Pereosnastka.ru

В результате упруго-пластической деформации материала, происходящей под воздействием режущего инструмента, образуются новые поверхности. Так как качество обработанной поверхности при заданных условиях зависит от характера упруго-пластической деформации срезаемого слоя и этот слой изнашивает режущий инструмент, в учении о резании металлов различают две основные проблемы: упруго-пластическую деформацию металлов в процессе образования стружки, а также износ и стойкость режущего инструмента.

Первым исследователем процессов резания и образования стружки был русский профессор И. А. Тиме, который опубликовал свои работы еще в 1870 г. В своих исследованиях И. А. Тиме установил номенклатуру стружки, усадку (укорочение длины стружки по сравнению с длиной пути, пройденного инструментом), положение плоскости скалывания, распространение деформации срезаемого слоя, завивание стружки и направление ее схода.

Профессор К. А. Зворыкин в 1893 г. составил схему сил, действующих на инструмент, которая имеет большую ценность и в настоящее время. Он математически определил положение плоскости скалывания (сдвига), доказал, что толщина стружки влияет на усилие резания в степени меньшей единицы.

Широкое развитие наука о резании металлов получила после Великой Октябрьской социалистической революции. Важное значение для развития науки о резании металлов и создания советской школы резания имели работы Комиссии по резанию металлов, в которой в период 1935—1941 гг. крупнейшими учеными в области резания металлов проведен ряд ценных экспериментальных исследований.

Практика обработки металлов резанием выдвинула ряд новаторов, которые в содружестве с учеными достигли серьезных успехов в области резания металлов (П. Б. Быков, Г. С. Борткевич, В. А. Коле-сов и др.).

Основы резания остаются постоянными, независимо от того, каким инструментом (резцом, сверлом, фрезой и др.) производится обработка; изменяются лишь условия обработки.

Процесс образования стружки. На рис. 1, а приведена схема образования стружки при резании. Резец, перемещаемый в направлении стрелки Б, передней поверхностью сминает и скалывает частицы металла, лежащие выше плоскости ВА, причем образующаяся стружка состоит из отдельных элементов: а, 6, в, г, д.

Вначале инструмент режущей кромкой внедряется в металл заготовки около точки А; далее при своем движении инструмент передней поверхностью давит на верхний слой металла и отрывает его от основной массы металла заготовки.

Под влиянием этого давления, а также сил сцепления между частицами отделяемого металла и основной массой его, срезаемый слой припуска претерпевает сложную пластическую деформацию сжатия и изгиба. Когда создавшиеся в этом слое напряжения превзойдут прочность металла, происходит относительный сдвиг частиц (скалывание) и образуется элемент стружки а (показан штриховой линией). Далее части припуска б, в, г и т. д. последовательно переходят в стружку.

Плоскость, в которой происходит скалывание элементов, называется плоскостью скалывания, а угол, образованный этой плоскостью и касательной к поверхности резания, — углом скалывания. Величина угла скалывания колеблется для разных металлов в пределах 145—155°.

Согласно данным Я. Г. Усачева, внутри каждого элемента стружки наблюдаются плоскости скольжения.

Пластическая деформация распространяется также в глубь материала на некоторую величину h в результате чего обработанная поверхность (поверхностный слой) получает наклеп (в поверхностном слое появляются остаточные напряжения, определяющие его качества). Выделяющаяся при резании теплота также изменяет физико-механические свойства срезаемого и поверхностного слоев.

Характер и величина деформации срезаемого металла заготовки при переходе его в стружку зависят от многих причин, в первую очередь от свойств металла заготовки. При обработке пластичных металлов (медь и др.) образуется сливная стружка — длинная лента, отдельные элементы которой не выражены явно. При образовании сливной стружки происходит значительная (до 50%) усадка срезаемого металла. При обработке менее вязких металлов (например, твердой стали) образуется стружка скалывания. Усадка стружки скалывания меньше, чем сливной стружки. При обработке хрупких’металлов (например, чугуна) стружка отделяется разобщенными элементами. Такая стружка называется стружкой надлома; она почти не имеет усадки.

