Обработка металлов резанием

Обработка резанием является ниверсальным методом размерной обранботки. Метод позволяет обрабатывать поверхности деталей различной формы и размеров с высокой точностью из наиболее используемых конструкционных мантериалов. Он обладает малой энергоемкостью и высокой производительностью. Вследствие этого обработка резанием является основным, наиболее используенмым в промышленности процессом размерной обработки деталей.

1.      Сущность и схемы способов обработки

Обработка резанием - это процесс получения детали требуемой геонметрической формы, точности размеров, взаиморасположения и шероховантости поверхностей за счет механического срезания с поверхностей заготовнки режущим инструментом материала технологического припуска в виде стружки (рис. 1.1).

Основным режущим элементом любого инструмента является режунщий клин (рис. 1.1, а). Его твердость и прочность должны существенно превосходить твердость и прочность обрабатываемого материала, обеснпечивая его режущие свойства. К инструменту прикладывается силие резания, равное силе сопротивления материала резанию, и сообщается перемещение относительно заготовки со скоростью ν. Под действием приложенного силия режущий клин врезается в заготовку и, разрушая обрабатываемый материал, срезает с поверхности заготовки стружку. Стружка образуется в результате интенсивной пругопластической дефорнмации сжатия материала, приводящей к его разрушению у режущей кромнки, и сдвигу в зоне действия максимальных касательных напряжений под глом φ. Величина φ зависит от параметров резания и свойств обрабатываемого материала. Она составляет ~30

Внешний вид стружки характеризует процессы деформирования и разнрушения материала, происходящие при резании. Различают четыре возможнных типа образующихся стружек: сливная, суставчатая, элементная и стружнка надлома (рис. 1.1, б).

Рис. 1.1. словная схема процесса резания:

- 1 - обрабатываемый материал; 2 - стружка; 3 - подача смазочно-охлаждающих средств; 4 - режущий клин; 5 - режущая кромка; φ - гол сдвига, характеризующий положение словной плоскости сдвига (П) относительно плоскости резания; γ - главный передний гол режущего клина; Р_z - сила резания; Р_y - сила нормального давления инструмента на материал; С_γu, С_γl - длины пластичного и пругого контактов; С_γ, С_a - длина зон контактного взаимодействия по передней и задней поверхностям инструмента; LOM - область главного пругопластичного деформирования при стружкообразовании; FKPT - область вторичной контактной упругоЦпластичнеской деформации металла;

В процессе резания режущий клин, испытывая интенсивное трение, контактирует с материанлом стружки и обработанной понверхностью в контактных зонах. Для снижения сил трения и нангрева инструмента применяют принудительное охлаждение зонны резания смазочно-охлаждающими средами (СОС), подавая их в зону резания специальными стройствами.

Детали и инструменты занкрепляются в специальных органнах станка или приспособлениях. Станок, приспособление, инструнмент и деталь образуют силовую систему (СПИД), передающую силие и движение резания от привода станка режущему инстнрументу и детали.

Реальные схемы различнных способов обработки резанинем, используемый инструмент, также виды движения инструменнта и заготовки в процессе обранботки приведены на рис. 1.2. В зависимости от используемого типа инструмента способы механнической обработки подразделянются на лезвийную и абразивную.

Рис. 1.2. Схемы способов обработки резанием:

- точение; б - сверление; в - фрезерование; г - строгание; д - протягивание; е - шлифование; ж - хонингование; з - суперфиниширование; D_r - главное движение резания; D_s - движение подачи; R_o - обрабатываемая поверхность; R - поверхность резания; R_оп - обработанная поверхность; 1 - токарный резец; 2 - сверло; 3 - фреза; 4 - строгальный резец; 5 - протяжка; 6 - абразивный круг; 7 - хон; 8 - бруски; 9 - головка.

Отличительной особеннонстью лезвийной обработки являнется наличие у обрабатываемого инструмента острой режущей кромки определенной геометрической формы, для абразивной обработки - наличие различным образом ориентированных режущих зерен абразивного инструмента, каждое из которых представляет собой микроклин.

Рис. 1.3. Конструкция и элементы лезвийных режущих инструментов:

- токарного резца; б - фрезы; в - сверла;

1 - главная режущая кромка; 2 - главная задняя поверхность; 3 - вершина лезвия; 4 - вспомогательная задняя поверхность лезвия; 5 - вспомогательная режущая кромка; 6 - передняя поверхность; 7 Ц крепежная часть инструмента.

