1.3.3. Основные требования к обработке резанием

На все изготовляемые изделия разработчики устанавливают граничные требования к качеству и точности обрабатываемых поверхностей, чтобы обеспечить необходимую работоспособность в конкретно заданных условиях эксплуатации.

Так как весь процесс изготовления является многофакторным, то все факторы подразделяют, по крайней мере, на три группы.

1. Факторы, связанные с физической природой и структурным состоянием обрабатываемого материала.

2. Факторы, связанные со свойствами материала режущей части инструмента, его конструкцией и качеством изготовления.

3. Факторы, отражающие эксплуатационные условия резания.

Анализируя эти факторы, принимают во внимание, что под каче ством поверхности понимают степень шероховатости обработанной поверхности, степень упрочнения ее поверхностного слоя и остаточные напряжения в этом слое, структурно–фазовые превра-щения под воздействием возникающей высокой температуры и др.

1.3.3.1. Степень шероховатости. Этот параметр характеризуется и оценивается высотой микронеровностей обработанных поверх- ностей. Среди доминирующих показателей, непосредственно влияющих на степень шероховатости, значатся: скорость резания, подача, глубина резания, геометрия режущего инструмента, состояние его материала (прежде всего - твердость) и используемая смазочно-охлаждающая жидкость. Эти показатели для каждого вида механической обработки резанием (и станочного оборудования, соответственно) – свои. С учетом этого в практике машиностроения выработалось понятие «технологические возможности» как станка, так и способа обработки в целом. Поэтому каждый вид меха-нической обработки резанием характеризуется вполне конкретной возможностью достижения экономического уровня шероховатости. Здесь смысловой нагрузкой понятия «экономическое» подчер-кивают, что уровень шероховатости получают без применения на станках дополнительных специальных приемов и приспособлений, способствующих снижению уровня шероховатости. Шероховатость, сниженная за счет применения специальных приемов и средств, называется достижимой, но не экономической, так как применение дополни­тельных приемов и средств повышает себестоимость продукции.

В таблице 1 представлены значения экономической шерохо-ватости для ряда наиболее распространенных видов обработки резанием.

С позиций геометрии шероховатость представляет собой совокупность микро неровностей, рассредоточенных вдоль всей обработанной поверхности с режущими элементами инструмента. Высоту микро неровностей измеряют профилометрами и профи-лографами. Как правило, в заводских службах технического контро­ля для наглядности имеются образцы обработанных поверхностей типовых деталей с указанием полученной степени шероховатости.

1.3.3.2. Состояние обработанной поверхности. Одним из результатов силового взаимодействия между инструментом и обрабатываемым материалом является упрочнение поверхностного слоя на вновь образовывающейся поверхности детали. Силовое взаимодействие сопровождается пластическим деформированием срезаемого слоя и повышением прочности и твердости, распро­страняющихся на некоторую глубину под обработанной поверхно­стью.

Степень упрочнения оценивают, сопоставляя микро твердость исходного материала заготовки с микро твердостью обработанной поверхности. Глубину залегания повышенной микро твердости определяют лабораторным способом, включая исследование поперечного сечения обработанных деталей посредством выбороч-ного разрушающего контроля.

Глубина залегания упрочненного слоя тесно связана с режи­мами резания: увеличивается с ростом подачи S, уменьшается с ростом скорости v резания.

На состояние обработанной поверхности существенно влияет температура, обусловленная теплом, которое выделяется в очаге резания. Именно температура процесса резания предопределяет

Таблица 1. Шероховатость после обработки резанием.

возникающую связь между химическим, структурным строением, физико-химическими свойствами исходного материала заготовки и

такими же параметрами как стружки, так и поверхностного слоя обработанной детали.

В момент отделения срезаемого слоя возникают химически чистые (ювенильные) поверхности. В момент своего зарождения они находятся в очень активном состоянии и интенсивно взаимо­действуют с окружающей технологической средой. Следствием этого является образование оксидных пленок на контактных по­верхностях. Такие пленки заметно снижают коэффициент трения стружки и заготовки о рабочие поверхности инструмента, но в то же время ухудшают эксплутационные свойства рабочих поверхно­стей обработанных деталей. Например, при обработке резанием титано-вых сплавов идет охрупчивание обработанных поверхностей из-за того, что в процессе резания металла сквозь образующуюся химически чистую поверхность идут процессы диффузии кислорода в обрабатываемый материал и наводороживание. В свою очередь, эти процессы сопровождаются интенсивным образованием поверх-ностной окалины.

Процессу резания материалов также сопутствуют электро-магнитные явления, поскольку высокотемпературный очаг резания, в котором осуществлен контакт инструмента с заготовкой, по своей сути представляет собой спай двух разнородных материалов. По этой причине в замкнутой цепи «станок–приспособление–инстру-мент–заготовка» возникает термо-ЭДС, которая оказывает влияние на процесс резания. На основе этого замечено, что рациональный ввод электрического тока или намагниченного инструмента в указанную замкнутую цепь в ряде случаев приводит к повышению производительности резания.

Таким образом, на состояние обрабатываемой поверхности влияет большое число механических, тепловых, химических и электромагнитных явлений. Возможное сочетание этих явлений:

1) механическое воздействие, включая пластическое деформи-рование, трение и разрушение;

2) взаимодействие механических и тепловых явлений;

3) одновременное действие механических, тепловых и химиче­ских явлений;

4) взаимодействие механических, тепловых, химических, элек-трических, магнитных и других явлений.

В то же время следует иметь в виду, что при обработке каждого конкретного конструкционного материала в числе доминирующих могут оказаться явления и их сочетания, не укладывающиеся в перечисленную систему сочетаний.

1.3.3.3. Точность обработки. Оценивая факторы, влияющие на точность обработки, выделяют две характеристики точности.

а) точность самой поверхности, оцениваемой, например, откло-нением от плоскостности, цилиндричности (первая характеристика точности);

б) точность взаимного расположения поверхностей, оценивае­мая неперпендикулярностью, непараллельностью, эксцентрично­стью (вторая характеристика точности).

При оценке первой характеристики точности, то есть точности самой поверхности, учитывают влияние шероховатости на точность этой поверхности. Однако прямой зависимости между этими двумя параметрами не существует. В то же время практикой машино-строения установлено примерное соотношение между этими параметрами. В частности, для случая, когда отклонения формы и расположения поверхностей находятся в пределах допуска на раз­мер, соотношение между точностью и шероховатостью представ­лено таблицей 2.

В тех случаях, когда допуски на отклонения от геометрической формы составляют 50% и более допуска на размер, указанные в табл.2 параметры шероховатости следует уменьшить. Кроме того, рекомендации табл.2 следует соотносить с характеристиками обрабатываемости материала детали.

Так как погрешность δ_мо, характеризующая точность самой обрабатываемой поверхности, предварительному расчету не подда-ется, то чаще всего единственно доступным способом определения δ_мо является составление нормативов на основе статистических исследований этой погрешности, которую находят опытным путем. Такие нормативы всегда опираются на конкретные исходные усло-

вия, а поэтому их рекомендации не всегда совпадают друг с другом, но, тем не менее, дают представление о порядке величины δ_мо.

В таблице 3 представлены численные значения δ_мо для ряда способов обработки плоских поверхностей, имеющих ширину В =

= (3…50) мм в зависимости от длины L плоскости и при величине

размера, координирующего обрабатываемую поверхность, до 10 мм. Для координирующих размеров от 10 до 50 мм табличные данные следует умножать на 1,2.

