|
|
ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ И КИНЕМАТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯСтр 1 из 10Следующая ⇒ ПРОЦЕСС ОБРАЗОВАНИЯ СРЕЗАЕМОГО СЛОЯ (СТРУЖКИ). Критерии и методы исследования деформаций срезаемого слоя. Физические процессы и составляющие усилия резания Анализ формул (2.11) и (2.12) показывает, что с увеличением толщины (а) и ширины (b) среза возрастает работа, затрачиваемая на образование срезаемого слоя, что способствует интенсификации процессов деформационного упрочнения. С другой стороны с увеличением среза (F = аb) улучшаются условия отвода тепла из зоны деформации в инструмент и изделие. Отсюда следует, что вид зависимости ξ(F) также определяется суперпозицией процессов упрочнения и разупрочнения. Изменение площади контакта стружки с инструментом существенно влияет на характеристики процессов трения. Рассмотрим систему сил, действующих на режущий клин инструмента (рис.2.11).
Рис. 2.11. Система сил, действующих на режущий клин Из рис. 2.11 следует, что в зоне резания действуют следующие физические составляющие силы резания:
где: Rз - проекция R п на плоскость резания; τ сдв – предел прочности на сдвиг обрабатываемого материала. Если величины а и b обычно задаются, то характеристики стружкообразования Ф, tсдв, w являются неизвестными. Теоретические формулы отличаются методами определения характеристик tсдв и w. Допуская, что угол действия w = 45 - Ф, получим:
Величина, сопротивления сдвигу для случаев образования сливной стружки определяется из соотношения:
а для элементной:
где: s в - предел прочности при растяжении, D – относительное удлинение; Р р - нагрузка на образец в момент разрыва; F р - минимальное сечение шейки при разрушении. Вышеприведенные зависимости не учитывают влияние температур в зоне деформации на характеристики процесса образования стружки. Влияние температур в зоне деформации J деф и на передней поверхности J п можно учитывать (для сталей) эмпирическими формулами: t сдв = s в (1 - 5 × 10-4 J деф) при 473 К < Jдеф < 873 К t п = s в (1 - 5 × 10-4 J деф) при 923 К < Jдеф < 1473 К
КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ. Контактные взаимодействия на передней поверхности инструмента характеризуются следующими величинами: -длиной контакта стружки с резцом L; -силой трения на передней поверхности F п; -удельной силой трения (средним тангенциальным контактным напряжением):
-нормальной силой на передней поверхности N п; -средним контактным давлением:
-средней температурой контакта q°; Закономерности изменения перечисленных характеристик полностью определяют интенсивность процессов, на фоне которых происходит износ инструмента и формирование поверхностей контакта. К их числу относится и процесс образования нароста.
Образование нароста При резании металлов срезаемый слой в результате пластического деформирования приобретает повышенную физическую активность и, будучи плотно прижатым силами нормального давления к передней поверхности режущего инструмента, схватывается (сваривается) с ней. Схватыванию обрабатываемого материала с материалом инструмента способствуют высокая температура в зоне резания и то обстоятельство, что при резании в контакт вступают вновь образованные ювенильные физико-химически чистые, свободные от каких-либо пленок поверхности. Первоначально на поверхности контакта стружки с передней поверхностью происходят точечные контакты с образованием налипов на передней поверхности. С течением времени число таких налипов растет и они покрывают площадь контакта сплошной тонкой пленкой из обрабатываемого материала, которая называется первослоем. Поскольку этот первослой обладает абсолютным сродством с обрабатываемым материалом, акты схватывания между ними происходят чаще и интенсивнее с образованием более крупных наслоений. Схватывание и наслаивание микрообъемов обрабатываемого металла на переднюю поверхность инструмента приводит к образованию на ней слоя упрочненного микролегированного материала, прочно соединенного с инструментом. Процессы периодического cхватывания и последовательного наслаивания упрочненного материала стружки повторяются многократно, в результате на передней поверхности образуется новое довольно крупное тело, называемое наростом. Виды нароста показаны на рис. 3.1 а, б.
а) б Рисунок 3.1. Наросты на контактной поверхности стружки (а) и передней поверхности инструмента (б).
