Погодаев Л.И. Теория резания и инструменты : Курс лекций

Подождите немного. Документ загружается.

ладать достаточным запасом прочности при сжатии и изгибе, приложении

ударных импульсов и знакопеременных напряжений.

Перечисляемые свойства инструментального материала обычно являются

взаимоисключающими, поэтому создание инструментального материала, обла-

дающего идеальным комплексом упрочненных свойств в объеме однородного

тела, практически не представляется возможным. Большинство инструменталь-

ных материалов обладает только частичным набором указанных свойств, что

делает

область их служебного назначения весьма ограниченной.

Разработка новых марок инструментальных материалов неизменно будет

вестисть по пути повышения рассмотренных выше свойств – температуро- и

износостойкости, определяющих режущую способность инструментов.

3.РЕЖУЩАЯ ЧАСТЬ ИНСТРУМЕНТОВ.

Для выполнения своего назначения режущие инструменты должны иметь

определенную форму, геометрические параметры которой обусловливаются

назначением и условиями процесса обработки деталей.

Токарный проходной резец является наиболее простым и распространен-

ным инструментов, на примере которого изучают конструктивные элементы и

геометрические параметры более сложных инструментов. При обтачивании

заготовок токарным резцом воспроизводятся все основные процессы

, имеющие

место при снятии стружки инструментами других типов.

3.1. Конструктивные элементы инструмента

Токарные резцы (рис. 1), как и металлорежущие инструменты всех других

видов, имеют присоединительную часть (участок В) в виде державки или кор-

пуса, а также режущую часть (участок А), с помощью которой осуществляется

процесс срезания стружки.

Рабочая часть состоит из ряда элементов (ГОСТ 25762-83). Передняя по-

верхность

А - поверхность, примыкающая к режущим кромкам сверху и кон-

тактирующая в процессе резания со срезаемым слоем и стружкой. Задняя по-

верхность

А инструмента контактирует в процессе резания с обработанной

поверхностью заготовки. Различают главную и вспомогательную задние по-

верхности. Главная задняя

А - поверхность инструмента, примыкающая к

главной режущей кромке. Вспомогательная задняя

А - поверхность инстру-

мента, примыкающая к вспомогательной режущей кромке.

αα

AK'

Рис.1.Конструктивные элементы режущей части резца.

Режущая кромка образуется пересечением передней и задней поверхно-

стей.

Часть режущей кромки, формирующая большую сторону сечения срезае-

мого слоя, называется главной режущей кромкой К.

Часть режущей кромки, формирующая меньшую сторону сечения срезае-

мого слоя, называется вспомогательной режущей кромкой К

’

Вершина резца – точка пересечения двух задних и передней поверхности.

Вершина резца может быть острой или закругленной.

3.2. Геометрические параметры режущей части.

Положение передних и задних поверхностей, главных и вспомогательных

режущих кромок, образующих режущие элементы (зубья), координируется

относительно корпуса инструмента системой угловых размеров, называемых

геометрическими параметрами. Конкретные числовые значения геометриче-

ских параметров проставляются на рабочих чертежах инструментов таким

образом, чтобы по ним можно было изготовить режущие элементы (зубья)

заданной формы и проверить точность изготовления всех углов универсальны-

ми или специальными инструментами и приборам.

Геометрические параметры, присущие режущим элементам различных ин-

струментов, могут быть рассмотрены на примере проходного токарного резца.

Для определения углов резца приняты четыре координатные плоскости

(рис. 2).

абочая

плоскость

плоскость P

лавная секущая

лоскость резания

Основная

плоскость P

Рис.2.Координатные плоскости Рис.3.Углы резца в

главной секущей плоскости.

Основная плоскость Р

координатная плоскость, проведенная через рассматри-

ваемую точку режущей кромки перпендикулярно направлению скорости глав-

ного или результирующего движения в этой точке.

Плоскость резания Р

– координатная плоскость, касательная к режущей

кромке в рассматриваемой точке и перпендикулярная основной плоскости.

Главная секущая плоскость

Р - координатная плоскость, перпендикуляр-

ная линии пересечения основной плоскости и плоскости резания.

