Обработка металлов резанием

Общие сведения

Для обеспечения установленных чертежом точности размеров и шероховатости поверхности большинство деталей машин и механизмов обрабатывают на станках снятием стружки. Стружку снимают с заготовок различными лезвийными и абразивными инструментами.

Для получения поверхности заданной формы заготовки и инструменты закрепляют на металлообрабатывающих станках, рабочие органы которых сообщают им движения нужной траектории с установленными скоростью и силой. Движения исполнительных органов делят на рабочие и вспомогательные. Рабочими называют движения, при которых с заготовки снимается стружка; вспомогательными – движения, при которых с заготовки стружка не снимается (отвод и подвод инструмента и др.)

Рабочие движения можно разложить на главное и движение подачи. Главным называют движение, скорость которого является наибольшей. Снятие стружки на большинстве станков осуществляется лишь при сочетании движений.

Рассмотрим основные особенности резания при обтачивании (рис. 24). Заготовке 1 от шпинделя станка передается главное вращательное движение, резцу 5 суппортом станка сообщается движение подачи; оба движения осуществляются непрерывно. Поверхность 2 заготовки, с которой снимается стружка, называется обрабатываемой, поверхность 4, образующаяся после снятия стружки – обработанной, поверхность 3, образуемая режущей кромкой инструмента в процессе резания – поверхностью резания.

К режимам резания относятся следующие параметры: подача, глубина и скорость резания. Подачей S называют перемещение резца за один оборот заготовки. глубина резания определяется как расстояние между обрабатываемой и обработанной поверхностями, измеренное по перпендикуляру к оси заготовки;

,

где D – диаметр заготовки, мм; d – диаметр обработанной поверхности детали, мм.

скорость резания – путь, пройденный точкой, расположенной на обрабатываемой поверхности в единицу времени; при вращательном движении окружная скорость резания определяется выражением

,

где n – частота вращения шпинделя, об/мин.

При поступательном движении скорость резания

,

где L – длина рабочего хода, мм; t_р – время рабочего хода, с.

Резец – наиболее распространенный инструмент, применяемый при обработке материалов со снятием стружки на станках. Резцы различают по виду обработки и оборудования (токарные, расточные, строгальные, долбежные, специальные); по выполняемой работе (проходные, подрезные, отрезные, расточные, резьбовые, фасонные, а также черновые, чистовые и для алмазного точения); по направлению подачи (радиальные и тангенциальные, правые и левые); по роду инструментального материала (из низко- и среднелегированной стали, быстрорежущие, твердосплавные, алмазные, минералокерамические); но форме головки (прямые, отогнутые, изогнутые, оттянутые).

На рис. 25 приведен токарный правый проходной резец. Стержень резца 9 служит для закрепления его в резцедержателе или в державке, причем резец опирается на подошву 7; головка резца 8 несет его режущие элементы. Пересечением передней поверхности 1 и главной задней поверхности 2 образуется главная режущая кромка 3, а пересечением передней поверхности и вспомогательной задней поверхности 4 – вспомогательная режущая кромка 6. Главная и вспомогательная режущие, кромки соединяются вершиной резца 5.

Углы резца рассматриваются от основной плоскости и плоскости резания. Основная плоскость – проходящая через подошву резца и параллельная продольной и поперечной подачам. Плоскость резания – касательная к поверхности резания и проходящая через главную режущую кромку.

Режущие свойства резца в значительной степени зависят от углов его заточки или от геометрии резца. На рис. 26 показаны углы резца: j - главный угол в плане, образованный проекцией главной режущей кромки на основную плоскость и направлением подачи; j₁ - вспомогательный угол в плане, образованный проекцией вспомогательной режущей кромки на основную плоскость и направлением, обратным подаче; e - угол при вершине резца между проекциями главной и вспомогательной режущих кромок на основную плоскость; g - главный передний угол, образован передней поверхностью и плоскостью, перпендикулярной к плоскости резца; a - главный задний угол, образован главной задней поверхностью и плоскостью резания; b - угол заострения, образован передней и главной задней поверхностями; d - угол резания; l - угол наклона главной режущей кромки, составленный главной режущей кромкой и прямой, параллельной основной плоскости, лежащей в плоскости резания и проходящей через вершину резца (измеряется в плоскости резания); g₁ - вспомогательный передний угол; a₁ - вспомогательный задний угол.

Угол a способствует уменьшению трения между обрабатываемой поверхностью заготовки и главной задней поверхностью резца. Его величина колеблется в пределах 4–15°, чаще он равен 8°. Угол g оказывает решающее влияние на процесс образования и схода стружки. Угол e влияет на стойкость резца, чем больше этот угол, тем при прочих равных условиях выше стойкость резца. Угол l способствует отводу стружки в ту или иную сторону. Для черновых резцов этот угол колеблется в пределах от 0 до 10° (стружка отводится в сторону обработанной поверхности), для чистовых резцов - от 0° до -3° (стружка отводится в сторону обрабатываемой поверхности). При положительных углах резец является более стойким. Угол l считается положительным, если вершина резца занимает наинизшее положение на режущей кромке и отрицательным, когда вершина занимает наивысшее положение. Угол j служит для изменения соотношения между толщиной и шириной срезаемого слоя. С уменьшением j толщина срезаемого слоя уменьшается, стойкость резца увеличивается. Главный угол в плане совместно с углом j₁ влияет на прочность режущей части у вершины резца и на величину шероховатости обработанной поверхности. С уменьшением j₁ обработанной поверхности снижается.

