Безпалько В.И. Технология конструкционных и трубопроводо-строительных материалов

Подождите немного. Документ загружается.

Зона стружкообразования ОАВО (рис. 6.8) имеет форму клина

с вершиной на режущем лезвии инструмента. Ее нижняя грани-

ца — вогнутая кривая ОА, вдоль которой происходят первые сдви-

говые деформации. Верхняя граница — выпуклая кривая ВО —

конечная граница зоны стружкообразования.

Левее линии ОА находится еще недеформированный материал

срезаемого слоя толщиной а. Правее линии ОВ расположен дефор-

мированный металл толщиной а1 с наибольшей степенью плас-

тической деформации, свойственной образовавшейся стружке.

Таким образом, проходя через зону ОАВО, зерна металла сре-

заемого слоя претерпевают возрастающую деформацию.

Полагают, что деформированное состояние в зоне стружкооб-

разования является плоским и срезаемый слой в процессе реза-

ния претерпевает деформацию сдвига. Зона ОАВО состоит из по-

верхностей, на каждой из которых сдвигающие напряжения рав-

ны пределу текучести материала, уже упрочненного в результате

предшествующей деформации. Линия ОВ представляет собой по-

верхность, на которой происходит окончательная сдвиговая де-

формация.

Под действием сил трения зерна металла в прирезцовом слое

стружки 1 после выхода их из зоны опережающей деформации

продолжают деформироваться при движении стружки по перед-

ней поверхности инструмента. Степень деформации в этой зоне,

как правило, значительно больше средней деформации стружки.

Зона опережающей деформации проникает также за линию среза

х—х, что приводит к пластической деформации слоя металла 3

под обработанной поверхностью.

Лишь при больших передних углах, малой толщине срезаемого

слоя и применении смазывающе-охлаждающих жидкостей (СОЖ),

снижающих интенсивность трения, степень деформации по сече-

нию стружки остается практически одинаковой.

282

При расчетах полагают, что сдвиговые деформации локализу-

ются в очень тонком слое и совокупность поверхностей скольже-

ния в зоне ОАВО можно заменить плоскостью ОЕ, называемой

условной плоскостью сдвига. Она наклонена к направлению движе-

ния под углом , называемым углом сдвига.

При таком допущении процесс превращения срезаемого слоя

в стружку можно представить в виде процесса последовательных

сдвигов тонких слоев обрабатываемого материала вдоль условной

плоскости сдвига.

Поэтому процесс стружкообразования может подчиниться за-

кономерностям простого сдвига. При этом образование стружки

начинается в том случае, когда сдвигающее напряжение на услов-

ной плоскости сдвига где — предел текучести при сдвиге

обрабатываемого материала.

Величина угла сдвига зависит от условий срезания и может

служить мерой степени пластической деформации срезаемого слоя.

Угол увеличивается с ростом сопротивления сдвигу обрабаты-

ваемого материала в зоне стружкообразования, переднего угла,

скорости резания и толщины срезаемого слоя. С увеличением угла

степень пластической деформации уменьшается.

Таким образом, для того чтобы уменьшить пластическую де-

формацию срезаемого слоя, т.е. удельную работу, затрачиваемую

на резание обрабатываемого материала, следует увеличивать ско-

рость резания, уменьшить толщину срезаемого слоя (глубину ре-

зания) и передний угол инструмента.

Знание законов пластического деформирования и явлений,

сопровождающих процесс резания, позволяет повысить каче-

ство обработанных поверхностей деталей машин и их надеж-

ность.

Процесс образования элемента стружки можно разделить на

три этапа. На первом этапе происходит упругая и пластическая

деформация, при котором будущий элемент стружки упрочняет-

ся в зоне стружкообразования. На втором этапе элемент стружки

сдвигается по плоскости сдвига. Это происходит в тот момент,

когда напряжение в срезаемом слое превышает сопротивление

сдвигу. Третий этап заканчивается при дополнительной пласти-

ческой деформации образовавшегося элемента стружки в процес-

се его движения по передней поверхности инструмента.

В зависимости от свойств обрабатываемого материала и усло-

вий резания образуется три вида стружки: сливная, суставчатая и

стружка надлома (рис. 6.9).

Сливная стружка (рис. 6.9, а) появляется при резании плас-

тичных металлов и сплавов (малоуглеродистой стали, меди, алю-

миния и т.п.) с большими скоростями резания и малой толщи-

ной срезаемого слоя. Стружка представляет собой сплошную лен-

ту с гладкой внутренней (прирезцовой) стороной. На ее внешней

283

стороне видны слабые пилообразные зазубрины. На поверхности

стружки не видно границ между ее элементами.

Суставчатая стружка (стружка скалывания) образуется при

резании металлов и сплавов средней твердости (стали повышен-

ной твердости, некоторых виды латуни) при малых скоростях ре-

зания и большой толщине срезаемого слоя (рис. 6.9, б). Стружка

представляет собой ленту с гладкой прирезцовой стороной, на

внешней стороне которой ярко выражены элементы (зазубрины),

связь между которыми не потеряна.

Стружка надлома (элементная) образуется при резании хруп-

ких сплавов (чугуны, бронзы и т.п.) и состоит из отдельных эле-

ментов случайной формы, не связанных между собой (рис. 6.9, в).

При образовании стружки надлома обработанная поверхность

получается шероховатой, с зазубринами и вырывами.

Сливную и суставчатую стружки называют стружками сдвига,

так как их образование связано с напряжениями сдвига. Стружку

надлома иногда называют стружкой отрыва, так как ее образова-

ние вызвано напряжениями растяжения.

Характер стружки зависит не только от физико-механических

свойств обрабатываемого материала, но и от режима резания, гео-

метрии режущего инструмента и ряда других причин.

