемого слоя к длине образовавшейся стружки kl=l/lстр называется усадкой стружки.
Применительно к схеме kl=AB/BC.
Из ∆АВС по теореме синусов получим
AB
BC
sin 90 1 l sin 1
,
AB cos 1
BC
sin 1
.
Отсюда
kl
cos 1
sin 1
В большенстве случаем коэффициент уширения стружки близок к единице. Из
исловия сплошности при kb =1
фициенту укорочения
ka
коэффициент утолщения стружки будет равен коэф-
cos 1
sin 1
61
Экспериментальные методы определения усадки стружки
1.
Коэффициент укорочения стружки при токарной обработке определяют с
помощью цилиндрической заготовке, вдоль которой прорезается узкий паз. В паз зачеканивается медная проволочка. Обработка ведется с глубиной резания большей глубины паза с проволочкой. По соотношению длины стружки между метками к длине срезаемого слоя определяется усадка стружки.
2.
Усадка стружки может быть легко определена экспериментально весовым
методом.
Коэффициент уширения стружки близок к единице b1 b2 . Из равенства объемов срезаемого слоя и стружки следует
a1b1l1 a2b2l2 ;
l1
a1b1l1 a2b2l2 .
F
a2b2l2 Fg 2
. a1b1 st ; l1 g 2 .
a1b1 a1b
st
kl
Fg
s t lстр
62
Зависимости относительного сдвига от усадки стружки
Усадка стружки является более простым и удобным показателем степени пластического деформирования. Она качественно правильно характеризует степень пластической деформации при резании материалов. Для реальных условий резания, чем
больше усадка, тем больше деформация.
Зависимости относительного сдвига от усадки стружки при различных передних углах резца показаны на рисунке
С помощью усадки стружки легко определить скорость стружки
vстр=v/kl.
Поскольку усадка стружки больше 1, то скорость стружки всегда будет меньше
скорости резания. Для конструкционных сталей усадка равна примерно 2.
63
Энергия резания
Силы, действующие в зоне резания
Общая энергия, расходуемая при резании, складывается из энергии в плоскости
сдвига и энергии на передней поверхности.
Мощность в плоскости сдвига равна
N1 Rc vs ,
где vc – скорость деформирования срезаемого материала.
Скорость сдвига найдем из годографа скоростей
vc=v cosγ/cos(β1-γ).
RC P
a1
– сила сдвига, P – сопротивление обрабатываемого материала
sin 1
пластическому сдвигу.
Энергия на передней поверхности равна
N2 Fтр vстр
где
Fтр s 2lпл
– сила сдвига слоев стружки в зоне пластического контакта с
vстр
передней поверхностью резца;
v
v sin 1
kl cos 1
- скорость стружки.
64
Угол сдвига и теория минимума энергии
Важным параметром процесса резания является угол сдвига. До настоящего
времени ни одна из теорий не позволяет с достаточной точностью рассчитывать величину этого угла.
Качественную картину механики стружкообразования можно получить на основе предположения (гипотезы) о том, что плоскость сдвига располагается под углом,
который соответствует минимальной энергии резания, т. е. резец совершает минимальную работу.
Зависимости мощностей в зоне первичного и вторичного сдвига, а также их
суммарное значение от угла наклона плоскости сдвига показаны на рисунке.
Кривая N1, показывает изменение мощности сдвига. Мощность на передней поверхности (кривая N2) возрастает с увеличением угла сдвига 1 . Суммарная мощность
соответствует кривой N. На этой кривой минимум работы резания соответствует значениям углов сдвига, меньшим 45о.
65
Влияние переднего угла на усадку стружки
С ростом переднего угла инструмента возрастает значение 1 , уменьшается
длина плоскости сдвигов, уменьшается усадка и толщина срезаемой стружки. Основная причина такого изменения усадки связана с изменением направления действия сил
на срезаемый слой материала.
Положение плоскости сдвига как плоскости максимальных напряжений сдвига
тесно связано с направлением действия сил, которое определяется углом действия w.
Изменение угла действия сил на срезаемый слой приводит к повороту плоскости сдвига. При увеличении переднего угла угол действия уменьшается, в результате угол
наклона плоскости сдвига увеличивается.
66
Влияние скорости резания на усадку стружки
Общая тенденция заключается в снижении усадки с ростом скорости. Характер
изменения усадки для конструкционных сталей не монотонный.
1.
Снижение усадки с ростом скорости до 20…30 м/мин объясняется появле-
нием нароста, увеличением угла γ.
2.
На участке от 20…30 до 60..80 м/мин усадка возрастает с постепенным
уменьшением нароста.
3.
В диапазоне скоростей выше 60…80м/мин идет постепенное уменьшение
усадки по двум причинам. Во-первых, с ростом скорости в результате запаздывания
пластических деформаций зона первичных деформаций сдвига поворачивается относительно вершины в сторону стружки, угол наклона условной плоскости сдвига увеличивается, усадка уменьшается. Во вторых с увеличением скорости увеличивается
температура резания, снижается сила трения на передней поверхности инструмента,
угол действия уменьшается.
67
Влияние глубины резания и подачи
Влияние глубины
Если не рассматривать диапазон малых глубин резания, характерных для чистового резания, то изменение глубины резания t на усадку не будет оказывать влияние.
Влияние подачи
С ростом подачи меняется толщина срезаемого слоя и стружки
a so sin ;
Увеличение толщины среза приводит к увеличению нормальных контактных
напряжений, уменьшению угла действия, уменьшению среднего коэффициента трения
и усадки стружки.
68
Силы резания
Сдвиговой процесс при образовании стружки вызывает сила стружкообразования R. Силу R можно представить с одной стороны в виде результирующей силы нормальной составляющей N и касательной составляющей F силы на передней поверхности инструмента. С другой стороны как сумму сил нормального давления в зоне сдвигов Pn и касательной силы в плоскости сдвига Rτ , соответствующей силе внутреннего
трения слоев обрабатываемого материала.
На контактную площадку задней поверхности инструмента со стороны поверхности резания действует сила N1 упругого последействия, нормальная к поверхности
резания. Сила N1 возникает в результате упругого восстановления поверхности резания после перемещения по ней главного лезвия инструмента. Сила N1 вызывает касательную к поверхности резания силу трения F1=μ N1 , где μ – средний коэффициент
трения на задней поверхности. При острозаточенном неизношенном лезвии основное
влияние на величину этих сил оказывают упругие свойства обрабатываемого материала геометрия лезвия и режимы резания.
Геометрическую сумму сил N, F, N1, F1 называют силой резания:
P N F N1 F1.
69
Аналитический расчет сил резания на передней поверхности
Сила сдвига RC определяется по формуле:
RC P
a1 b1
sin 1
(1)
Сила стружкообразования определяется по формуле:
R
Силы,
RC
;
cos i0
R
действующая
P a1 b1
sin 1 cos i0
на
переднюю
(2)
поверхность
N R sin 90 i0 1 ; FTP R cos 90 i0 1
инструмента
(3,4)
Тангенциальная составляющая силы стружкообразования на передней поверхности определяется по формуле:
RZ R cos i0 1
(5)
Горизонтальная составляющая силы стружкообразования на передней поверхности определяется по формуле:
RXY R sin i0 1
(6)
70
Расчет сил резания на задней поверхности
На заднюю поверхность инструмента действуют касательные напряжения .
Если закон изменения касательных напряжений принять линейным, то среднее касательное напряжение CP 0,5 P .
Тогда сила трения F1, действующая на заднюю поверхность инструмента может быть вычислена по формуле:
F1 0,5 P lPK
(7)
где – длина контакта инструмента с заготовкой по задней поверхности, lPK – суммарная длина активной режущей кромки.
Нормальная сила N1, действующая на заднюю поверхность инструмента может
быть вычислена по формуле:
N1
F1
(8)
1
где 1 – коэффициент трения на задней контактной площадке.