Рассмотрим конструкцию лезвийных инструментов, используемых при резании (рис. 1.3). Инструмент состоит из рабочей части, включающей ренжущие лезвия, образующие их поверхности, режущие кромки и крепежной части, предназначенной для становки и закрепления в рабочих органах станка.

Основными способами лезвийной обработки являются точение, сверленние, фрезерование, строгание и протягивание. К абразивной обработке относятся процессы шлифования, хонингования и суперфиниша. В основу классификации способов механической обработки заложен вид используемого инструмента и кинематика движений. Так, в качестве инструмента при точении используются токарные резцы, при сверлении - сверла, при фрезеровании - фрезы, при строгании - строгальные резцы, при протягивании - протяжки, при шлифовании - шлифовальные круги, при хонинговании - хоны, при суперфинише - абразивные бруски. Любой способ обработки включает два движения (рис. 1.2.): главное - движене резания D_r - и вспомогательное - движение подачи D_s. Главное движение обеспечивает съем металла, вспомогательное - подачу в зону обработки следующего необработанного частка заготовки. Эти движения осуществляются за счет перемещения заготовки или инструмента. Поэтому при оценках движение инструмента во всех процессах резания добно рассматривать при неподвижной заготовке как сумнмарное (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Схемы определения максимальной скорости режущей кромки инструмента υ_е, формы поверхности резания R и глубины резания

- точением; б - сверлением; в - фрезерованием; г - строганием; дЦ протягиванием; е - хонингованием; ж - суперфинишированием.

Тогда полная скорость перемещения (e) произвольной точки Мрежунщей кромки складывается из скорости главного движения (s):

v_e = s (1.1)

Поверхность резания R представляет собой поверхность, которую описывает режущая кромка или зерно при осуществлении суммарного движения, включающего главное движение и движение подачи. При точении, сверлении, фрезеровании, шлифовании поверхности резания - пространственные линейчатые, при строгании и протягивании - плонские, совпадающие с поверхностями главного движения; при хонин-говании и суперфинишировании они совпадают с поверхностями главнного движения.

Поверхности R_o и R_oп называются, соответственно, обрабатываенмой поверхностью заготовки и обработанной поверхностью детали (см. рис. 1.2).

В процессах точения, сверления, фрезерования и шлифования главнное движение и движение подачи выполняются одновременно, в пронцессах строгания, хонингования движение подачи выполняется после главного движения.

2. Параметры технологического процесса резания

К основным параметрам режима резания относятся скорость главного движения резания, скорость подачи и глубина резания.

Скорость главного движения резания (или скорость рензания) определяется максимальной линейной скоростью главного движения режущей кромки инструмента. Эта скорость выражается в м/с.

Если главное движение резания вращательное, как при точении, сверлении, фрезеровании и шлифовании, то скорость резания будет определяться линейной скоростью главного движения наиболее даленной от оси вращения точки режунщей кромки Ч максимальной линейной скоростью главного движения (см. рис. 1.4):

v <= ωD

где D - максимальный диаметр обрабатываемой поверхности заготовки, определяющий положение наиболее удаленной от оси вращения точки режущей кромки, м; ω - гловая скорость, рад/с.

Выразив угловую скорость ω через частоту вращения шпинделя станка, получим:

v = π

При строгании и протягивании скорость резания

При хонинговании и суперфинишировании скорость резания определянется с четом осевого перемещения (см. рис. 1.4, е, ж) инструмента.

Скорость резания оказывает наибольшее влияние на производительность процесса, стойкость инструмента и качество обработанной поверхности.

Подача инструмента определяется ее скоростью s. В технологических расчетах параметров режима при точении, сверлении, фрезеровании и шлифовании используется понятие подачи на один оборот заготовки S_o и выражается в мм/об. Подача на оборот численно соответствунет перемещению инструмента за время одного оборота:

S_o <= s

При строгании подача определяется на ход резца. При шлифовании пондача может указываться на ход или двойной ход инструмента. Подача на зуб при фрезеровании определяется числом зубьев Z инструмента и подачей на оборот:

S_z = S_o

Глубина резания А определяется расстоянием по нормали от обработаой поверхности заготовки до обрабатываемой, мм. Глубину резания задают на каждый рабочий ход инструмента. При точении цилиндрической поверхнности глубину резания определяют как полуразность диаметров до г: после обработки:

h = (D_ur - d)

где d - диаметр обработанной поверхности заготовки, мм. Величина подачи и глубина резания определяют производительность пронцесса и оказывают большое влияние на качество обрабатываемой поверхности.