Для перевода стружки из одного состояния в другое, например

суставчатой стружки в стружку надлома, необходимо ввести в

конструкцию режущего инструмента некоторые элементы: струж-

коломательные устройства, пороги, разделительные канавки и др.,

применить вибрационное или прерывистое резание.

Стружка в процессе обработки заготовки может забиваться в ее

полости и оставаться в них, например, в отверстиях при сверлении.

Для удаления стружки из заготовок применяют различные спосо-

бы, в том числе автоматическую мойку. Однако подобные меры не

всегда полностью решают проблему удаления стружки из заготовок

и со станка, а также ее транспортировки и дальнейшей переработки.

Стружка, образующаяся в процессе резания, подвергается зна-

чительной деформации, одним из проявлений которой является

284

уменьшение ее длины (усадка). Усадка состоит в том, что длина

стружки становится меньше длины обработанной поверхности, а

холшина — больше толщины срезанного с заготовки слоя метал-

ла. Ширина стружки при этом практически не изменяется. Вели-

чина усадки характеризуется коэффициентом усадки:

где L — длина обработанной поверхности; L

— длина стружки;

— толщина стружки; t — толщина срезаемого с заготовки слоя.

Чем пластичнее металл, тем больше коэффициент усадки. Для

хрупких материалов К=1, для пластичных металлов К = 5...7.

Усадка стружки зависит от свойств обрабатываемого материала,

режима резания, геометрии режущего инструмента, условий ре-

зания и т.д.

6.2.4. Контактные процессы в зоне резания

При обработке пластичных материалов в определенном диапа-

зоне скоростей резания на передней поверхности инструмента

вблизи режущего лезвия появляется слой металла в виде бугорка

клиновидной формы, называемый наростом. Это сильно дефор-

мированный металл высокой твердости, структура которого от-

личается от структуры обрабатываемого металла и стружки. Вели-

чина нароста иногда достигает нескольких миллиметров.

Образование нароста объясняется тем, что при некоторых ус-

ловиях обработки силы трения между передней поверхностью лез-

вия инструмента и частицами срезаемого слоя металла становится

больше сил внутреннего сцепления в стружке. В результате этого

образуется застойная зона частиц срезаемого металла, находяща-

яся под воздействием почти равномерного всестороннего сжатия.

При определенных температурных условиях эта зона задерживает-

ся на передней поверхности инструмента и прочно сцепляется с

ней в виде нароста. Твердость нароста близка к твердости закален-

ной инструментальной стали, благодаря чему он способен резать

металл, из которого образовался. Нарост является как бы новым

элементом режущего инструмента, прочно с ним связанным и

способным изменять условия обработки из-за уменьшения угла

резания.

В результате действия сил трения и нормального давления при

обработке резанием размеры и форма нароста непрерывно меня-

ются. Частицы нароста срываются и уносятся стружкой или обра-

ботанной поверхностью заготовки. Иногда нарост срывается це-

ликом и тут же образуется вновь. Это можно объяснить тем, что

он находится под действием силы трения Fтр (рис. 6.10), сил сжа-

тия Р

и Р

и силы растяжения Q. При изменении размеров наро-

\ \

ста меняются и соотношения действующих сил. Если сумма сил

Р\ + Pj + Q > F-ф, то происходит разрушение и срыв нароста с

режущей кромки инструмента.

Нарост влияет на процесс резания и качество обработанной

поверхности. Положительное влияние нароста заключается в том

что он меняет форму передней поверхности инструмента, приво-

дя к увеличению переднего угла ( ) и уменьшению силы ре-

зания. Нарост снижает также количество теплоты, приходящейся

на долю инструмента, удаляя от него центр максимального выде-

ления теплоты, защищает инструмент от изнашивания, увеличи-

вает его стойкость.

Отрицательное влияние нароста заключается в том, что он

повышает шероховатость обработанной поверхности. Частицы на-

роста, внедрившиеся в обработанную поверхность, приводят к

тому, что в процессе работы деталей наблюдается их повышенное

изнашивание. Нарост изменяет геометрию режущего инструмента

и, следовательно, размеры обрабатываемой поверхности в по-

перечных сечениях и по длине заготовки, при этом обработанная

поверхность приобретает волнистость.

В результате увеличения переднего угла инструмента изменя-

ются и силы резания, приводящие к вибрации узлов станка и

самого инструмента, что в конечном итоге снижает качество об-

работанной поверхности. При черновой обработке, когда в про-

цессе снятия толстого слоя металла возникают большие силы тре-

ния и выделяется значительное количество, теплоты, явление на-

ростообразования положительно, а при чистовой обработке —

отрицательно.

Наростообразование зависит от физико-механических свойств

обрабатываемого материала, скорости резания, геометрии режу-

щего инструмента и других факторов. Наиболее интенсивно на-

рост образуется, как уже отмечалось, при обработке пластичных

материалов. При обработке же хрупких материалов нарост может

и не образоваться.

Деформация металла в процессе резания не ограничивается

зоной, непосредственно прилегающей к передней поверхности

инструмента, а распространяется и ,на удаленные слои обрабо-

танной поверхности. В результате упругопластического деформи-

рования поверхностного слоя повышаются его прочностные ха-

286

рактеристики и твердость, но снижается пластичность и изменя-

ются физические свойства материала (явление наклепа).

На рис. 6.11 показана схема образования поверхностного слоя

заготовки и распространение упрочнения (наклепа) по толщине

заготовки.

