При внедрении в материал режущего инструмента на его переднюю и заднюю поверхности действуют нормальные силы N 1 , N 2 и силы трения F 1 , F 2 (рис.2.). Считая клин абсолютно жестким телом, можно после сложения всех сил получить общую равнодействующую силу R, являющуюся силой сопротивления резанию. Учитывая сложностиопределения нормальных сил и сил трения, для удобства расчета технологических параметров процесса резания силу R раскладывают в трехосной системе координат X-Y-Z на составляющие, которые измеряют динамометром или рассчитывают по эмпирическимформулам. При свободном ортогональном резании таких составляющих две: в направлении вектора скорости резания - Pz и перпендикулярно поверхности резания - Py.
Рис.2. Схема сил, действующих на режущий клин.
Для практических целей обычно используется не сама равнодействующая сила R, а ее составляющие Рz, Рy, Рx (рис.3). При этом: величина силы Рz определяет крутящий момент резания, по которому определяются: мощность станка, параметры зубчатых колес и валов механизма скоростей станка, параметры зуба и корпуса режущего инструмента; от величины силы Рy зависят: прогиб обрабатываемой детали и ее точность, параметры деталей механизма поперечной подачи; величина силы Рx является исходной для расчета параметров деталей механизма продольной подачи станка. Кроме этого, составляющие силы резания используются при расчетах параметров шпиндельного узла и жесткости станка.
Рис.3. Разложение силы резания R на три составляющие.
Три указанные составляющие силы резания взаимно перпендикулярны; поэтому величина и направление равнодействующей силы определяются как диагональ параллелепипеда
Соотношение величин составляющих сил Pz, Py, Px не остается постоянным и зависит от геометрических параметров рабочей части резца, элементов режима резания (v, t, s), износа резца, физико-механических свойств обрабатываемого материала и условий резания.
Отношения Py/Pz и Px/Pz возрастают с увеличением износа резца; увеличение подачи увеличивает отношение Px/Pz; уменьшение главного угла в плане увеличивает отношение Py/Pz. В некоторыхт случаях обработки одной из двух составляющих (Px или Py) может и не быть. Например, при разрезке прутка отрезным резцом отсутствует сила Px; при подрезке торца трубы резцом с φ=90º и λ=0º отсутствует составляющая Py. Сила Pz действует во всех случаях, и поэтому ее часто называют главной составляющей силы резания или просто силой резания.
Удельная сила резания и коэффициент резания. Для приближенного определения силы резания Pz может быть использовано уравнение
где f - площадь поперечного сечения среза в мм 2 ; p - удельная сила резания (Н/мм 2).
Удельная сила р численно равна силе резания, отнесенной к 1 мм 2 сечения срезаемого слоя. Так как величина удельной силы зависит от элементов режима резания (v, t, s), геометрических параметров инструмента и условий обработки, значения р, полученные в различных условиях, не могут быть сопоставимы. Поэтому для расчета величин сил резания, как правило, используются различные варианты эмпирических зависимостей. Наиболее часто используется следующая типовая формула:
где i=x,y,z; C pi , x pi , y pi , k pi - справочные коэффициенты, зависящие от свойств инструментального и обрабатываемого материалов, геометрии инструмента и т.д; t - глубина резания (мм); s - величина подачи (мм/об).
Аппаратура для измерения сил резания. Для экспериментального определения сил резания и изучения влияния на них различных факторов применяют специальные динамометры. Различают динамометры трехкомпонентные для измерения Pz, Py и Px; двухкомпонентные для измерения Pz и Py или Pz и Px и однокомпонентные для измерения какой-либо одной составляющей силы резания.
Динамометры в зависимости от принципа работы делятся на электрические, механические и гидравлические. Каждый динамометр включает в себя устройство для разложения равнодействующей силы резания на составляющие, датчики для преобразования измеряемой силы в удобно наблюдаемую величину и регистрирующее устройство. Наибольшее применение имеют электрические динамометры: пьезоэлектрические, емкостные, индукционные и динамометры с проволочными датчиками сопротивления.
2.2. Деформирование и разрушение материалов при резании
Деформации при резании распространяются впереди инструмента: в деталь и в стружку. Размеры деформированной области и характер стружкообразования зависят от свойств обрабатываемого материала и условий резания (рис.4). Если при обтекании клина материалом образуется сплошная стружка без разрывов и больших трещин, то в этом случае она называется сливной стружкой . Такой тип стружки чаще всего образуется при резании вязких, пластичных материалов. В том случае, когда при резании пластичных материалов имеет место интенсивное трещинообразование, происходит полное разделение стружки на элементы, имеющие определенную правильную форму и последовательность образования, такой тип стружки называется элементной стружкой , или стружкой скалывания .
Очень часто при резании пластичных материалов образуются стружки, не имеющие четко выраженных признаков сливных или стружек скалывания. При их образовании не происходит полного разделения на элементы и трещины заканчивают свое развитие в толще деформированного материала, не выходя на его наружную поверхность. Такие стружки называют суставчатыми.
При резании хрупких материалов (чугуна, бронзы, керамических материалов и др.) происходит вырывание отдельных частиц поверхностного слоя заготовки режущей частью инструмента. Так как пластического деформирования практически не происходит, то элементы стружки, образующиеся в процессе хрупкого разрушения, не имеют правильной формы. Обработанная поверхность шероховатая с зазубринами и вырывами. Такой тип стружек носит название стружек надлома.
Рис.4. Типы стружек
А) сливная; б) суставчатая; в) скалывания; г) надлома
Изменяя условия резания и состояния материала, можно при его обработке получать различные типы стружек. Так, например, при резании меди с глубоким охлаждением можно получить стружки надлома, а при резании с подогревом твердых и хрупких материалов - стружки скалывания и даже сливные. При резании некоторых современных материалов, применяющихся в технике, например таких, как: высокопрочные и тугоплавкие сплавы, неметаллические, полимерные и композиционные материалы, образуются стружки, по своей форме и внешнему виду значительно отличающихся от вышеперечисленных.