Из представленной на рис.3.3. фотографии хорошо видно ярко выраженное слоистое строение нароста. Форма нароста зависит от свойств обрабатываемого материала, элементов режима резания и других конкретных условий обработки. Нарост состоит из основания и вершины. Вершина является неустойчивой частью нароста, она, по мере увеличения высоты нароста, разрушается и уносится из зоны стружкообразования, сходящей по ней стружкой (как это видно на рис.3.3) или поверхностью резания обрабатываемой заготовки (см. рис.3.4)
Рис.3.3. Строение нароста
Из параметров режима резания на интенсивность образования, размеры и форму нароста наиболее сильно влияет скорость резания. На очень малых скоростях резания нарост не удерживается на передней поверхности инструмента, из-за мелко-элементной сыпучей стружки с увеличением скорости интенсивность образования нароста возрастает лишь до какого-то значения скорости, после которого интенсивность его образования и размеры начинают уменьшаться. На рис.3.4. представлены корни стружки, полученные, при точении стали 45 с разными скоростями резания. Нарост наибольшей высоты образуется на скорости 13 м/мин. На скорости 28 м/мин. образуется нарост меньшей высоты и другой формы. На сравнительно большой скорости резания 55м./мин. нароста уже почти нет. Можно предположить, что на такой скорости температура в зоне резания выше температуры «отдыха» обрабатываемого материала, под влиянием которой материал нароста разупрочняется и не может противостоять истирающему действию обрабатываемого материала.
а б в Рис.3.4. Корни стружки с наростом, полученные при точении, стали 45. Скорость резания: а. – 13, б. – 28 и в. – 55 м/мин.
Поскольку нарост образуется из сильно деформированного металла, твердость которого намного больше твердости исходного обрабатываемого, то и нарост в целом имеет высокую твердость, в 2...3 раза превосходящую твердость обрабатываемого материала. Наличие высокой твердости позволяет наросту успешно противостоять воздействию стружки и выполнять работу самого режущего инструмента. Он служит продолжением инструмента и принимает на себя его функции. Химический и микроструктурный анализы нароста показали, что в составе нароста задерживается наиболее сильно упрочняющаяся перлитная структурная составляющая обрабатываемого материала, которая и обеспечивает высокую твердость нароста. Нарост на режущем инструменте образуется не всегда, а только в тех случаях, когда условия резания благоприятствуют этому. Необходимыми условиями существования нароста являются следующие: 1. Обрабатываемый материал должен обладать способностью упрочняться при пластическом деформировании. 2. Температура в зоне резания должна быть ниже той температуры, при которой происходит разупрочнение материала нароста. 3. Должна образовываться сливная стружка. При образовании стружек скалывания нарост не удерживается на передней поверхности вследствие прерывистости процесса резания. 4. Коэффициент трения в зоне контакта обрабатываемого материала с передней поверхностью должен быть больше единицы. Если условия для существования нароста вполне подходящие, нарост образуется и существенно влияет на параметры процесса резания и состояние обработанной поверхности (рис. 3.5).
Рис. 3.5. Влияние нароста на величину переднего угла, толщину среза и шероховатость поверхности резания.
Образование нароста изменяет фактическую геометрию инструмента, передний угол увеличивается и становится больше переднего угла, приданного инструменту при его заточке (
Рис. 3.6. Корень стружки с разрушающимся наростом. А – часть вершины нароста на поверхности резания; Здесь надо обратить внимание на изменение положения плоскости скалывания. Вслед за разрушением нароста уменьшается угол скалывания В некоторых случаях нарост бывает настолько устойчив, что в течение всего периода резания исключает контакт стружки с передней поверхностью инструмента. Так на рис.3.7 представлены фотографии быстрорежущего проходного упорного резца с наростом и после его удаления.
Рис.3.7. Фотографии проходного упорного резца со стороны главной задней поверхности (вверху) и со стороны передней поверхности (внизу), с наростом (слева) и после его удаления (справа).
После удаления нароста на передней поверхности резца «под наростом» обнаружились следы доводки передней поверхности порошком карбида бора. Эти следы в виде мелких царапин стертые за пределами нароста, свидетельствуют о том, что нарост надежно защищал переднюю поверхность от действия стружки в течении всего времени резания. Образование нароста, защищающего режущий инструмент от изнашивания, в этом смысле следовало бы признать полезным явлением. Однако, несмотря на это, явление образования нароста следует признать нежелательным, как неуправляемое. С образованием нароста угол резания, а следовательно, и деформации уменьшаются (рис. 3.8), т. е. на резание затрачивается меньше энергии. Это подтверждается снижением сил резания и температуры резца. Нарост настолько тверже обрабатываемого материала, что он играет роль нового режущего лезвия; предохраняет поверхность инструмента от износа и воздействия температуры (рис. 3.8).
Рис. 3.8. Твердость стружки, обрабатываемого металла и нароста.
