Деформация срезаемого слоя при резании металлов

В процессе резания срезаемый слой деформируется и его размеры L, a, b отличаются от размеров образовавшейся стружки L_с, a_с, b_с.

Изменение размеров характеризуется коэффициентами:

К_L = - коэффициент укорочения или усадки,

К_а = - коэффициент утолщения,

К_b = - коэффициент уширения.

По величине эти коэффициен­ты находятся в соотношении:

К_L > К_а > К_b .

Коэффициент уширения мало отличается от единиц: К_b =1.05...1.1 и можно принять К_b=1, тогда с учетом равенства объёмов сре­заемого слоя и стружки

L a b = L_с a_с b_с

будем иметь: К_L » К_а .

Образование нароста и его влияние на процесс резания.

При определенных условиях на передней поверхности образует­ся слой обрабатываемого материала, имеющий характерную форму. Это явление называется наростообразованием. Нарост характеризуется высотой н = 1...1.5мм, он нависает над задней поверхностью / н₁/. Твердость нароста раза в два выше твер­дости обрабатываемого материала. Нарост не стабилен, он периодически разрушается и возникает вновь с частотой до 3000...4000 раз в минуту.

С физической точки зрения на процесс наростообразования боль­шое влияние оказывает адгезия обрабатываемого и инструментального материалов. Особое значение имеет заторможенный на пе­редней поверхности слой.

Условиями для образования нароста являются:

1. отсутствие окисных и масляных пленок на передней поверхноñòè;

2. способность обрабатываемого материала упрочняться при пластической деформации и не разупрочняться при высоких. температу­рах.

Факторы, влияющие на наростообразование:

1.Род и механические свойства обрабатываемого материала.

Есть металлы, не склонные к наростообразованию. Это медь и её славы, свинец, цинк, титан и его сплавы, белый чугун, сплавы с большим содержанием никеля. К металлам, которые образуют на­рост, относятся конструкционные cтали, большинство легирован­ных сталей, серый чугун, алюминий и его славы. С увеличением пластичности и уменьшением твердости нарост увеличивается.

2. Скорость резания.

На кривой Н = ¦(V) имеется три участка: 1 - диапазон скорос­тей, когда нарост не образуется / при резании конструкционной стали резцом с g = 15° это скорости до 1м/мин/, 2 - нарост образуется, достигает наибольшего размера; 3 -

нарост не об­разуется / g > 80...100м/мин/. Наблюдается связь между нарос­том и температурой резания Q. Нарост максимален при Q = 250...300⁰ С и нарост исчезает при Q = 550...600⁰ С.

3. Передний угол g.

С увеличением переднего угла нарост уменьшается. При g = 40...45° нарост не возникает.

4. Толщина срезаемого слоя.

С увеличением толщины срезаемого слоя нароет возрастает.

Наростообразование можно считать полезным явлением при черновой обработке. Он прикрывает переднюю поверхность и нависа­ет над задней, уменьшая их износ. При образований нароста уве­личивается фактический передний угол и уменьшается сила трения.

Нарост не желателен при чистовой обработке, т.к. его периоди­ческое разрушение и возникновение увеличивает шероховатость обработанной поверхности.

Для уменьшения нароста надо увеличивать скорость резания и передний угол, применять смазочно-охлаждающие жидкости.

Расчетная шероховатость

При её определении делают следующие допущения: а) обрабатыва­емый материал считается абсолютно недеформируемым; б) технологическая система считается абсолютно жесткой; в) режущие лезвия очерчены определенными геометрическими линиями.

На примере строгания покажем расчет шероховатости. Однако полученная ниже зависимость пригодна для расчета шероховатости при точении, растачивании, сверлении, зенкеровании, фрезерова­нии торцовыми фрезами.

Высота расчетных неровностей равна высоте треугольника m n р.

.

Таким образом:

.

Источники образования тепла при резании и его распределение между стружкой, инструментом и деталью.

Опытами установлено, что более 99.5% всей энергии Е , затрачиваемой на резание, переходит в тепло. На основании этого количество тепла, образующееся при резании можно определить выражением

,

где Q_Д, Q_ТП, Q_тз - соответственно тепло деформации, тепло трения на передней и задней поверхности.

Образовавшееся тепло распространяется к более холодным облас­тям, распределяясь между стружкой, деталью и инструментом:

Q = Q_с + Q_дет +Q_и.

Незначительная часть тепла, если не применяется специальное охлаждение, уходит в окружающую среду.

Два эти выражения представляют собой уравнения теплового ба­ланса при резании. Влияние скорости резания на изменение теплового баланса представлено на диаграмме.

С увеличением скорости резания количество тепла, уходящее в стружку, увеличивается, а количество тепла, уходящее в деталь и инструмент, уменьшается.

Уменьшение % Q_и связано с уменьшением контактной площадки на передней поверхности, а уменьшение % Q_дет - с увеличением угла сдвига b и все более убыстряющимся пересечением потока тепла от Q_дет режущим клином.

При скорости резания V < 100 м/мин:

Q_c = 50...70%

Q_и = 3...5%

Q_дет = остальное.