Коэффициент трения на задней площадке можно принять равным коэффициенту трения стружки по передней поверхности 1 , который вычисляется по формуле
FTP
N
(9)
71
Расчет суммарных сил резания
С учетом сил на задней поверхности резца составляющая силы резания PZ равна:
PZ RZ F1 cos N1 sin RZ F1 cos .
(10)
Составляющая силы резания PXY :
PXY RXY N1 cos
(11)
Чтобы разложить горизонтальную составляющую PXY на радиальную PY и осевую PX, необходимо знать направление действия силы PXY.
Схема разложения составляющей PXY на PY и PX
PY PXY sin
(12)
PX PXY cos
(13)
где – угол схода стружки.
Из схемы ясно влияние угла в плане на составляющие PY и PX.
72
Направление схода стружки
Исследования показывают, что направление силы PXY совпадает с направлением
движения стружки с инструмента, а стружка движется по направлению близкому к
нормали главной режущей кромки.
При несвободном резании стружка несколько отклоняется от нормали к главной режущей кромки. Угол отклонения зависит от размеров сечения срезаемого слоя
и наклона главной режущей кромки :
.
Угол схода стружки равен:
2
.
73
Составляющие силы резания при точении
PZ ,– тангенциальная составляющая силы
PY ,– радиальная составляющая силы
PX ,– осевая составляющая силы
74
Схема действия сил на резец
Pz – вызывает изгиб в вертикальной плоскости
M Z PZ l
где l – вылет резца.
,
Pz способна вызвать момент кручения
M кр PZ с
.
Составляющая Рy работает на продольный изгиб, но учитывая небольшое значение l эти напряжения во внимание в расчетах не принимаются.
Под действием Рx державка работает на изгиб в горизонтальной плоскости
M X PX l
и на кручение
M крX PX
H
2
Державка испытывает сложное напряженно-деформированное состояние. Поскольку преобладающей по величине является составляющая Pz ,то, как правило,
ограничиваются расчетом прочности державка в результате действия PZ.
75
Влияние сил на деталь
Крутящий момент от сил резания равен
M крZ PZ
D
2.
Крутящий момент станка должен быть больше
M кр.ст M кр.Z
.
Под действием составляющей силы PZ. происходит прогиб оси детали в вертикальной
плоскости на величину ∆z. Под действием этого прогиба диаметр обрабатываемой детали увеличится и будет равен
d1
d
,
cos
где
arctg
2z
.
d
Очевидно, что деформации в вертикальной плоскости, возникающие под действием
составляющей силы PZ, не существенно влияют на размеры детали.
Под действием составляющей силы Py происходит изгиб в горизонтальной плоскости
xy. Стрела прогиба в этой плоскости ∆y напрямую влияет на размер детали
d 2 y .
Деформация в направлении Py определяет точность обработки, так как непосредственно сказывается на изменении размеров.
76
Влияние схемы закрепления детали на величину и характер прогиба
Величина и характер прогиба зависят от схемы закрепления детали.
При закреплении в патроне с поджатым задним центом наибольшее значение прогиба
будет на середине заготовки. Обработанная деталь принимает бочкообразность.
В случае консольного закрепления прогиб заготовки приводит к конусности обработанной детали.
77
Схема действия сил на станок
Составляющая сила резания Pz определяет нагрузку на все элементы механизма
главного движения. По этой силе определяется требуемая мощность привода главного
движения
Nст M кр.Z n.
где n – частота вращения шпинделя.
Так как деформация в направлении составляющей силы Py определяет точность
обработки, то по силе Py проводится расчет и проверка станка на жесткость или податливость.
Px определяет нагрузку на элементы механизма подачи. По величине Px рассчитывают упорные подшипники шпинделя.
78
Мощность, расходуемая на процесс резания
Работа резания
Работа равна произведению силы на перемещение в направлении силы. При
продольном точении работа совершается в направлении Px и в направлении Pz . В
направлении Py работа не производится.
Мощность – это работа в единицу времени. Мощность резания для продольного точения определяется по формуле
N p PZ v PX sм .
Сопоставление слагаемых показывает, что второе слагаемое намного меньше
первого и им можно пренебречь
N p PZ v.
где N, Вт, Pz Н; v, м/c.
79
Экспериментальные методы определения сил резания
Приборы для оценки сил получили название динамометров. В зависимости от
принципа действия и типа датчика динамометры классифицируются на механические
(силы оцениваются по деформации балки), гидравлические (по давлению в гидроцилиндре), электрические (используются пъезоэлектрические датчики сопротивления).
Наиболее распространенными являются электрические динамометры УДМ: УДМ
100,600,1200. Цифра означает нагрузку в килограммах.
Производственный метод определения силы
Если нет под рукой динамометра, то как определить силы в процессе резания?
Мощность резания равна
N p PZ v.
Эта мощность является полезной, поэтому ее можно определить через величину
потерь мощности на трение механизмов станка по формуле:
N p Nр Nх.х
Производится замер расходуемой мощности в процессе резания и на холостом
ходу, после чего рассчитывается
Pz
Nр Nх.х
.
v
80
Эмпирические формулы расчета составляющих сил резания
Обработка большого числа экспериментальных данных позволила предложить
достаточно удобные для практического использования эмпирические зависимости сил
резания вида
PZ=CPz t XPz s Ypz vnPz КPz;
PY=CPy t Xpy s Ypy v nPy КPy;
PX=CPx t XPx s Ypx v nPx КPx,
где PZ ,PY ,PX – составляющие силы резания; CP – константа, зависящая от свойств обрабатываемого материала, по сути своей представляющая удельную силу резания,
приходящуюся на единицу площади поперечного сечения среза, КP – общий коэффициент, представляющий собой произведение частных коэффициентов, учитывающих
конкретные условия резания.
Константы сил резания постоянны для определенной группы обрабатываемых
материалов. Для углеродистых сталей
CPz =3000…3200
CPy =2400
CPx =1500…1600
81
Влияние глубины резания на силы резания
С увеличением глубины резания t увеличивается площадь сечение срезаемого
слоя.
fn ab tso ;
Усадка стружки почти не меняется. Поэтому силы резания увеличиваются пропорционально изменению глубины.
X Pz =1
X Px =1
X Py =0,9
82
Влияние подачи на силы резания
С ростом подачи сечение срезаемого слоя увеличивается, следовательно, увеличиваются и силы резания. Рост сил отстает от роста подачи.
При увеличении толщины срезаемого слоя усадка стружки уменьшается, угол
наклона плоскости сдвига увеличивается, поэтому силы растут не прямо пропорционально подаче.
YPz= 0.75
YPy =0,6
YPx =0,5
Влияние скорости на силы резания
С ростом скорости площадь сечения срезаемого слоя не изменяется, угол сдвига имеет тенденцию к увеличению. Силы будут уменьшаться, что характерно для пластичных материалов, дающих сливную стружку
nPz = –0,3
nPy= –0,15
nPx = –0,15
83
Экспериментальный метод определения показателей степени в эмпирических зависимостях сил резания
При установлении силовых зависимостей используют, как правило, однофакторный эксперимент. Например, необходимо найти связь PZ=ƒ(s).
Так как во время эксперимента при разных подачах все остальные факторы,
определяющие условия резания, принимаются постоянными общая зависимость
PZ=CPz t XPz s Ypz v nPz КPz;
Принимает вид
PZ=C1 s Ypz, где С1=CPz t XPz v nPz КPz;
Прологарифмировав степенную функцию, получим
lgPZ=lgC1+ Ypz lg s,
Методом наименьших квадратов находят уравнение прямой линии.
Ypz=tgθ=a/b.
С1
Pz
;
s yPz
По величине С1 находим величину CPz
CPz= С1/( t XPz v nPz КPz)
Аналогичным путем находим CPz из серий опытов с глубиной резания и скоростью резания. В формулу PZ=CPz t XPz s Ypz v nPz КPz подставляем среднее значение CPz.