В процессе резания режущие элементы резца внедряются в металл и непрерывно образуют новые поверхности (обработанная поверхность, поверхности стружки). Вследствие большого давления и высоких температур в месте контакта металла заготовки с металлом резца на резце образуется нарост (рис. 220) из сильно деформированных частиц металла заготовки, который, приобретая определенную степень пластичности, может временно затормаживаться и наслаиваться на передней поверхности инструмента. При дальнейшем увеличении размеров нароста происходит его разрушение и удаление со стружкой (со стороны передней поверхности резца) и заготовкой (со стороны задней поверхности резца).

Наросты возникают хаотично; количество последовательно образующихся наростов может доходить до 200 в одну секунду. Наростообразование зависит от вязкости обрабатываемого металла и от скорости резания. С увеличением скорости резания наростообразование уменьшается и исчезает полностью при скоростях свыше 50—70 м/мин.

Износ и стойкость режущего инструмента. Работа резания переходит в теплоту, причем со стружкой отходит около 80% всей выделенной теплоты, а остальная распределяется между инструментом, заготовкой и окружающей средой. Под влиянием теплоты в поверхностном слое режущего инструмента изменяется структура; поэтому уменьшается его твердость и теряется режущая способность, что, в свою очередь, вызывает изнашивание и выкрашивание материала.

Интенсивность изнашивания инструмента зависит от материала инструмента и заготовки, их физико-механических свойств и состояния трущихся поверхностей; скорости резания, подачи, глубины резания; геометрической формы режущей части инструмента; охлаждающей среды.

—

Образование и виды стружки. Процесс образования стружки впервые исследован (1870 г.) русским ученым проф. И. А. Тиме, наблюдения и выводы которого сохраняют свою силу и в настоящее время. Стружки, образующиеся при резании вязких металлов (сталь, латунь), проф. Тиме назвал стружками скалывания, а получающиеся при обработке хрупких металлов (чугун, бронза) — стружками надлома.

Образование стружки скалывания происходит следующим образом. Резец под действием силы Р внедряется в обрабатываемый металл, преодолевая сопротивление металла смятию. Это смятие происходит лишь внутри элемента металла, ограниченного плоскостью, называемой плоскостью скалывания и передней поверхностью резца. В некоторый момент движения резца начнется смещение (скалывание) элемента относительно следующего элемента, происходящее по плоскости А А.

При дальнейшем движении резца одновременно с продолжающимся смещением (скалыванием) элемента образуется элемент, перемещающийся относительно элемента, и т. д. По мере продвижения резца все элементы отделяются один от другого, образуя элементную стружку скалывания. Такая стружка получается при обработке с малой скоростью твердых, но вязких металлов, например, твердой стали. С уменьшением твердости металла и увеличением его вязкости элементы стружки образуют более или менее непрерывную ленту, называемую сливной стружкой скалывания. Поверхность стружки, соприкасающаяся с передней гранью резца, получается гладкой, а противоположная ей — шероховатой.

Русский исследователь Я. Г. Усачев, продолживший работу И. А. Тиме, доказал, что при резании вязких, нетвердых материалов, например, стали средней твердости и твердой, кроме скалывания элементов стружки, происходит еще и сдвиг частиц металла в каждом элементе по плоскости В В, называемой плоскостью сдвига. Угол между плоскостями скалывания и сдвига колеблется в пределах 0—30°. Чем вязче металл, тем больше этот угол, и наоборот.

Я. Г. Усачев установил также, что при резании сравнительно мягкой стали перемещения частиц стружки происходят лишь по плоскостям, параллельным плоскости сдвига.

Образование стружки надлома при резании твердых и хрупких металлов (чугун, бронза) происходит без заметного смятия металла. Элементы стружки, отделяясь от основной массы металла по произвольной поверхности, имеют различную величину и форму. Поверхности до отрыва новых элементов получаются неровными, вследствие чего и обрабатываемая поверхность получается негладкой.