В механике процесса резания металлов уделяется большое внимание стружкообразованию, так как оно определяет протекание процесса резания в целом. Hа осуществление процесса стружкообразования обычно затрачивается более 90% силы и работы резания; соответственно, при стружкообразовании выделяется основная часть тепла. От этого процесса, главным образом, зависят тепловой режим и контактные нагрузки на рабочих поверхностях инструмента, а следовательно, интенсивность и характер их износа. В непосредственной связи с процессом стружкообразования находится качество поверхностного слоя и точность обработки детали. Можно сказать, что почти все характеристики процесса резания и его практические результаты зависят от процесса стружкообразования. Протекание этого процесса в основном определяется деформированным состоянием зоны стружкообразования.
Установлено, что зона стружкообразования имеет клинообразную форму и размеры, сопоставимые с толщиной среза.
При этом пластическое деформирование срезаемого слоя начинается на линии, по которой проходят первые сдвиги обрабатываемого материала. Проходя через зону стружкообразования, обрабатываемый материал последовательно подвергается дополнительным пластическим деформациям при пересечении каждой последующей линии сдвига. Достигнув конечной границы зоны стружкообразования, обрабатываемый материал получает наибольшую степень деформации, свойственную уже образовавшейся стружке.
Концентрация пластической деформации у конечной границы зоны стружкообразования позволяет в некоторых случаях использовать упрощенное представление о том, что весь процесс деформации происходит вдоль некоторой условной плоскости сдвига ВС, наклоненной под углом φ к вектору скорости резания. Угол φ, называемый углом сдвига, является удобным параметром для характеристики направления и величины пластической деформации в зоне стружкообразования (рис.1) .
Hапряженное состояние зоны резания также играет определенную роль в процессе стружкообразования. Хотя в силу особенностей этого процесса не наблюдается полного соответствия между напряженным и деформированным состоянием зоны стружкообразования, тем не менее изучение напряженного состояния позволяет более обоснованно подойти к анализу схем стружкообразования и влияния условий резания на процесс стружкообразования.
Установление напряженного состояния зоны стружкообразования является сложной задачей, которая даже для простейшего случая резания решена лишь в первом приближении. Причина этого заключается в том, что существующие аналитические и экспериментальные методы не позволяют определить напряженное состояние зоны стружкообразования без ряда допущений.
2.2.1. Методы оценки состояния зоны резания
Для качественной и количественной оценки напряженно-деформированного состояния при резании существуют различные методы.
Метод определения коэффициента усадки стружки . Внешними наблюдениями за процессом стружкообразования установлено, что в большинстве случаев обработки резанием стружка укорачивается, утолщается и становится шире срезаемого слоя ("разбухает", "усаживается"). Усадка стружки является внешним проявлением процесса деформирования при наличии больших пластических деформаций. Рассматриваются следующие геометрические соотношения (рис.5): коэффициент укорочения kl=Lo/L , коэффициент уширения kb=b1/b, коэффициент утолщения ka=a1/a. Так как объем пластически деформированного материала не изменяется, то a·b·Lo=a1·b1·L и при b1=b получим, что Lo/L=a1/a , т.е. kl=ka .
При резании различных материалов и в разных условиях эти коэффициенты могут быть больше или меньше единицы. В случае равенства линейных размеров срезаемого слоя и стружки понятие "коэффициент усадки" теряет свой смысл, так как "усадки" не происходит, а энергия, затраченная на пластическое деформирование, достаточно велика.
Рис.5. Схема определения величины коэффициентов усадки стружки (коэффициентов укорочения и утолщения)
Метод координатных сеток. Этот метод позволяет качественно и количественно оценить напряженно-деформированное состояние в зоне резания при образовании сливных стружек и стружек скалывания. Сетки с различной формой ячеек наносятся на наблюдаемую поверхность детали. По характеру искажения формы ячеек сеток можно получить представления о размерах зоны деформированного материала, количественных характеристиках напряженно-деформированного состояния в очаге деформации и поверхностном слое детали, а также о контактных нагрузках и трении на поверхностях режущего клина.
Метод микротвердости. Метод определения напряженного состояния по изменению микротвердости Hu деформированного материала в сочетании с методом координатных сеток позволяет, зная величины интенсивностей деформаций еi, определить величины интенсивностей напряжений бi в различных точках зоны резания. Для этого необходимо построить графики механических испытаний, связывающие еi - бi - Hu.
Поляризационно-оптические методы. Эти методы позволяют экспериментально-расчетным путем определить контактные напряжения, а также распределение касательных и нормальных напряжений в режущем клине. Инструмент необходимо изготовлять из оптически-активного материала (эпоксидная смола, стекло) и резать высокопластичные материалы (свинец, алюминий). Обработка фотографий изоклин (линий равных нормальных напряжений) и изохром (линий равных касательных напряжений) достаточно сложна и трудоемка.
Кроме перечисленных выше, достаточно часто используются методы расчета напряженно-деформированного состояния материала в зоне резания, связанные с построением поля линий скольжения, применением теории подобия и электромоделирования.
При обтекании режущего клина часть деформированного материала перемещается по передней поверхности, превращаясь в стружку, а другая часть ниже линии среза - по задней поверхности и образует поверхностный слой детали.
2.2.2. Физико-механические свойства поверхностного слоя
Формирование поверхностного слоя детали путем срезания стружки определяется сложным напряженно-деформированным состоянием зоны резания. Процесс образования поверхностного слоя деталей при резании материалов представляет собой комплекс сложных физических явлений. Физико-механические свойства поверхностного слоя оценивают глубиной hнк и степенью N наклепа, величиной и знаком остаточных напряжений, микроструктурой и другими характеристиками . Под степенью наклепа понимается отношение N=((Hmax-Ho)/Ho)·100%, где Hmax - микротвердость обработанной поверхности; Но - микротвердость исходного материала заготовки.