84
Дополнительные факторы, влияющие на силы резания, рассчитываемые
через систему поправочных коэффициентов
1. Влияние свойств обрабатываемого материала
Свойства обрабатываемого материала учитываются коэффициентами сил резания CPz, CPy, CPx. Однако, даже в одной и той же группе обрабатываемых материалов
физикомеханические свойства существенно различаются. Эта разница свойств чаще
всего учитывается через твердость или прочность обрабатываемого материала.
HB
KМ
170
0,35
,
где НВ – твердость обрабатываемого материала; 170 – эталон твердости для
сталей (190 – для чугунов)
2. Влияние главного угла в плане φ
Стандартный эталонный угол φ=45о
А) Для островершинного резца
0,1
45
K z ( y ) ,
Для составляющей Px можно использовать обратное соотношение
K x ,
45
0,1
85
Б) Радиус при вершине не равен нулю
По мере роста угла в плане φ увеличивается криволинейный участок режущей
кромки. Чем больше криволинейная часть режущей кромки, тем большее усилие требуется для формирования единого направления движения частиц стружки.
3. Влияние радиуса при вершине r
Стандартное значение r=1 мм.
При увеличении радиуса r составляющая Px практически не изменяется, две
другие составляющие увеличиваются
86
Kr r .
0,3
4. Влияние переднего угла γ
С ростом γ силы уменьшаются. Для стандартного значения γ=10о Кγ=1. Для
γ=18о Кγ=0,9; γ=0о Кγ=1,3.
5. Влияние износа
Для нового острого режущего клина коэффициент, учитывающий степень
износа инструмента равен 1:
Кh=1.
По мере износа и увеличения фаски износа hз составляющие силы увеличиваются
Наиболее интенсивный рост Py и Px начинается по мере приближения фаски к
критической. Для большинства резцов этот размер составляет 1…1,5 мм. Наиболее
информативными величинами, характеризующими степень изношенности инструмента могут выступать составляющие Py и Px.
6. Влияние СОЖ
Для резания всухую на воздухе КСОЖ=1.
При введении наиболее эффективных СОЖ снижение сил резания может быть
порядка 30 %., т.е. КСОЖ=0,7
87
Влияние λ
Угол наклона лезвия изменяет положение передней поверхности резца относительно системы координат XYZ и в зависимости от знака увеличивает или уменьшает
коэффициент усадки стружки. На главную составляющую силы резания изменение λ
влияет сравнительно мало. На Py и Px.угол λ влияет значительно сильнее. При переходе от отрицательных углов λ к положительным радиальная сила возростает, а осевая
уменьшается.
88
Тепловые явления при резании металлов
По закону сохранения энергии вся механическая работа превращается в тепловую энергию, и это тепло приводит к повышению температуры всех элементов системы СПИЗ.
Источники образования тепла и тепловые стоки
Основными источниками возникновения тепла в зоне резания являются три зоны пластического деформирования:
Схема расположения источников тепла в зоне резания представлена на рисунке.
89
А) Первичная зона пластического деформирования и ее влияние на теплообразование
Мощность теплового потока равна мощности сдвига
Q1 P vs , (Вт)
где Pτ – сила сопротивления сдвигу, vs – скорость деформирования срезаемого материала (1Вт =1Дж/с)
Тепло деформации Q1 распределяется в направлении следующих стоков тепла:
Q1д – в деталь, Q1ст – в стружку, Q1и – инструмент.
Перенос тепла осуществляется за счет теплопроводности. Скорость распространения тепла в деталь имеет вполне конкретную величину, соизмеримую со скоростью резания. Поэтому изменение условий резания меняет и соотношение размеров
стоков. Чем больше скорость резания, тем меньшее количество теплоты уходит в деталь. Основным стоком теплоты является стружка. С ростом скорости поступление
тепла в инструмент уменьшается.
Б) Вторичная зона
90
Q2 F vстр
где Fτ – сила вдоль передней поверхности, vстр – скорость движения стружки.
Тепло из вторичной зоны распределяется между стружкой и инструментом. Количественное соотношение стоков из вторичной зоны в стружку и инструмент будет
зависить от теплофизических показателей материалов стружки и резца. Чем больше
теплопроводность материала, тем больше тепла будет поступать в этот материал. Теплопроводность больше у металлических инструментов, у металлокерамических она
меньше, а у керметов она совсем небольшая.
91
В) Зона трения по задней поверхности
Q3 Fз v
где Fз – сила вдоль задней поверхности, v – скорость резания.
Баланс стоков аналогичен балансу по передней поверхности и также зависит от
теплопроводностей и теплоемкостей инструментального и обрабатываемого материалов.
92
Распределение теплоты в зависимости от скорости резания
Общее количество выделяющегося при резании тепла равно сумме тепла, выделевшегося во всех перечисленных выше источниках:
Q =Q1 + Q2 + Q3
В начале обработки температура в зоне резания растет до какого-то определенного значения и устанавливается постоянной, соответствующей стационарному тепловому режиму.
При скоростях резания 100 м/мин в деталь уходит 20…25 % тепла, в стружку 70
%, в инструмент 3…4 % тепла.
Тепло, переходящее в заготовку, увеличивает ее температуру и вызывает температурное изменение ее размеров и коробление, подчас являющееся причинами брака.
С увеличением скорости резания доля тепла, переходящего в инструмент,
уменьшается, но абсолютное его количество возрастает, и температура в зоне резания
увеличивается до значений, близких к температуре теплостойкости материала инструмента.
93
Методы измерения температуры в зоне резания
Под температурой резания понимают среднюю температуру на поверхности
контакта инструмента со стружкой и поверхностью резания.
Существует несколько методов измерения температуры в зоне резания:
1) калориметрический метод;2) метод термокрасок; 3) метод инфракрасного
излучения (тепловизоры); 4) метод термопар.
Метод измерения температуры с помощью термопар является наиболее удобным и более широко применяется в современных исследованиях. Метод основан на
открытом в начале девятнадцатого века академиком Российской Академии наук Ф.
Эпинусом термоэлектричесва. Суть этого явления заключается в том, что в случае
нагрева контакта двух разнородных материалов на месте контакта создается электрический потенциал. Величина потенциала зависит от температуры нагрева контакта. На
основе этого физического явления разработаны методы искусственной термопары, полуискусственной и естественной термопары.
Схема измерения температуры в зоне резания методом естественной термопары: 1 – обрабатываемая заготовка, 2 – резец, 3 – изоляция, 4 – милливольтметр.
Для получения абсолютных значений температур требует проведения операции
тарирования термопары «инструмент – обрабатываемый материал».
94
Температурное поле в зоне резания и резце
Совокупность мгновенных значений температуры в различных точках зоны резания называется температурным полем. Температурное поле дает наиболее яркую и
полную картину температурной обстановки в зоне резания.
Экспериментальными и теоретическими исследованиями установлено, что температура в зоне резания распределяется неравномерно. Наибольшая температура действует на передней поверхности на расстоянии от главной режущей кромки, равном
1/3 длины контакта стружки с передней поверхностью.
Характерный вид температурного поля в зоне стружкообразования при точении
эталонной стали 45 со скоростью 120 м/мин показан на рисунке.
Первичный источник теплообразования (зона первичной пластической деформации) оказывает относительно не большое влияние на температуру резания. Этот источник можно рассматривать как плоский быстродвижущийся источник теплообразования.
Средняя температура в первичной плоскости сдвигов составляет от 100 до 200
о
С.
95
На температуру стружки большое влияние оказывает второй источник – контактная зона на передней поверхности. Это быстродвижущийся источник с неравномерной интенсивностью по длине контакта. Максимальная температура стружки –
500…600 оС при скоростях 100…150 м/мин. С ростом скорости мощность источника
увеличивается и температура может достигать 800…1000 оС.