Вид стружки зависит не только от обрабатываемого материала, но и от ряда других условий. Например, при точении стали средней твердости резцом с большим углом резания может образоваться не сливная стружка скалывания, а элементная. При повышении скорости резания некоторые элементы стружки не успевают настолько деформироваться, чтобы отделиться один от другого, вследствие чего вместо элементной может получиться сливная стружка скалывания.

Нарост и его влияние на процесс резания. При резании вязких металлов на передней поверхности резца у режущей кромки часто обнаруживается кусочек приварившегося металла, называемый наростом. Явление нароста, установленное и объясненное русским ученым Я. Г. Усачевым, состоит в следующем. При скольжении стружки по передней поверхности резца возникают силы трения, задерживающие ее движение. Вследствие этого деформация в слоях металла, расположенных ближе к передней поверхности резца, увеличивается. Частицы металла этих слоев отделяются от непрерывно движущихся верхних слоев стружки и привариваются к передней поверхности резца, образуя нарост. Большое давление резания способствует упрочнению металла нароста. С течением времени нарост увеличивается (за счет наращивания новых слоев металла), причем образуется часть нароста, свешивающаяся над задней поверхностью резца. В некоторый момент эта часть нароста отрывается от основной массы и, попадая между задней поверхностью резца и обработанной поверхностью, вдавливается в последнюю.

Частицы нароста, оставшиеся на передней поверхности резца, также отрываются от него и уносятся со стружкой. Такие срывы нароста происходят быстро один за другим (70—80 срывов в секунду), что объясняется, по-видимому, вибрациями, возникающими в процессе резания.

При низких скоростях (3—5 м/мин) нарост не образуется. При более высоких скоростях резания (до G0—80 м/мин) стали средней твердости происходит более или менее заметное образование нароста. При скорости свыше 60—80 м/мин нарост наблюдается реже, а при еще более высоких скоростях он совсем не заметен.

Нарост обладает повышенной твердостью и поэтому может резать обрабатываемый материал, защищая режущую кромку от непосредственного воздействия стружки. В этом случае соприкосновение сгружки с резцом происходит на площадке передней поверхности, удаленной от режущей кромки. Это улучшает условия работы резца при обдирочной работе.

При чистовых работах нарост вреден. Сорвавшиеся и вдавленные в обработанную поверхность частицы нароста образуют неровности, недопустимые при чистовой обработке деталей.

При резании чугуна и других хрупких металлов нарост не образуется.

Силы, действующие на резец. В результате сопротивления срезаемого слоя металла деформации сжатия, трения стружки о переднюю поверхность резца и некоторых других причин возникает сила резания.

При работе токарного резца эта сила разлагается на три составляющие — собственно силу резания, силу подачи и радиальную силу. Сила резания, касательная к поверхности резания, действует в направлении главного движения. Сила Рх действует в направлении подачи. Радиальная сила Ру перпендикулярна к подаче. Все три силы измеряются в килограммах.

Зависимость силы резания от условий работы резца.. На величину силы резания влияют обрабатываемый материал, площадь среза и его форма, углы резца, скорость резания и ряд других менее существенных факторов.

Влияние на силу резания обрабатываемого материала видно из следующих сопоставлений. Силы резания при обработке стали средней твердости примерно в 2,2 раза больше, чем при резании чугуна средней твердости. Сила резания при обработке самой мягкой стали значительно меньше силы резания при обработке самой твердой стали. При обработке чугуна различных твердостей эта разница не так велика.

Сила резания возрастает с увеличением площади среза. Если при этом увеличение площади среза получается за счет увеличения глубины резания, сила Р2 возрастает пропорционально глубине резания. При увеличении подачи сила Рг также возрастает, но медленнее. Так например, если увеличить глубину резания вдвое, сохранив ту же подачу, сила резания увеличится также вдвое. Но если, не изменяя глубины резания, увеличить в два раза подачу, сила резания возрастет не в два раза, а несколько меньше. Это объясняется тем, что при сравнительно большой подаче не происходит столь значительной деформации металла, как это имеет место при малой подаче.