Таблица 2. Соотношение между полями допусков предпочтительного применения и параметрами шероховатости поверхности

Таблица 3 - Точность способов обработки плоскостей, мкм

Способ обработки	Длина плоскости L лоскости L
	L<3B	3B<L≤6B	6B<L≤12B	L>12B
Притирание механическое	5-11	6-15	8-15	9-15
Шлифование тонкое	9-18	10-20	11-20	12-25
Фрезерование тонкое	15-20	15-20	18-25	20-30
Протягивание	15-30	15-30	15-40	25-50
Шлифование торцом круга	13-27	15-30	18-40	25-50
Шлифование периферией круга	15-30	18-35	20-45	25-50
Строгание тонкое	18-35	20-40	23-50	30-60
Фрезерование чистовое торце­вой фрезой	35-40	40-60	45-70	50-80
То же, черновое	70-100	80-120	80-150	100-200
Фрезерование чистовое цилин­дрической фрезой	30-50	35-60	40-70	45-80
То же, черновое	90-140	100-160	110-180	130-200
Долбление чистовое	50-70	50-80	60-100	70-120
Шлифование обдирочное	100	100-120	120	-

При оценки второй характеристики точности учитывают, что процесс резания протекает в замкнутой системе «станок- приспособление для детали - обрабатываемая деталь - режущий инструмент - приспособление для инструмента – станок», схема которой показана на рис.6. Здесь приняты следующие обозначения: А – станок; Б – приспособление для детали; В – обрабатываемая де­таль; Г – режущий инструмент; Д – приспособление для инстру­мента; погрешности: связанные с методом обработки - δ_мо, с установкой приспособления Б – δ_пд , детали В – δ_уд , инструмента Г – δ_уи, приспособления Д – δ_пи ; КС – конечная связь в системе обра­ботки.

В рассматриваемой системе конечными звеньями являются де­таль и инструмент. Приспособления - это промежуточные звенья, а

станок объединяет все звенья в единую обрабатывающую систему.

Рис. 6. Источники погрешностей в технологической системе

Конечная связь КС является главной. Она непосредственно влияет на геометрические параметры обрабатываемой детали, получаемые к концу процесса резания. Стыковка между звеньями неизбежно сопровождается погрешностями взаимной координации. Поэтому все промежуточные звенья устанавливают такими, чтобы создать требуемую по точности конечную связь. При этом промежуточные связи представляют собой непосредственный контакт поверхностей смежных звеньев, а конечная связь в большинстве систем обработки является чисто геометрической.

От того, насколько точно будут связаны звенья, зависит действительная точность обработки детали, а от того, насколько быстро осуществляются эти связи, зависит производительность процесса, реализуемого в системе.

В качестве примера в таблице 4 представлены численные дан­ные о точности взаимного расположения обрабатываемых поверх­ностей для ряда методов обработки резанием. Отклонения размеров даны для работы инструментом с направляющими втулками. Перпендикулярность осей отверстий показана для случаев обработки при перпендикулярном расположении шпинделей станков и без применения поворотных приспособлений.

Изготовление деталей с требуемым качеством и эксплуатацион­ными характеристиками обеспечивается рациональным выбором резания, при использовании оборудования, имеющего достаточные технологические возможности. Здесь имеется в виду следующее:

1) режущие элементы инструмента имеют оптимальную геомет- рическую и качественную заточку;

2) технически и экономически обоснованы значения подачи S, глубины резания t и скорости резания v;

3) кинематические и динамические возможности механизмов станка (например, коробки передач и других элементов конструк­ции станка) позволяют реализовать обоснованные значения подачи, скорости резания, точности взаимного расположения поверхностей.

Как глубина резания, так и величина подачи влияет на качество получаемой поверхности (уровень шероховатости, глубина накле­па), а также на производительность обработки. В связи с этим подготовительные операции с целью сокращения времени на обработку стремятся вести с подачами S=0,4 0,7 мм/об.

Таблица 4 – Средняя точность относительного положения осей отверстий при различных методах обработки ( по Чарнко Д.В.)

Метод обработки и оборудо- вание	Вид обра- ботки	Шеро- хова- тость, мкм Rz, Ra	Парал- лель- ность между осями отвер- стий, мм	Перпен- дикуляр- ность осей к устано- вочной плоскос- ти, мм	Рассто- яние между осями, мм	Точ- ность отвер- стий, (квали- тет)
Отклонение на длине 100мм
Сверление Зенкерование Развертывание	Черновое Черновое Чистовое Тонкое	20-40 20 1,25 0,63	0,100 0,080 0,060 0,050	0,100 0,080 0,050 0,040	0,100 0,080 0,050 0,040	12 11 8 7
Отклонение на длине 300мм
Растачивание резцов. оправ- кой на расточ- ных, сверлиль- ных станках	Черновое Чистовое Тонкое	20 1,25 0,63	0,100 0,050 0,030	0,120 0,070 0,040	0,150 0,070 0,050	11 9 7
Растачивание резцов. оправ- кой на много- шпиндельных станках	Черновое Чистовое Тонкое	20 1,25 0,63…	0,080 0,030 0,020	0,100 0,040 0,030	0,120 0,050 0,040	11 9 7
Растачивание на алмазных расточных станках	Чистовое Тонкое	0,63 0,32	0,020 0,015	0,030 0,020	0,040 0,030	7 6

На промежуточных операциях назначают подачу 0,1 0,4 мм/об, а окончательную (чистовую) обработку ведут с минимальными пода- чами (менее 0,1 мм/об).

Глубину резания для окончательной операции также назначают не более 0,5 мм, а на промежуточных операциях общий удаляемый припуск может составлять 0,5 … 5,0 мм.

Практикой установлено, что на операциях предварительной обработки соотношение между глубиной резания и подачей может находиться в диапазоне 5 < t/S < 10. В случаях, когда доминирую­щим требованием является качество поверхности, то величину по­дачи выбирают из условия S = (0,100 … 0,125) t.

Выбор конкретных рабочих значений глубины резания и подачи ведут с учетом паспортных данных станка, выносимых, как прави­ло, на лицевую панель станка в виде таблицы, в которой взаимно увязаны глубина резания, подачи и числа оборотов шпинделя, предусмотренные конструкцией данного станка. Затем ведут дальнейший расчет остальных рабочих режимов резания и соответствующих технико-экономических показателей обработки.

1.4. Показатели обрабатываемости резанием

Под обрабатываемостью материалов понимают их способность поддаваться обработке режущими инструментами. Принято счи­тать, что материал обладает хорошей обрабатываемостью, если при резании этого материала износ инструмента, силы резания и шероховатость обработанной поверхности малы. Резание материа­лов, обладающих хорошей обрабатываемостью, характеризуется легким отделением стружки. Краткая характеристика обрабаты­ваемости сводится к следующему.

Сталь. С увеличением содержания углерода обрабатываемость ухудшается. Одновременно возрастает шероховатость поверхности и сила резания.

Содержание в стали 0,08 … 0,2 % серы улучшает обрабатывае­мость так как в структуре образуется хрупкая составляющая в виде множества субмикроскопических включений, которые нарушают сплошность феррита.

Увеличение содержания марганца при 0,35 … 0,45 % углерода ведёт к повышению прочности стали и снижению ее пластичности, вследствие чего обрабатываемость улучшается. Конструкционные стали, имеют повышенную и высокую обрабатываемость резанием, например, при содержании 0,6 … 1,0 % марганца.

Содержание до 0,2 % свинца повышает обрабатываемость ста­ли, так как субмикроскопические частицы свинца оказывают на инструмент смазывающее воздействие.

Содержание в стали алюминия и кремния снижает ее обраба- тываемость, возрастает шероховатость. В сталях образуются окислы алюминия и кремния, которые приводят к быстрому изнашиванию обрабатывающего инструмента.

Содержание хрома в стали ухудшает ее обрабатываемость, но не настолько, чтобы хромосодержащие стали относить к категории трудно обрабатываемых. В стойких к коррозии и жаропрочных сталях ухудшение обрабатываемости в основном вызывает не на­личие хрома, а содержание в их составе алюминия, кремния, ти­тана.

Никель, молибден, ванадий не ухудшают обрабатываемость ста­ли, если при их наличии сталь перед обработкой резанием под­вергнуть соответствующей термической обработке.

Особое влияние на обрабатываемость сталей оказывает каль­ций, добавляемый в количестве 0,001…0,006 %. Кальций способст­вует образованию в стали определенных оксидных включений, которые в процессе резания откладываются на поверхности режу­щего инструмента в виде легкоплавкого слоя и оказывают смазы­вающее воздействие. Микролегирование кальцием повышает об­рабатываемость в 1,5…3,0 раза по сравнению с базовой маркой ста­ли, полученной без добавления кальция.

Решающее влияние на обрабатываемость оказывает структура стали, которая может быть получена в результате той или иной термической обработки. По влиянию на рост интенсивности затупления инструмента структурные составляющие сталей располагаются в последовательности: феррит – точечный перлит – зернистый перлит – пластинчатый перлит – сорбитообразный перлит – сорбит-троостосорбит.