В то же время следует учесть, что нарост срывается силами трения, возникающими при перемещении стружки по поверхности нароста. Остатки сорванных наростов видны на рис. 3.1,а. При вибрациях резца нижняя часть нароста, образовавшегося на передней поверхности, отрезается вибрирующим лезвием резца. Наросты состоят из большого количества наслоений, представляющих собой зерна металла, вытянутые в длинные нити. Центр образования этих нитей находится у вершины резца, где происходит наибольшая концентрация деформаций и температуры. Металл в этой зоне переходит в вязкое состояние и вытягивается в тонкие слои. Чередующиеся образования и срывы наростов вызывают вибрации с частотой 10 - 16000 Гц. Динамика образования зон схватывания при обработке сталей определяется процессами, происходящими в микроструктуре материалов показана на схеме (рис. 3.9).
Рис. 3.9. Образование динамических зон схватывания
В большинстве случаев неблагоприятное влияние нароста значительно превосходит его преимущества: во-первых, нарост, периодически возникая и срываясь, возбуждает вибрации резца и колебания температуры на передней поверхности инструмента; это вызывает быстрый износ резцов; во-вторых, остатки нароста на обработанной поверхности делают ее шероховатой, что неприемлемо для чистовой и получистовой обработки. Таблица 6.1 Таблица 6.4 Таблица 6.5 Таблица 6.6 ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ И КИНЕМАТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ 1.1. Терминология, основные понятия и определения Рассмотрим процесс резания материалов на примере токарной обработки тел вращения (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Кинематика движений при точении: 1 - обрабатываемая поверхность; 2 – поверхность резания; 3 - обработанная поверхность; n - главное движение резания; S - движение подачи (продольное и поперечное). На обрабатываемой заготовке при снятии с нее слоя металла (припуска) различают следующие поверхности: 1- обрабатываемая поверхность, с которой снимается припуск; 2 - поверхность резания, образуемая на обрабатываемой заготовке режущим лезвием резца; 3 - обработанная поверхность, вновь создаваемая на заготовке в результате снятия припуска. Для создания той или иной поверхности при точении необходимо осуществить относительные движения заготовки и инструмента. РАБОЧИМИ ДВИЖЕНИЯМИ узлов и частей станка называют движения, в результате которых происходит удаление припуска с заготовки. Рабочие движения подразделяют на главные (основные) и вспомогательные (холостые). ГЛАВНЫМ (ОСНОВНЫМ) называется движение во время которого происходит отделение слоя металла от заготовки. Скорость этого движения больше скорости остальных рабочих движений. При точении главным является вращение заготовки с угловой скоростью n (об/мин). ВСПОМОГАТЕЛЬНЫМИ (ХОЛОСТЫМИ) называются перемещения, в результате которых происходит формообразование обработанной поверхности. Это движения продольной и поперечной подачи Sпрод. и Sпопер (мм/об). Холостыми (условно-вспомогательными) называются движения, которые обеспечивают подготовку к реализации процесса резания - установку и закрепление заготовки, подвод и отвод инструмента, включения узлов станка. Скоростью резания V называется геометрическая сумма скоростей главного и вспомогательного движений, м/мин:
где: V гл – скорость главного движения, м/мин; V всп – скорость вспомогательного движения, м/мин. Поскольку V гл >> V всп, в практических расчетах скорость резания определяют соотношением:
где: d 1 - диаметр заготовки; мм Расстояние между обрабатываемой и обработанной поверхностями называется припуском на обработку. Часть припуска, удаляемую в течение одного прохода, называют глубиной резания t, мм. При точении (рис. 1.1):
Комбинация скорости резания V, подачи S и глубины резания t при прочих равных условиях характеризует принятый режим резания и оказывает существенное влияние на все параметры процесса механической обработки. Параметры V, S, t – называют режимами резания. Термодинамически открытая система, включающая в себя стружку, инструмент, деталь, (СИД), называется системой резания. Эта система обменивается с внешней средой не только энергией, но и веществом. Состояние системы СИД в каждый момент времени определяют следующие независимые факторы (параметры входа): - скорость резания, V м/мин, м/с; - подача, S мм/об, мм/мин, мм; - глубина резания, t; - твердость или отношение твердостей материалов Н 1/ Н 2; - добротность или отношение добротностей контактирующих материалов Q 1/ Q 2; - параметры структурного состояния r, U ст, U дин; - геометрия инструмента; - условия охлаждения. Входные параметры системы СИД - это факторы, которые определяют работоспособность режущего инструмента: 1) Износ или скорость износа рабочих поверхностей инструмента. 2) Температура и закономерности ее распределения в узлах системы СИД. 3) Силы резания и мощность. 