В процессе стружкообразования считается, что инструмент имеет

острые режущие кромки, однако они всегда имеют радиусы скруг-

ления (около 0,02 мм). Такой инструмент срезает с заготовки струж-

ку, если глубина резания 1

(рис. 6.11, а) больше радиуса скругле-

ния r. В этом случае в стружку переходит часть срезаемого металла,

толщина слоя которого равна t

. Слой металла, равный t1 - t

соизмеримый с радиусом к, упругопластически деформируется и

остается под резцом. После перемещения резца относительно об-

работанной поверхности происходит упругое восстановление по-

верхностного деформированного слоя детали на величину упру-

гого последействия h

В результате этого образуется контактная

площадка шириной Н между обработанной поверхностью и зад-

ней поверхностью резца.

Условно поверхностный слой обработанной заготовки можно

разделить на три зоны (рис. 6.11, б): I — зона разрушенной струк-

туры с измельченными зернами, резкими искажениями кристал-

лической решетки и большим количеством микротрещин; II —

зона наклепанного металла; III — основной металл.

Наклеп характеризуется глубиной h

и степенью наклепа /:

где НВ

ИСХ

, НВ

П0В

— твердость поверхностного слоя материала со-

ответственно до и после обработки.

Глубина и степень наклепа зависят от физико-механических

свойств обрабатываемого материала, геометрии инструмента, ра-

диуса скручивания вершины лезвия, режима резания. Его глубина

составляет десятые доли миллиметра при черновой и тысячные

доли — при чистовой обработке. Чем мягче и пластичнее обраба-

тываемый материал, тем большему наклепу он подвергается. Глу-

бина наклепанного слоя возрастает с увеличением срезаемого слоя

и уменьшением переднего угла

Наклеп, полученный при черновой обработке, отрицательно

влияет на процесс резания при последующей чистовой обработке.

В этом случае инструмент работает по поверхности с повышенной

твердостью, что приводит к его ускоренному изнашиванию. Умень-

шить глубину и степень наклепа можно применением в процессе

резания охлаждающих сред, увеличением скорости резания или

последующей термической обработкой.

6.2.5. Силовое взаимодействие инструмента и заготовки

при резании

Срезание с заготовки слоя металла и его деформирование про-

исходит под действием внешней силы резания, приложенной к

обрабатываемой заготовке со стороны инструмента (рис. 6.12).

Под действием этой силы в зоне образования стружки возника-

ют реактивные силы упругой деформации Р

уХ

и пластической

деформации P

действующие по нормали к передней поверх-

ности резца (рис. 6.12, а), и реактивные силы Р

у2

и Р

п2

, действу-

ющие по нормали к задней поверхности резца. Наличие нормаль-

ных сил приводит к возникновению сил трения

и , действующих соответственно вдоль передней

и задней поверхностей резца ( — коэффициенты трения для

передней и задней поверхностей резца соответственно). Эту сис-

тему сил приводят к равнодействующей силе резания:

Считают, что точка приложения силы резания Р находится на

главной режущей кромке инструмента. Абсолютное значение, точка

приложения и направление равнодействующей силы резания Р в

процессе обработки переменны. Это можно объяснить неоднород-

ностью структуры материала заготовки и ее изменяющейся по-

верхностной твердостью, непостоянством срезаемого слоя метал-

ла, наличием штамповочных и литейных уклонов, изменением

главных переднего у и заднего а углов в процессе резания.

Для расчетов используют не равнодействующую силу реза-

ния Р, а ее составляющие (P

, P

, Р

), действующие по трем вза-

имно-перпендикулярным направлениям — координатным осям

металлорежущего станка (рис. 6.12, б).

Главная составляющая силы резания P

совпадает по направле-

нию со скоростью главного движений резания D

в вершине лезвия.

' 288

По величине P

определяют мощность станка, необходимую для

обеспечения процесса резания, рассчитывают на прочность детали

и узлы коробки скоростей, прочность режущего инструмента.

Радиальная составляющая силы резания Р

направлена по ради-

усу вращательного движения резания (перпендикулярно оси заго-

товки). По силе Р

определяют прогиб детали и жесткость станка.

Эта сила, определяющая деформацию детали и инструмента в

радиальном направлении, влияет на точность обработки.

Осевая составляющая силы резания Р

действует параллельно оси

главного вращательного движения резания. По силе Р

рассчиты-

вают механизм продольной подачи станка и изгибающий момент,

Действующий на стержень резца.

Равнодействующая сила резания определяется как сумма век-

торов трех составляющих:

Сила Р условно расположена в центре линии касания режу-

щей кромки заготовки.

289

Соотношение между Р

, Р

и Р. зависит от геометрических па-

раметров инструмента, режима резания, физико-механических

свойств обрабатываемой заготовки, степени износа резца, усло-

вий обработки.

По опытным данным для резцов с главным углом в плане

= 45

при обработке стали 45 между силами Р

, Р

и P

установлены

следующие отношения: P

= 0,15...0,30; Р

/Р

= 0,30...0,50.

Наибольшей составляющей является сила P

, создающая кру-

тящий момент М

кр

(Н * м) на обрабатываемой детали, который

определяют по формуле

где D — диаметр обрабатываемой заготовки, м.

Чем больше площадь поперечного сечения срезаемого слоя и

выше прочностные характеристики обрабатываемого металла, тем

больше величина сил резания. При увеличении скорости резания

силы несколько снижаются за счет повышения температуры реза-

ния и изменения условий трения между стружкой и инструмен-

том. Влияние различных факторов на силы резания весьма слож-

но, поэтому для их определения используют обобщенные эмпири-

ческие формулы, учитывающие конкретные условия обработки.

В процессе резания деталь и резец испытывают упругую дефор-

мацию, приводящую к их частичному сжатию (перемещению) в

направлении действия сил, которая является одной из причин

погрешностей обработки. Так сила отжимает резец книзу, а ре-

зец, в свою очередь, стремится изогнуть деталь вверх. Сила от-

жимает резец в направлении, противоположном продольной по-

даче, и стремится снизить ее величину. Сила отталкивает резец

от обрабатываемой детали и стремится уменьшить глубину реза-

ния. Поэтому при чистовом проходе для получения большей точ-

ности размеров детали, учитывая действие указанных сил, умень-

шают толщину срезаемого слоя.