Шероховатость поверхности стальных деталей зависит от структуры стали. По влиянию на эту характеристику структурные составляющие сталей располагаются следующим образом: троостосорбит – сорбит – перлит – феррит. Чем больше содержится в стали свободного феррита, тем больше высота микронеровностей, получаемых при обработке резанием.

Чугуны. Имеют пониженную по сравнению со сталями обрабатываемость. На обрабатываемость резанием большое влияние ока­зывает твердость чугуна. Высокопрочный чугун с шаровидным графитом во всем диапазоне твердости имеет лучшую обраба- тываемость, чем серый. При переходе от высокопрочного чугуна к чугуну с перлитной металлической основой обрабатываемость ухудшается на 10…15 %.

Алюминиевые сплавы. Обладают лучшей по сравнению со ста­лями обрабатываемостью. На обрабатываемость литейных сплавов влияют содержание кремния, повышенная твердость соединений которого может отрицательно сказаться на стойкости инструмента.

Алюминиевые сплавы, как литейные, так и деформируемые, можно разделить на три группы:

высокой обрабатываемости - нестареющие деформируемые сплавы и стареющие деформируемые сплавы в отожженном со­стоянии;

удовлетворительной обрабатываемости - состаренные деформиру-емые сплавы и литейные сплавы с содержанием кремния (Si) менее 0,10 %;

пониженной обрабатываемости - литейные сплавы с содержа­нием Si < 0,10 %.

Титановые сплавы. Относятся к труднообрабатываемым матери-алам. Титановые сплавы марок ВТ1-0, ВТЗ-1, ВТ5 имеют низкую теплопроводность, высокую вязкость, склонность к наклепу, большой коэффициент трения (0,5). Для их обработки требуется инструмент из алмаза, эльбора, твердых сплавов и быстрорежущих сталей.

Вследствие повышенной чувствительности этих сплавов к кон­центраторам напряжений следует избегать применения шлифова­ния, заменяя его по возможности чистовой обработкой (точением или фрезерованием), так как при шлифовании на поверхности ма­териала могут образоваться микро царапины, являющиеся концен­траторами напряжений.

Пластические массы. В достаточно обширном перечне неметал- лических конструкционных материалов пластмассы занимают видное место. Они представляют собой материалы на основе природных или синтетических полимеров, перерабатываемых в изделия методом пластической деформации. По физико-механи- ческим свойствам при 20 °С пластмассы разделяют на жесткие, полужесткие и мягкие пластики.

Жесткие пластики характеризуются тем, что под внешним си­ловым воздействием при нормальной и повышенной температуре имеют малое удлинение и сохраняют свою форму. У полужестких пластиков остаточное удлинение обратимо и полностью исчезает при температуре плавления кристаллитов. Мягкие пластики отли­чаются тем, что при нормальной температуре обратимая часть де­формации исчезает с замедленной скоростью.

В большинстве своем пластмассы состоят из двух основных компонентов: смолы (связывающего) и наполнителя. В зависимости от поведения при нагреве связующего все пластмассы разделяют на термореактивные и термопластичные. Термореактивные пластмассы под действием тепла и давления (или инициатора) переходят в неплавкое и нерастворимое состояние, причем, этот процесс необратимый; термопластичные пластмассы при нагреве становятся пластичными и повторно затвердевают, но при последующей переработке физико-механические свойства несколько ухудшаются из-за перегрева, загрязнений, деструкции и т.п.

В зависимости от применяемого наполнителя пластмассы разделяют на чистые смолы (без наполнителя), композиционные и слоистые. В свою очередь, композиционные пластмассы делятся на порошкообразные, волокнистые и с наполнителем в виде крошки. Система из смолы и наполнителя, как правило, прочнее самой смолы. Условием усиливающего действия наполнителя является наличие остаточных сил сродства для смачивания между обоими компонентами. Наполнитель обуславливает композиту водостой­кость, химическую стойкость, диэлектрические свойства, тепло­стойкость, твердость и другие ценные качества.

Технические требования к деталям из пластмасс предопределе­ны служебным назначением этих деталей и практически мало чем отличаются от требований к деталям из металла. Так, например, требования к корпусам ракетных двигателей твердого топлива сводятся к обеспечению высокой прочности, герметичности и термостойкости. Такие корпуса обычно изготовляют из высоко- прочного анизотропного стекловолокна. Для корпусов электро- оборудования и электроприборов требуются пластмассы с высокими диэлектрическими свойствами, а для корпусов агрегатов – устой­чивость пластмасс к алифатическим углеводородам. Такое же тре­бование предъявляется и к пластмассам для изготовления емкостей для бензина, дизельного топлива и смазочных масел.

Шероховатость поверхностей пластмассовых деталей главным образом зависит от качества поверхности формующего инстру­мента (пресс-форм, матриц и других элементов конструкции, являющихся носителем формы штампуемой детали). Соответст-венно рабочие поверхности инструмента полируют, чтобы получить шер

шероховатость до 0,32…0,16 R_a; при этом в получаемых деталях обеспечивается уровень шероховатости 0,63…1,25 R_a. Шеро-ховатость обработки пластмасс непосредственно после резания зависит от способа обработки и имеет такое же численное значение.

Точность изготовления деталей из пресс-порошков методом прессования находится в пределах 12…17 квалитетов. При тщатель­ном соблюдении всех параметров технологического процесса и с применением качественного формующего инструмента можно получать детали по 9 квалитету точности.

Обработка резанием большинства жестких пластмасс затрудне­на, так как присущая им прочность вызывает быстрое затупление режущего инструмента. По качеству поверхности и прочности изде- лия из пластмассы, обработанной резанием, уступают прессованным и литым. Как правило, обработка резанием неизбежна для изготов- ления посадочных поверхностей, отверстий и других элементов сопряжения.

Особенности обработки композитов резанием по сравнению с обработкой металлов предопределяются свойствами связующего компонента, а именно: малой теплопроводностью, низкой тепло- стойкостью, большим коэффициентом теплового расширения, силь- ным абразивным воздействием на режущую кромку инструмента, значительным выделением пыли. Например, теплопроводность стеклопластиков в 200…300 раз меньше, чем у металлов. Поэтому в резец отводится тепла больше, чем в деталь. При этом нагреваются только поверхностные слои композита. Повышение температуры в зоне резания приводит к деструкции полимерного связующего, появлению прижогов на поверхности детали.

Существенным фактором, влияющим на обрабатываемость и качество поверхности, является тип армирующего наполнителя, твердые частицы которого оказывают сильное воздействие на ре­жущую кромку инструмента, неоднородность материала, его пле­тение влияет на шероховатость обработанных поверхностей. Даже незначительный износ инструмента сопровождается резким повы- шением температуры в зоне резания, что сопровождается ухуд- шением качества поверхности и снижением точности.

Мягкие пластики затруднительно обрабатывать, применяя тра- диционный способ резания, так как в процессе резания пластик имеет тенденцию отклонятся от режущего инструмента. Чтобы противодействовать этому движению, инструмент следует тща­тельно затачивать и работать при очень высокой скорости резания с малыми подачами, то есть стараются использовать инерционность покоя обрабатываемой детали. Из-за эластичности пластика зажимы, которые удерживают заготовку, не должны ее сильно сдавливать, иначе она деформируется. В ряде случаев, например, при токарной обработке пористых мягких пластиков, заготовку предварительно пропитывают водой и замораживают. Этим придают заготовке требуемую жесткость на период точения.

Дополнительным недостатком при механической обработке мягких пластиков является появление заусенцев. Обычно прихо­дится их снимать вручную. Есть примеры, когда заусенцы обла­мывают после их охрупчивания холодом. В то же время есть мягкие пластики, которые не охрупчиваются даже при глубоком холоде.

В связи с большим разнообразием пластмасс уточнение рекомендаций по их обрабатываемости можно осуществить только методом проб и подбора совокупности приемов, обеспечивающих рациональную резку материалов этого вида.