Сила резания получается различной при одинаковых площадях среза, но разных их формах. Она меньше при больших значениях толщины среза, чем при меньших. Например, сила резания при глубине 4 мм и подаче 2 мм/об несколько меньше, чем при глубине резания 8 мм и подаче 1 мм/об, несмотря на то, что площадь среза в обоих случаях одинакова и равна 8 мм2. Это объясняется также разной степенью деформации металла в срезаемом слое.

С уменьшением переднего угла резца, т. е. с увеличением угла резания, сила резания возрастает, так как при этом увеличивается угол клина, которым является резец.

При увеличении главного угла в плане примерно до 50—55° сила резания уменьшается. С дальнейшим увеличением этого угла сила резания возрастает. Изменение величины силы резания, вызываемое изменением главного угла в плане, незначительно. При увеличении радиуса закругления вершины резца сила резания возрастает, но также незначительно. Затупление резца вызывает увеличение силы резания.

Влияние на силу резания скорости резания имеет особый характер. Например, при обработке стали средней твердости со скоростью 20—30 м/мин сила резания почти не изменяется. Она’достигает наибольшей величины при скорости резания 50—70 м/мин. Очень заметно снижение силы резания при скорости резания от 100 до 150 м/мин. При скорости резания 250 м/мин и выше сила резания почти не изменяется.

Маслянистые вещества, содержащиеся в охлаждающей жидкости, проникая в микроскопические трещины деформируемого резцом металла, уменьшают силы трения, появляющиеся в зоне образования стружки. Благодаря этому сопротивление резанию уменьшается. Чем больше в охлаждающей жидкости содержится масла, тем существеннее ее влияние на силу резания.

Определение силы резания и ее практическое значение. Величина силы резания определяется непосредственным измерением ее посредством особых приборов (динамометров) или теоретическим расчетом. В последнем случае возникает ряд затруднений, обусловливаемых большим количеством факторов, влияющих на силу резания. Поэтому определение ее величины производится по упрощенным формулам. Получающаяся при этом погрешность в величине силы резания в большинстве случаев не имеет практического значения.

Использование для определения силы резания даже упрощенных формул в прозводственных условиях связано с некоторыми затруднениями. Поэтому сила резания обычно указывается во всех справочниках по режимам резания, к которым и следует обращаться, если окажется необходимым определить силу резания.

Сила резания имеет важное значение, так как при умножении ее на радиус обрабатываемой детали мы получаем величину, показывающую, насколько при данных условиях работы нагружен станок и не опасна ли эта нагрузка для наиболее слабых звеньев станка. При умножении силы резания на скорость резания находим мощность, потребную на резание (в кет или л. с.). Сопоставляя эту мощность с действительной мощностью станка, можно судить о том, насколько рационально станок используется.

Необходимо отметить, что эти вопросы в производственных условиях возникают сравнительно редко. Соответствующие данные можно найти в специальной литературе.

Износ и стойкость резца. Происходящее относительное перемещение частиц металла сопровождается их трением одна о другую, вследствие чего образуется значительное количество теплоты.

Теплота образуется и вследствие трения стружки о переднюю поверхность резца, причем тем в большем количестве, чем выше скорость резания и чем больше сила резания. При трении задней поверхности резца о поверхность резания также образуется теплота.

Теплота резания распределяется между стружкой, резцом и обрабатываемой деталью; лишь очень небольшая часть ее поступает в окружающий воздух.

Примерно 70—90% всей теплоты резания образуется в стружке. Именно поэтому при работе быстрорежущими резцами струю охлаждающей жидкости, применяемой при резании, следует направлять на стружку.

Теплота резания, поступающая в резец, нагревает его, что вызывает в свою очередь понижение его твердости и сопротивляемости износу.