Рабочая плоскость Р

– плоскость, в которой рассматривают направление

скорости резания и движения подачи.

Рассмотрим углы токарного резца прямоугольного сечения в статике. На-

правление скорости главного движения принимают перпендикулярным конст-

рукторской установочной базе резца (основной плоскости Р

В основной плоскости Р

измеряют углы в плане (см.рис.2).

Главный угол в плане

- угол между плоскостью резания Р

и направле-

нием подачи. Главный угол в плане всегда положителен и лежит вне режущего

клина. Он расположен так, что его вершина обращена к вершине резца.

Вспомогательный угол в плане

- угол между проекцией вспомогатель-

ной режущей кромки на основную плоскость и направлением, обратным на-

правлению подачи. Вспомогательный угол в плане всегда положителен и лежит

вне режущего клина.

Угол при вершине

Е – угол между проекциями главной и вспомогатель-

ной режущих кромок на основную плоскость Р

+Е = 180

В главной секущей плоскости

Р измеряют углы резца

, α, β и δ (рис. 3).

Передний угол

- угол между передней поверхностью резца и основной

плоскостью. Передний угол положителен, если линия пересечения главной

секущей плоскости с основной плоскостью, проведенной через вершину рез-

ца, лежит вне режущего клина.

Задний угол α – угол между задней поверхностью резца и плоскостью ре-

зания. Задний угол положительно, если линия пересечения главной секущей

плоскости с

плоскостью резания лежит вне режущего клина.

Угол заострения

β – угол между передней и задней поверхностями резца.

Угол резания δ – угол между передней поверхностью резца и плоскостью

резца,

δ-90

В плоскости резания измеряют также угол наклона главной режущей

кромки

λ (рис. 4) – угол между режущей кромкой и основной плоскостью.

Этот угол всегда расположен так, что его вершина обращена к вершине резца

и считается положительным, если вершина резца является самой низшей точ-

кой режущей кромки, отрицательным – когда вершина резца является самой

высокой точкой режущей кромки, и равным нулю, когда режущая кромка па-

раллельна основной плоскости Р

S S

VVV

+λ

−λ

λ=0

Рис.4.Определение угла наклона главной режущей кромки.

3.3. Влияние геометрии инструмента на процесс резания

Углы режущей части резца, как и любого другого инструмента, оказывают

значительное влияние на качество обработанной поверхности и производи-

тельность обработки, интенсивность изнашивания резца, силы резания и мощ-

ности станка.

Задний угол

α уменьшает работу станка и задней поверхности резца. В за-

висимости от условий работы угол α выбирают в пределах 6…12

. Меньшие

углы α выбирают при обработке вязких материалов, большие при обработке

твердых и хрупких материалов, а также при большой площади среза.

Передний угол

служит для облегчения процесса стружкообразования. С

увеличением угла

уменьшается работа, затрачиваемая на процесс резания,

улучшаются условия схода стружки и повышается качество обработанной по-

верхности. Однако увеличение угла

приводит к уменьшению прочности ре-

жущего клина и повышению его изнашивания вследствие выкрашивания и ме-

нее интенсивного теплоотвода. Угол

выбирают в зависимости от свойств

материалов обрабатываемой детали и инструмента, условий резания и ряда

других факторов. Для проходных резцов, например, он может изменяться в

пределах от –10 до +20

С. При обработке твердых и хрупких материалов выби-

рают резцы с меньшим углом

, для мягких и вязких материалов с большим

углом

. При обработке закаленной стали резцом, оснащенным твердым спла-

вом, а также в условиях прерывистого резания принимают отрицательный угол

От величины углов

α и

зависят прочность режущей части резца, силы ре-

зания, температура в зоне резания, потребляемая мощность и др.