Количественная оценка обрабатываемости конструкционных материалов затруднена вследствие неоднозначности самого поня­тия «обрабатываемость». Чаще всего применяют метод, опираю­щийся на нормированное значение стойкости инструмента. При этом под стойкостью инструмента понимают промежуток времени, в течение которого износ инструмента достигает критерия износа, численные значения которого для всех возможных условий обра­ботки приводятся в справочной литературе. При достижении инструментом критерия износа резко возрастает сила резания и шероховатость обработанной поверхности. Существует понятийный аппарат, связанный со стандартной стойкостью инструмента, рав­ной, например, 60 минутам. Соответствующая скорость резания обозначается как V60.

Наиболее широко распространена шкала, основанная на при­нятии в качестве эталонного материала сталь Ст.45 (σ_в = 650 МПа, НВ < 179). Тогда обрабатываемость любого материала может быть оценена через коэффициент относительной обрабатываемости К_ν, который выражает относительную скорость резания, соответст­вующую 60-минутной стойкости резцов в сравнении с эталонной сталью. Он позволяет укрупнено оценивать обрабатываемость того или иного материала, не принимая во внимание особенности, свя­занные с применением различных инструментальных материалов, а также с возможной необходимостью обеспечения различной ше­роховатости обработанной поверхности. На рисунке 7 в качестве примера приведены графики обрабатываемости основных групп сталей. Стали на графиках в пределах каждой группы расположены в порядке возрастания содержания углерода.

1.5. Режущие свойства инструментов

Для современного машиностроительного производства харак­терно существующее и постоянно развивающееся разнообразие режущих инструментов. Типовые представители основных групп режущего инструмента показаны на рис. 8. Любой из инструментов, несмотря на различную внешнюю форму и назначение, имеет рабо- чую часть, элементы которой снимают стружку. В силу общности закономерностей процесса резания все виды режущего инструмента охвачены целым рядом обобщенных параметров и показателей. Важное место среди них имеют режущие свойства и ресурс инструмента.

Под режущими свойствами инструмента понимают способность инструмента обрабатывать конструкционные материалы, с тре­буемым качеством.

Основной показатель этих свойств - эксплуатационный ресурс инструмента. Этот ресурс оценивают:

а) числом однотипных обработанных заготовок;

б) длиной относительного рабочего пути;

в) площадью обработанных поверхностей;

г) объемом срезанного материала;

д) периодом стойкости и числом переточек;

е) общей длиной всех обработанных поверхностей заготовок. Ресурс инструмента предопределяется:

1) свойствами инструментального материала (то есть химический состав, структура, твердость, механические показатели прочности, допустимая температура, стойкость, износостойкость);

2) конструкцией инструмента (форма режущей части, жесткость, точность изготовления);

3) режимами резания (глубина резания, подача, скорость резания, охлаждающе-смазывающая жидкость);

4) состоянием металлорежущего станка и технологической осна­стки (жесткость конструкции, степень износа, виброустойчивость).

Рис. 7. Графики обрабатываемости сталей

Рис. 8. Представители основных групп режущего инструмента

1.6 Инструментальные материалы

По ходу развития технологии машиностроения постоянно созда- вались новые материалы для изготовления инструмента. Укрупнено эти материалы объединяются в следующие группы (по мере появления этих материалов в производстве):

а) углеродистые (типа У10А, У12А и под.) и низколегированные (типа В2, Ф, 9ХС, ХВГ и др.) стали;

б) быстрорежущие стали (вольфрамо-хромисто-ванадиевые), имевшие маркировку "Р": Р9, Р12, Р18 (18 % - вольфрама, 4,5 % -хрома, 1 % - ванадия), Р14Ф4, Р6М5 (с добавкой молибдена), Р6К5 (с добавкой кобальта) и др.;

в) твердые сплавы (металлокерамика типа ВКЗ, ВК6, Т14КЗ, то есть карбиды вольфрама и кобальта), получившие название "по­бедит";

г) минералокерамика и керметы, то есть минералокерамика, легированная тугоплавкими металлами;

д) синтетические и природные алмазы.

Основными требованиями к инструментальным материалам всегда были твердость, прочность, температуростойкость, теплопровод-ность, низкий коэффициент трения, износостойкость.

1.7 Рабочая часть инструмента, погрешность установки

Форма режущей кромки любого инструмента и характер его движения при взаимодействии с заготовкой предопределяют уро­вень шероховатости обработанной поверхности, а также отпечаток следа, оставляемого инструментом. Кроме того, геометрические параметры любого режущего инструмента ориентированны на вполне конкретное расположение инструмента на станке. В част­ности, при использовании резца для токарной обработки всегда предполагается, что его вершина установлена в плоскости оси вра­щения заготовки; геометрическая ось резца строго перпендику­лярна оси вращения заготовки; вектор скорости подачи Vs направ­лен вдоль оси вращения заготовки, то есть перпендикулярно гео­метрической оси резца.

При соблюдении этих условий параметры резца, указанные на его чертеже, имеют истинное значение. Любые отклонения от этих условий, появившиеся случайно или преднамеренно, равнозначные замене резца исходной конструкции резцом, имеющим иную форму и геометрические параметры режущей части. В результате может измениться ширина поверхности резания, направление схода стружки (рис.9), сместятся места износа инструмента, снизится его стойкость, изменится сила резания и т.д.

Смещение резца в вертикальном направлении также равнознач­но изменению конструкции его режущей части. При этом вектор скорости резания отклоняется (вправо или влево) от вертикального направления (рис.10).

1.8 Кинематика и физический механизм резания

Кинематика резания рассматривает систему движений, имеющих место в процессе резания с момента, когда лезвие режущего инст- румента вступает в контакт с обрабатываемой поверхностью заготовки, и до момента, когда этот контакт прекращается. При этом ориентация лезвия относительно обрабатываемой поверхности является целенаправленной, так как обобщенно под резанием понимают конкретный метод формообразования деталей, осно­ванный на удалении определенного слоя материала с обрабаты­ваемой поверхности. Поэтому основой физического механизма резания является разрушение удаляемого слоя в соответствии с заданной схемой формообразования.

На основании технологических и экономических соображений этот механизм разрушения регламентируется требованиями по точности размеров, форме, качеству и взаимному расположению обработанных поверхностей.

Все движения, имеющие место в системе резания, анализи- руются с учетом их значимости в процессе резания. Например, в случае токарной обработки суммируются прямолинейное движение режущего лезвия с соответствующим вектором вращательного движения заготовки. Результирующее движение является движе­нием резания. Вектор скорости этого движения всегда направлен по касательной к траектории движения резания.

На основе анализа сочетаний исходных движений сформирова­ны принципиальные кинематические схемы резания, которые включены в квалификационный реестр. Всего в реестре собрано

Рис. 9. Влияние угла наклона главной режущей кромки λ на направление отходящей стружки (при t = s)

несколько сот схем. На основании этих схем формируют рацио­нальную геометрию режущей части проектируемых инструментов, обеспечивающих задаваемый режим формообразования деталей.

Таким образом кинематика резания рассматривает закономерно­сти суммирования векторов, характеризующих все целенаправ- ленные исходные движения, сообщаемые инструменту и заготовке, и обеспечивает экономическую, а также качественную и количест­венную оценку результатов такого суммирования.

1.9 Процесс стружкообразования

В процессе резания лезвие инструмента удаляет общий припуск за несколько приемов, то есть слоями, толщина которых обычно меньше одного миллиметра. В ряде случаев толщина удаляемого слоя может быть большей. Физико-механические свойства удаля- емых слоев заметно отличаются от свойств исходного материала, так как удаление сопровождается пластическим деформированием и нагревом с последующим охлаждением на воздухе. Особенностью процесса резания является также тот факт, что пластическое деформирование и разрушение срезаемого слоя сопровождается появлением двух новых поверхностей: одна на обрабатываемой заготовке, другая - на срезанной стружке.

Внешний вид стружки в определенной мере зависит от скорости резания и толщины срезаемого слоя.

Практика показала, что впереди режущего лезвия движется со скоростью резания очаг пластически деформированного слоя. Гра­ницей очага является угол θ скалывания. Впоследствии этот угол стали называть углом сдвига (рис. 11).

Рис.10. Положение вершины резца относительно оси заготовки и влияние на углы резания.