Изменение степени пластической деформации срезаемого слоя при увеличении скорости резания вызывает соответствующее изменение наклепа обработанной поверхности. При более высоких скоростях резания глубина наклепа снижается. При износе инструмента возрастают нормальные силы N 2 и силы трения F 2 на задней поверхности инструмента и поэтому увеличивается наклеп поверхностного слоя детали. Степень наклепа очень сильно зависит от физико-механических свойств обрабатываемого материала. Нержавеющие, жаропрочные стали и другие пластичные материалы обладают большой склонностью к наклепу.
Глубина наклепа определяется путем последовательного измерения микротвердости на косых срезах или методом рентгено-структурного анализа. Степень и глубина наклепа в основном зависят от физических свойств обрабатываемого материала, скорости резания (при больших скоростях степень и глубина наклепа уменьшаются) и угла резания (чем больше угол резания, тем больше степень и глубина наклепа). Многие пластичные материалы (стали аустенитного класса, медь, жаропрочные и титановые сплавы) обладают большой склонностью к наклепу. Увеличение подачи, износа инструмента и радиуса округления режущей кромки приводит к увеличению размеров зоны деформации, увеличению глубины и степени наклепа. Необходимо отметить, что при образовании поверхностного слоя изделия параллельно происходят два конкурирующих процесса: упрочнение ("наклеп") и разупрочнение ("отдых").
С увеличением скорости резания повышается температура и возрастает скорость разупрочнения. Высокая температура может привести к рекристаллизации и снижению наклепа, что и наблюдается при шлифовании.
Остаточные напряжения могут возникнуть в результате действия упруго-пластических деформаций, при значительном нагреве поверхностного слоя, а также при структурных и фазовых превращениях. В этих случаях атомы в поверхностном слое отклоняются от положения устойчивого равновесия, но стремятся вернуться в исходное положение - возникают внутренние силы. С увеличением нормального расстояния между атомами появляются напряжения растяжения, а при уменьшении - сжатия.
При движении инструмента по обработанной поверхности возникает пластическое растяжение поверхностных слоев в направлении линии среза. Слои, лежащие ниже, деформируются упруго и после прохода инструмента стремятся возвратиться в исходное состояние, т.е. сжаться. В поверхностном слое изделия возникают остаточные напряжения сжатия. Также под действием теплоты, идущей в деталь, верхние слои растягиваются, а нижние холодные слои оказывают сопротивление. Появляются остаточные напряжения сжатия. Иногда (при охлаждении) во внутренних слоях возникают остаточные напряжения сжатия, а на поверхности - растяжения. Результирующая эпюра остаточных напряжений зависит от интенсивности действия механического и теплового факторов. Например, интенсивный нагрев может уменьшить напряжения сжатия, возникшие от механического воздействия. При шлифовании стальных деталей поверхностный слой нагревается до высоких температур и происходят структурные преобразования. Превращения, связанные с увеличением объема структурных составляющих, могут вызвать появление остаточных напряжении сжатия, а при уменьшении объема - остаточных напряжений растяжения.
С увеличением скорости резания или уменьшением угла резания остаточные напряжения уменьшаются и могут изменить свой знак. Увеличение подачи, глубины резания и износа инструмента приводит к увеличению остаточных напряжений. Сжимающие остаточные напряжения повышают износостойкость деталей машин, усталостную прочность и их коррозионную устойчивость. Растягивающие остаточные напряжения приводят к снижению циклической прочности и появлению трещин на поверхности деталей. Остаточные напряжения бывают трех видов:
- Остаточные напряжения первого рода, уравновешивающиеся между большими объемами деформируемого тела. Они вызывают коробления и изменения формы изделия.
- Остаточные напряжения второго рода, уравновешивающиеся в объеме нескольких зерен. Они приводят к трещинообразованию.
- Остаточные напряжения третьего рода, уравновешивающиеся внутри каждого зерна, они связаны с изменением расположения атомов в кристаллической решетке.
Величину остаточных напряжений можно уменьшить путем увеличения жесткости технологической системы, правильного выбора режимов резания и геометрии инструмента, а также применением смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) и специальной термообработки изделия.
Важной характеристикой физического состояния поверхностного слоя является величина и знак остаточных напряжений. При наличии в поверхностном слое сжимающих остаточных напряжений предел выносливости деталей обычно повышается, а остаточные напряжения растяжения понижают предел выносливости. Для сталей, обладающих высокой твердостью, повышение усталостной прочности в результате сжимающих напряжений достигает 50%, а снижение ее за счет растягивающих напряжений - 30%.
Остаточные напряжение при резании металлов образуются в результате неравномерности пластической деформации и значительного нагрева поверхностных слоев. Исследования процесса формирований остаточных напряжений показали, что, если механическая обработка материала сопровождается высокими силами резания, то формируются сжимающие остаточные напряжения; при повышенных температурах в зоне резания формируются остаточные напряжения растяжения.
В производственных условиях широко используют различные способы искусственного создания в поверхностном слое обрабатываемых деталей остаточных напряжений сжатия или растяжения. Причем, эти "искусственные" напряжения должны иметь обратный знак по отношению к напряжениям, возникающим при работе детали в изделии. Например, накатываются для увеличения наклепа и, следовательно, создания сжимающих напряжений поверхности коленчатых валов, работающие в условиях растягивающих нагрузок, что повышает усталостную прочность вала на 30%-40%.
2.3. Тепловые явления. Способы измерения температуры в зоне резания
При резании почти вся механическая энергия, затрачиваемая на деформирование, разрушение и трение, переходит в тепловую. Исследования процессов теплообразования при резании позволили определить направление и интенсивность тепловых потоков, градиенты температур в контактных областях и характеристики температурного поля в зоне резания, деталью и окружающей средой, а также получить качественное и количественное представление о тепловом балансе при резании различных материалов. Знание этих закономерностей имеет большое значение для рационального конструирования и эксплуатации режущих инструментов, применения эффективных методов смазки и охлаждения, повышения точности и качества поверхности обработанных деталей.