Главный угол в плане

влияет на стойкость и шероховатость поверхно-

сти. С уменьшением угла

уменьшается высота микронеровностей, увеличи-

вается ширина срезаемого слоя и уменьшается его толщина, снижается тепло-

вая и силовая нагрузка на резец и соответственно уменьшается его износ. Од-

нако при уменьшении угла

резко возрастает составляющая сила резания Р

перпендикулярная оси заготовки, что вызывает ее прогиб и возможные вибра-

ции, которые, в свою очередь, увеличивают шероховатость поверхности и из-

нос инструмента. Угол

выбирают в пределах 30…90

в зависимости от вида

обработки, типа резца, жесткости заготовки и инструмента. При обработке за-

готовок малой жесткости применяют упорные проходные резца с

=90

Вспомогательный угол в плане

́ا

служит для уменьшения трения вспомо-

гательной задней поверхности об обработанную поверхность заготовки. С его

уменьшением снижается шероховатость обработанной поверхности и износ

резца. Для проходных резцов, обрабатывающих жесткие заготовки без вреза-

ния,

= 30…45

. Врезание – это резание с поперечной подачей на глубину,

равную глубине резания при последующей обработке этим резцом с продоль-

ной подачей.

Значение угла наклона главной режущей кромки

λ оказывает влияние на

направление схода срезаемой стружки с передней поверхности инструмента.

Если угол

λ положительный (см.рис. 4), то срезанная стружка направляется

слева направо, т.е. в зону, где при обычной компоновке станка нет рукояток

управления. При отрицательном

∠

λ срезанная стружка направляется влево –

в сторону, где сосредоточены рукоятки управления станком. Во избежание

травм обслуживающего персонала срезанной стружкой предпочтительнее

первый случай, т.е. резец с +

∠

λ. Существуют и другие мотивировки задания

того или иного знака угла наклона главной режущей кромки.

При чистовой обработке принимать угол

λ положительным не рекоменду-

ется, т.к. стружка может наматываться на заготовку и царапать обработанную

поверхность. Поэтому угол

λ = 0…-5 при чистовой обработке и λ = 0…+5 при

черновой обработке.

Положительный угол

λ служит также для упрочнения режущей кромки,

т.к. в момент врезания резца ударная сила приходится не на вершину лезвия, а

на более прочное место, удаленное от вершины.

Значения углов

α и γ изменяются при установке вершины резца выше или

ниже оси вращения заготовки (линии центров), а значения углов в плане

φ и φ

изменяются в зависимости от расположения оси резца относительно оси заго-

товки (рис. 5).

Установка резца на станке должна соответствовать расчетным значениям

его углов. Изменения в установке резца учитывают при заточке.

В процессе резания

γ и α изменяются вследствие изменения положения

координатных плоскостей. Углы в этом случае измеряются в кинематической

системе координат, ориентированной относительно направления скорости

результирующего движения резания ν

. Вследствие этого задний угол α

уменьшается, а передний угол γ увеличивается. Для проходного резца:

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⋅−=−

αµα

sin

arctg

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⋅+=+=

λµγγ

sin

arctg

Для обычных условий обработки резцами изменения углов незначительны

и ими можно пренебречь. Но при нарезании резьбы с большим шагом (реза-

ние с большой подачей) с этими изменениями приходится считаться. Поэтому

у резьбового резца угол α (со стороны направления движения подачи) увели-

чивают на 3…5

уст

γ >γ

α <α

уст

-h

уст

γ <γ

уст

а) б) в)

τ=90°

ϕ'

ϕ =ϕ+ω

уст

ϕ' =ϕ'−ω

уст

г) д)

Рис.5. Изменение углов при установке токарного проходного резца по вы-

соте оси заготовки (а) , выше (б) , ниже (в) оси заготовки ; под углом τ

= 90° ( г) и τ ≠ 90° (д).

4. КИНЕМАТИЧЕСКИЕ И ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ

ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ

4.1. Общие понятия и определения

Определения и понятия, касающиеся кинематики и геометрии процесса

резания, регламентируемого нормами ГОСТ 25762-83, в равной степени отно-

сятся ко всем способам обработки со снятием стружки. Поэтому можно при-

менить единый подход к их рассмотрению, который позволит единообразно

описать существующие закономерности.

Обработки резанием – это технологический процесс изготовления дета-

лей, заключающийся в образовании новых

поверхностей путем снятия по-

верхностных слоев материала с образованием стружки. При обработке реза-

нием происходит процесс срезания режущими инструментами с поверхности

заготовки слоя металла для получения требуемой геометрической формы,

точности размеров и шероховатости поверхности детали.