Рис. 11. Углы сдвига θ и действия ψ, определяющие положение плоскости сдвига

Анализ механизма стружкообразования показывает, что силовое взаимодействие режущего клина, имеющего угол β (рис. 11), со срезаемым слоем сопровождается усадкой образующейся стружки: исходная длина ₁ срезаемого слоя больше средней длины ₂ получившейся стружки. Соотношение этих длин представляет собой коэффициент усадки К:

K= ₁/ ₂

С учетом того, что передний угол γ инструмента всегда является известной величиной, И.А. Тиме в своё время составил формулу для вычисления усадки через угол γ и угол θ сдвига:

K = cos(θ - γ) / sinθ.

При известной величине усадки на основании этих двух уравнении представляется возможным вычислять величину угла сдвига.

Направление плоскости сдвига подвержено саморегулированию:

увеличение скорости резания (при равных прочих условиях) ведет к запаздыванию пластической деформации. Это является причиной увеличения угла θ и, соответственно, уменьшения деформации срезаемого слоя.

По внешнему виду и строению стружку разделяют на три типа (рис.12)

1). Стружка скалывания (или элементная стружка). Состоит из пластически деформированных и взаимно смещенных друг относи- тельно друга элементов, но достаточно прочно скрепленных между собой по плоскости сдвига. Образуется при срезании толстых слоев у сталей с пониженной пластичностью и при малых скоростях резания.

2). Сливная стружка. Образуется при высоких скоростях реза­ния тонкого слоя высокопластичного металла. Стружка имеет вид длинной завивающейся ленты.

3). Стружка надлома. Образуется при обработке хрупких ме­таллов типа чугун, бронза, бериллий. Имеет вид сыпучих мелких осколков разнообразной формы.

Рис. 12. Классификация стружки по И.А. Тиме: а – стружка скалывания; б – стружка сливная; в стружка надлома

1.10 Наростообразование

Рабочие поверхности инструмента, контактирующие с поверх-ностью резания и поверхностью удаляемого слоя, практически на­ходятся в условиях, сходных с условиями сухого трения. По этой причине пластически деформируемый слой налипает на рабочие поверхности инструмента в зоне режущих лезвий и образует на­рост в виде сильно деформированных комочков.

Образование наростов при резании конкретного материала зави­сит от режимов резания, точнее - от соотношения подачи и скоро­сти резания.

Схема формирования нароста представлена на рис.13, где приня­ты следующие обозначения: а – толщина срезаемого слоя; а_с – часть слоя, уходящая в стружку; а_н – часть слоя, доля которого формирует нарост; А_пБ_п – дуга, очерчивающая носок нароста; а₁б₁ – исходный граничный слой нароста; v – вектор скорости резания.

При значительной пластичности обрабатываемого материала нарост становится достаточно плотным и фактически превращается в элемент режущей кромки обрабатывающего инструмента. Этим существенно изменяются условия резания, так как нарост пред­ставляет собой самопроизвольно возникшее рабочее лезвие, твер­дость которого в 2…3 раза превышает твердость обрабатываемого металла. При этом конструктивные режущие элементы инстру­мента играют лишь роль опорных поверхностей для образовавше­гося нароста.

Я.Г. Усачев первым объяснил нарост как застойную зону сильно деформированного металла у очага резания на передней поверх­ности резца. Последующие исследования отечественных и зару­бежных ученых подтвердили это положение.

Основные последствия, к которым приводит появление наростов:

а) в процессе увеличения высоты нароста увеличивается факти-ческая величина глубины резания и, соответственно, изменяются размеры обработанных деталей;

б) на обработанных поверхностях остаются продукты разру-шения наростов в виде твердых внедрившихся в поверхность частиц, местные уступы и трещины, то есть возрастает шерохо-ватость, появляется неравномерность упрочнения обработанной поверхности.

Наросты не повышают износостойкость инструмента.

Рис. 13. Схема формирования нароста из материала срезаемого слоя

Рис. 14. Составляющие силы резания

1.11 Сопротивление резанию

1.11.1 Источник сопротивления сил резания

В процессе обработки с поверхности заготовки удаляется слой материала - припуск на обработку. При этом перемещаемуся лез­вию инструмента противодействуют силы сопротивления мате­риала, направленные по траектории относительного рабочего движения. Результирующая этих сил равна силе резания и обычно обозначается буквой Р.

Силы сопротивления отличаются нестабильностью по ходу процесса резания и могут колебаться в диапазоне ± (5 10) % от средней величины. Наряду с этим может колебаться и направление вектора силы резания, что приводит к возникновению нежелатель­ной вибрации системы «станок – приспособление – инструмент – деталь» (СПИД), так как вибрация отрицательно влияет на качество обработанной поверхности.

При детальном исследовании процесса резания формируют набор компонент силы сопротивления. К источникам этих силовых компонент, уравновешивающих внешнюю силу, предопределяемую соответствующими механизмами станка, относятся:

а) сопротивление обрабатываемых материалов пластической деформации, возникающей при стружкообразовании;

б) сопротивление пластически деформируемых материалов разрушению в местах возникновения новых поверхностей;

в) сопротивление срезаемой стружки дополнительной деформа­ции изгиба и ломки;

г) сила внутреннего трения и трения на лезвии и других рабочих трущихся поверхностях инструмента.

1.11.2 Компоненты силы резания

При анализе результирующей силы, возникающей в процессе резания, традиционно пользуются декартовой (прямоугольной) системой координат. Нулевую точку отчета располагают на вершине резца (рис. 14).

При этом Р_у называют радиальной составляющей, Р_х – осевой, P_z – вертикальной (главной) составляющей. Соотношение между величинами составляющих непостоянное.

Инструмент в процессе резания изнашивается. Замечено, что износ передней грани инструмента очень мало влияет на соотно­шение составляющих силы резания, а износ задней поверхности существенно влияет на значения горизонтальных составляющих Р_х и Р_у. За период стойкости инструмента (к моменту, когда инстру­менту необходима очередная переточка) практически устанавли­вается равенство всех трех составляющих сил резания: Р_х Р_у P_z.

Все прочностные расчеты инструмента и других элементов конструкции, воспринимающих силу, ведут, ориентируясь на наи­большие значения одной из составляющих сил резания.

Максимально возможное значение силы имеет составляющая Р_z. По этой причине в технологии машиностроения обычно под силой резания понимают величину P_z и в расчетных уравнениях ее принимают без индекса. В тех случаях, когда известны все три составляющие, результирующую силу резания вычисляют по пра­вилу сложения векторов:

(1)

При нормальных условиях работы численное соотношение составляющих

Р_z : Р_y : Р_x = 1 : 0,4 : 0,25.

Подстановка этих численных величин в уравнение (1) показывает, что Р 1,11Р_z. Но для многих технических расчетов эта разница в 11 % не имеет практического значения.

1.11.3 Теоретический анализ силы резания

Теоретический анализ процесса резания сводится к составле­нию математических уравнений для вычисления силы с учетом других параметров резания. В свою очередь сила резания предопределяет величину энергетических затрат, необходимых для обработки материалов резанием в целом.

При выводе уравнения силы резания обычно исходят из того, что величина этой силы уравновешивается величиной сопротив-ления пластически деформируемого металла стружкообразованию и величиной возникающих сил трения. То есть формируют перечень элементарных сил, совместное действие которых составляет реактивную силу, эквивалентную внешней силе, порождаемой станочным приводом. В этом случае схема действующих сил представляется схемой, показанной на рис.15 и 16, из которых (по Г.И.Грановскому) следует:

P = cos . (2)

В свою очередь R = . (3)

Таким образом (4)

С учетом того, что перпендикулярно к плоскости скалывания расположенной под углом θ относительно вектора силы Р, возникает дополнительная сила N, а в плоскости скалывания - сила, равная

F= τab/sin θ (5)

Здесь a и b - толщина и ширина срезаемого слоя; τ - касательное напряжение вдоль плоскости сдвига.

В итоге уравнение силы резания приводится к виду:

P = C f_н τ, (6)

где f_н= a  b – площадь поперечного сечения срезаемого слоя; С- коэффициент, учитывающий входящие в уравнения (2) – (4) без-размерные величины и вычисляемый по уравнению:

С = [(1 – f₁)²cosγ + 2f₁sinγ] / {sinθ [(1 – f₁ f₂)cos(γ-θ) +

+ (f₁ + f₂)sin(γ - θ)]}.

Здесь γ- передний угол инструмента; θ- угол сдвига срезаемого слоя; f_1,f₂- коэффициенты внешнего и внутреннего трения.