Уравнение теплового баланса можно представить следующим образом(рис.6);
Q1+Q2+Q3=q1+q2+q3+q4 (1)
где Q1 - количество тепла, эквивалентное энергии, затраченной на деформирование и разрушение при стружкообразовании и формировании поверхностного слоя;
Q2 - количество тепла, эквивалентное работе сил трения при контакте передней поверхности клина и деформированного материала;
Q3 - количество тепла, эквивалентное работе сил трения на задней поверхности клина при переходе деформированного материала в поверхностный слой детали;
q1 - количество тепла, уходящее в стружку;
q2 - количество тепла, идущее в деталь;
q3 - количество тепла, переходящего в режущий инструмент;
q4 - количество тепла, передающееся окружающей среде.
Рис.6. Схема распространения тепловых потоков
Количественное выражение уравнения теплового баланса зависит от физико-химических свойств материалов заготовки и инструмента, геометрических параметров режущего инструмента, режимов резания и условий обработки. Например, при резании различных конструкционных материалов и сплавов наибольшее количество тепла уходит со стружкой, а в процессе шлифования - в деталь. При резании жаропрочных и титановых сплавов, имеющих плохую теплопроводность и низкие коэффициенты температуропроводности, значительное количество тепла концентрируется в контактной зоне или переходит в режущий инструмент.
Исследования тепловых явлений при механической обработке металлов сложно из-за высоких контактных (инструмент-стружка) давлений и температур в зоне резания. Поэтому используемые электрические и математические методы определения температур дают только относительные представления о температурных явлениях при резании.
Наиболее распространенными являются методы, позволяющие измерять температуру отдельных участков зоны резания и режущего инструмента. К ним относятся: методы термопар (рис.7) и рентгено-структурного анализа, радиационно-оптический метод. Измерение температур в узких областях зоны резания с помощью термопар впервые предложено Я.Г.Усачевым в 1912 году. В случае применения "искусственной термопары" в режущей части инструмента просверливается отверстие, в которое вставляется термопара с изолированными проводниками диаметром 0,3-0,5 мм. Место спайки термопары располагают, как можно ближе к нагретым поверхностям инструмента. Температуру оценивают по изменению величины термоэлектродвижущей силы.
Рис.7. Схемы термопар:
а - искусственная; b - полуискусственная; c - естественная.
В другом варианте термопары, получившем название "полуискусственная", один изолированный проводник выводится на заднюю или переднюю поверхности инструмента и расклепывается. Вторым проводником является тело инструмента, что значительно упрощает схему измерения. Идеи Я.Г.Усачева нашли дальнейшее применение и развитие в исследованиях отечественных и зарубежных ученых (созданы конструкции привариваемых, прижимных, защемленных, подвижных, бегущих и других видов термопар). Значительное распространение получила так называемая "естественная термопара". Здесь проводниками являются инструмент и деталь, а спаем термопары - область контакта задней и передней поверхности режущего клина с металлом заготовки.
Вопросы теоретического расчета температурного поля при резании представляют значительный научный интерес. Под термином "температурное поле" в зоне резания подразумевается совокупность различных значений температур во всех точках деформированного объема материала в данный момент времени.
Первые попытки расчета поля температур сводились к использованию решений классических задач теории теплообмена в твердых телах. Температура резания определялась решением общего уравнения теплопроводности:
(2)
где: a =l /(c r ) - коэффициент температуропроводности;
λ - коэффициент теплопроводности;
c - теплоемкость;
ρ - удельный вес материала;
Для решения этого уравнения необходимо задаться определенными граничными условиями, связанными с характеристиками реального процесса резания. Математическое описание условий теплообмена на граничных поверхностях зоны деформации представляет значительные трудности. Поэтому многие исследователи вводили целый ряд допущений и упрощений, значительно снижая ценность решения задачи. Конечные формулы отличались громоздкостью, содержали большое количество трудноопределяемых коэффициентов и были неудобны для практического использования.
Наиболее плодотворным методом интегрирования уравнения теплопроводности является метод источников тепла. Линеаризация уравнения (2) производится путем осреднения теплофизических коэффициентов в узком интервале температур, выражение мощности источников через линейную функцию температуры и принятия постоянной скорости перемещения источника. При этом не учитываются тепловые эффекты фазовых и структурных превращений. Метод источников тепла дает возможность путем несложных преобразований представить температуру поля в виде определенного интеграла или сходящегося ряда и таким образом количественно описать процессы распространения тепла при резании линейных, плоских и пространственных задач. Источники тепла рассматриваются как местные, сосредоточенные или распределенные, неподвижные и подвижные, мгновенные н длительного действия.
Распространение тепла от подвижного сосредоточенного источника рассматривается, как совокупность наложенных друг на друга процессов выравнивания теплоты мгновенных элементарных источников. При этом координаты точек температурного поля x , у, z перемещаются вместе с подвижным источником (рис. 8).
Тепло Q, внесенное в точечный элемент (R = 0) неограниченного теплопроводного тела в момент времени t = 0, выравнивается по экспоненциальному закону
(3)
где R 2 = x 2 + y 2 + z 2 - радиус-вектор, т.е. расстояние элемента поля (точка А) от источника (точка В). Уравнение (3) является главным решением метода источников.
На рис.9 приведены температурные поля, полученные разными исследователями экспериментальным путем (радиационно-оптическим методом) и рассчитанные по методу источников при свободном резании (точении) стали в одинаковых условиях. Характер распределения температур в зоне резания хорошо согласуется с современными представлениями о поле деформаций, а наибольшие температуры возникают в области максимальных деформаций и на контактных площадках.
2.4. Физические явления в зоне контакта инструмента и обрабатываемого материала
Физические и химические процессы на поверхностях контактирующих тел весьма многообразны и сложны. На передней поверхности инструмента образуются налипы и наросты, изменяющие характер стружкообразования, ухудшающие качество обработанной поверхности и разрушающие режущую кромку. В контактной области возникает целый ряд поверхностных явлений: адгезия, коррозия, диспергирование, упрочнение и разупрочнение поверхностных слоев, диффузия, адгезия, эрозия, окисление и другие физико-химические явления. Даже такое беглое перечисление подчеркивает высокую сложность процессов трения при срезании металла режущим инструментом.