Температура детали за режущей кромкой имеет всплеск от действия третьего
источника – зоны трения на задней поверхности. Чем меньше задний угол и больше
фаска износа, тем больше мощность источника и температура детали (около 300…400
о
С.
Изотермы режущего клина определяются действием двух стационарных источ-
ников теплообразования по передней и задней грани. Обычно мощность источника по
передней грани больше и именно он определяет температуру режущего клина. Максимальная температура располагается в конце пластического контакта и эта точка является точкой начала выработки инструмента.
96
Зависимость температуры от элементов режима резания
Многочисленные исследования зависимости температуры от различных факторов показывают, что температура в зоне резания зависит от физико-механических
свойств обрабатываемого материала, режима резания, геометрии режущего инструмента и многих других условий. Наибольшее влияние на температуру в зоне резания
оказывает скорость резания, в меньшей степени влияет подача, а влияние глубины резания минимальное. Из геометрических параметров режущей части инструмента
наиболее сильно на температуру резания влияют передний угол, главный угол в плане
и радиус закругления при вершине.
Различными исследованиями предложен ряд аналитических и эмпирических
формул для расчета температуры в зоне резания. Аналитические формулы сложны и
включают в себя большое число не всегда известных величин. Эмпирические же формулы просты, но справедливы лишь в пределах условий проведения эксперимента.
Структура эмпирических формул зависит от числа учтенных факторов, оказывающих
какое-либо влияние на величину температуры в зоне резания. Наиболее общими являются формулы вида:
C v z s y t x
где: θ – температура в зоне резания, С ; t – глубина резания, s – подача, v– скорость резания, Cθ – константа, учитывающая условия резания.
zθ, yθ, xθ – показатели степени, показывающие степень влияния каждого элемента режима резания на температуру в зоне резания.
Методы экспериментальной обработки и получения численных значений коэффициентов аналогичны определению силовых параметров.
zθ для быстрорежущих инструментов 0,4; для твердосплавных 0,24.
yθ для быстрорежущих инструментов 0,23, для твердосплавного 0,14.
xθ дл быстрорежущих 0,12…0,13. Для твердых сплавов 0,04…0,06.
97
ЛЕКЦИЯ
Классическая методика постановки эксперимента при резании. Метод планирования эксперимента.
Классическая методика постановки эксперимента при резании
При резании материалов наиболее широко применяются так называемая классическая методика постановки эксперимента и метод планирования эксперимента. Классическая методика получения эмпирических зависимостей характеристик процесса
резания от параметров обработки основана на проведении экспериментов при последовательном изменении одного из факторов при неизменности остальных (однофакторный эксперимент).
Для того, чтобы установить связь между изменением независимой переменной,
например, глубины резания t, подачи S и скорости резании v и изменением зависимой
переменной, например, составляющих сил резания Pz, Py, Px поступают следующим
образом. Проводят опыты по сериям. В каждой серии изменяют лишь один из элементов режима резания, например, в первой серии – t. Остальные элементы режима резания – S, v, в этой серии оставляют постоянными. Во второй серии опытов за переменную величину берут другой параметр, например, S. Неизменными в данной серии
оставляют t и v. В третьей серии изменяют v и соответственно неизменными оставляют
t и S. Результаты опытов заносят в протокол исследования, где в каждой серии рядом
со значением изменяемого элемента режима резания записывается значение силы резания.
Очевидно, что общая степенная формула типа
для каждой
серий опытов будет иметь более простой вид. Например, для серии изменения глубины резания:
,
где
.
Если прологарифмировать данное степенное выражение, то получим уравнение
прямой:
.
При построении ее в логарифмической системе координат (см. рис.11.3), получим прямую, тангенс угла наклона которой определяет показатель xp. Значения Cp
можно определить: 1) по графику для значения аргумента, равного 1, например, при
98
и
. И так для каждой серии опытов, а затем определяется
среднее значение; 2) из общей формулы
.
Целесообразнее коэффициент Cp определять не по любому опыту данной серии,
а по тому, который повторяется в каждой серии. Из трех полученных коэффициентов
берется среднеарифметическое
.
Классическая методика исследований трудоемка, так как требует проведения
большого количества опытов и затрат материалов. Кроме того, она не учитывает взаимовлияния изменяемых факторов, в результате чего полученные эмпирические зависимости недостаточно точно и полно описывают существующую в действительности
связь выходных характеристик процесса резания с параметрами обработки.
Метод планирования эксперимента.
Наиболее эффективно использование при резании методов математической
статистики. Математическая теория эксперимента и ее раздел – планирования эксперимента, представляет собой новый подход к исследованию, в котором математическим методам отводится активная роль на всех этапах исследования: при формализации априорных сведений, перед постановкой опытов, при планировании эксперимента,
обработке его результатов и при принятии решений.
Наибольшее значение для практики резания имеет планирование экстремальных
экспериментов, когда по наибольшему и наименьшему значениям параметров проводят оптимизацию процесса резания. Одним из наиболее распространенных методов
планирования экстремальных экспериментов является метод Бокса – Уилсона или так
называемый метод крутого восхождения. Метод Бокса – Уилсона предусматривает
проведение опытов небольшими сериями. В каждой серии опытов одновременно
группируются все факторы по определенным правилам. Опыты проводят так, чтобы
после математической обработки результатов предыдущей серии можно было спланировать следующую серию опытов.
При планировании экстремального эксперимента формулируют цель исследования или, иначе говоря, выбирают параметр оптимизации. Входные переменные, влияющие на параметр оптимизации, называются факторами. Необходимо учитывать все
действующие факторы.
Решение экстремальной задачи предусматривает получение функции отклика
факторов и нахождение с помощью нее оптимальных условий протекания процесса. В
99
общем случае функция отклика может быть представлена в виде математической модели:
.
(27.1)
При прочих равных условиях наиболее предпочтительным является выбор модели в виде полинома:
(27.2)
На первом этапе планирования эксперимента для определения движения к оптимуму и крутого восхождения по поверхности отклика, функцию отклика аппроксимируют полиномом первой степени:
(27.3)
Для определения коэффициентов этого уравнения достаточно реализовать факторный эксперимент типа 2к, где к – число факторов. Это планы первого порядка
Рассмотрим полный факторный эксперимент, реализующий все возможные неповторяющиеся комбинации уровней независимых факторов, каждый из которых, в
свою очередь, варьируется на двух уровнях. Построение модели методом полного
факторного эксперимента состоит из:
– планирования эксперимента;
– проведения эксперимента;
– проверки воспроизводимости (однородности выборочных дисперсий);
– получения математической модели объекта с проверкой статистической значимости выборочных коэффициентов регрессии;
– проверки адекватности математического описания.
Рассмотрим данный подход на примере зависимости температуры резания от
режима резания:
(27.4)
При логарифмировании зависимости (27.4) получим уравнение первой степени:
(27.5)
Введем обозначения:
100
(27.6)
где x1, x2, x3 – факторы;
b0, b1, b2, b3, b4 – коэффициенты регрессии.
Решение уравнения (27.6) получается путем варьирования каждого из факторов
x на двух уровнях: верхнем xiв и нижнем xiн. Значения факторов берутся в кодированном виде. Верхний уровень фактора обозначается (+1), нижний – (–1). Уровни факторов и интервалы варьирования заносятся в табл.27.1.
Таблица 27.1
Уровни и интервалы варьирования факторов
Уровень
Код
Элементы режима резания (факторы)
t, мм (х1)
S, мм/об (х2)
v, м/мин (х3)
Факторы
Верхний
+1
2
0,3
20
Нижний
-1
1
0,1
10
Затем составляется матрица планирования эксперимента. В нашем случае для
трех факторов (23), т.е. восьми опытов, она будет иметь вид, представленный в табл.