Рис. 16. Схема сил сопротивления металла пластической деформации и разрушения при стружкообразовании

Рис. 15. Схема сил, действующих на лезвие резца

Часто с целью дальнейшего упрощения вычислений произве-дение Сτ, входящее в уравнение (6), без дополнительных моти- ваций заменяют произведением К_рσ_в. Тогда уравнение силы полу-чает вид:

Р = К_р σ_в f_н. (7)

Здесь σ_в – предел прочности обрабатываемого материала находимый в результате обычных испытаний на растяжение при комнатной температуре; К_р – коэффициент, численное значение которого для конструкционных сталей находится в диапазоне К_р =

= 2,3- 2,8. Например , для стали Ст.45 К_р=2,5.

Для конкретного применения уравнения (7) надо принимать во внимание следующие соображения.

Выполненные расчеты показывают, что численные значения коэффициентов С и К_р находятся в одном и том же диапазоне изменений.

Замена касательного напряжения τ нормальным напряжением действительно необходима и это подтверждается анализом меха-низма пластичного течения материала в очаге резания. Такой анализ базируется на мнении, что для всех твердых пластически дефор-мируемых тел законы о взаимных связях между касательными и нормальными напряжениями едины. Численные значения макси-мальных касательных напряжений, возникающих вдоль плоскости сдвига срезаемого слоя, предопределены условием пластичности Сен-Венана - Треска, а именно: под действием внешней деформи-рующей силы материал начинает пластически течь, когда одно из главных касательных напряжений достигает максимального значения, равного половине предела текучести σ_т, находимого при испытаниях на растяжение (сжатие). Это условие о соотношении между максимальным касательным напряжением и пределом теку-чести материала характерно для случая одноосного напряженного состояния. Что же касается процесса стружкообразования, то для него характерны как изменение ширины срезаемого слоя при его переходе в стружку, так и продольная усадка стружки. При таком сложном напряженно-деформированном состоянии материала в очаге резания следует считать, что τ = 0,5βσ_т, где β - коэффициент Лодэ, учитывающий схему напряженно-деформированного состо-яния материала. При объемном напряженном состоянии материала β= 1,15. Соответственно, в этом случае τ = 0,56 σ_т. Однако для анализа пластического течения материала в очаге резания σ_т не годится для роли нормирующего критерия, так как является условной величиной, которую выбирают на кривой упрочнения при задаваемых значениях степени деформации. Например, в справоч-ной литературе есть сведения о целом ряде нормативных значений напряжений, взятых на кривой упрочнения в зоне перехода металла от упругих деформаций к пластическим : σ_0,2; σ_0,05; σ_0,01. Каждое из этих напряжений соответствует предварительно назначаемой величине остаточного удлинения расчетной длины l₀ испытуемого образца на растяжение (0,2 %; 0,05 %; 0,02 %; 0,01 %). В обычной практики технологии машиностроения чаще всего оперируют величиной предела текучести σ_т = σ_0,2. В свою очередь, переход от касательного напряжения к нормальному напряжению (в виде предела текучести) не оправдан тем, что в процессе резания нет условий для чистого сдвига удаляемого слоя. Здесь имеется в виду то обстоятельство, что в любом случае изначально и независимо от качества заточки режущее лезвие инструмента контактирует с обрабатываемым металлом не по линии (одно из основных условий чистого сдвига) а по некоторой реальной площадке, постоянно увеличивающейся по мере притупления режущей кромки. У этой площадки зарождается нарушение сплошности в материале, то есть удаляемый слой отделяется от остального материала.

Нарушение сплошности деформируемого материала (срезание слоя) свидетельствует о том, что нормальное к упомянутой площадке напряжение численно превосходит не только величину касательного напряжения, но и величину предела текучести. К этому следует добавить, что достаточно корректные экспериментальные исследования проф. Лоладзе Т.Н., связанные с изучением стружко-образования при резании металлов, показали, что у корня стружки нет активного бокового течения металла вдоль плоскости сдвига.

Все это говорит о том, что известные системы внутренних элементарных сил сопротивления резанию, содержащие в своей структуре силу F = τab/sin θ (здесь ab- размер плоской поверхности , вдоль которой теоретически должны бы действовать касательные напряжения τ), не пригодны для формирования аналитического уравнения силы резания.

Приемлемая схема механизма силового воздействия на очаг пластического деформирования, который находится в зоне резания, достаточно полно поясняется рисунком 17, где Р- сила резания и ее

Очаг пластического деформирования

Рис. 17. Деформирующие компоненты силы резания

компоненты: Р_сж - сжимающая сила, Р_и - сила, предопределяющая искривление стружки.

Объективность существования компоненты Р_сж поясняется тем, что процесс резания сопровождается заметной усадкой стружки, то есть стружка оказывается короче длины той поверхности, с которой срезана эта стружка. В свою очередь, наблюдающееся искривление стружки, уходящей из очага резания, может быть только резуль-татом действия боковой силы Р_и.

С учетом существующих представлений о поведении срезаемого металла в очаге резания необходимыми исходными предпосылками для формирования уравнения силы резания являются:

1) весь объем пластической деформации срезаемого слоя нахо-дится в очаге резания;

2) объем V₀ металла, составляющий зону пластического дефор-мирования, до и после деформации остается неизменным;

3) усадка стружки предопределяется исключительно пласти-ческой деформацией сжатия объема V₀, находящегося в очаге резания;

4) усадка стружки является результатом действия силы Р_сж, сжимающей очаг деформирования в направлении, перпендику-лярном плоскости сдвига;

5) сопротивлением материала сжимающей силе Р_сж являются нормальные напряжения, возникающие в деформируемом объеме в процессе сжатия как реакция сжимающей силе.

В каждый момент действия сжимающей силы истинная отно-сительная деформация ε сжатия составляет dε = dl/l, где l- текущая высота деформируемого объема, расположенного на плоскости сдвига.

После интегрирования в пределах от (начальная высота деформируемого объёма) до (конечная высота деформируемого объёма) величина истинной относительной деформации составляет:

(8)

Так как отношение высот и представляет собой коэффициент усадки К= , то из уравнения (8) следует, что = , где е - основание натурального логарифма. В итоге связь между степенью деформации и коэффициентом усадки стружки имеет вид:

К= (9)

Деформирующая сила сжатия Р_сж по своей сути является составляющей силы резания. При этом

Р_сж= , (10)

где - предел прочности обрабатываемого материала при темпе-ратуре очага резания.

При составлении уравнения (10) учтено, что ориентировать расчет на применение напряжения σ_τ целесообразно по следующим соображениям:

1. максимально возможные численные значения нормальных напряжений в очаге резания близки к пределу прочности обраба-тываемого материала;

2. современное материаловедение располагает сведениями о пределе прочности конструкционных материалов при нагреве в достаточно широком диапазоне высокой температуры;

3. для ряда металлов и сплавов наблюдается некоторое повышение σ_τ (по сравнению со значением предела прочности при 20 ^οС) в диапазоне температуры, характерной для усредненных её значений в очаге резания.

В качестве примера зависимость предела прочности от температуры для ряда конструкционных материалов, представлена в табл. 7.

Данные таблицы 7 свидетельствуют о том, что в диапазоне температуры (100-400) ^оС у многих конструкционных сталей наблю-дается заметный всплеск значений предела прочности по мере роста температуры. Причём, именно этот температурный диапазон харак-терен для очага резания.

Таблица 7 Предел прочности σ_τ [МПа] сталей при повышенной температуре

Марка стали	Температура, 0С
	20	100	200	300	400	450	500	550	600
08 15 25 30 35 40 45	318 336 502 568 545 505 639	306 339 508 522 516 - 605	403 385 570 632 590 510 702	385 392 550 675 592 500 728	280 307 476 632 512 - 573	243 269 404 - 429 - 489	201 211 337 443 365 290 383	- 156 254 - 297 - 312	- 111 150 240 197 160 222

Так как , где t и S –глубина резания и подача, то уравнение (10) получает вид:

Р_сж= σ_τtSK (11)

Так как вектор силы резания Р действует параллельно направлению подачи, то с учётом угла θ сдвига, координирующего положение плоскости сдвига, уравнение для вычисления силы резания получает вид:

Р= Р_сж/cosθ= σ_τtSK /cosθ (12)

По аналитическому уравнению И. А. Тиме коэффициент К усад-ки стружки вычисляется, исходя их соотношения между передним углом γ резца и углом θ сдвига:

К= cos(θ-γ)/sinθ (13)

Cледовательно, сила резания Р вычисляется по уравнению P= (14)

Достоинством расчётных уравнений (12) и (14) является то, что для предварительного (прикидочного) расчёта всегда известны глубина резания t, подача S и передний угол γ резца. Величину угла θ всегда есть возможность уточнить по уравнению (13); на основании экстремально находимого коэффициента К; значение σ_τ при температуре (20 400) ^оС в очаге резания в среднем находится в диапазоне σ_τ = (1,0 1,11)σ_в, где σ_в- предел прочности материалов при комнатной температуре (см. табл. 7).