Трение при обработке резанием имеет свои специфические особенности, которые в основном сводятся к следующим:
возникают различные виды трения (граничное и жидкостное встречаются редко);
особую роль играет чистое трение, приводящее к интенсивному разрушению режущего клина;
взаимное соприкосновение трущихся поверхностей заготовки и режущего инструмента происходит только один раз и носит сложный характер; причем физический микро- и субмикрорельеф не имеют ничего общего с технологическим микрорельефом обработанной поверхности, образующимся при различных видах обработки (точении, сверлении, фрезеровании и др.);
трение происходит при очень больших давлениях, высоких температурах, доходящих до температур плавления, и значительных истинных площадях контакта;
сложное распределение нормальных и касательных нагрузок по контактным поверхностям инструмента (рис.10).
большие переменные значения коэффициента трения ( m ³ 1), объясняющиеся интенсивной адгезией и диффузией. Величина среднего коэффициента трения в основном зависит от скорости резания (скорости нагружения), толщины среза и величины переднего угла режущего клина;
сложное взаимное влияние вибраций и вида трения;
жесткий режим трения, приводящий к появлению наростов и интенсивному разрушению поверхностных слоев режущего клина.
Рис.10. Схема распределения контактных нагрузок на передней и задней поверхностях инструмента s N – нормальные нагрузки;
t пп – касательные нагрузки на передней поверхности;
t зп – касательные нагрузки на задней поверхности;
l пл – длина пластического контакта;
l упр – длина упругого контакта;
C - точка, в которой t = 0.
2.4.1. Наростообразование
При некоторых условиях резания на передней поверхности инструмента появляется слоистое металлическое образование, называемое наростом. Существует много различных гипотез о причинах возникновения наростов, что свидетельствует о малой изученности природы наростообразования. Наростообразование находится в тесной взаимосвязи с условиями трения, высокими контактными температурами и давлениями. Наиболее вероятной причиной наростообразования можно считать возникновение несимметричной клинообразной застойной зоны упрочненного материала впереди режущего клина, а также торможение (схватывание) тонких контактных слоев стружки на шероховатой передней поверхности инструмента (рис.11) вследствие наличия чистого трения, высоких коэффициентов трения и значительной реальной площади контакта.
Нарост обладает особыми свойствами:
а) имеет неоднородную слоистую структуру, существенно отличающуюся от структуры обрабатываемого материала и материала режущего инструмента;
б) нарост обладает высокой твердостью и значительной вязкостью. Однако большие силы трения (резания) и высокая температура в зоне контакта приводит периодичности образования нароста.
Рис.11. Схема наростообразования и влияние нароста на размер детали: L н - длина нароста; h н - высота нароста; b н и d н - соответственно углы заострения и резания при наличии нароста; b и d - соответственно углы заострения и резания инструмента; D и D н -соответствующие диаметры детали
Частота срывов нароста увеличивается (до нескольких сотен раз в минуту) с возрастанием скорости резания, уменьшением переднего угла и увеличением толщины срезаемого слоя.
Hаростообразование зависит от физико-механических свойств обрабатываемых материалов и материалов режущих инструментов. Hарост может появляться при резании твердосплавным, быстрорежущим, минерало-керамическим и алмазным инструментами различных материалов (в том числе и при обработке чугуна, титановых, жаропрочных и других сплавов). Hаибольшей величины наросты достигают при резании пластичных металлов с образованием сливной стружки и инструментами, изготовленными из углеродистых и быстрорежущих сталей.
Hарост образуется в основном тогда, когда температура инструмента больше температуры стружки и контактные слои стружки тверже ее внутренних слоев. При этом сила трения на контактной поверхности больше сил сцепления частиц в стружке, а скорость их перемещения по мере удаления от поверхности контакта возрастает и доходит до величины скорости стружки.
Pазмеры нароста с увеличением скорости резания вначале увеличиваются, а затем уменьшаются. Причем сначала уменьшается длина, а при более высоких скоростях - высота нароста. При увеличении переднего угла размеры нароста (в основном высота) уменьшаются.
Hарост обладает высокой твердостью и значительной вязкостью. Твердость нароста в 2-3 раза выше твердости исходного материала и резко снижается с повышением температуры резания. Объясняется это тем, что с увеличением температуры резания происходит рекристаллизация материала нароста, контактные слои стружки теряют свою твердость, градиент твердости слоев нароста выравнивается, твердость нароста монотонно уменьшается. Вследствие этого прекращается увеличение размеров нароста и он срывается.
Периодические срывы нароста находятся в тесной связи с рекристаллизацией и фазовыми превращениями, при которых и происходит понижение твердости и прочности (разупрочнение) материала наростов. Hарост теряет свою режущую способность, раздавливается и уносится стружкой или вдавливается в обработанную поверхность. Частота срывов нароста увеличивается с возрастанием скорости резания, подачи и уменьшением переднего угла.
Hаличие на передней поверхности инструмента упрочняющей фаски с передним углом, равным нулю или отрицательным, делает нарост более устойчивым.
Изменение величины коэффициента усадки стружки и силы резания с увеличением скорости резания носит сложный характер. При небольших скоростях резания происходит интенсивное наростообразование, нарост уменьшает угол резания и тем самым сопротивление резанию. При увеличении скорости нарост срывается и угол резания принимает исходное значение. Сопротивление резанию увеличивается. При скоростях V = 60-100 м/мин. нарост не образуется.
Явление наростообразования имеет большое значение в практике обработки резанием(рис.12):
1) нарост изменяет величину угла резания, а следовательно,изменяет сопротивление резанию и условия трения;
2) нарост ухудшает шероховатость обработанной поверхности;
3) нарост защищает заднюю поверхность инструмента от разрушения и изменяет размеры детали;
4)периодические срывы нароста приводят к возникновению вибраций, ухудшающих качество обработки;
5) нарост не допустим при чистовой обработке;
6) наросты могут образовываться при резании твердосплавными, быстрорежущими, минералокерамическими и алмазными инструментами различных материалов. Но наибольшей величины наросты достигают при резании пластичных металлов.
Управление процессом наростообразования обеспечивается правильным выбором режимов резания,геометрией инструмента, применением смазочно-охлаждающих веществ и т.п.