27.2
Таблица 27.2
Матрица планирования эксперимента
Код
№ опыта
Результаты
х1
х2
х3
1-го измерения
2-го измерения
t
S
v
средний
1
-1
-1
-1
Ѳ1
Ѳ1
Ѳ1
2
+1
-1
-1
Ѳ2
Ѳ2
Ѳ2
3
-1
+1
-1
Ѳ3
Ѳ3
Ѳ3
4
+1
+1
-1
Ѳ4
Ѳ4
Ѳ4
5
-1
-1
+1
Ѳ5
Ѳ5
Ѳ5
101
6
+1
-1
+1
Ѳ6
Ѳ6
Ѳ6
7
-1
+1
+1
Ѳ7
Ѳ7
Ѳ7
8
+1
+1
+1
Ѳ8
Ѳ8
Ѳ8
Коэффициенты регрессии определяются по формуле:
(27.7)
где
j = 0,1,2… – номер фактора (ноль для вычисления b0);
i – номер опыта в матрице планирования;
k – количество опытов в матрице;
yi – средний отклик по k опытам в точке с номером i.
Например, коэффициент регрессии для зависимости (27.6) можно определить по
формулам:
(27.8)
(27.9)
и
соответ-
ственно факторы по формулам
(27.10)
(27.11)
(27.12)
Значения b и x подставляются в формулу (27.5), она потенцируется и получается
формула с численными значениями коэффициентов и показателей степени.
Для проверки правильности полученной формулы вычисляются значения температуры для максимальных значений элементов режима резания и сравниваются с экспериментально замеренной температурой резания.
Кроме того, необходимо доказать выполнение второй предпосылки регрессионного анализа об однородности выбранных дисперсий и адекватности модели. Дисперсией называется среднее значение квадрата отклонений случайной величины от ее
среднего значения и определяется она по формуле:
102
(27.13)
где
i – номер опыта;
yi – значение параметра оптимизации в i – том параллельном опыте;
yc – среднее арифметическое значение параметра оптимизации в i – тых параллельных опытах;
c – число параллельных опытов.
Проверка однородности двух дисперсий производится с помощью критерия
Фишера по формуле:
(27.14)
где
или критерия Кохрена по формуле:
(27.15)
Если полученные значения критериев Fp или Gmax меньше табличного, то дисперсии однородны, и полученная математическая модель адекватна экспериментальным условиям.
Износ режущих инструментов
Режущие инструменты работают в чрезвычайно тяжелых условиях действия
громадных давлений на поверхностях контакта и высокой температуры, в условиях
трения чистых, вновь образованных ювенильных поверхностей. По этим причинам интенсивность изнашивания режущих инструментов в тысячи и десятки тысяч раз превосходит интенсивность изнашивания трущихся деталей машин.
В результате изнашивания режущее лезвие инструмента теряет свою первоначальную форму и, как следствие, режущую способность. Для восстановления режущей
способности инструмента производится затачивание его рабочих поверхностей. В
процессе затачивания инструмента с его рабочей части срезаются довольно большие
слои дорогостоящего инструментального материала. На смену затупившейся режущей
103
пластины или всего инструмента затрачивается время, которое увеличивает продолжительность операции механической обработки, а следовательно и ее стоимость; срезаемый при затачивании абразивным инструментом дорогостоящий инструментальный материал переводится в шлам и безвозвратно теряется. В целом все это существенно удорожает механическую обработку и ограничивает ее эффективность. Поэтому, задача уменьшения интенсивности изнашивания режущих инструментов и увеличения срока его службы была и остается одной из главных задач металлообработки.
Форма и характер износа режущих инструментов
Все формы износа делятся на:
1) хрупкий износ; 2)плавный износ.
Хрупкий – это скалывание и выкрашивание. Причиной такого износа является
недостаточная прочность, наличие дефектов.
Плавный износ – это износ, постепенно протекающий во времени
Характер износа режущего инструмента зависит от свойств инструментального
материала и конкретных условий резания. Износ режущего инструмента выражается в
появлении лунки на передней поверхности, площадок износа на главной и вспомогательной задних поверхностях.
а
б
а – износ по задней поверхности; б – износ по передней поверхности
Износ режущего инструмента только по задней поверхности наблюдается при
104
обработке хрупких материалов, при резании которых образуется стружка надлома. Износ по задней поверхности является также превалирующим в случае резания с малыми
толщинами среза, при малых значениях задних углов и при обработке сталей и сплавов, обладающих ярко выраженными упругими свойствами.
Износ режущего инструмента только по передней поверхности происходит в
случае обработки вязких металлов с большими сечениями среза, когда образуется
устойчивый нарост, исключающий контакт задней поверхности с обрабатываемым материалом. В большинстве же случаев практики резания металлов инструмент изнашивается как по передней, так и по обеим задним поверхностям.
а)
б)
в)
г)
Динамика изменения формы режущего клина инструмента
в результате его износа через 6 мин. (а), 12 мин. (б) 18 мин. (в) и 24 мин. (г)
резания: сталь 40Х–Т5К10, v=1,6 м/с, s=0,3 мм/об, t=1,5 мм, =–6о, =6о
Изнашивание передней поверхности начинается, как правило, на некотором
удалении от главной режущей кромки. Центр зарождения лунки – конец пластического контакта в месте, где температура максимальная. Образующаяся лунка с течением времени работы резца углубляется и расширяется. При выходе лунки на главную
кромку и на вспомогательную наступает катастрофическое разрушение.
Ширина фаски на задней поверхности hз, исключая период начального изнашивания, растет пропорционально времени резания (рис.1).
105
Рис.1. Зависимости линейного износа hз и интенсивности износа J = dhз/dL от
пути резания L
В момент приработки инструмента наблюдается ускоренное изнашивание, после чего происходит стабилизация и уменьшение интенсивности износа. На протяжении длительного времени интенсивность изнашивания пластины не меняется и практически не зависит от величины фаски износа hз. При достижении некоторой критической величины фаски hз скорость изнашивания инструмента резко увеличивается.
Критерии затупления инструмента
Используются объективные и субъективные критерии.
Объективные устанавливаются с помощью приборов.
Субъективные устанавливаются через органы чувств.
Объективные критерии затупления:
1. Измерение площадок и размеров инструмента.
2. Предельно допустимый уровень сил.
3. Шероховатость поверхности.
4. Вибрации и уровень шума.
106
5. Температура или термо ЭДС.
Субъективные критерии затупления инструмента:
1. Звук
2. Вид стружки и ее цвет.
3. Внешняя форма и вид обработанной поверхности детали.
4. Вид инструмента.
Обычно за критерий затупления принимается величина (ширина) площадки износа на задней поверхности режущего инструмента как наиболее легко обнаруживаемая и измеряемая
При выполнении различных исследований или оценке эффективности какоголибо технического мероприятия износ режущего инструмента может оцениваться в
относительных единицах величиной относительного износа. Относительный износ
выражается величиной износа по любому из перечисленных выше критериев, отнесенной к показателю выполненного объема работы: пройденному при заданном режиме
пути резания, площади обработанной поверхности, объему или весу срезанного материала. Наиболее часто относительный износ выражают отношением величины износа
по задней поверхности (hз) к величине пройденного (L) пути резания.
Время работы режущего инструмента до затупления по выбранному и принятому критерию называется стойкостью, или периодом стойкости, обозначающимися
прописной буквой Т латинского алфавита.
Природа износа инструмента
Рабочие поверхности режущего инструмента изнашиваются как от механического воздействия на него обрабатываемого материала, так и в результате молекулярно-термических процессов происходящих в зоне резания на поверхностях контакта
инструмента с обрабатываемым материалом. Инструмент может подвергаться различным по своей природе, видам изнашивания: абразивному, адгезионному, химическому,
диффузионному, электроэрозионному и другим. В процессе резания все эти виды из-
107
нашивания могут иметь место, но в зависимости от конкретных условий один из них
является доминирующим, определяющим интенсивность изнашивания и стойкость
режущего инструмента.