1.11.4. Гидродинамика течения срезаемого слоя

К середине 30-х годов ХХ века, кода развитие индустрии Советского Союза находилось на подъёме, требующем создания мощной техники, появилась необходимость в сжатые сроки изготовлять большое количество деталей, имеющих значительную протяжённость обрабатываемых поверхностей. Соответственно, за короткий период времени накопились обширные экспери-ментальные данные из практики токарных работ, выполнявшихся при высоких скоростях резания. Эти результаты показали, что движение инструмента при скоростном резании, а также наблюдаемая природа явлений, возникающих при обработке резанием в скоростных условиях, не вписывается в существовавшие на то время каноны теории стружкообразования. Поэтому сформировалась основа для объяснения процессов, опиравшаяся на закономерности гидродинамики течения жидкости, а не на сущность сложившейся на то время теории стружкообразования. При этом было учтено, что в основе резания лежит пластическая деформация, а скалывание является частным случаем, когда речь идёт об обработке хрупких металлов типа чугун, бронза и подобные.

В случаях, когда резание сопровождается только пластическим течением металла в очаге деформации, процесс отделения припуска подобен потоку вязкой жидкости, обтекающему рабочие элементы резца. При этом процесс резания подчиняется основным положениям гидродинамического течения среды. Такое течение удаляемого слоя в определённой мере иллюстрируется пласти-ческим течением стружки относительно наростов, образующихся на рабочих поверхностях режущего инструмента и имеющих обтекаемую форму. В соответствии с этим гидродинамическая теория резания предопределила идею создания удобно обтекаемой режущей поверхности инструмента. Проверка этой идеи на практике показала, что, например, при точении с удобно обтекаемой поверхностью в 2-4 раза повышается режим резания (за счёт увеличения подачи) без снижения стойкости этих резцов. В конце 40-х годов ХХ века этим, в частности, славились в стране токари В.А. Колесов (Средне-Волжский станкостроительный завод), П.Б. Быков, А.П. Марков, В.К. Семинский, А.Н. Гончаров и многие другие.

Примечательно, что как для пластичных, так и для хрупких обрабатываемых материалов сопротивление резанию определяется одним и тем же уравнением:

Р= , (15)

где С_х – коэффициент сопротивления; p – плотность обрабаты-ваемого материала; F – поперечное сечение срезаемого слоя; - скорость резания.

Из уравнения (15) видно, что сопротивление материала резанию пропорционально скоростному напору. В случае обработки металла с большим объёмом пластической деформации скоростной напор создаётся потоком разрушенного материала. При этом считается, что не зависимо от рода обрабатываемого материала (пластического или хрупкого) основное количество тепла в процессе стружко-образования выделяется за счёт работы сил внутреннего трения.

1.11.5. Экспериментальная оценка силы резания

Расчётные уравнения (7) и (14), получаемые на основании анализа системы сил, возникающих в очаге взаимодействия режущего лезвия с материалом обрабатываемой заготовки, не дают непосредственной связи силы резания со скоростью резания. Это создаёт неудобства, так как техника практического резания ориентирована на предварительное назначение глубины резания и подачи, при отсутствии прямого ответа на вопрос о величине скорости силы резания. Этим предопределена необходимость экспериментально выявлять зависимость величины возникающей силы резания основных параметров резания, применяя специально разрабатываемые динамометры. Принцип действия динамометров основан на измерении величины упругой деформации, возникающей под действием силы резания. Затем величину деформации при помощи тарировочных графиков пересчитывают в показания единиц деформирующей силы. В практике известны одно-, двух- и трёхкомпонентные динамометры. Простейшим и достаточным для определения величины главной составляющей силы резания являются однокомпонентные динамометры. Принципиальные схемы действия таких динамометров показаны на рисунках 18 и 19.

Изменяя какой-либо режимный параметр (например, глубину резания) при неизменных всех прочих параметрах, набирают число проверок, достаточных для построения графика. Затем полученную кривую аппроксимируют математической зависимостью типа

P_t = C_t tⁿ (16)

и находят цифровые значения коэффициентов С_t и n. Естественно, что при расчётах по таким образом полученным уравнениям единицы измерения всех параметров должны в точности соответствовать тем, которыми пользовались при построении экспериментальных графиков.

Для того, чтобы выявить степень зависимости силы резания от подачи S и скорости резания ν, проводят экспериментальные исследования при изменяющихся значениях S и ν – соответственно, выдерживая постоянными два других параметра: t и ν – в первом случае, t и S – во втором. Аппроксимируя экспериментальные графики математической степенной зависимостью, получают уравнения:

P_s = C_s S^ns при t=const; ν=const; (17)

P_v= C_v vⁿ при t=const; S=const; (18)

Рис. 18. Схема измерения силы резания гидравлическим динамометром

Рис. 19. Схема измерений силы резания тензоэлектрическим динамометром

Нахождение численных значений коэффициентов и показателей степени является составной частью методики аппроксимирования экспериментальных графиков. Посредством последующей графо-аналитической обработки уравнений (16) (17), и (18) получают обобщающее уравнение, которое устанавливает комплексную зависимость силы резания от глубины резания, подачи и скорости резания:

(19)

где С_р – коэффициент , зависящий от физико-механических свойств обрабатываемого материала и условий обработки;

x_p, y_p, n_p- показатели степени, зависящие от режимов резания;

К_р- поправочных коэффициент, учитывающий отклонение условий резания от нормативных.

Основное достоинство полученного уравнения (19) в том, что установлена математическая связь между силой резания и основным параметрами: глубиной резания, подачей и скоростью резания. Тем более, что процесс обработки резанием начинают, предварительно назначив t и S, а для скорости резания отдельно сформирована эмпирическая зависимость типа:

v = C_v / t^x S^y , (20)

где С_v – табличный коэффициент, характеризующий обрабаты-ваемый материал при определенных условиях работы; x, y – табличные показатели степени, численные значения которых установлены для каждой группы обрабатываемых материалов при конкретных диапазонах изменения глубины резания t и подачи S.

На основании уравнения (20) при назначенных величинах t и S предварительно вычисляют скорость резания по уравнению (20). Это найденное значение скорости является ориентировочным, и его используют для прикидочного вычисления требуемого числа оборотов n инструмента или детали (в зависимости от способа резания). Например, как уже упоминалось, при токарной обработке скорость резания

v = π D n / 1000, откуда n = 1000 v / π D. (21)

Полученное число n сверяют с набором чисел оборотов станка, на котором будет реализовываться резание. Выбрав число оборотов, ближайшее к расчетному, обратным вычислением уточняют скорость которая будет иметь место при резании, и это же значение скорости используют в уравнении (19) для вычисления силы резания.

Недостатком уравнения (19) является то, что расчёт по этому уравнению характеризуется большой трудоёмкостью, так как необ-ходимо оперировать большим числом табличных коэффициентов, а результат вычисления, в конечном счете, получает весьма прибли-зительное значение силы резания по целому ряду причин. Основные причины следующие.

1). Сама по себе аппроксимация, то есть приближение экспериментального графика к теоретическому графику, имеющему математическое описание в виде степенной зависимости, сопро-вождается вполне конкретным несовпадением сближаемых кривых. Несовпадение оценивается величиной погрешности, которая даже в первом приближении может выходить за пределы, приемлемых для инженерных расчётов.

2). Дополнительные погрешности вносит методика графо-ана-литических построений уравнения.