Совокупность относительных движений инструмента и заготовки, необ-

ходимых для получения заданной поверхности, называют кинематической

схемой

обработки.

Все принципиальные схемы обработки резанием основаны на сочетании

двух элементарных движений – вращательного и прямолинейного.

При обработке резанием различают основные движения, обеспечивающие

снятие стружки, и вспомогательные, связанные с подготовкой снятия стружки

(закрепление заготовки, подвод и отвод инструмента и пр.).

Основные движения делятся на главное движение и движение подачи.

Главным движением

резания Д

называют прямолинейное поступательное

или вращательное движение инструмента или заготовки, происходящее с наи-

большей скоростью в процессе резания и определяющее скорость снятия ма-

териала срезаемого слоя (ГОСТ 25762-83). Скорость главного движения обо-

значают буквой v

Движением подачи

называют прямолинейное поступательное или вра-

щательное движение инструмента или заготовки, скорость которого меньше

скорости главного движения резания, предназначенное для того, чтобы рас-

пространить отделение слоя материала на всю обрабатываемую поверхность.

Скорость движения подачи обозначают буквой v

Результирующее движение резания Д

является суммой векторов двух

движений: главного движения резания

и движения подачи Д

(рис. 6).

У токарных станков (рис. 6а) главным движением является вращательное

движение заготовки, движением подачи является поступательное движение

резца; суммарным является движение резания по винтовой спирали.

а) б)

г)в)

Рис.6. Схемы обработки заготовок :

а – точение ; б – фрезерование ; в – строгание ; г – сверление

У фрезерных станков

– вращательное движение инструмента, Д

сообща-

ется заготовке (рис. 6б).

У строгальных станков оба движения являются поступательными (рис. 6в).

У сверлильных станков оба движения (

и Д

) сообщаются инструменту

(рис. 6г).

На обрабатываемой заготовке различают следующие поверхности (см. рис.

6): обрабатываемую 1, с которой нужно срезать слой металла (припуск); по-

верхность резания 2, образуемую на заготовке режущей кромкой инструмента в

результирующем движении резания; обработанную поверхность 3, образован-

ную на заготовке после снятия стружки.

4.2. Параметры режима резания

Параметрами режима резания являются: скорость резания, подача и глуби-

на резания. Совокупность их значений принято называть режимом резания.

Скорость резания v – это скорость рассматриваемой точки режущей кромки

инструмента или заготовки – главном движении (v измеряют в м/мин при всех

видах обработки, кроме шлифования и полирования – в м/с).

Если главное движение

резания является вращательным, то v = ПДп/1000,

где

Д – наибольший диаметр заготовки (точение) или инструмента (шлифова-

ние, фрезерование, сверление), мм;

п – частота вращения заготовки или ин-

струмента, мин.

-1

Если главное движение является возвратно-поступательным, например

при строгании, то v =

L·n·(K+1)/1000, где L – длина рабочего хода резца

или заготовки, мм;

n – число двойных ходов резца или заготовки в мин; К –

коэффициент, характеризующий отношение скоростей рабочего и вспомога-

тельного ходов (

K = v

рх

/ v

вх

В процессе резания, в частности при точении, контакт режущей кромки и

поверхности резания происходит по линии АВ (рис.7). Вдоль режущей кром-

ки диаметр обрабатываемой поверхности изменяется от

Д до значения d

(диаметр готовой детали), следовательно, v будет уменьшаться по мере при-

ближения к вершине резца. Однако расчет производится всегда для наиболее

трудных условий работы, т.е. по наибольшему диаметру: при наружном про-

дольном и поперечном точении, при отрезке – по диаметру заготовки, при

внутреннем точении – по диаметру обработанной поверхности.

Подача

S – это отношение расстояния, пройденного рассматриваемой точ-

кой режущей кромки или заготовки в направлении движения подачи, к соот-

ветствующему числу циклов или определенных долей циклов другого движе-

ния. Под циклом движения понимают полный оборот, ход или двойной ход

режущего инструмента или заготовки.