Абразивное изнашивание.
Под абразивным износом понимают разрушение более твердым телом менее
твердого в виде нанесения царапков, рисок и т.д. Происходит по причине царапания
поверхностей инструмента твердыми включениями обрабатываемого материала, такими как различные окислы, карбиды, например Fe3C. Твердые включения при этом как
микрорезцы скоблят поверхность инструмента. Чем мягче инструментальный материал, тем роль абразивного износа будет больше.При резании твердым сплавом абразивный износ происходит путем выскабливания мягкой кобальтовой связки и механического вырывания твердых зерен карбидов.
Адгезионное изнашивание.
Адгезия – механизм межмолекулярного сцепления двух разнородных материалов. Совершается путем отрыва силами адгезии мельчайших частиц инструментального материала. Поскольку при резании на поверхностях контакта действуют колоссальные давления и в контакт приходят вновь образованные ювенильные поверхности,
свободные от каких-либо пленок, создаются благоприятные условия для интенсивной
адгезии контактирующих материалов. При сближении их на расстояние примерно 100
ангстрем проявляются силы молекулярного взаимодействия и образуются так называемые «мостики холодного сваривания».
Так как стружка и обрабатываемый материал движутся, то процесс схватывания сопровождается последовательным разрушением зон схватывания. Разрушение
идет по менее прочному обрабатываемому материалу и материалу стружки. В результате циклической нагрузки в инструментальном материале появляются циклические
микротрещины. Развитие микротрещин под действием контактных нагрузок приводит
к вырыванию микрочастиц с поверхности инструмента. Вырванные частицы, уносимые стружкой или обрабатываемым материалом, царапают инструментальный материал.
108
Диффузионное изнашивание.
Диффузия – это обмен атомами двух контактирующих элементов. Обязательным условием этого обмена является температура от 800оС и выше.
При резании на высоких скоростях, когда в зоне резания развивается температура порядка 1000 оС, обрабатываемый материал сильно размягчается, а соотношение
твердостей инструментального и обрабатываемого материалов становится очень
большим, износ режущего инструмента, однако, не только не уменьшается, но еще
больше возрастает. Дело здесь в том, что при высокой температуре становится ощутимым процесс взаимного диффузионного растворения инструментального и обрабатываемого материалов. Наиболее активными атомами, покидающими инструментальный
материал, являются атомы углерода, а из обрабатываемого материала атомы железа.
Диффузионное изнашивание режущих инструментов.
Диффузия приводит к потере механической прочности и последующему разрушению. В результате диффузии в поверхностных слоях твердого сплава образуется
железо-вольфрамовый карбид, пластичная кобальтовая связка превращается в хрупкую фазу. Охрупчивание связки твердого сплава приводит к тому, что в процессе резания наряду с диффузионным растворением происходит хрупкое разрушение материла связки и унос целых блоков зерен твердого сплава. В двухкарбидных сплавах карбиды титана, растворяясь медленнее, образуют выступы и впадины, которые заполняются материалом стружки. Время диффузии в этих условиях увеличивается, и в результате резкого уменьшения градиента концентрации, диффузия и износ уменьшают-
109
ся. Этот вид разрушения характерен для твердосплавного материала и СТМ.
Термоокислительный износ
Заключается в образовании химических соединений – окислов на контактных
поверхностях инструмента. Образование окисных пленок уменьшает механическую
прочность и облегчает механическое разрушение. Обязательный фактор – наличие
кислорода в окружающей среде. Проявляется в увеличении фасок износа на границах
участков контакта.
Электроэрозионное изнашивание. Происходит в результате действия электрического тока, образующегося под влиянием термоэлектродвижущей силы (ТЭДС). В
связи с тем, что инструмент и обрабатываемый материал контактируют в отдельных
точках с разной температурой, в каждой точке действует ТЭДС разной величины. В
результате в зоне резания образуется сложная система электрических цепей (контуров), при разрыве которых происходит перенос капли одного из материалов на поверхность другого в зависимости от знака заряда поверхности. При переносе капли
обрабатываемого материала на поверхность инструмента она приваривается к поверхности инструмента и образует порог, который выламывается вместе с объемом инструментального материала. Кроме того твердая затвердевшая капля проволакиваясь
между обрабатываемым материалом и инструментом царапает поверхность последнего и усиливает абразивное изнашивание. Такой механизм изнашивания, значительно
усиливает изнашивание твердосплавных инструментов, работающих при больших
скоростях резания, при которых в зоне резания развиваются ТЭДС до нескольких десятков милливольт, а температура находится в пределах 1000оС. Твердая частица в
этом случае легко выскабливает размягченную и выдавленную на поверхность кобальтовую связку, недостаток которой ослабляет соединение твердых карбидных зерен
твердого сплава. Выкрашивание их приводит к лавинообразному развитию изнашивания инструмента.
В зависимостиот характера износа подбираются соответствующие методы
110
борьбы.
Зависимость стойкости режущего инструмента от скорости резания и причины ее немонотонности
Многочисленными исследованиями установлено, что в общем случае зависимость стойкости от скорости резания носит немонотонный характер. Наиболее типичной является зависимость с двумя экстремумами. Такая зависимость показана на рисунке.
Зависимость стойкости Т режущего инструмента от скорости резания v
Наличие «переломов» на кривых зависимости стойкости от скорости резания
объясняется изменением природы износа.
В диапазоне скоростей от v1 до v2 идет падение стойкости, связанное с увеличением доли адгезионного износа. При увеличении скорости резания температура в
зоне резания возрастет, уменьшается твердость обрабатываемого материала, интенсивность адгезионного изнашивания снижается. Стойкость начинает возрастать.
Однако, вблизи скорости v3, начинает проявляться диффузионное изнашивание.
111
При дальнейшем увеличении скорости резания диффузионный износ интенсифицируется и, начиная со скорости v3, становится преобладающим. Стойкость режущего инструмента при этом, естественно, уменьшается.
Интенсивность других видов изнашивания (абразивно-механического, электроэррозионного и др.) слабо зависит от температуры и, следовательно, от скорости резания.
Существует гипотеза. Максимальная стойкость соответствует определенной
температуре (оптимальной) контакта для данной пары инструментального и обрабатываемого материалов.
Основой закон стойкости
Немонотонная зависимость T-v наблюдается при изменении скорости резания в
широком диапазоне. Однако, если учесть, что каждый инструментальный материал
предназначен для работы в определенном диапазоне скоростей резания, свойственных
этому материалу, то эту зависимость можно разбить на части с монотонным характером изменения стойкости.
Действительно, на скоростях, свойственных резанию быстрорежущим инструментом, твердый сплав не используется, из-за низкой эффективности, а на скоростях
порядка сотен метров, свойственных резанию твердосплавным инструментом, быстрорежущие инструменты не применяются из-за недостаточной температуры красностойкости быстрорежущих сталей. На таких скоростях быстрорежущие инструменты работать не могут.
Аппроксимацию участков стойкостной зависимости в диапазонах скоростей от
v1 до v2 и v >v3 производят степенной функцией Тейлора
v
Cv
Tm
графически выражающейся прямой линией в логарифмических координатах.
112
Эта зависимость стойкости режущего инструмента от скорости резания может
быть представлена выражением
которое впервые установил Тейлор.
где: v – скорость резания, соответствующая стойкости режущего инструмента Т;
Т – стойкость режущего инструмента, мин;
С – константа, зависящая от свойств обрабатываемого материала;
m – показатель относительной стойкости.
Величина показателя относительной стойкости изменяется в узких пределах (от
0,15 до 0,35) в зависимости от свойств обрабатываемого и инструментального материалов и вида обработки.
Представленная выше зависимость
v
Cv
Tm
называется основным законом стойкости. По этой зависимости производится
расчет скорости резания для всех видов механической обработки металлов резанием.
