1. Общая характеристика обработки резанием

1. Исходные понятия о процессе

Процесс резания материалов занимает значительное место в числе технологических способов воздействия на заготовку с целью получить из нее требуемую деталь. Этот процесс отличается многофакторностью, так как имеют место сложное напряженно-деформированное состояние материала в очаге резания, высоко- температурное поле в этом очаге, внешнее трение, обусловленное перемещением инструмента относительно обрабатываемой поверх- ности, и внутреннее трение как результат совокупности процессов внутри деформируемого объема, приводящих к необратимому рассеянию механической энергии, связанному с преобразованием механической энергии в тепловую. Кроме того, к процессу резания относят разделение полуфабриката на мерные части, срезание припуска с обрабатываемых поверхностей и измельчение отходов.

Очень часто разделительные операции выполняют, применяя лезвийный режущий инструмент (отрезные резцы, дисковые фрезы, ленточные и ножовочные пилы, абразивные круги). При этом ширина срезаемого слоя предопределяется размерами режущего лезвия и инструмента, соответственно. Кроме того, в ряде случаев разделительные операции выполняют как методами обработки металлов давлением, так и электрохимической обработкой. Сущ- ность этих методов подробно рассматривается в соответствующих разделах курса ''Технологические процессы заготовительного про-изводства''.

Отходы в виде сливной стружки иногда измельчают при помощи специальных устройств-стружколомов, располагаемых вблизи зоны резания, а отходы резания неметаллических материалов (типа пластмасс) измельчают в специальных станках барабанного типа, оснащенных лезвийным инструментом.

Наука о резании материалов в процессе своего развития прошла несколько этапов. Первоначально по своей сущности это была теория стружкообразования. Причем, в период, когда основным конструкционным материалом были хрупкий чугун, за основу стружкообразования принималась теория скалывания удаляемого слоя. Затем по мере развития металлургии и появления конструкционных материалов с широким диапазоном показателей механической прочности и пластичности начали учитывать, что стружкообразование идет в результате совместного проявления пластической деформации удаляемого слоя и скалывания. Со временем утвердилось и сохранилось до сих пор мнение о том, что в процессе резания материалов удаляемый слой до разрушения подвергается преимущественно пластическому течению.

Общим признаком процессов резания материалов является наличие пластического течения в основном очаге деформирования. Тем не менее, различают резание материалов, сопровождающееся стружкообразованием (рис. 1), и резание материалов без появления стружки, например, при резке ножницами, вырезке в штампах и в других подобных случаях (рис. 2). Различие предопределено тем, что условия деформирования, сопровождающегося появлением стружки, и закономерности, описывающие этот процесс, не пригод-ны для анализа резки, протекающей без появления стружки.

2. Противоречивость процесса резания

Постоянно развивающийся технологический процесс холодной обработки материалов резанием, как и любая развивающаяся система, всегда характеризовался присущими ему противоречиями, многие из которых устраняются принятием соответствующих согласованных конструктивных и технологических решений. Например, известно, что для обработки резанием необходимо и достаточно, чтобы материал режущего инструмента был более твердым, чем материал обрабатываемой детали.

Противоречие о соотношении твердости взаимодействующих начал (обрабатывающего и обрабатываемого) в исходном периоде становления обработки резанием устранялось тем, что все матери-алы, участвующие в процессе, подразделяли на две группы:

- конструкционные материалы, из которых конструировали детали, узлы, механизмы и изделия в целом;

- инструментальные материалы для изготовления инструмента (резцов, фрез, сверл, метчиков и т.д.)

Однако практика машиностроения постоянно сталкивается с повышением эксплуатационных требований, предъявляемых к изделиям, и поэтому для изготовления деталей назначают

Рис. 1. Схема резки со стружкообразованием: 1 – заготовка; 2 – удаляемый слой; 3 – стружка; 4 – инструмент; 5 – направление вращения

Рис. 2. Схема резки в штампах: 1 – матрица; 2 – заготовка; 3 – пуансон; 4 – отрезаемая часть; 5 – линия среза; Р – деформирующая сила

конструкционные материалы, обладающие все более высокими показателями твердости и прочности. В свою очередь, сам инстру- мент для технолога-инструмнтальщика является изделием, для изготовления которого требуется свой инструмент из еще более твердого материала.