При разных технологических методах обработки подача имеет одну из

следующих единиц измерения: мм/об (подача на оборот S

) – при точении,

сверлении, фрезеровании; мм/ход (подача на ход S

); мм/дв.ход (подача на

двойной ход S

2х

) – при строгании, долблении; мм/зуб (подача на зуб S

) – при

фрезеровании; мм/мин (минутная подача S

- при фрезеровании.

Например, при точении подача характеризуется перемещением инстру-

мента за один оборот заготовки (см. рис. 7).

ϕ'

Рис.7. Кинематические и геометрические параметры

процесса резания при точении.

Движение подачи может быть продольным, направленным вдоль оси заго-

товки (

sпр

); поперечным – поперек этой оси (Д

sпоп

); наклонным под углом к

оси (

sн

); круговым - по окружности обрабатываемой заготовки. Оно может

быть также непрерывным или прерывистым (дискретным), осуществляемым в

перерывах процесса резания.

Скорость движения подачи обозначается v

и определяется как произведе-

ние значения подачи S на соответствующее число циклов п. Для точения, в ча-

стности, v

= S ·п (мм/мин.).

Глубина резания t определяется как расстояние между обрабатываемой и

обработанной поверхностями заготовки, измеренное перпендикулярно к по-

следней. Глубину резания измеряют в мм.

При точении цилиндрической поверхности глубину резания определяют

как полуразность диаметров до и после обработки: t = (

Д-d)/2, где Д и d –

соответственно диаметры заготовки и детали, мм (см. рис. 7).

При отрезке детали, прорезании канавки глубина резания t равна ширине

прорези.

4.3. Геометрические характеристики срезаемого слоя

Различают сечение срезаемого слоя (среза) и сечение срезанного слоя

(стружки). Сечение срезаемого слоя относится к слою металла, который должен

быть срезан с заготовки. Сечение срезанного слоя представляет собой фактиче-

ское сечение стружки, деформированной в процессе отделения, в силу чего

ширина и толщина стружки превышает ширину и толщину среза.

Форма и

размеры сечения срезаемого слоя зависят от принципиальной

кинематической схемы резания, на основе которой осуществляются движения

резания и определяется расположение режущих элементов инструмента.

При продольном точении резцом размеры поперечного сечения срезаемо-

го слоя измеряют в плоскости, проходящей через ось вращения обрабатывае-

мой заготовки.

На рис. 7 показано произвольное мгновенное рабочее положение режущей

части

резца с главным углов в плане φ и вспомогательным углом в плане

φ′

срезающей слой металла глубиной t. Рабочее положение, которое резец займет

через один оборот заготовки, показано пунктирной линией и смещено влево

на величину подачи S.

Рассмотрим элементы срезаемого слоя.

Толщина срезаемого слоя а – это расстояние между двумя последующими

положениями главной режущей кромки, занимаемыми через один цикл глав-

ного движения в направлении, перпендикулярном главной режущей

кромке в

рассматриваемой точке. Если главная режущая кромка прямолинейна, то тол-

щина срезаемого слоя представляет собой высоту параллелограмма.

Ширина срезаемого слоя

в – это длина стороны сечения срезаемого слоя,

образованной поверхностью резания.

Параметры S и t называются технологическими (производственными).

Параметры а и в, влияющими на сопротивление металла срезаемого слоя пла-

стическому деформированию и образованию стружки, называются физиче-

скими.

При работе резцом с прямолинейной режущей кромкой при λ = 0 и γ = 0

толщина среза вдоль кромки постоянная, а

с прямолинейной кромкой – пере-

менная и уменьшается с приближением к вершине резца (рис. 8а). Ширина

среза в зависит от глубины резания t и угла φ, толщина среза а – от подачи S и

угла φ. Для резцов с прямолинейной режущей кромкой при λ = 0 и γ = 0 спра-

ведливо (см. рис. 7):

()

;

sin

мм

(

)

ммSа

sin⋅= .

В общем случае при λ≠0 и γ≠0:

() ()

мм

амм

λϕ

cos

sin

;

cossin

⋅

б)

S=a

Рис.8. Формы сечения среза :

а – при криволинейной кромке ; б – при φ = 90º .