Рис.12. Влияние высоты нароста на величину шероховатости R z , угол резания d н, силу резания Р z и коэффициент трения m при резании стали 40Х на различных скоростях резания V
1. Образование стружки. Как указывалось ранее режущей части резца придается форма несимметричного клнна, который с некоторой силой Р вдавливается в обрабатываемый материал. Под действием этой силы происходит сжатие срезаемого слоя, который деформируется не по всей длине, а только на небольшом участке, расположенном близко к передней поверхности резца.
Известно, что разрушению металла под действием приложенной силы предшествует постепенно изменяющийся характер деформации, Так, в пластичных металлах вначале возникают упругие (обратимые) деформации, вследствие которых зерна металла сжимаются или вытягиваются. Затем металл начинает пластически (необратимо) деформироваться. Зерна при этом сдвигаются друг от- 1 относительно друга. И, наконец, при некотором значении внешней силы, соответствующей прочности обрабатываемого материала, де
формированный участок скалывается и отделяется от основной массы, образуя элемент стружки. Такие явления последовательно повторяются в течение всего процесса резания.
Хрупкие металлы разрушаются почти без пластического деформирования при достижении предела упругости. Поэтому на их резание затрачивается значительно меньше работы, чем на пластичные металлы.
Скалывание элементов стружки происходит вдоль определенной плоскости АВ, которую еще И. А. Тиме в своих работах назвал плоскостью скалывания. Эта плоскость при резании Пластичных металлов имеет примерно постоянное расположение к направлению резания и составляет с ним угол Л-145- 150е, Этот угол называют углом скалываний.
В более поздних исследованиях Я. Г, Усачева было установлено, что направление сдвига зерен металла происходит по плоскостям сдвига АС, угол плоскости скалывания для более плас- до 30°, а для менее пластичных приближается к нулю.
Схема резания позволяет геометрически установить наиболее целесообразную величину переднего угла резцов для обработки пластичных металлов из следующих рассуждений. Каждый элемент стружки, продвигаясь вдоль плоскости скалывания, одновременно перемещается перпендикулярно к этой плоскости вверх. Следовательно, для уменьшения деформаций элементов стружки И трения их о переднюю поверхность резца последняя не должна препятствовать такому движению. Для этого переднюю поверхность резца целесообразно расположить перпендикулярно к плоскости скалывания. В этом случае углы у и 0] становятся равными между собой как углы с взаимно перпендикулярными сторонами. Используя значение угла скалывания Д, можно сделать заключение, что рациональная величина переднего угла должна составлять 30-35°.^ Практически для повышения прочности режущего клииа передние углы резцов выполняются значительно меньшими (примерно в 1,5- 2 раза) в зависимости от механических свойств обрабатываемого материала и материала инструмента.
Процесс резания (стружкообразования) является сложным физическим процессом, сопровождающимся большим тепловыделением, деформацией металла, износом режущего инструмента и наростообразованием на резце. Знание закономерностей процесса резания и сопровождающих его явлений позволяет рационально управлять этим процессом и изготовлять детали более качественно, производительно и экономично. При резании различных материалов образуются следующие основные типы стружек (смотри рисунок): сливные (непрерывные), скалывания (элементные) и надлома.
Сливная стружка - а) образуется при резании пластических металлов (например, мягкой стали, латуни) с высокими скоростями резания и малыми подачами при температуре 400-500°С. Образованию сливной стружки способствуют уменьшение угла резания (при оптимальном значении переднего угла) и высокое качество смазочно-охлаждающей жидкости.
Стружка скалывания - б) состоит из отдельных элементов, связанных друг с другом и имеет пилообразную поверхность. Такая стружка образуется при обработке твердой стали и некоторых видов латуни с малыми скоростями резания и большими подачами. С изменением условий резания стружка скалывания может перейти в сливную и наоборот.
Стружка надлома - в) образуется при резании малопластичных материалов (чугуна, бронзы) и состоит из отдельных кусочков.
Режущий инструмент деформирует не только срезаемый слой, но и поверхностный слой обрабатываемой детали. Деформация поверхностного слоя металла зависит от различных факторов и ее глубина составляет от сотых долей миллиметра до нескольких миллиметров. Под действием деформации поверхностный слой металла упрочняется, увеличивается его твердость и уменьшается пластичность, т. е. происходит так называемый наклеп обрабатываемой поверхности. Чем мягче и пластичнее обрабатываемый металл, тем интенсивней процесс образования наклепа. Чугуны обладают значительно меньшей способностью к упрочнению, чем стали. Глубина и степень упрочнения при наклепе увеличиваются с увеличением подачи и глубины резания и уменьшаются с увеличением скорости резания. При работе плохо заточенным инструментом глубина наклепа примерно в 2-3 раза больше, чем при работе остро заточенным инструментом. Применение смазочно-охлаждающей жидкости значительно уменьшает глубину и степень упрочнения поверхностного слоя.
При обработке металлов, особенно пластичных, в
непосредственной близости к режущей кромке резца на переднюю поверхность
резца налипает обрабатываемый материал, образуя металлический нарост,
имеющий клиновидную форму и по твердости в 2-3 раза превышающий твердость
обрабатываемого материала. Являясь как бы продолжением резца,
нарост (рисунок слева) изменяет геометрические параметры резца
(δ1<δ),
участвует в резании металла и оказывает влияние на результаты обработки,
износ резца и силы, действующие на резец. При обработке нарост периодически
скалывается и вновь образуется; отрыв частиц нароста по длине режущего
лезвия происходит неравномерно, что приводит к мгновенному изменению
глубины резания. Эти явления, повторяющиеся периодически, увеличивают
шероховатость обработанной поверхности. С увеличением пластичности
обрабатываемого металла размеры нароста возрастают. При обработке хрупких
металлов, например чугуна, нарост, как правило, не образуется.