К технологическим параметрам процесса относятся геометрия режущего иннструмента, силы резания, производительность обработки и стойкость инструмента.

Геометрические параметры режущего инструмента определяются глами, образуемыми пересечением поверхностей лезвия, также положением поверхностей режущих лезвий относительно обрабатынваемой поверхности и направлением главного движения. Указанные паранметры идентичны для различных видов инструмента, что позволяет рассмотнреть их на примере резца, используемого при точении.

Углы резца по передним и задним поверхностям измеряют в определеых координатных плоскостях. На рис. 2.1, изображены координатные плоскости при точении, на рис. 2.1, б глы резца в статике.

Главный передний гол γ Ч угол между передней поверхностью лезвия и плоскостью, перпендикулярной к плоскости резания; главный задний гол α - гол между задней поверхностью лезвия и плоскостью резания; гол заострения β - гол между передней и задней поверхностями. Из принципа построения глов следует, что

α + β + γ = π/2.

Угол наклона режущей кромки X - гол в плоскости резания между режущей кромкой и основной плоскостью.

Углы в плане: главный гол в плане φ - гол в основной плоскости менжду следом плоскости резания и направлением продольной подачи; вспомо-

гательный гол в плане φ' - угол в основной плоскости между вспомогантельной режущей кромкой и обработанной поверхностью.

Рис. 2.1. Геометрические парамеры токарного резца:

- координатные плоскости; б - глы резца в статике;

1 - плоскость резания Р_п; 2 - рабочая плоскость Р_s; 3 - главная несущая плоскость Р_t; 4 - основная плоскость

v

Геометрические параметры режущего инструмента оказывают сущестнвенное влияние на силие резания, качество поверхности и износ инструменнта. Так, с величением гла у инструмент легче врезается в материал, снинжаются силы резания, лучшается качество поверхности, но повышается износ инструмента. Наличие гла снижает трение инструмента о поверхнность резания, меньшая его износ, но чрезмерное его увеличение ослабляет режущую кромку, способствуя ее разрушению при дарных нагрузках.

Силы резанияпредставляют собой силы, действующие на ренжущий инструмент в процессе пругопластической деформации и разрушенния срезаемой стружки.

Силы резания приводят к вершине лезвия или к точке режущей кромки и раскладывают по координатным осям прямоугольной системы координат ph^X_ps^Y_pXⁿ где коэффициенты С_р, Х_р, Y_p,

Мощность процесса резания определяется скалярным пронизведением:

N <=

e (2.6)

Выразив это произведение через проекции по координнатным осям, получим:

N <= P_z v_z + P_yv_y + P_xv_x (2.7)

где x, y, z - проекции на оси координат скорости движения точки приложения равнодействующей сил резания. В практических расчетах используется приближенная зависимость N =

zv. Это прощение обусловлено тем, что составляющие Р_у и Р_х полной силы резания малы по сравнению с Р₂, а скорость подачи относительно сконрости резания составляет всего 1 - 0,1%.

Рис. 2.2. Схема действия сил резания на режущую кромку инструмента в точке, имеющую максимальную скорость перемещения ν_е, при обработке: - точением; б - сверлением; в - фрезерованием; г - строганием; дЦ протягиванием; е - хонингованием; ж - суперфинишированием.

Производительность обработки при резании определяется числом деталей, изготовляемых в единицу времени: Q <= \/Т_т . Время изготовления одной детали равно Т_т = Т_д + Т_т + Т_кп, где Т_о - машинное время обработки, затрачиваемое на процесс резания, определяется для каждого технологического способа; Т_т - время подвода и отвода инструмента при обработке одной детали; Г_всп Ч вспомогательное время становки и нанстройки инструмента.

Таким образом, производительность обработки резанием в первую оченредь определяется машинным временем Т_о. При токарной обработке, мин: Т_о = Laoh), где L а<- расчетная длина хода резца, мм; - величина принпуска на обработку, мм.

Отношение 0 и максимальной скоростью резания. Однако при величениипроизводительности снижается качесто поверхности и повышается износ инструмента. Поэтому при обработке резанием решается задача по становлению максимально допустимой производительности при сохранении требуемого качества поверхности и стойкости инструмента.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

[1] - Материаловедение и технология металлов. Под ред. Г.П.Фетисова

М.: Высшая школа, 2001