При обработке стали с большой площадью среза быстрорежущим резцом с самого начала резания на передней поверхности резца образуется лунка, показанная на рис. 7, а в преувеличенном для ясности виде. По мере дальнейшей работы резца ширина лунки увеличивается. Одновременно с этим на задней поверхности резца, трущейся о поверхность резания, образуется ленточкй износа, изображенная на рис. 7, б также в преувеличенном виде. В дальнейшем по мере увеличения лунки и ленточки происходит их соединение, обусловливающее затупление режущей кромки резца.

При обработке чугуна главное значение имеет износ на задней поверхности. Заметных следов износа на передней поверхности резца, а тем более образования лунки обычно не наблюдается. Это объясняется тем, что получающаяся при резании чугуна стружка надлома не скользит по передней поверхности резца.

У твердосплавных резцов преобладает износ по задней поверхности.

По мере износа резца по задней поверхности изменяется размер обрабатываемой детали и ухудшается чистота ее поверхности. Кроме того, на переточку чрезмерно затупленного резца затрачивается много времени. Поэтому резец следует перетачивать раньше, чем его износ по задней грани достигнет допустимой величины.

Затупление резца характеризуется не только величиной его износа по задней поверхности, но и стойкостью резца.

Стойкостью резца называется период времени, в течение которого износ резца по задней поверхности достигает установленной величины.

Стойкость резца выражается в минутах.

Стойкость резца должна быть различной для разных случаев работы. Чем меньше стойкость резца, тем чаще производится его переточка, вследствие чего резец сравнительно быстро становится негодным для дальнейшего использования. С другой стороны, увеличение стойкости резца, которого можно достигнуть лишь понижением скорости резания, подачи и глубины резания, вызывает уменьшение производительности станка. Поэтому назначение стойкости резца является сложным вопросом и осуществляется с учетом многих условий. Так, например, чем сложнее форма резца, т. е. чем выше стоимость изготовления, тем больше должна быть его стойкость. При назначении стойкости резца в некоторых случаях следует принимать во внимание стоимость его материала и изготовления.

Очевидно также, что стойкость резцов, используемых при работе на настроенном станке, когда замена каждого затупившегося резца отнимает много времени, должна быть выше, чем при обычной работе. Если заточка резцов в данных условиях централизована и снабжение ими рабочих организовано хорошо, можно назначать меньшую стойкость резца по сравнению с той, которую должны иметь резцы, используемые при плохо организованной заточке.

Отметим, что таблицы скоростей резания при различных условиях токарной обработки, приводимые в справочниках и в этой книге, составлены в большинстве случаев исходя из стойкости резца 60 мин. Скорости резания, соответствующие другим периодам стойкости, находятся по тем же таблицам путем умножения табличных значений скоростей резания на поправочные коэффициенты, указанные после таблиц.

Зависимость скорости резания от различных условий работы резца. Величина скорости резания, допускаемая резцом, зависит от принятой стойкости его, материала обрабатываемой детали, материала резца, его углов, формы и размеров, подачи, глубины резания, охлаждения и других факторов.

При уменьшении стойкости скорость резания, допустимая резцом, повышается, но немного. Например, если при стойкости быстрорежущего резца, равной 90 мин.,возможна скорость резания 15 м/мин, то при тех же прочих условиях работы резца, но при стойкости 20 мин. допустима скорость резания 18 м/мин. Более наглядна, однако, обратная зависимость, т. е. стойкости от скорости резания. Стойкость резца при увеличении скорости резания быстро уменьшается. Так, например, если какой-либо быстрорежущий резец, работающий при скорости резания 15 м/мин, затупляется через 90 мин. после начала резания, то тот же ре^ец при той же глубине резания и подаче, но при скорости резания 18 м/мин затупится через 20 мин.

Очень большое влияние на скорость резания оказывают механические свойства обрабатываемого металла. Чем тверже этот металл, тем больше должна быть сила, отделяющая от него стружку, тем больше сила трения ее о переднюю поверхность резца, тем больше теплота, поступающая в резец и ускоряющая его износ.