При постоянных t и S с увеличением угла

ширина среза уменьшается, а

толщина увеличивается. При

= 90

С в=t и а=S. (рис. 8б). Во всех остальных

случаях, когда

< 90

, в>t и а<S.Изменяя величины t, S и

, можно получить

срезаемый слой (и стружку) различной толщины и ширины.

В зависимости от отношения t/s (или в/а) различают срезы (и стружки):

прямые – при t>s (в> а), обратные – при t<s (в<а)и равнобокие – при t = s (в=а).

Номинальная площадь сечения среза (при λ=0

) на рис. 7 ограничена кон-

туром АВСДЛ и определяется по формуле F

= t·s=в·а(мм

Как видно на рис. 7, площадь среза (номинальная) независимо от его фор-

мы постоянна при равных t и s. С изменением угла изменяются только в и а.

Следовательно, и для резца с криволинейной кромкой F

= t · s.

Поперечное сечение фактически срезаемого слоя F (действительная пло-

щадь среза) ограничено контуром ВСДЕВ, так как вспомогательная режущая

кромка расположена на линии ВЕ под углом

′. Контур АВЕА не может быть

срезан резцом и остается на обработанной поверхности заготовки как попереч-

ное сечение винтового гребня. Этот контур называется остаточным сечением

стружки ∆F. Из построения на рис. 7 видно, что F

= F

- ∆F.

Площадь ∆F относительно мала и составляет около 1…3% от площади но-

минального сечения F

. Поэтому остаточное сечение ∆F в технических расчетах

не учитывается и за расчетное поперечное сечение срезаемого слоя принимает-

ся номинальное сечение F

Объем стружки, срезаемый за 1 мин.,

V = t · s · v = F

· v (cм

/мин).

Масса стружки

m =

()

10001000

минкг

ρν

⋅⋅

⋅

где

- плотность материала.

4.4. Свободное и несвободное резание.

При свободном резании стружка срезается только главной режущей кром-

кой (рис. 9 а и б). При этом процесс резания протекает благоприятно, стружка

меньше деформируется, так как по всей ширине она отделяется в одном на-

правлении (показано стрелками). При несвободном резании в работе участву-

ют главная, вспомогательная и переходная кромки режущей части инструмен

та (рис. 9в). Это затрудняет процесс резания, сопровождается большим тепло-

выделением и ухудшает качество обработанной поверхности.

б)

в)

Рис.9. Виды резания :

а и б - свободное ; в – несвободное

4.5. Основное и штучное время

Основное (технологическое) время t

затрачивается непосредственно на

процесс отделения стружки. Оно может быть машинным и машинно-ручным.

При машинном времени все движения детали и инструмента осуществляются

механически. При машинно-ручном времени подача инструмента производится

вручную.

Машинное время

= .мин

⋅

=⋅

Где L – путь резца в направлении подачи, мм; v

– скорость подачи, м/мин; i

– число проходов резца в данной операции; П - припуск на сторону, мм; n, s и t

– параметры режима резания (частота вращения шпинделя, мм/мин.; подача,

мм/об и глубина резания, мм, соответственно).

Расчетный путь резца (рис.10).

ϕ'

Рис.10. Схема для расчета машинного времени

lll

+=L

где

ℓ - длина обрабатываемой поверхности заготовки, мм; ℓ

= t ·ctg φ –

величина врезания резца в обрабатываемую поверхность, мм;

ℓ

= t ·ctg φ′ -

перебег резца, мм; дается на сход резца с обрабатываемой поверхности и гаран-

тирует обработку по всей ее длине. Обычно

ℓ

принимают в пределах 1…3

мм.