При скорости резания υ<5м/мин нарост не образуется. Наибольшая величина нароста соответствует υ=10-20 м/мин для инструмента из быстрорежущей стали и υ>90м/мин для твердосплавного инструмента. Поэтому при этих скоростях не рекомендуется производить чистовую обработку. С увеличением подачи нарост увеличивается, поэтому при чистовой обработке рекомендуется подача 0,1-0,2 мм/об. Глубина резания существенного влияния на размеры нароста не оказывает. Для уменьшения нароста рекомендуется уменьшать шероховатость передней поверхности режущего инструмента, по возможности увеличивать передний угол γ (например, при γ=45° нарост почти не образуется) и применять смазочно-охлаждающие жидкости. При черновой обработке образование нароста, напротив, благоприятно сказывается на процессе резания.
Как указывалось выше, процесс резания металлов при фрезеровании не имеет принципиальных отличий от процесса резания при точении. Остановимся на некоторых явлениях, сопровождающих процесс резания.
Срезанный слой металла в виде стружки, как известно, может иметь различный вид в зависимости от условий обработки. По классификации проф. И. И. Тиме, стружка может быть следующих типов: сливная, скалывания и надлома.
Нарост при резании металлов
. При резании вязких металлов в некоторых случаях на передней поверхности инструмента образуется так называемый нарост. Это прикрепившийся (приварившийся) к передней поверхности резца сильно деформированный кусочек обрабатываемого материала в виде клина большой твердости (рис. 243). Этот кусочек металла непрерывно сходит со стружкой и снова образуется. Он по существу является режущей частью инструмента и предохраняет режущую кромку от износа. Однако если на передней поверхности инструмента образовался нарост, то ухудшается качество обработанной поверхности. Поэтому при чистовой обработке металлов, а также при нарезании резьбы нарост является вредным явлением. Для его ликвидации следует тщательно доводить переднюю поверхность инструмента или изменять скорость резания (чаще в сторону ее увеличения до 30 м/мин и выше), а также применять соответствующие условиям обработки смазывающеохлаждающие жидкости.
Усадка стружки
. При резании металлов стружка деформируется и оказывается короче того участка, с которого она срезана (рис. 244).
Это явление укорочения стружки по длине называется продольной усадкой стружки.
Объем металла при деформировании практически не меняется. Следовательно, укорачивание стружки по длине должно сопровождаться увеличением площади поперечного сечения стружки. Увеличение площади поперечного сечения называется поперечной усадкой стружки.
Деформирование стружки приводит к ее завиванию. Канавки режущих инструментов (сверл, протяжек, фрез и др.) должны обеспечивать возможность свободного размещения завивающейся стружки.
Тепловые явления при резании металлов
. В процессе резания металлов обрабатываемая деталь, режущий инструмент и стружка нагреваются. При увеличении скорости резания, особенно во время снятия тонких стружек, температура в зоне резания увеличивается до 60°. При дальнейшем повышении скорости резания в ряде случаев можно наблюдать сходящую стружку, нагретую до ярко-красного каления (900°С).
На обработанной поверхности стальной детали при этом могут быть заметны оттенки всех цветов побежалости, свидетельствующие о высокой температуре тончайшего поверхностного слоя детали в момент соприкосновения ее с задней поверхностью инструмента. Повышение температуры в зоне резания происходит в результате превращения затрачиваемой на процесс резания механической энергии в тепловую. Еще Я. Г. Усачев установил, что в стружку уходит от 60 до 86% общего количества теплоты, образующейся при резании, в режущий инструмент - от 10 до 40% общего количества теплоты, а в обрабатываемую заготовку - от 3 до 10%. Необходимо отметить, что как в стружке, так и в инструменте теплота распределяется неравномерно. В режущем инструменте при непрерывной его работе устанавливается постоянный тепловой режим за несколько минут работы. Практически выравнивание температуры в обрабатываемой детали заканчивается уже после ее обработки. Образующееся в зоне резания тепло оказывает большое влияние на весь процесс резания и связанные с ним явления (наростообразование, износ инструмента и др.) Поэтому в теории резания металлов тепловым явлениям при резании металлов уделяется большое внимание.
Шероховатость обработанной поверхности
. Проблема улучшения качества выпускаемой продукции наряду с непрерывным повышением производительности труда является важнейшей в машиностроении.
При оценке качества готовой детали учитывают следующие основные показатели: точность размера, точность геометрической формы и шероховатость поверхности.
Шероховатость обработанной поверхности зависит от следующих факторов: правильного выбора геометрических параметров (углов заточки) инструмента и прежде всего переднего угла. углов в плане, правильного выбора подачи, скорости резания, а также применения соответствующих смазывающеохлаждающих жидкостей.
Для получения высокого класса чистоты поверхности необходимо также, чтобы передняя и задние поверхности инструмента были тщательно доведены (обработка алмазными кругами или пастой карбида бора).
Вибрации при резании металлов
. В процессе резания металлов при определенных условиях возникают вибрации (колебания). Появление вибраций во многих случаях является основной причиной, ограничивающей возможность повышения режимов резания и производительности труда. Вибрации при резании металлов вредно отражаются на стойкости инструмента. Даже слабые вибрации препятствуют достижению высокого класса чистоты обработанных поверхностей. При прочих равных условиях возможность возникновения вибраций при обработке чугуна значительно меньше, чем при обработке стали.
Вибрации можно устранить или уменьшить путем применения инструмента с малыми задними и большими передними углами, а также выбором соответствующих скоростей резания и условий охлаждения, при которых снижается интенсивность колебаний. Для устранения или уменьшения вибраций применяют специальные устройства виброгасители.
Работа резца. Резание металлов осуществляется инструментами, имеющими, как правило, форму клина. Это объясняется способностью клина создавать выигрыш в силе, необходимой для проникновения инструмента в обрабатываемый материал. Причем этот выигрыш возрастает по мере уменьшения угла заострения клина β (рис 5, а) .
Рис 5. Схемы действий клина (а) и резца (б)
Однако режущая кромка более острого клина менее прочна. Учитывая это, для обработки более твердых материалов необходимо применять клин с несколько большим углом I , а для относительно мягких - клин с меньшим углом заострения.