Зная составляющие усилия резания, определяют эффективную

мощность yVp

(кВт), необходимую для резания:

где v — скорость резания, м/мин; п — частота вращения заготов-

ки, мин"

; 5

пр

— продольная подача, мм/об.

Для определения мощности электродвигателя N

(кВт) необ-

ходимо учесть коэффициент полезного действия станка:

где — коэффициент полезного действия механизмов передач

станка.

290

Так, для токарно-винторезных станков = 0,8...0,9; для шли-

фовальных станков = 0,8...0,85; для строгальных станков =

- 0,65...0,75.

6.2.6. Тепловые процессы при обработке резанием

При снятии стружки вся работа резания превращается в экви-

валентное количество теплоты. Теплообразование оказывает зна-

чительное влияние на процесс резания. С одной стороны, оно

облегчает деформирование материала срезаемого слоя, в резуль-

тате чего уменьшается интенсивность изнашивания инструмента

и повышается качество обработанной поверхности. С другой сто-

роны, повышение температуры 8ОО...1ООО°С вблизи режущей

кромки приводит к изменению структуры и физико-механичес-

ких свойств материала инструмента, а также к потере его твердо-

сти и режущей способности.

Механическая энергия, затрачиваемая на трение, деформиро-

вание и разрушение материала в зоне резания, переходит в теп-

ловую, и только небольшая ее часть накапливается в виде потен-

циальной энергии искаженной кристаллической решетки мате-

риала в зоне деформирования. В первом приближении полное ко-

личество выделяющейся в единицу времени теплоты Q (Дж/с)

можно определить из выражения

где Р. — главная составляющая силы резания, Н; v — скорость

резания, м/с.

Основными источниками образования теплоты резания при

механической обработке являются зоны стружкообразования, кон-

такта стружки с передней поверхностью инструмента (резца) и

контакта задней поверхности инструмента с заготовкой.

Тепловой баланс процесса резания можно представить тожде-

ством

где Q2 — количество теплоты, выделяемой при упругопластичес-

ком деформировании обрабатываемого материала; Q

— количе-

ство теплоты, выделяемой при трении стружки о переднюю по-

верхность лезвия инструмента; Q

— количество теплоты, выде-

ляемой при трении задней поверхности инструмента о заготовку;

Qс — количество теплоты, отводимой стружкой; Q

3ar

— количе-

ство теплоты, отводимой заготовкой; Qи — количество теплоты,

отводимой режущим инструментом; Q

0Kp

— количество теплоты,

отводимой в окружающую среду (теплота лучеиспускания).

В ходе экспериментальных исследований установлено, что вы-

делившаяся теплота распределяется неравномерно. В зависимости

291

от условий обработки стружкой отводится 25...85% всей выде-

лившейся теплоты, заготовкой 10...50%, инструментом 2...8% и

примерно 1 % рассеивается в окружающую среду.

Хотя в тело резца уходит небольшая часть теплоты, температу-

ра его режущих лезвий достигает 800... 1 000 °С. Это связано с тем

что режущая часть инструмента непрерывно контактирует с обра-

батываемой заготовкой, в то время как теплопроводность инстру-

ментальных материалов невелика.

Наибольшее влияние на температуру инструмента оказывают

скорость, подача и глубина резания. С повышением скорости ре-

зания температура растет, но чем выше ее величина, тем медлен-

нее повышается температура инструмента. Это связано с тем, что

при высоких скоростях значительное количество теплоты отво-

дится стружкой, а также уменьшается величина сил трения и пла-

стических деформаций. С увеличением подачи и глубины резания

температура инструмента также несколько возрастает, однако

необходимо учитывать, что с увеличением глубины резания уве-

личивается длина активной части режущего лезвия инструмента,

что улучшает условия теплоотвода.

С уменьшением переднего угла возрастает сила резания и,

следовательно, температура резания. С уменьшением угла в плане

Ф удлиняется активная часть режущей кромки, за счет чего улуч-

шается теплоотвод.

Распределение теплоты в процессе резания имеет большое прак-

тическое значение. Чем больше теплоты уйдет со стружкой, тем

меньше нагревается заготовка и, следовательно, менее вероятны

тепловые деформации, влияющие на точность размеров и форму

получаемой детали и структурные превращения в ее поверхност-

ном слое. Чем меньше теплоты будет направлено в инструмент,

тем ниже будет интенсивность его износа. С повышением темпера-

туры заготовки и инструмента увеличиваются их размеры, приво-

дящие к росту толщины снимаемого слоя и вероятности получе-

ния бракованных деталей.

Кроме температуры в зоне резания, необходимо также знать ее

температурное поле. Температурное поле — совокупность различ-

ных значений температур во всех точках определенного участка

деформированного слоя или инструмента в определенный момент

времени.

Температурные изменения в зоне резания, влияющие на раз-

меры и конфигурацию обрабатываемых заготовок, необходимо

учитывать при наладке станков, особенно автоматов и полуавто-

матов.

Температура резания — средняя температура на поверхности

контакта инструмента со стружкой и заготовкой. С увеличением

количества выделяющейся теплоты температура резания повыша-

ется, а с улучшением отвода теплоты снижается. При прочих рав-

292

ны,х условиях температура резания возрастает с увеличением проч-

ности и твердости обрабатываемого материала и снижается с уве-

личением его теплопроводности или с применением смазочно-

охдаждающих технологических сред (СОТС).

Применение СОТС способствует снижению температуры реза-

ния увеличению стойкости инструмента, улучшению качества

обработанной поверхности и уменьшению силы резания.