Штучное время t

шт

– это интервал времени, равный отношению цикла тех-

нологической операции к числу одновременно изготовляемых или ремонти-

руемых изделий или равный календарному времени сборочной операции

(ГОСТ 3.1109-82):

шт

= t

+ t

oб

+ t

где t

– вспомогательное время, необходимое на установку и закрепление

заготовки, на управление станком, на отвод и подвод режущих инструментов

и т.п.; t

oб

– время, затрачиваемое на техническое и организационное обслужи-

вание рабочего места; t

– время на личные потребности рабочего (время рег-

ламентированных перерывов, отнесенное к одной заготовке).

oб

= k·(t

+ t

), где t

+ t

= t

оп

– оперативное время;

и t

в сумме составляют свыше 90% от t

шт

, и их снижение влияет на про-

изводительность процесса работы; t

, t

об,

определяют по нормативам.

5.ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ

5.1.Стружкообразование

Резание является сложным физическим процессом, при котором возника-

ют упругие и пластические деформации, разрушение металла в таких пре-

дельных условиях, которые обычно не встречаются ни при испытаниях мате-

риалов, ни в других технологических процессах. Процесс резания сопровож-

дается трением, тепловыделением, наростообразованием, усадкой стружки,

деформационным упрочнением (наклепом) обработанной поверхности, изна-

шиванием инструмента

и др. Давление стружки на переднюю поверхность

инструмента достигает 1000…2000 МПа, а температура в зоне резания

1000…2000

С.

Знание физической сущности резания и закономерности явлений, кото-

рыми оно сопровождается, позволит управлять этим процессом с целью дос-

тижения максимальной производительности и требуемого качества обработки,

позволяет более правильно и полно эксплуатировать станки и инструменты.

В зависимости от физико-механических свойств обрабатываемого мате-

риала в зоне резания могут преобладать либо упругие

, либо пластические де-

формации. Резание вязких материалов сопровождается значительными пла-

стическими деформациями. При обработке твердых сплавов, наоборот, преоб-

ладают упругие деформации.

В срезаемом слое возникают сдвиговые напряжения и деформации, на ко-

торые расходуется большая часть мощности резания. При этом многие стали и

сплавы сильно упрочняются (наклепываются). Такому состоянию соответст-

вует

сильно искаженная микроструктура материалов (деформированные зер-

на, высокая плотность дислокаций и пр.).

Одновременно при резании от внешнего и внутреннего трения выделяется

значительное количество тепла, нагревающего обрабатываемые поверхности,

что может производить своего рода термообработку и приводит к частичному

(отдых) или полному (рекристаллизация) восстановлению исходной структуры

материалов.

Отличительными чертами процесса резания металлов являются следующие:

1.Процесс протекает при весьма высоких значениях относительной дефор-

мации сжатия и сдвига.

2.Деформация локализована в малом объеме пластической зоны. Скорость

деформации высока.

3.Свежеобразованная поверхность срезаемого деформированного металла

является химически активной. Это обстоятельство способствует адгезионному

взаимодействию материала заготовки с режущим инструментом и увеличивает

силы трения.

4.Режущие инструменты срезают припуск слоями, толщина поперечного

сечения которых обычно меньше 1 мм. При обработке заготовок на тяжелых

станках толщина срезаемого слоя достигает 2 мм.

5.Физико-механические свойства обработанной поверхности отличаются от

свойств материала в глубине заготовки.

В настоящее время с

помощью совершенной техники микросъемки доказа-

но, что в основе резания металлов лежит процесс пластического течения. Как

правило, в обычных условиях опережающая режущий клин инструмента тре-

щина не образуется, она может возникнуть лишь при определенных условиях.

Основной механизм процесса резания удобно изучать на модели с одной

режущей кромкой (рис. 11). Простейшей схемой резания

является прямоуголь-

ное (ортогональное) резание, когда режущая кромка располагается перпенди-

кулярно вектору скорости относительно перемещения инструмента и заготовки

(рис. 11а). Если режущая кромка наклонена к вектору скорости под углом, не

равным 90

(рис. 11б), то резание называется косоугольным.

Природа стружкообразования для рассмотренных случаев приблизительно

одинакова.

V V

а) б)

ϕ=90°

Рис.11. Схемы прямоугольного (а) и косоугольного (б) резания: φ –главный угоп в плане;

1-инструмент; 2- заготовка.