При резании приходится преодолевать не только силы сцепления частиц металла, но также силы внешнего трения, возникающие в местах контакта клина с обрабатываемым материалом. Силы трения можно уменьшить за счет расположения одной из поверхностей резца под некоторым углом а к обработанной поверхности детали (рис5, б), что учитывается при создании его геометрической формы.
Работу резца при резании можно представить в виде следующего процесса. Внедряясь в обрабатываемый материал, резец сжимает срезаемый слой. При этом небольшой участок этого слоя, наиболее близко расположенный к резцу, деформируется. По мере сдавливания частицы деформируемого участка относительно сдвигаются до тех пор, пока внешняя сила Р не превзойдет силы их сцепления и не наступит скалывания элемента стружки, после чего повторяется аналогичный процесс.
Таким образом, образование металлической стружки можно представить в виде процесса последовательного скалывания ее элементов.
Виды стружки. В зависимости от условий резания металлическая стружка может приобретать различные виды: сливной, скалывания, надлома (рис 6).
Рис 6. Виды стружки
а - сливная; б -скалывания; в – надлома
Сливная стружка образуется при резании с большой скоростью относительно мягких пластичных металлов. Элементы такой стружки не успевают полностью отделиться и сходят в виде прямой или завитой в спираль ленты с гладкой выпуклой и слегка ступенчатой вогнутой сторонами.
При резании с малой скоростью твердых пластичных металлов элементы стружки успевают почти полностью отделиться, но достаточно прочно связаны между собой. Стружка, изгибаясь, ломается на участки небольшой длины. Такую стружку называют стружкой скалывания, вогнутая сторона ее имеет ступенчатую форму с четко различимыми границами элементов. Иногда стружка скалывания отделяется элементами. В таком случае ее называют элементной.
При резании хрупких металлов (чугуны, твердая бронза) стружка сходит в виде не связанных друг с другом элементов произвольной формы. Такая стружка носит название стружки надлома.
Физические явления при резании. Резание металла представляет собой сложный физический процесс, сопровождающийся выделением теплоты, возникновением сил сопротивления резанию и внешним трением.
Теплота выделяется вследствие превращения механической работы, затрачиваемой нарезание, в тепловую энергию. Значительная часть теплоты уносится стружкой, часть ее поглощается заготовкой и резцом. Тем не менее в зоне резания возникает высокая температура, которая наряду с трением способствует износу резца. Кроме того, обрабатываемый материал оказывает сопротивление резанию, прогибая резец, заготовку и части станка, в результате чего ухудшается точность обработки.
Следовательно, для создания благоприятных условий работы токарю необходимо хорошо знать закономерности физических явлений при резании и стремиться к ослаблению их отрицательного действия. Эти вопросы подробно излагаются в главе XV.
Контрольные вопросы:
Чем отличается форма режущей части резца от простого клина?
В чем заключается сущность процесса резания?
Назовите виды стружек и объясните, при каких условиях они образуются.
Укажите физические явления, сопровождающие процесс резания, и их действие на резец и качество обработки.
Токарные резцы
Разновидности резцов. Наиболее часто употребляемые при токарных работах стержневые резцы (см. рис 9) состоят из головки, принимающей непосредственное участие в резании, и стержня прямоугольного сечения, с помощью которого резец закрепляется в резцедержателе суппорта. По форме головки такие резцы делятся на прямые, отогнутые и оттянутые (рис 7); по направлению подачи - на правые и левые (рис 8);по назначению - на проходные, подрезные, отрезные и др.
Элементы резца. У резца различают переднюю и задние поверхности, режущие кромки, вершины (рис 9). По передней поверхности сходит стружка, задние обращены к обрабатываемой детали.
При пересечении передней и задних поверхностей образуются режущие кромки, которые в зависимости от степени участия в процессе резания бывают главными и вспомогательными. Режущая кромка, осуществляющая основную работу резания, называется главной. Остальные кромки, зачищающие поверхности детали, называются вспомогательными.
Резцы имеют обычно только одну переднюю поверхность и одну главную режущую кромку. Соответственно режущим кромкам определяются названия задних поверхностей:образующая главную режущую кромку называется главной, а образующие вспомогательные режущие кромки - вспомогательными.
Рис 9. Стержневой резец:
I-головка; II- стержень;
1-вершина; 2- вспомогательная режущая кромка; 3-передняя поверхность;
4-главная режущая кромка; 5-главная задняя поверхность; 6-вспомогательная задняя поверхность
Вершиной называется точка пересечения режущих кромок. Острая вершина непрочна, поэтому ее округляют некоторым радиусом r.
Расстояние h от вершины до основания резца (опорной поверхности) называется высотой резца.
Материалы резцов. Для изготовления резцов применяются специальные инструментальные материалы, обладающие высокими режущими свойствами. К ним относятся быстрорежущие стали и твердые сплавы.
Быстрорежущие стали после термообработки способны сохранять режущие свойства при температуре до 600 °С. Из них наиболее часто употребляется сталь марки Р6М5, у которой цифры обозначают средний процент содержания легирующего компонента (после буквы Р - вольфрама, после М - молибдена).
Твердые сплавы в виде небольших пластинок припаиваются или механически крепятся к стержням резцов, выдерживают температуру нагрева до 1000°С, имеют высокую твердость, не нуждаются в термообработке и допускают скорости резания в 4-5 раз выше быстрорежущих сталей. Наряду с этим твердые сплавы обладают повышенной хрупкостью и склонны к образованию трещин при резких изменениях температуры, что следует учитывать при их эксплуатации.
Наиболее часто при обработке чугуна и цветных металлов применяются вольфрамовые сплавы марки ВК8, а при обработке сталей - титановольфрамовые Т15К6. Их состав (кроме карбида вольфрама) обозначен буквами и цифрами, например: сплав Т15К6 состоит из 15% карбида титана, 6% кобальта (связки) и 79% карбида вольфрама.
Контрольные вопросы:
Укажите разновидности стержневых резцов.
Из каких элементов состоит головка токарного резца? Приведите их определение.
Укажите характеристику и марки инструментальных материалов,