В соответствии с этим по сравнительной обрабатываемости резанием все применяемые в практике машиностроения материалы укрупнено подразделяются на 4 группы:

1) легкообрабатываемые (латунь, бронза, деформируемые сплавы алюминия, мягкие чугуны);

2) средней обрабатываемости (углеродистые и низколе-гированные конструкционные стали, силумин, чугун средней твердости);

3) ниже средней обрабатываемости (высоколегированные нержавеющие стали мартенситного, мартенситно-ферритного, аустенитно-мартенситного классов, твердый чугун);

4) трудно обрабатываемые (высоколегированные стали аустенит-ного класса, жаро- и кислотостойкие никелевые сплавы, тугоплавкие сплавы).

Более обстоятельным приемом устранения противоречия между твердостью инструмента и обрабатываемого материала явилось широко применяемое в практике модифицирование состояния обрабатываемого материала на понижение его твердости (термический отжиг), а материала обрабатывающего инструмента –на повышение твердости (термическая закалка с соответствующим уровнем отпуска). В случаях, когда возможности такого модифицирования исчерпываются, объектам модифицирования в корне изменяют их сущность, то есть основные параметры и элементы процесса резания подвергают как количественным, так и качественным изменениям до появления новой меры. Новой мерой является новая технология или новый предмет. Например, стремясь повысить эффективность изготовления деталей за счет повышения работоспособности инструмента, его режущие элементы начали формировать из сырой массы (органического или неорганического происхождения), которую затем спекают и таким образом получают режущую часть инструмента с твердостью, достаточной для надежной обработки резанием материалов в довольно широком диапазоне их твердости. Таким образом, составной частью инструмента явилась вставка из твердого материала, получаемого по новой самостоятельной технологии.

Параллельно с развитием приемов, направленных на повышение твердости режущего инструмента, шло развитие приемов, понижающих твердость обрабатываемого материала, поскольку возможность термических операций, различающих этот материал, тоже в ряде случаев оказалась исчерпанной.

Одним из действенных решений, направленных на устранение противоречия между твердостью обрабатывающего и обраба-тываемого материалов, явилась анодно-механическая обработка, представляющая собой принципиально новый способ удаления припуска (рис. 3). Суть этой отработки в том, что в традиционную схему резания включена электрическая цепь, в которой обрабатываемая деталь является анодом, а обрабатывающий инструмент - катодом. Взамен струи охлаждающе-смазывающей жидкости в зону резания подают струю электролита. В этой схеме после включения электрической цепи возникает процесс анодного растворения материала детали с образованием на обрабатываемой поверхности слоя окислов. Существенной особенностью процесса является то, что слой окислов получается рыхлым и слабо оцепленным с основным материалом, а потому механически легко удаляется подвижным катодом - инструментом. В итоге процесс анодно-механической обработки явился новым качеством развивающейся системы резания и заслуженно считается одним из прогрессивных способов размерной обработки деталей. Подробный анализ этого способа и других – подобных представлен в спе-циальном курсе «Основы комбинированной размерной обработки».

Следовательно, возникающее в процессе резания противоречие между твердостью обрабатывающего и обрабатываемого материалов и реализуемые на практике приемы устранения этого противоречия ведут к изменению количественных и качественных параметров резания.

1.3 Основные термины и определения

1.3.1 Поверхности, связанные с обработкой

В обработке материалов резанием насчитывается достаточно большое число способов, у которых название инструмента, процесса и оборудования происходит от однокоренного слова: фреза - фрезерование – фрезерный станок; сверло - сверление – сверлиль- ный станок и т.д. При этом в каждом случае геометрические параме-тры инструмента вполне конкретным образом предопределяют те или иные особенности процесса. Тем не менее, основные понятия, термины и определения продолжают оставаться общими для всех способов резания материалов.

электролит

Рис. 3. Схема выполнения операций анодно-механической резки: 1 – разрезаемая заготовка; 2 – режущий диск; 3 – автоматически регулируемый электродвигатель подачи диска; 4 – уравновешивающее коромысло; 5 – сопло для подачи электролита

На примере токарной операции это выглядит следующим образом. Инструментом для токарной обработки является резец, геометрическая форма которого и основные элементы пред- ставлены на рис. 4.