Первые научные исследования резания были проведены профессором

Санкт-Петербургского политехнического института Иваном Августовичем

Тиме в 1869-1870 гг. Он предложил элементарную схему стружкообразова-

ния, основанную на визуальном наблюдении за процессом прямоугольного

резания. Эта схема не претерпела существенных изменений по настоящее

время (рис. 12).

В начальный момент (рис. 12а) когда движущийся резец под действием

силы

Р соприкасается с металлом, в материале возникают упругие деформа-

ции.

При дальнейшем движении (рис. 12б) резец своей кромкой вдавливается в

металл, вызывая его пластическое деформирование.

По мере перемещения резца объем пластически деформированного метал-

ла возврастает и внутренние напряжения достигают значений, превышающих

прочность материала на срез (рис. 12в), происходит скалывание.

ОО –

плоскость скалывания или сдвига; угол β

– угол скалывания (сдви-

га); угол β′ - угол действия.

Далее процесс деформирования повторяется, образуются новые элементы

срезаемого слоя (рис. 12 г). В результате происходит образование стружки,

состоящей из достаточно прочно соединенных между собой элементов.

Стружка перемещается, опираясь на переднюю поверхность. При этом на рас-

стоянии двух-трех элементов от вершины резца она

начинает завиваться и

перестает соприкасаться с передней поверхностью.

а) б) в) г)

Рис.12. Схема образования элементов стружки.

И.А.Тиме экспериментально установил, что: 1) пластическая деформация

стружкообразования распространяется со скоростью перемещения инстру-

мента вдоль срезаемого слоя и протекает в объеме металла между передней

поверхностью резца и граничной линией, отделяющей визуально видимые сле-

ды деформации на боковой стороне обрабатываемой заготовки от металла, со-

храняющего первоначальное состояние; 2) внутренние напряжения в деформи-

руемом объеме металла периодически возрастают и достигают значений, при

которых очередной сформировавшийся элемент стружки

сдвигается по гранич-

ной плоскости.

Впервые применив к исследованию процесса резания микроструктурный

анализ, учебный мастер Петербургского университета Яков Григорьевич Уса-

чев в 1912-1914 гг. доказал, что наибольшие деформации зерен возникают не в

направлении плоскости ОО, а в направлении плоскости скольжения СД опре-

деляемом углом

(рис. 13). Срезаемый слой подвергается дополнительному

деформированию вследствие трения стружки о переднюю поверхность инст-

румента. Окончательная структура срезаемого слоя формируется в виде вытя-

нутых зерен. Упорядоченную ориентацию деформированных кристаллических

зерен называют текстурой, а угол

- углом текстуры.

Характер деформирования зависит от ФМС обрабатываемого материала,

изометрических параметров инструмента, режимов резания и условий обработ-

ки. Для сталей средней твердости положение плоскости сдвига ОО практически

постоянное (β

= 30

). Угол

зависит от свойств обрабатываемого материала и

геометрических параметров инструмента. При обработке хрупких материалов

≅ 0, для пластичных материалов

достигает 30

Рис.13. Схема пластически деформированной зоны при резании.

Путем измерения Н

установлено, что в процессе стружкообразования ме-

талл подвергается деформированию не строго в плоскости скалывания ОО, а в

некотором объеме металла V

NOM

по обе стороны от нее (рис. 14). Степень де-

формации и микротвердость (прочность) в различных точках указанного объе-

ма изменяется несущественно, поэтому затраты мощности на сдвиговые де-

формации срезаемого слоя можно определять по свойствам металла в плоско-

сти скалывания.

Рис.14. Границы распространения пластических деформаций в зоне резания.

По действующей и поныне классификации проф. И.А.Тиме при обработке

различных материалов могут образовываться следующие виды стружек: эле-

ментная (рис. 15а); ступенчатая или суставчатая (рис. 15б); сливная (риск. 15в)

и надлома (рис. 15г).

Элементную и ступенчатую стружки называют еще стружкой скалывания.

вг

Рис.15. Виды стружек:

а – элементарная; б – ступенчатая (суставчатая);

в – сливная; г – надлома.

Стружка скалывания и сливная стружка образуются при обработке стали,

стружка надлома характерна для обработки чугуна и бронз.