Влияние различных факторов на стойкость режущего инструмента
Влияние различных факторов на стойкость может быть представлена зависимо-
113
стью вида
T
CT
K И K K p K сож K з
v n s yT t xT
По степени влияния на стойкость технологические параметры распределяются
в следующей последовательности:
v, s, t.
СТ – константа, зависящая от свойств обрабатываемого материала;
Коэффициенты K учитывают конкретные условия резания: свойства инструментального материала, главный угол в плане, тип резца, СОЖ, качество заготовки.
Обрабатываемость резанием материалов
Различные марки сталей и сплавов классифицируют по обрабатываемости резанием. В основу классификации положен химический состав материала.
Количественно обрабатываемость оценивают коэффициентом обрабатываемости, представляющим собой отношение скорости резания рассматриваемого материала
при 60-минутной стойкости инструмента, к скорости резания эталонного материала
при 60-минутной стойкости. В качестве эталонного материала выбрана конструкционная сталь 45.
Kv
v60
vэт 60
где v60 скорость резания рассматриваемого материала при 60-минутной стойкости инструмента; vэт60 – скорость резания эталонного материала при 60-минутной
стойкости резцов.
Если коэффициент обрабатываемости больше единицы, то данный материал
обрабатывается лучше, чем эталонный, а если меньше единицы, то материал является
труднообрабатываемым.
114
Завивание и дробления сливной стружки при резании материалов
При обработке пластичных материалов образуется непрерывная сливная
стружка различной формы. В зависимости от формы стружка разделяется на лентообразную (прямую и путаную) и спиралеобразную (цилиндрическую, винтовую и плоскую). Степень дробления каждого из этих видов стружки определяется объемным коэффициентом kv, равным отношению объема стружки к объему сплошного металла
такой же массы, как стружка. Удовлетворительной с точки зрения отвода формой
стружки считается стружка с kv = 5…80, неудовлетворительной с kv> 90.
Основные способы управления формой стружки:
1. Подбор оптимальных режимов резания и геометрии инструмента;
2. Усложнение кинематики движения станка: дискретное резание, вибрационное
резание;
3. Использование дополнительной энергии – стружкоразрезание, пережигание,
ввод в зону резания электрических токов, импульсный ввод в зону резания
СОТС.
Наиболее эффективным способом дробления стружки является создание на передней поверхности различных стружкозавивающих элементов, интенсифицирующих
завивание стружки в трех взаимно перпендикулярных плоскостях.
Характерные формы передних поверхностей для управления стружкой в нормальной плоскости.
Схема 1
Схема 2
Схема 3
Схема 4
115
Влияние основных углов инструмента на процесс резания
Задний угол :
1. При уменьшении угла увеличивается площадь контакта задней поверхности с поверхностью резания. Это приводит к увеличению сил действующих на заднюю
поверхность и увеличению износа инструмента.
2. С увеличением угла уменьшается прочность режущего клина, поэтому угол
назначается как можно больше при достаточной прочности режущего клина.
Передний угол :
1. С увеличением угла уменьшается степень пластической деформации срезаемого слоя, что приводит к уменьшению силы резания, температуры резания и улучшению работоспособности.
2. При увеличении уменьшается прочность режущего клина. Очевидно, что
при обработке хрупких, высокотвердых материалов при прерывистом резании целесообразно назначать угол как можно меньше.
Углы в плане и 1:
1. Влияют на шероховатость и качество обработанной поверхности. С уменьшением этих углов шероховатость уменьшается.
2. С уменьшением угла увеличивается радиальная составляющая силы резания, что может привести к увеличению прогиба и при малой жесткости станка к вибрациям. Эти углы назначают с учетом жесткости системы и качества обрабатываемой
поверхности.
Угол :
Влияет на направление схода стружки с инструмента. При положительном значении угла стружка отклоняется в сторону обработанной поверхности. При отрицательном значении – в сторону обрабатываемой поверхности.
Влияние угла лямбда
116
λ = –10о
λ = 0о
λ = 15
117
Назначение режимов резания
К режимам относятся технологические параметры t, s, v.
Все три технологических параметра в равной степени влияют на съем припуска
в еденицу времени, т.е. с точки зрения производительности равноценно, что увеличение глубины, что подачи, что скорости резания.
В первую очередь выбирают тот технологический параметр, который в минимальной степени влияет на стойкость режущего инструмента. Наименьшее влияние на
стойкость инструмента оказывает глубина. Поэтому назначение режимов начинают с
выбора глубины. Так как чем больше глубина, тем больше производительность, то выбирают предельно большую глубину по возможности равную всему припуску.
Лимитирующим фактором может выступать размер режущей пластины, состояние оборудования, его жесткость и мощность. Из опыта максимальная глубина t=7
мм.
Вторым технологическим параметром является подача. Основными техническими ограничениями, накладываемые на величину подачи являются шероховатость,
мощность оборудования, прочность резца, жесткость обрабатываемой детали, ограничение по нагрузке на механизм подачи станка, ограничение по точности обработки. В
результате выбирается минимальная подача из ряда предельно допустимых подач.
Например, если наиболее жестким техническим ограничением была шероховатость, то
подача рассчитывается по формуле
s 2 Rz 8r
После назначения подачи s при известной глубине резания t назначается
скорость v.
Скорость назначается по формуле
v
C
k
T s t
v
m yv xv
Чтобы рассчитать по этой формуле скорость необходимо знать период стойкости инструмента T. Принимают или экономическую стойкость или максимальную
стойкость, соответствующую максимальной производительности.
118
Технические ограничения для операции точения пластичных материалов
При назначении режимов резания нужно учитывать ряд ограничений. Условно
их можно подразделить на три группы.
Первая группа ограничений определяется кинематическими возможностями
станка.
1. Назначаемая подача должна быть больше или равна минимальной подаче, устанавливаемой на станке,
s smin .
2. Назначаемая подача должна быть меньше ил равна максимальной подаче, устанавливаемой на станке,
s smax .
3. Назначаемая скорость резания не должна превышать максимально возможную,
устанавливаемую на станке,
v
Dnmax
1000 .
4. Назначаемая скорость резания должна быть больше, чем минимально возможная, устанавливаемая на станке
v
Dn min
1000 .
Вторая группа ограничений определяется мощностью, прочностью, надежностью, устойчивостью технологической системы СПИЗ и отдельных ее элементов.
1. Ограничение по мощности станка
N рез N дв
где
N рез
N рез
,
– мощность, затрачиваемая на процесс резания, кВт,
Pz v
6120 ;
119
N дв – мощность двигателя главного привода, кВт; – КПД цепи главного
движения; Pz – тангенциальная составляющая силы резания, Н;
Pz C pz s Ypz t Xpz v pz
n
.
При обработке конструкционных сталей твердосплавным инструментом
C pz
= 3000,
X pz
=1,
Ypz
=0,75, nPz=–0,15.
В окончательном виде ограничение по мощности станка примет вид
v nPz 1 s Ypz
6120 N дв
C pz t Xpz
.
2. Ограничение по прочности пластинки твердого сплава
Pz Pmax ,
где Pmax – максимально допустимое усилие на пластинку твердого сплава, при
котором работоспособность пластинки сохраняется, Н,
0 ,8
Pmax 34 С
1, 35
n
sin 60 0,77
t
sin
,
где Cn – толщина пластины твердого сплава, мм; – главный угол в плане.
После подстановки уравнений получим
sin 60
34С
sin
nзz Ypz
v s
C pz t Xpz 0, 77
0 ,8
1, 35
n
.
3. Ограничение по прочности слабого звена в механизме подачи
Px Pдоп ,
где Px – осевая составляющая силы резания, Н; Pдоп – допустимое усилие на
механизм подачи, Н.
Px С px t Xpx s Ypx v px
n
,
120
где
C px
= 3390,
X px
=1,
Ypx
=0,5, npx=–0,4 – коэффициент и показатели степени,
соответствующие резанию конструкционных сталей твердосплавным инструментом.