Типичное взаимное расположение токарного резца и обраба-тываемой заготовки показано на рис. 5, где приняты следующие обо-значения: - главный задний угол;  - угол заострения;  - главный передний угол; δ - угол резания; ₁ – вспомогательный задний угол; ₁ –вспомогоательный передний угол;  - главный угол в плане; ₁ – вспомогательный угол в плане ;  - угол при вершине в плане;  - угол наклона режущей кромки; I, II , III –сечения трех типов резцов.

При анализе процесса резания оперируют понятиями обраба-тываемая поверхность, обработанная поверхность и поверхность ре-зания. Здесь имеют в виду, что срезаемый с заготовки слой мате-риала расположен между обрабатываемой (то есть конкретной исходной поверхностью заготовки) и обработанной поверхностью, возникающей после прохождения инструмента. Перемещение режущих кромок инструмента в сторону срезаемого слоя приводит к разделению этого слоя на элементы, превращающиеся в стружку. По ходу движения инструмента образуется поверхность резания. Она разделяет срезаемый слой на отдельные элементы, то есть с этой поверхности сходит стружка.

1.3.2. Параметры, характеризующие резание

Для обработки материалов резанием характерны следующие основные параметры: глубина резания t, скорость резания v и подача S.

Под глубиной резания t понимают толщину слоя, срезаемую за одно движение инструмента, перемещающегося относительно обра- ботанной повверхности.

В процессе резания движения заготовки и инструмента могут быть одновременными и быть прямолинейными или круговыми, осуществляемыми раздельными приводами. Движение, имеющее

3

4

5

6

7

1

2

Рис. 4. Основные элементы резца: 1 – тело резца; 2 – головка; 3 – передняя поверхность; 4 – главная режущая кромка; 5 – вспомогательная режущая кромка; 6 – вспомогательная задняя поверхность; 7 – главная задняя поверхность

Рис. 5. Поверхности, связанные с обработкой и координация основных элементов резца

наибольшую скорость, называется главным. При этом скорость главного движения является скоростью резания v, для вычисления которой есть расчетные уравнения. Так, для токарной обработки расчетное уравнение имеет вид:

Здесь D – диаметр, мм; n – обороты, об/мин. Тогда v – м/мин.

Подача S представляет собой расстояние, пройденное точками режущего лезвия в направлении к поверхности резания и отнесен-ное к соответствующему числу циклов главного движения. То есть подача может быть осуществлена за один оборот изделия, в течение минуты (минутная подача), подача на зуб, подача на двойной ход. В результате S измеряется в единицах: мм/об; мм/мин; мм/зуб; мм/двойн. ход.

Глубина резания, скорость резания и подача имеют совокупное название режим резания. Так как под режимом подразумевается совокупность условий, при которых реализуется процесс, то к числу параметров режима резания добавляют применение смазывающе– охлаждающей жидкости (СОЖ) и целый ряд других сопутствующих характеристик, а именно: твердость заготовки (указывается в рабо-чем чертеже изготавливаемой детали), стойкость инструмента (уста- навливается по сертификату инструмента и справочным данным), сила резания, момент вращения и другие.

При выборе основных элементов режима резания в практике сначала устанавливают величину глубины резания. Затем опреде- ляют максимально допустимое значение подачи и оптимальную скорость резания. Так как целью надлежащего выбора этих трех элементов режима резания является стремление получить макси- мальную производительность при минимальной себестоимости резания, то учитывают следующее:

1. с увеличением подачи увеличивается производительность и снижается себестоимость обработки;

2. максимальная производительность при минимальной себе-стоимости достигается при строго определенных значениях подачи, скорости резания и стойкости инструмента; снижение или увеличение их в сторону от оптимальных значений ведет к умень-шению производительности и к росту себестоимости.

3. снижение скорости, подачи и глубины резания ведет к снижению потребляемой мощности станка; при неизменной скорости резания производительность может быть повышена при t / S  1,0 то есть при увеличении числа проходов с увеличением подачи.