При высоких скоростях резания / V = 300...500 м/мин /:

Q_c = 90...95%

Q_и = 1%

Q_дет = остальное..

Физическая природа изнашивания инструментов

Считается, что основными причинами изнашивания инструмента являются:

1. Абразивное действие обрабатываемого материала.

2. Адгезионное взаимодействие материалов инструмента и заготовки.

3. Диффузионное растворение инструментального материала в ма­териале заготовки.

4. Окислительные процессы на контактных поверхностях инструмента.

Абразивное изнашивание. Твердые включения обрабатываемого материала царапают материал инструмента, постепенно разрушая его. Абразивному изнашиванию под­вергаются инструменты из быстрорежущей стали, работающие при небольших /до 10...15м/мин/ скоростях резания. На изношенной поверхности видны канавки, риски, царапины по направлению совпадающие с направлением вектора истинной скорости резания ( на задней поверхности ), с направлением вектора скорости стружки ( на передней поверхности ).

Адгезионное изнашивание. Явление адгезии заключается в том, что в процессе соприкосновения двух материалов происходитих местное, локальное схватывание /соединение, приваривание/. Адгезия происходит в том случае, если соприкасающиеся поверх­ности очищены от окисных и масляных пленок. При повышении температуры и давления адгезия увеличивается. Так как один материал перемещается по другому, то образующееся мостики схватывания разрушаются. Он характерен для скоростей резания 20...100 м/мин. На изношенной поверхности появляются кратеры, риски.

Диффузионное изнашивание. В основе этого изнашивания лежит диффузия различных компонентов инструментального материала в обрабатываемый материал, происходящая на контактных площад­ках. Скорость диффундирования отдельных элементов инструментального материала различна. Наиболее быс­тро диффундирует углерод, медленнее вольфрам, кобальт, титан. Поскольку, диффузия интенсифицируется с ростом температуры, то этот характер изнашивания особенно заметен при высоких скоростях резания.

Окислительное изнашивание. Возможность окислительного изнашивания подтверждается наличием коррозии твердых сплавов под действием кислорода воздуха и отсутствием коррозии при их нагреве в среде инертных газов.

Нарастание износа за время работы инструмента.

Графически зависимость величины износа по задней поверхности d от времени работы инструмента t можно представить в виде следующих кривых, получаемых экспериментальным путем:

Эти кривые носят название кривых износа. На кривых имеются участки:

1 - период приработки, когда идет быстрое нарастание износа,

2 - период нормального изнашивания,

3 - период катастрофического изнашивания.

Основным периодом нормальной эксплуатации инструмента являет­ся 2 период. Работа инструмента в 3 периоде должна быть исклю­чена.

Среднее значение оптимальных износов

наиболее распространенных инструментов.

Силы, действующие на контактных поверхностях токарного резца;

сила резания и её составляющие.

Срезаемый слой через стружку действует на переднюю поверх­ность с нормальной силой N , вызывающей силу трения F

F = m N ,

где m - коэффициент трения на передней поверхности. На задней поверхности, действует сила упругого восстановления N₁, вызывающая силу трения F₁

F₁ = m₁ N₁ ,

где m₁ - коэффициент трения на зад­ней поверхности. Как правило m ¹ m₁.

Силы, действующие на задней поверх­ности, ниже, чем силы, действующие на передней поверхности. Если N и F зависят от толщины срезаемого слоя, то силы N₁, и F₁, не зависят от неё, а определяются упру­гими свойствами обрабатываемого ма­териала. Причём чем меньше упругость материала, тем меньше си­лы N₁, и F₁. Кроме этого N₁, и F₁ прямо пропорциональны шири­не срезаемого слоя.

Чем меньше толщина срезаемого слоя, тем относительно больше силы, действующие на задней поверхности. При толщинах срезае­мого слоя а > 0.1 мм силами на задней поверхности можно пре­небречь.

Складывая равнодействующую R на передней и R₁ на задней поверхностях, получим полнуюсилу резания Р :

Р = N + N₁ + F + F₁ .

Если угол наклона главной режущей кромки l = 0, то сила резания Р расположена в главной секущей плоскости. С изменением условий работы меняется направление и величина силы ре­зания. Обычно рассматривают не саму силу Р,а её составляющие, направленные по трём взаимно перпендикулярным осям x, y и z :

Р = P_X + Р_Y + P_Z ,

Р = ,

Р_Z - окружная сила или глав­ная составляющая силы резания. По ней подсчитывается крутя­щий момент и мощность, затрачиваемая на резание.

,

Р_Y - радиальная сила. Она от­талкивает резец от заготовки, в направлении, перпендикуляр­ном к оси. Реакция этой силы изгибает заготовку. Р_Z - осевая сила или сила пода­чи. Её должен преодолеть механизм подачи станка

P_X < P_ст .

Величина сил Р_X, Р_Y , Р_Z неодинакова и соотношение этих сил зависит от обрабатываемого материала, от отношения глуби­ны резания к подаче, от величины угла в плане.