Стружка, -образующаяся при обработке твердых сталей, давит на небольшой участок передней поверхности резца, вследствие чего теплота резания поступает, главным образом, в часть головки резца, близкую к его режущей кромке. Стружка, получающаяся при точении мягких и вязких металлов, опирается на сравнительно большой участок передней поверхности резца, что обеспечивает хорошее поглощение теплоты резания частью головки резца, удаленной от режущей кромки.

Поэтому, в частности, скорость резания при обработке сравнительно мягкой стали может быть выше, чем при твердой.

Стружка надлома, образующаяся при обработке хрупких металлов, давит на переднюю поверхность резца у самой режущей кромки. В данном случае резец больше изнашивается от истирающего действия стружки, чём от действия теплоты резания. Это относится особенно к обработке корки чугунных деталей, т. е. поверхностного слоя отливки, в котором всегда имеются частицы песка, истирающие переднюю поверхность резца и затрудняющие отвод тепла.

Главнейшим свойством материала резца, влияющим на скорость резания, является его «теплостойкость», т. е. способность сохранять необходимую твердость при нагреве теплотой резания. Теплостойкость углеродистой стали характеризуется температурой 200—250°, быстрорежущей — 550—600°, металлокерамических твердых сплавов — 800—900°, а минералокерамических — 1200° и выше х.

Углы и другие элементы резца влияют на скорость резания следующим образом. При сравнительно небольшом угле резания стружка давит на переднюю поверхность резца с меньшей силой, чем при большем угле. Это способствует понижению выделяющейся теплоты и обеспечивает возможность повышения скорости резания. Но одновременно с уменьшением угла резания уменьшается и угол заострения резца, что приводит к понижению теплоотводящей способности резца и его прочности.

С уменьшением главного угла в плане скорость резания, допускаемая резцом, увеличивается. Это объясняется тем, что одновременно с уменьшением главного угла в плане (при тех же глубине резания и подаче) увеличивается ширина среза, что обусловливает увеличение длины работающего участка режущей кромки резца и улучшает поглощение им теплоты резания. Однако с уменьшением главного угла в плане возрастает радиальная сила резания, что может вызвать вибрации, ускоряющие разрушение режущей кромки резца.

Увеличение радиуса закругления вершины резца способствует увеличению скорости резания, так как повышает теплоотводящую способность резца. Увеличение поперечного сечения резца способствует повышению допустимой им скорости резания, так как при этом возрастает способность резца поглощать теплоту резания.

Изменение толщины и ширины среза при неизменном его сечении по-разному влияет на скорость резания. При увеличении толщины среза и соответственном уменьшении его ширины, т. е. и длины работающего участка режущей кромки, ухудшаются условия поглощения теплоты резания резцом, его стойкость понижается. Наоборот, при увеличении ширины среза в резании участвует более длинный участок режущей кромки резца, что повышает его стойкость. Из сказанного вытекает, что для повышения скорости резания выгодно работать с тонкими и широкими стружками. Это может быть достигнуто, без изменения сечения среза, уменьшением подачи и соответствующим увеличением глубины резания или уменьшением главного угла в плане. Применение первого способа ограничивается припуском на обработку, а второго — вибрациями, возникающими вследствие увеличения радиальной силы резания.

Правильное применение охлаждения дает возможность повысить скорость резания. Если жидкость поступает к месту образования стружки непрерывной струей в количестве 10—15 л/мин, то при обработке быстрорежущим резцом стали скорость резания может быть повышена в среднем на 20—25%, а при обработке чугуна на 10—15%. Меньшее повышение скорости резания при обработке чугуна объясняется тем, что в данном случае основной причиной износа резца является его истирание, а не теплота резания.

Читать далее:

Предварительные сведения о токарных резцах

• Брак при резке металлов и правила безопасной работы
• Электрические способы разрезания металлов
• Переносные ножницы для резки листового материала
• Резка металлов приводными ножовками
• Резка металла ножницами