В зависимости от метода обработки, свойств обрабатываемого

материала и инструмента, а также режимов резания используют

различные виды СОТС: твердые, жидкие, пластичные и газооб-

разные.

К твердым СОТС относятся неорганические материалы (тальк,

слюда, графит, бура, нитрид бора, дисульфиды молибдена, воль-

фрама и титана, сульфат серебра); органические соединения (мыло,

воск, твердые жиры); металлические пленочные покрытия (медь,

латунь, свинец, олово, барий, цинк).

К разновидности СОТС относятся СОЖ: водные растворы ми-

неральных электролитов, эмульсии; минеральные, животные и

растительные масла с добавками фосфора, серы и хлора (суль-

фофрезолы); керосин и растворы поверхностно-активных веществ

в керосине; масла и эмульсии с добавками твердых смазывающих

веществ. СОЖ получили наибольшее применение в машинострое-

нии.

К пластичным СОТС относятся густые мазеобразные продук-

ты, которые получают путем загущения минеральных и синтети-

ческих масел.

К газообразным СОТС относятся воздух, азот, диоксид углеро-

да, кислород, пары поверхностно-активных веществ, распылен-

ные жидкости и пены.

Смазочно-охлаждающие вещества отводят теплоту во внешнюю

среду от мест ее образования, тем самым охлаждая режущий ин-

струмент, деформируемый слой и обработанную поверхность за-

готовки. Смазывающее действие сред препятствует наростообра-

зованию на рабочих поверхностях инструмента, в результате чего

снижается шероховатость поверхности детали.

Указанные положительные свойства СОТС приводят к тому,

что эффективная мощность резания уменьшается на 10... 15%,

стойкость режущего инструмента возрастает, точность обработан-

ных поверхностей повышается по сравнению с обработкой без

Применения смазывающе-охлаждающих веществ.

Выбор СОТС в каждом конкретном случае зависит от техноло-

гического метода и режима обработки, физико-механических

свойств обрабатываемого и инструментального материала. При

черновой и получистовой обработке заготовок, когда требуется

эффективное охлаждающее действие среды, применяют водные

Растворы электролитов и поверхностно-активных веществ, мас-

293

ляные эмульсии. При чистовой обработке применяют чистые и

активированные минеральные масла. Под влиянием высоких тем-

ператур и давлений эти вещества образуют на поверхности заго-

товок соединения (фосфиды, хлориды, сульфиды), снижающие

трение. При обработке хрупких материалов (чугун, бронза) твер-

досплавным инструментом в качестве СОТС используют газы (сжа-

тый воздух, углекислый газ).

Смазочно-охлаждающие технологические средства по-разному

подаются в зону резания. Наиболее распространенной является

подача эмульсии через сопло на переднюю поверхность инстру-

мента под давлением 0,05... 0,2 МПа. Этот метод требует большого

расхода жидкости (10... 15 л/мин). Более эффективно высокона-

порное охлаждение, в процессе которого жидкость подается тон-

кой струей под давлением 1,5...2 МПа со стороны задних по-

верхностей инструмента (расход жидкости приблизительно равен

0,5 л/мин). Если подвод жидкости в зону резания затруднен, на-

пример при сверлении глубоких отверстий, то применяют внут-

реннее охлаждение инструмента, для чего в нем выполняют кана-

лы, по которым циркулирует охлаждающая жидкость.

6.2.7. Износ и стойкость режущего инструмента

Режущая часть инструмента, контактируя с поверхностями

стружки и заготовки, сравнительно быстро изнашивается под вли-

янием высоких давлений, скоростей и температур. Основная при-

чина износа режущего инструмента — трение сходящей стружки

о переднюю поверхность резца и задних поверхностей резца о

поверхность заготовки. Различают несколько видов износа.

Абразивный износ — результат истирания, скалывания, среза-

ния и смятия неровностей на контактных поверхностях режущего

инструмента при его взаимодействии с поверхностью обрабаты-

ваемой заготовки. Этот вид износа преобладает при обработке хруп-

ких материалов и материалов с твердыми включениями (карби-

ды, легирующие элементы, частицы нароста).

Адгезионный износ происходит в результате действия сил моле-

кулярного сцепления поверхностных слоев режущего инструмен-

та и обрабатываемой заготовки, он заключается в непрерывно

повторяющихся процессах схватывания и отрыва мельчайших ча-

стиц материала и инструмента.

Диффузионный износ наблюдается при обработке металлов и

сплавов твердосплавным инструментом на высоких скоростях ре-

зания, при котором происходит растворение инструментального

материала в обрабатываемом материале, чему способствуют вы-

сокая температура, большие пластические деформации и схваты-

вание в зоне контакта. Этот вид износа наблюдается при темпера-

турах контактных поверхностей, превышающих температуру ре-

294

кристаллизации обрабатываемого и инструментального материа-

лов. В результате диффузии происходит науглероживание (графи-

тизация) и снижение механической прочности твердого сплава,

что ускоряет его хрупкое разрушение.

Хрупкий износ заключается в скалывании и выкрашивании ча-

стиц инструментального материала, в результате чего они прива-

риваются и уносятся стружкой или обрабатываемым материалом.

Этот вид износа наблюдается при прерывистых процессах реза-

ния, когда циклически возникающие температуры и контактные

напряжения создают динамическую нагрузку.

Окислительный износ имеет место при разрушении поверхност-

ных слоев металла инструмента в результате образования окси-

дов.