3). Очень большое число таблично представленных коэффи-циентов при грубо упрощённой классификации как материалов инструмента (типа «твёрдый сплав», «быстрорежущая сталь»), так и обрабатываемых материалов (типа «сталь», «чугун»).

4). Наличие дополнительных коэффициентов, характеризующих взаимно связанные показатели: коэффициент, учитывающий износ инструмента; коэффициент, учитывающий стойкость инструмента; коэффициент, учитывающий, например, величину главного угла в плане резца, хотя этот угол по своей сути предопределяет длину участка лезвия, непосредственно участвующей в резании, и, соответственно, подвергающуюся износу.

1.11.6. Энергозатраты на резание

На стружкообразование, связанное с удалением срезаемого слоя, тратится определённое количество энергии. Если векторы силы Р и скорости ν резания совпадают, то эффективная мощность N_э составляет

N_э=60Рν. (22)

Здесь N_э измеряется в киловаттах, если Р в килоньютонах, и ν – в метрах в минуту. С учётом коэффициента полезного действия мощность электродвигателя металлорежущего станка составляет:

(23)

Мощность, развиваемая осевой составляющей Р_х силы резания, N_эх= P_xnS где n – частота вращения обрабатываемой детали, S – продольная подача. Мощность от радиальной составляющей Р_y силы резания равна нулю, так как вектор этой силы перпендикулярен вектору скорости резания. Мощность от вертикальной силы Р_z равна N_эz=P_zν.

Скорость подачи, выраженная произведением nS, примерно на два порядка меньше окружной скорости ν. Поэтому доля мощности N_эх составляет 1-2 % от всей развиваемой мощности. В соответствии с этим, аналогично тому, как в расчётах силу Р_z отождествляют с общей силой Р резания, так и считают, что N_эz=N_э.

12. Температура в очаге резания

1. Источники тепла

Процесс резания сопровождается выделением тепла в зоне силового контакта инструмента с поверхностями, образующимися по мере срезания удаляемого слоя (имеются в виду обработанная поверхность, поверхность резания и поверхность стружки, скользящей по передней грани режущего инструмента). Кроме того, значительное количество механической работы, затрачиваемой на пластическое деформирование, результатом которого является усадка стружки, переходит в тепло (тепло внутреннего трения).

По относительному количеству выделяемого тепла источники теплообразования располагаются в следующем порядке:

1. выделение тепла за счет внутреннего трения, обусловлен-ного наличием большого объёма пластической деформации и работой разделения удаляемого слоя на полосы в виде стружки;

2. выделение тепла за счет работы силы трения на передней поверхности инструмента (у режущего лезвия);

3. выделение тепла за счет работы силы трения по задней поверхности инструмента (вблизи режущего лезвия);

4. выделение тепла за счет внутреннего трения в объёме материала, располагаемого под плоскостью сдвига и в верхнем слое обработанной поверхности, о чем свидетельствует остаточное повышение микротвердости в указанных местах.

Взаимное расположение указанных источников тепла обуслов-ливает неравномерность температурного поля, возникающего в объёме очага резания. В свою очередь, на неравномерность темпе-ратурного поля влияет характер рассеивания (отвода) тепла из очага резания. Так, основное количество тепла (75…80 %) уходит со стружкой при высокой скорости её схода. Этим подтверждается тот факт, что работа пластического деформирования металла, находя-щегося в очаге резания, является основным источником тепла. Доля тепла, идущего в инструмент, колеблется в диапазоне 19…22 %, а количество тепла, выделяющегося за счет работы сил трения на задней поверхности резца, составляет 2…3 % от всего тепла, возникающего в процессе резания.

Неравномерность теплового поля предопределяет неравно-мерное распределение температуры как по объёму очага резания и поперечному сечению стружки, так и в прилегающих участках инструмента и обработанной поверхности детали. В частности, на основании экспериментальных исследований и аналитических расчетов температуры в зоне резания (проф. Резников А.Н.) составлены поля температуры в стружке, в обрабатываемой заготовке и в сечениях инструмента. Выявлено, что в плоскости соприкасания стружки и передней грани инструмента температура может достигать 900 ^оС; в теле обрабатываемой заготовки (у очага резания) – до 200…250 ^оС.

Высокая температура влияет на механические свойства обра-ботанной поверхности и снижает стойкость режущего инструмента.

2. Отвод тепла и снижение температуры

Общее количество выделяемого тепла можно уменьшить изменением режима резания, например, уменьшив глубину резания, подачу и скорость резания. Однако этот путь нежелателен, так как приводит к снижению производительности труда. Поэтому в практике обработки материалов резанием всегда много внимания уделялось анализу приёмов, направленных на отвод тепла из очага резания. Так, опыт показал, что для повышения стойкости режущего лезвия инструмента определенное положительное значение имеет увеличение массы резца (за счет увеличения его поперечного сече-ния). В свою очередь материал резца должен иметь максимально возможную теплопроводность. При этом учитывают, что в широко применяемых легированных инструментальных сталях вольфрам и ванадий снижают, а молибден, кобальт и титан, наоборот, повышают теплопроводность.

Наиболее эффективным приёмом отвода тепла является охлаждение всей зоны резания струей смазывающе-охлаждающей жидкостью (СОЖ).

Смазывающе-охлаждающие жидкости не только поглощают и отводят часть выделенного тепла, но и способствуют уменьшению тепловыделения, так как облегчают процесс стружкообразования и снижают трение. При этом. чем выше теплоёмкость и теплопро- водность СОЖ, тем выше эффект охлаждения.

Установлено, что СОЖ следует подводить к месту отделения стружки в достаточном количестве и при высоких скоростях (до 20 литров в минуту). Не все СОЖ одинаково эффективны. Так, водный содовый раствор только охлаждает, но за счёт активного отвода тепла представляется возможным повышать скорость резания на 20…30 %, работая инструментом, изготовленным из быстро-режущей стали.

Смазывающим действием хорошо проявляет себя эмульсия, поскольку представляет собой жидкость,в которой находятся во взвешенном состоянии микроскопические капельки другой жидкости. В металлообработке эмульсия – это смесь воды с жиром и щелочью. В случаях, когда, применяя эмульсию, хотят повысить её способность отводить тепло, снижают ей температуру до +2 ^oC.

Более высоким смазывающим свойством обладают сульфо-фрезолы (то есть осерненные масла). Ряд жидкостей (в том числе керосин) положительно влияет на снижение шероховатости обра-ботанной поверхности.

Литература для самостоятельной работы

1.Армарего И. Дж. А., Браун П.Х. Обработка металлов резанием /Пер. с англ. к.т.н. В.А.Пастунов. – М.: Машиностроение, 1977.

2.Аршинов В. А., Алексеев Г. А. Резание металлов и режущий инструмент Изд. 2-е перер.и доп. – М.: Машиностроение, 1968.

3.Барботько А.И. Моделирование и исследование процесса ре-зания материалов: Учебное пособие. – Воронеж: Изд-во ВГУ, 1998. – 368 с.

4.Барботько А.И., Зайцев А.Г. Теория резания металлов. Ч. 1. Основы процесса резания. – Воронеж: Изд-во ВГУ, 1990.

5.Грановский Г.И., Грановский В.Г. Резание металлов: Учебник для машиностр. и приборостр. спец. вузов. – М.: Высш.шк. 1985.

6.Коженкова Т.И., Фельдштейн Е.Э. Лабораторные работы по резанию металлов. – Минск: Вышэйш.шк., 1985.

7.Ламм М.М. Гидродинамическая теория резания металлов и практика её применения. – Харьков: Изд-во ХГУ, 1966.

8.Нефедов Н.А., Осипов К.А. Сборник задач и примеров по резанию металлов и режущему инструменту. 3-е изд.,перераб. И доп. – М.: Машиностроение, 1977.

9.Резников А.Н., Резников Л.А. Тепловые процессы в техноло-гических системах. – М.: Машиностроение, 1990.

Конспект лекций

(Часть 1)

Чечета Иван Алексеевич

Кириллов Олег Николаевич

РЕЗАНИЕ МАТЕРИАЛОВ

Компьютерный набор А. Ю. Рыбкина

ЛР № 066815 от 25.08.99.

Подписано к изданию 28.01.2003.

Формат 60х84/16

Усл. печ. л. 4.2, Уч. –изд. л. 4.0

Воронежский государственный технический университет