4) Уровень и характеристики спектра вибраций, АЭ. 5) Характеристики процесса образования стружки: степень деформации, скорость деформации, толщина элементов сдвига, прочностные характеристики стружки. 6) Качество обработанной поверхности. Таким образом, общая модель (математическая) системы резания должна связывать терминальные параметры выхода с комбинациями одновременно действующих на входе независимых параметров. При изучении вопросов износа инструмента употребляются специальные понятия и определения, согласно ГОСТ 16429 - 90. ИЗНАШИВАНИЕ - процесс постепенного изменения размеров тела, при трении, проявляющийся в отделении с поверхности трения материала и (или) в его остаточной деформации. ИЗНОС - результат изнашивания, проявляющийся в виде отделения и (или) остаточной деформации материала. ПРОДУКТЫ изнашивания - частицы материала, отделяющиеся в процессе изнашивания. СКОРОСТЬ ИЗНАШИВАНИЯ - отношение величины износа ко времени, в течение которого он возник. ИНТЕНСИВНОСТЬ ИЗНАШИВАНИЯ - отношение величины износа к обусловленному пути, на котором происходило изнашивание, или объему выполненной работы. ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ - способность материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях трения, оцениваемая величиной, обратной скорости или интенсивности изнашивания. ОТНОСИТЕЛЬНАЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ - отношение износостойкостей испытуемого материала, принятого за эталон, при их изнашивании в одинаковых условиях. Эксплуатационные свойства инструмента характеризуются его способностью сопротивляться износу при заданных условиях эксплуатации. К ним относятся: формоустойчивость, теплостойкость, контактная прочность и твердость. Наиболее распространенной технологической характеристикой считают износостойкость, т. е. способность режущего инструмента сохранять форму и размеры в течение определенного промежутка времени, называемого периодом стойкости (Т). Основным критерием наступления критического износа является недопустимое отступление от требований по качеству обработки поверхности заготовки (размеров, шероховатости, отклонений формы и взаимного расположения поверхностей и т.д.) Для удовлетворения потребности машиностроения, металлообработки и других отраслей в металлорежущем инструменте необходимо: увеличить темпы его выпуска, значительно повысить его качество, улучшить его эксплуатацию. Повышение качества металлорежущих инструментов является основным средством, способствующим наиболее полному удовлетворению потребностей в режущем инструменте. Качество металлорежущего инструмента зависит от его конструкции, материала и технологии производства. Основополагающими технологическими направлениями развития инструментального производства являются приближение формы заготовки к форме готового изделия, за счет применения специального профиля проката, биметаллических заготовок, использования методов пластического деформирования и порошковой металлургии, автоматизации технологических процессов, применения автоматизированных загрузочных устройств, манипуляторов, роботов, специальных станков, автоматических линий и станков с ЧПУ, концентрации и совмещения операции, применения высокоэффективной оснастки и групповой технологии, использования новых высокоэффективных смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) и смазочно-охлаждающих технологических сред (СОТС) с подводами их непосредственно в зону резания, применения синтетических сверхтвердых материалов, новейших методов термической и термохимической обработки, износостойких покрытий, расширение области применения электрофизических и электрохимических методов обработки. Перспективным является комплексное развитие инструментального производства на базе углубления отраслевой и межотраслевой специализации. Расширение масштабов выпуска инструмента, концентрация его производства, создает предпосылки для освоения качественно новых прогрессивных технологических процессов. 1.2 Конструктивные параметры режущей части инструмента Токарный резец состоит из двух основных частей (рис. 1.2.): рабочая часть (головка) I и державка (тело) II. Рабочая часть резца имеет форму клина, создаваемую при заточке резца. К элементам рабочей части резца (ГОСТ 25762 - 83) относятся: передняя поверхность, главная и вспомогательная задние поверхности, главное и вспомогательное лезвие резца и вершина резца. По передней поверхности в процессе резания движется стружка. Главная задняя поверхность при работе резца обращена к обработанной поверхности.
Рис. 1.2. Элементы токарного резца: I- режущая часть; II - тело инструмента; 1 - передняя поверхность; 2 - главная задняя поверхность; 3 - вспомогательная задняя поверхность; 4 - вспомогательная режущая кромка; 5 - главная режущая кромка; 6 - вершина резца.
ПЕРЕДНЕЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ (1) называется поверхность, по которой сходит стружка, образующаяся в процессе резания. ГЛАВНОЙ ЗАДНЕЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ называется поверхность (2) резца, обращенная к поверхности резания. ВСПОМОГАТЕЛЬНОЙ ЗАДНЕЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ (3) называется поверхность, обращенная к обработанной поверхности. ГЛАВНОЕ РЕЖУЩЕЕ ЛЕЗВИЕ (5) образуется пересечением передней и главной задней поверхностей резца. ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ РЕЖУЩЕЕ ЛЕЗВИЕ (4) образуется пересечением передней и вспомогательной задней поверхностей резца. Вспомогательное лезвие режет металл очень небольшим участком своей длины. ВЕРШИНОЙ РЕЗЦА называется место сопряжения главной и вспомогательной режущих кромок резца. Вершина резца в плане может быть острой (рис. 1.3, а), закругленной по радиусу (рис. 1.3, б) или в виде прямой линии, называемой переходным лезвием резца (1.3, в).
a) б) в)
Рис. 1.3 - Токарные проходные резцы: а - без переходной режущей кромки; б - с радиусной вершиной; в - с прямолинейной переходной режущей кромкой; Элементы рабочей части резца назначаются из конкретных условий обработки. Передняя поверхность резца может быть плоской без фаски, плоской с фаской и радиусной с фаской. На рис. 1.4. приведены различные формы передней поверхности твердосплавных резцов, рекомендуемые для применения в зависимости от обрабатываемого материала и условий обработки. Плоская без фаски передняя поверхность (рис. 1.4,а), применяется при обработке чугуна и жаропрочных сталей и сплавов с подачами 0,5 мм/об. Плоская без фаски отрицательная передняя поверхность (рис. 1.4,б) применяется при черновом точении и растачивании стали с = 100 кг/мм2 и стального литья с коркой, загрязненной неметаллическими включениями, а также при точении прерывистых поверхностей (резание с ударами).
а) б)
в) г)
Рис. 1.4. Формы заточки передней поверхности: а – плоская с положительным передним углом; б – плоская с отрицательным передним углом; в – с упрочняющей фаской; г – с упрочняющей фаской и стружкозавивающей канавкой;
Плоская с фаской передняя поверхность (рис. 1.4,в) применяется для резцов всех типов при обработке стали. Радиусная с фаской передняя поверхность (рис. 1.4,г) применяется при точении стали и обеспечивает завивание стружки. Вершина резца, закругленная по радиусу, обеспечивает уменьшение шероховатости обработанной поверхности, но увеличение радиуса закругления вершины резца R свыше 5 мм может привести к возникновению вибраций при резании и тем самым понизить качество обработанной поверхности. Наиболее часто применяются резцы с радиусом при вершине R = 0,1 - 2,0 мм. Резцы с переходным лезвием при вершине применяются при резании металла с большими подачами. Величину переходного лезвия, расположенного параллельно вектору подачи, обычно принимают равной 1,1S.   ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...  Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...  Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...  ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала... Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:
|
(2.13)
(2.14)
(2.15)
(2.16)
, (2.17)
(3.2)
Рисунок 3.2. Схема сил, действующих на нарост, и уменьшение угла резания при образовании нароста.
). Процесс резания происходит легче. Поверхность нароста, обращенная к стружке, становится продолжением передней поверхности инструмента. Изменение фактического угла резания вызывает изменение характера процесса образования стружки. В случае свешивания вершины нароста над задней поверхностью инструмента изменяется фактическая толщина среза. Фактически толщина среза 
. Сказанное, иллюстрируется, представленной на рис.3.5. схемой зоны резания с наростом и иллюстрируется представленной на рис.3.6. фотографией нароста, полученного, при резании коррозионностойкой стали 12Х18Н10Т. На ней случайно, но очень удачно запечатлен момент разрушения вершины нароста, которая уносится из зоны образования стружки с поверхностью резания.
– угол скалывания до разрушения нароста; 
– угол скалывания после разрушения нароста.
и увеличивается толщина образующейся стружки. Нарост представляет собой тело твердое, но неустойчивое, он периодически разрушается, и фактическая толщина среза постоянно меняется вслед за изменением размера нароста. По этой причине обработанная поверхность получается неровной, со следами надиров и вырывов. Располагаясь на передней поверхности и свешиваясь над задней поверхностью, нарост закрывает главную режущую кромку и предохраняет ее от разрушения.
, (1.1)
, (1.2)
(1.3)
r f