Инструменты, работающие на малых скоростях резания (свер-

ла, зенкеры, метчики, развертки, протяжки и др.), изнашивают-

ся преимущественно от истирания в результате одновременного

воздействия адгезионного и абразивного износов. Интенсивность

износа определяется отношением твердостей материала инстру-

мента и заготовки при реальных температурах резания. Интенсив-

ность износа твердосплавных инструментов при высоких скорос-

тях резания определяется главным образом взаимным диффузи-

онным взаимодействием, которое обусловлено наличием адгезии

и хрупкого износа.

При резании в условиях сухого и полусухого трения в боль-

шинстве случаев преобладает абразивный износ по передней и

главной задней поверхностям резца. В зависимости от материала

заготовки, конструкции инструмента, геометрии его режущей

части и параметров режима резания основной очаг износа образу-

ется либо в виде фаски 1 (рис. 6.13) на задней поверхности шири-

ной h

, либо в виде лунки 2 на передней поверхности шириной b

и глубиной h

. При наличии обоих видов износа на резце образу-

ется площадка, не подвергающаяся абразивному воздействию

стружки, шириной

Изнашивание по задним поверхностям наблюдается при обра-

ботке твердых, хрупких и пластичных материалов с малой толщи-

ной срезаемого слоя (t < 0,1 мм) на невысоких скоростях резания

Изнашивание резца по главной задней поверхности изменяет глу-

бину резания, так как уменьшается вылет резца на величину h1.

Допустимой величиной износа называется такая величина ши-

рины фаски h

, при которой дальнейшая работа инструмента долж-

на быть прекращена вследствие возрастания усилия резания, ухуд-

шения чистоты обработанной поверхности или отклонения раз-

меров детали от заданных. Для токарных резцов из быстрорежу-

щей стали допустимая величина h

= 1,5... 2 мм, для резцов с пла-

стинкой из твердого сплава h

= 0,8... 1 мм, с минералокерамиче-

скими пластинками h

= 0,5...0,8 мм.

Для оценки степени износа и своевременной смены затупив-

шегося инструмента существуют критерии, одним из которых яв-

ляется ширина площадки инструмента/на главной задней поверх-

ности.

Для инструмента с пластинками из твердого сплава характерен

износ по главной задней поверхности, а из быстрорежущей ста-

ли — по передней и главной задней поверхностям.

Изнашивание инструмента приводит к росту силы трения,

вызывающей повышенную деформацию заготовки и инструмента.

При этом снижается точность и изменяется форма обработанных

поверхностей, увеличивается глубина наклепанного поверхност-

ного слоя материала заготовки и повышается теплообразование в

зоне резания. Допустимому изнашиванию инструмента соответ-

ствует его определенная стойкость.

Под стойкостью резца понимают время его непрерывной рабо-

ты при заданном режиме резания до момента затупления. Ско-

рость резания — главный фактор, влияющий на стойкость резца.

Между скоростью резания v и стойкостью Т (периодом стойко-

сти) резца существует зависимость:

v = А/Т

где А — постоянная, зависящая от свойств обрабатываемого мате-

риала, режима резания, материала и геометрии резца (определя-

ется по таблицам); Т — время работы резца до затупления (стой-

кость резца), мин; m — показатель относительной стойкости, ха-

рактеризующий интенсивность влияния стойкости на скорость

резания.

Для резцов из быстрорежущей стали и резцов, оснащенных твер-

дыми сплавами и минералокерамикой, показатель m принимают

соответственно равным 0,10...0,12; 0,20...0,30 и 0,30-0,40, а пе-

риод стойкости — соответственно: 30...60; 45...90 и 30...40 мин-

Так как величина m мала, то стойкость резцов резко падает

даже при незначительном повышении скорости резания. Поэтому

296

обработку следует вести на расчетной скорости. На станках со сту-

пенчатым регулированием частоты вращения шпинделя обработ-

ку ведут на ближайшей меньшей к расчетной частоте вращения

заготовки. В этом случае при небольшом уменьшении скорости

главного движения резания стойкость инструмента будет больше

принятой.

6.2.8. Материалы для режущего инструмента

Режущие инструменты работают в условиях высоких темпера-

тур, значительных силовых нагрузок, интенсивного трения и из-

носа. Это предъявляет ряд требований, которым должны удовлет-

ворять материалы, из которых изготавливают режущие инстру-

менты. Рабочая часть режущего инструмента должна изготовлять-

ся, по возможности, из недефицитного материала, имеющего

большую твердость, повышенные механические характеристики,

высокие теплостойкость и износостойкость. Твердость материала

режущей части инструмента должна значительно превышать твер-

дость материала обрабатываемой заготовки.

Высокие прочностные свойства и вязкость необходимы инст-

рументу для сопротивления различным деформациям в процессе

резания и для того, чтобы противостоять ударным динамическим

нагрузкам, возникающим при обработке заготовок из хрупких

материалов или с прерывистой обрабатываемой поверхностью.

Теплостойкость {красностойкость) является одной из самых

важных характеристик инструментальных материалов. Теплостой-

кость указывает на предельно допустимые значения температур,

при которых материал способен сохранять первоначальную твер-

дость и режущие свойства в течение длительного времени.

Важнейшим параметром материала режущего инструмента яв-

ляется и его износостойкость. Чем износостойкость выше, тем

медленнее изнашивается инструмент и тем выше его размерная

точность. Это позволяет получать минимальный разброс размеров

Деталей, обработанных подряд одним и тем же инструментом.

Инструментальные стали. Для изготовления режущего инстру-

мента применяют углеродистые инструментальные стали марок

У10А, У11А, У12А. Твердость углеродистых инструментальных ста-

лей после термообработки (закалки в воде и отпуска при темпера-

туре 120... 150°С) достигает 60...62 HRC, теплостойкость —

200...240°С, допустимые скорости резания — 0,2...0,3 м/с. Инст-

рументом, изготовленным из этих сталей, можно обрабатывать

Материалы с твердостью до 30 HRC. Эти стали применяют для

Производства напильников, зубил, метчиков, плашек, ножовоч-

ныx полотен, отверток, ножниц и т.д.