После подстановки уравнений получим
v px s Ypz
n
Pдоп
C pz t Xpx 10
.
Третья группа ограничений определяется параметрами точности обработки и
качеством поверхностного слоя детали, повышенной надежностью обработки.
1. Ограничение по жесткости детали
f f доп ,
где f – прогиб детали под действием сил резания, мм,
l 3 Pz 1 c 2
f
K 3 E y 0.05 D 4
,
где l – длина заготовки, мм; с=Pz /Py – отношение составляющих силы резания;
D – диаметр заготовки, мм;
Ey
– модуль упругости материала детали, Н/мм2; К з – ко-
эффициент закрепления заготовки на станке;
f доп – допустимый прогиб детали, мм,
f доп 1/ 2...1/ 3 ,
где – допуск на диаметр, мм.
Подставляя выражения получим
nTz
v s
Ypz
0,05 f доп K з D 4 E y
10l 3t Xpz C pz 1 c 2
;
2. Ограничение по допустимой шероховатости поверхности
Rz Rzдоп .
Шероховатость Rz рассчитывается по формуле
121
1, 2
s 2 100
Rz
,
8r v
где r – радиус при вершине резца, мм
Через режимы резания это ограничение выражается неравенством
v 1, 2 s 2 100 1, 2 Rzддо 8r .
3. Ограничение по допустимому биению детали доп , мм
доп ,
где – биение детали после обработки, мм,
n
С py s Ypy v py e
j
,
e – биение заготовки, мм; j – жесткость системы СПИЗ, Н/мм; C py , y py , n py –
коэффициент и показатели степени в формуле радиальной составляющей силы резания
Py C py t Xpy s Ypy v py доп / 3
;
.
n
При обработке конструкционных материалов твердосплавным инструментом
C py
= 2430,
X py
=0,9,
Ypy
=0,6, npy=–0,3.
После преобразований получим
v зy s Ypy
n
доп j
10C py e
.
Рассмотренные выше ограничения режимов резания, графически на плоскости
v, s будут представлять собой ряд пересекающихся друг с другом линий. Граница области допустимых режимов резания называется блокирующим контуром. В качестве
границ блокирующего контура могут выступать различные технические ограничения в
зависимости от конкретных особенностей операции механической обработки.
122
Блокирующий контур с учетом кинематики оборудования (ограничения по
smin, smax, νmin, νmax) и прочности пластины, показан на рисунке
Блокирующий контур с учетом кинематики (1–2, 3–4, 5–6, 6–1) и мощности (4–
5) оборудования и прочности режущей пластины (2–3)
Обеспечение минимальной себестоимости токарной обработки
Под технологической себестоимостью механической обработки понимают затраты на выполнение данной операции. Сюда входят расходы на содержание и эксплуатацию оборудования, на заработную плату рабочего, на содержание, наладку, переточку инструмента. Для оптимизации режимов резания нужно знать зависимость технологической себестоимости операции от режимов резания.
В общем случае технологическая себестоимость операции C будет складываться из двух частей
С С1 С 2 ,
(1)
где С1 – затраты, связанные с эксплуатацией оборудования, на котором производится обработка, и с заработной платой рабочего
С1 Еt0 , (2)
123
где E – себестоимость эксплуатации оборудования за минуту, руб./мин; t0 – основное технологическое время обработки одной детали, мин; С 2 – затраты, связанные
с эксплуатацией и подготовкой режущего инструмента к работе,
С2
W ETсм
N
, (3)
где W – затраты, связанные с приобретением, хранением и переточками режущего инструмента, отнесенные к одному периоду его стойкости; Tсм – время на снятие
затупившегося инструмента и подналадку заточенного резца, мин; N – количество деталей, обрабатываемых инструментом за период его стойкости.
После подстановки значений С1 и С 2 получим
С Et0
W ETсм
N
.
(4)
Для того чтобы найти зависимость себестоимости от режимов обработки в явном виде, выразим t0 и N через параметры режима резания: скорость v, м/мин, подачу s мм/об., глубину t, мм:
t0
L
DL
ns 1000 vs ,
(5)
где L – длина обработки, мм; D – диаметр обрабатываемой поверхности, мм;
N
T
t0 ,
(6)
где T – стойкость режущего инструмента, которую будем вычислять по формуле
T
C
v s t
T
n yT xT
.
(7)
Значения коэффициентов и показателей степеней в формуле стойкости берутся
из справочника. При обработке конструкционных сталей твердосплавным инструментом Ст=5,2521012, yT=2, xT=0,75, n =5.
124
После подстановки значений t0 и N и преобразований получим формулу технологической себестоимости в виде
С
(W E Tсм )DLt
1000vst 1000CT v1n s1 yT t 1 xT . (8)
DLtE
Чтобы оперировать величиной, не зависящей от геометрии детали, введем понятие удельной себестоимости
C уд
. Это технологическая себестоимость удаления
единицы объема припуска
С уд
C
V , (9)
где V – объем снятого припуска.
Исходя из формул (8), (9), получим зависимость удельной себестоимости от
режимов резания в виде
E (W ETсм )v n1 s yT 1t xT 1
С уд
vst
CT
. (10)
Таким образом,
С уд
является функцией следующих параметров
С уд f (v, s, t , E,Tсм ,W )
.
(11)
Для условий однопроходной обработки
С уд f (v, s)
.
(12)
В декартовых осях координат эта зависимость представляет собой поверхность
типа «овраг».
125
Cуд
Cуд
v
a
s
s
Линия а соответствует дну поверхности «аврага». Ее уравнение выводится из
условия:
C уд
v
C
(13)
и имеет вид
vns
y
ECT
( ETсм W )(n 1)t xT . (14)
Анализ уравнений сечений Суд = f(v) при s = const, показал, что первоначальный
рост скорости резания вызывает падение удельной себестоимости, которое затем приостанавливается и, начиная с определенного значения скорости v, Суд возрастает. Такой характер изменения Суд = f(v) объясняется тем, что по мере роста скорости резания
и сокращения машинного времени на обработку одной детали растет доля затрат на
инструмент, который с ростом v все более интенсивно изнашивается. В результате в
формуле (1) первое слагаемое уменьшается, а второе – увеличивается. С ростом значений подачи минимальное значение удельной себестоимости падает.
Таким образом, функция (12) абсолютного глобального минимума не имеет.
126
Увеличивая подачу, можно подобрать такое значение v, что величина удельной себестоимости будет уменьшаться. Но произвольными режимы резания назначать нельзя,
так как на технологическую систему СПИЗ накладывается ряд ограничений.
Обеспечение максимальной производительности механической обработки
Максимальная производительность П соответствует условию наибольшего получения деталей в единицу времени
П
где
1
t 0 Tсм1 .
Tсм1
(1)
Tсм
N – время на снятие затупившегося инструмента и подналадку за-
точенного резца, отнесенное к одной обработанной детали, мин.
Производительность П будет максимальная, если знаменатель (1) будет минимальным.
Входящие в уравнение (1) величины связаны с режимами резания по формулам
(2) и (3).
t0
L
DL
ns 1000 vs ,
(2)
где L – длина обработки, мм; D – диаметр обрабатываемой поверхности, мм;
T
CT
v s yT t xT .
n
(3)
где T – стойкость режущего инструмента
После подстановки значений t0 и Tсм1 и преобразований получим формулу технологической производительности в виде
127
П
1
1
1
T
T
DL Tсмv n s yT t xT
t 0 см t 0 t 0 1 см
1
T
T 1000 vs
CT
.
(4)
Производительность будет максимальна, если
DL
Tñì v n s yT t xT
1
min
1000vs
CT
Уравнение линии локальных максимумов выводится из условия
DL Tñì v n s yT t xT
1
1000
vs
CT
0
v
и имеет вид
v n s yT
CT
n 1Tсмt XT .
(6)
(5)