Легированные инструментальные стали — это стали, содержа-

щие хром, вольфрам, ванадий, кремний и другие элементы. Пос-

297

ле термической обработки твердость этих сталей составляет 62...

64 HRC, теплостойкость — 220...260°С, допустимые скорости ре-

зания — 0,25...0,5 м/с. Легированные стали по сравнению с угле-

родистыми имеют повышенную вязкость в закаленном состоянии.

Из легированных сталей марок 9ХС, 9ХВГ, ХВСГ, ХВ2, ХВ4 и др.

изготовляют сложные по конфигурации инструменты: метчики

плашки, протяжки, развертки, фасонные резцы, фрезы, сверла

и др.

В быстрорежущих сталях основным легирующим элементом

являются вольфрам (6... 19 %). В их состав входят небольшое коли-

чество ванадия, хрома, кобальта, молибдена. После термической

обработки твердость этих сталей составляет 62...65 HRC. Такие

стали обладают повышенной износостойкостью, имеют теплостой-

кость 600...650°С и работают при скоростях резания до 2 м/с.

Вся номенклатура быстрорежущих сталей подразделяется на две

группы: быстрорежущие стали нормальной и повышенной тепло-

стойкости. Из сталей первой группы (Р18, Р6М5) изготовляют

резцы, фрезы, сверла, зенкеры, развертки, зуборезные инструмен-

ты, а из сталей второй группы (Р9К5, Р18Ф2, Р9Ф5, Р18К5Ф2) -

инструменты для обработки жаропрочных и титановых сплавов,

коррозионно-стойких сталей и других труднообрабатываемых ма-

териалов. Ванадиевые быстрорежущие стали Р9Ф5 и Р14Ф4 реко-

мендуются для изготовления инструмента, предназначенного для

чистовой обработки (протяжки, развертки, шеверы). В настоящее

время применяются стали с пониженным содержанием дефицит-

ного вольфрама (Р6М5К5, Р2М9К8), сохраняющие удовлетвори-

тельные режущие свойства.

Для изготовления инструмента, работающего в условиях чер-

новой обработки, а также для производства протяжек, долбяков,

фрез и др. применяют вольфрамомолибденовые стали марок Р9М4 и

Р6МЗ.

Режущие свойства инструмента, изготовленного из быстроре-

жущей стали, можно повысить путем нанесения износостойких

покрытий из хрома, карбидов вольфрама или титана, а также ла-

зерной обработкой или электроискровым упрочнением. Так, тон-

кие покрытия нитрида титана увеличивают срок службы инстру-

мента в 2 —5 раз.

Твердые сплавы — это материалы, состоящие из твердых ра-

створов карбидов вольфрама, титана, тантала, связанных метал-

лическим кобальтом. Твердые сплавы применяют в виде пластин

определенной формы и размера, изготовляемых методом порош-

ковой металлургии, т.е. прессованием и последующим спеканием

при температурах 1 500... 1 900 °С. Получаемые пластины припаи-

вают к державкам и корпусам инструментов медными или латун-

ными припоями или крепят к ним механическим способом. Твер-

дые сплавы обладают высокой износостойкостью, твердостью

298

(86.--92 HRA) и теплостойкостью (800... 1 200°С), позволяют ве-

сти обработку со скоростями резания до 15 м/с.

Твердые сплавы разделяют на три группы: вольфрамовые, со-

держащие карбиды вольфрама (ВК2, ВКЗ, ВКЗМ, ВК4В, ВК6М,

ВК6, ВК6В, ВК8, ВК8В, ВК10, ВК15, ВК20, ВК25); тшпано-

вольфрамовые, содержащие карбиды вольфрама и титана (Т30К4,

Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12В); титанотанталовольфрамовые,

состоящие из карбидов титана, тантала и вольфрама (ТТ7К12,

ТТ7К15, ТТ8К6).

Основным недостатком твердых сплавов является их хрупкость

и недостаточная прочность при изгибе и растяжении. Поэтому

режущие элементы инструмента необходимо располагать так, чтобы

они по возможности работали на сжатие.

Твердые сплавы первой группы (однокарбидные) наиболее

прочные, хорошо сопротивляются ударным нагрузкам и исполь-

зуются для обработки чугунов, цветных металлов и их сплавов,

неметаллических материалов. Твердые сплавы второй группы (двух-

карбидные) менее прочны, но более износостойки, чем сплавы

первой группы. Они находят применение при обработке пластич-

ных и вязких металлов и сплавов, углеродистых и легированных

сталей. Трехкарбидные твердые сплавы (третья группа) обладают

повышенной прочностью, износостойкостью и вязкостью, при-

меняются при обработке жаропрочных сталей, титановых сплавов

и других труднообрабатываемых материалов.

Режущие свойства твердых сплавов в значительной степени

зависят от их структуры. Так, твердые сплавы с мелкозернистой и

особо мелкозернистой структурой на основе карбида вольфрама

(ВК6-М, ВК6-ОМ) по своим режущим и физико-механическим

свойствам превосходят все другие сплавы этой группы.

В последние годы разработаны твердые сплавы, не содержащие

дефицитного карбида вольфрама. Он заменяется карбидами тита-

на с добавками молибдена, никеля и других тугоплавких метал-

лов. Это сплавы марок ТМ1, ТМЗ, ТН-20, КНТ-16, карбидохро-

мистые твердые сплавы КХН-20, КХН-30 и др. Безвольфрамовые

твердые сплавы целесообразно применять при обработке низко-

легированных сталей и цветных металлов вместо сплавов Т30К4 и

Т15К6.

Твердосплавные пластинки из этих сталей крепятся преиму-

щественно механическим путем к державкам инструментов или

припаиваются с помощью медных (латунных) припоев. Кроме

твердосплавных пластин, в промышленности используют и мо-

нолитный твердосплавный инструмент, например отрезные фре-

зы, спиральные сверла, зенкеры, развертки небольших диамет-

ров, фасонные резцы.

Инструменты оснащаются также пластинками с тонкими по-

крытиями (толщиной 5... 10 мкм) из износостойких материалов

299

(карбида, нитрида или карбонитрида титана и др.)- Это повышает

их стойкость в 5 —6 раз.

Синтетический материал, основой которого является корунд

(АЬО

) — минерал кристаллического строения, относится к

инструментальному материалу — минералокерамике. Получают ко-

рунд из глинозема в электропечах спеканием при температуре

1 720... 1 750°С, в связи с чем его называют электрокорундом.

Оксидная керамика, в состав которой входят легирующие добав-

ки MgO, ZrO

и др., обладает высокими твердостью (90...94 HRA)

и теплостойкостью (до 1 200 °С). Ее малое сродство с металлами

исключает адгезионное взаимодействие с обрабатываемым мате-

риалом, вследствие чего при обработке не появляется нарост и

достигается меньшая шероховатость обработанной поверхности (по

сравнению с обработкой твердым сплавом). Недостатком оксид-

ной минералокерамики является ее низкая прочность и высокая

хрупкость. Инструмент, оснащенный пластинами из оксидной

керамики, используют при чистовой и получистовой обработке

деталей из чугунов, сталей, некоторых сплавов цветных металлов

и неметаллических материалов со скоростями резания до 15 м/с в

условиях безударной нагрузки и без охлаждения. Достаточно ши-

рокое применение получила минералокерамика марок ЦМ-332 и

В0-13.

Для повышения механической прочности в оксидную керами-

ку добавляют различные тугоплавкие соединения (карбиды тита-

на, вольфрама, циркония, молибдена). Такие материалы называ-

ются оксидно-карбидной керамикой (марки ВЗ, ВОК-60, ВОК-63,

ВШ-75), из которой изготовляются многогранные и круглые плас-

тины. Пластины крепят к инструменту механическим путем или

пайкой после предварительной металлизации. Инструменты из ми-

нералокерамики используют для обработки деталей из ковких и

высокопрочных чугунов, труднообрабатываемых сталей и сплавов.

В последнее время широкое распространение получили синте-

тические сверхтвердые материалы (СТМ) на основе твердых мо-

дификаций нитрида бора. Они обладают большой твердостью, ус-

тупающей лишь синтетическому алмазу, и высокой теплостойко-

стью (до 1 300 °С). Резцы, оснащенные пластинками из этих мате-

риалов, применяют для тонкого точения деталей из закаленных

сталей.

Абразивные материалы представляют собой порошкообразные

мелкозернистые вещества, используемые для производства абра-

зивных инструментов: шлифовальных кругов, лент, брусков, сег-

ментов, головок и др. Естественные абразивные материалы (наж-

дак, кварцевый песок, корунд) характеризуются значительной

неоднородностью свойств и поэтому применяются редко.

Абразивные инструменты изготовляют из искусственных мате-

риалов: электрокорунда, карбидов кремния, карбидов бора, ок-

300

сида хрома и других материалов. Все они отличаются высокими

красностойкостью (1 800...2000°С), износостойкостью и твердо-

стью. Так, микротвердость карбидов бора составляет 43 %, карби-

дов кремния — 35 % и электрокорунда — 25 % от микротвердости

алмаза. Обработка абразивными инструментами ведется на скоро-

стях 15... 100 м/с.

Самым твердым из известных инструментальных материалов

является алмаз. Он обладает высокой твердостью, износостойко-

стью, хорошей теплопроводностью, малым коэффициентом тре-

ния и низкой адгезионной способностью к металлам. Алмазами

оснащают режущие инструменты (резцы, сверла и др.), их ис-

пользуют для изготовления инструментов (круги, ленты, пилы и

др.) и различных доводочных порошков. Обработка таким инстру-

ментом характеризуется высокой размерной точностью, малой

шероховатостью обработанной поверхности и повышенной про-

изводительностью (скорость резания выше 20 м/с). В промышлен-

ности используют природные (марки А) и синтетические (марки

АС) алмазы. Последние выпускаются следующих марок: АСБ —

баллас (АСБ-5, АСБ-6); АСПК - карбонадо (АСПК-1, АСПК-2,

АСПК-3). Алмазный инструмент применяют для обработки твер-

дых и полупроводниковых материалов, керамики, сплавов цвет-

ных металлов, жаропрочных сплавов. Недостатками алмазного

инструмента являются большая хрупкость, высокая стоимость и

дефицитность.

В промышленности создан ряд инструментальных материалов,

которые называются композиционными (композитами). К ним от-

носятся: эльбор (композит 01); белбор (композит 02); гексанит

(композит 10); композит 05 (состоит из кубического нитрида

бора — КНБ и А1

); композит 09 (состоит из поликристаллов

твердого нитрида бора — ПТНБ). Эльбор практически служит за-

менителем алмазов. Его применяют для обработки заготовок из

высокотвердых материалов и конструкционных сталей. Компози-

ты изготовляют в виде цилиндрических столбиков диаметром 16 мм

и высотой 3...6 мм, которые крепят к державкам режущего инст-

румента.

6.3. Обработка заготовок на токарных станках

6.3.1. Типы и область применения станков токарной

группы

Станки токарной группы предназначены для обработки наруж-

ных и внутренних поверхностей вращения (цилиндрических, ко-

нических и фасонных), плоских торцевых поверхностей (подреза-

ние торцов), нарезания наружных и внутренних резьб и некото-

301