Основы резания остаются постоянными независимо от того, каким инструментом (резцом, фрезой, сверлом) производится обработка; изменяется лишь схема обработки. Качество обработанной поверхности зависит от характера упругопластической деформации срезанного слоя, и этот слой изнашивает режущий инструмент.

Резец при работе своей передней поверхностью сминает и скалывает частицы металла, лежащие выше плоскости среза с образованием стружки. Срезаемый слой претерпевает сложную пластическую деформацию, и когда создавшиеся в этом слое напряжения превзойдут прочность металла, происходит относительный сдвиг частиц (скалывание).

В зависимости от условий резания образуются три вида стружки. Сливная стружка (рис. 27, а), образуется при резании пластических металлов в зоне повышенных скоростей с малыми подачами и оптимальным значением передних углов, при достижении в зоне контакта температуры порядка 400-500 °С. Стружка скалывания состоит из отдельных элементов, связанных с друг с другом. Наружная поверхность стружки скалывания пилообразная с явно видимыми плоскостями скалывания. Стружкаскалывания образуется при резании пластичных металлов резцами, изготовленными с малыми передними углами в зоне повышенных значений подач и малых скоростей резания (рис. 27, б). Стружка надлома, образуемая при резании малопластичных металлов (серого чугуна, бронзы, алюминиевых сплавов), состоит из отдельных малосвязанных между собой кусков (рис. 27, в).

Под воздействием режущего инструмента срезаемый слой пластически деформируется и изменяет свои размеры по длине и толщине. Такое явление, установленное проф. И.А.Тиме, называется усадкой стружки.

Деформация стружки увеличивается с увеличением пластичности металла. Коэффициент продольной усадки определяется из выражения x = L_о/L, где L_о – путь резца по обработанной поверхности; L – длина стружки.

При обработке мягких углеродистых сталей, меди образуется сливная стружка, отдельные элементы которой явно не выражены, при этом x = 2-3. При обработке твердых сталей образуется стружка скалывания, x = 1,5-1,8; при обработке чугунов и других хрупких металлов – стружка надлома (сыпучая), x = 1,1-1,2.

Пластическая деформация распространяется также вглубь заготовки на некоторую величину, в результате чего возникает наклеп под обработанной поверхностью, образуются остаточные напряжения.

Накопление обработанной поверхностью внутренней энергии в процессе резания за счет внутренних напряжений и измельчения кристаллов влияет на механические свойства металла: повышает сопротивляемость деформированию, снижает пластичность, увели­чивает твердость, т.е. упрочняет поверхностный слой обрабаты­ваемого металла. Такое явление называют упрочнением, или наклепом

При образовании стружки нижний ее слой имеет меньшую скорость перемещения по сравнению с верхним и поэтому задерживается на передней поверхности резца, в результате чего под воздействием большого давления и высоких температур у режущей кромки резца образуется плотное скопление из сильнодеформированных частиц металла заготовки в виде нароста. Он находится в постоянном движении – то срывается, то вновь образуется

При черновых операциях явление нароста благоприятно для ре­зания, так как режущая кромка защищена от действия тепла, меньше подвергается износу. Одновременно создается больший фактический передний угол, что приводит к снижению силы резания. При этом распо­ложение вершины нароста выше оси изделия образует рытвины и царапины, что приводит к увеличению шероховатости обработанной поверхности. Кроме того, некоторые срывающиеся частицы нароста остаются на обработанной поверхности, еще более увеличивая ее шероховатость, снижают точность обработки, вызывают вибрации.

В зоне малых скоростей резания (первая зона до 10 м/мин) нарост имеет незначительную величину, так как вследствие низкой температуры в контактном слое отсутствуют условия для торможения нижних слоев стружки и их приваривания к передней поверхности резца. В зоне средних скоростей резания (вторая зона – от 10 до 40 м/мин) создаются благоприятные температурные условия, обеспечивающие наибольшее торможение нижних слоев стружки. Высота нароста достигает наибольших значений. С увеличением скорости резания частота образования наростов уменьшается, а при скорости резания 50-70 м/мин и выше наросты не возникают. В связи с этим скорости резания от 10 до 50 м/мин применяют для черновой обработки.

при чистовой обработке металлов для обеспечения необходимой чистоты обработанной поверхности рекомендуется работать в третьей зоне скоростей резания (свыше 50 м/мин) с использованием твердосплавного инструмента и с применением СОЖ. Однако имеется ряд инструментов (метчики, круглые плашки, развертки, протяжки и др.), работа которых протекает в зоне низких скоростей резания. Для обеспечения высокой чистоты обработанной поверхности эти инструменты применяют для работы в первой зоне скоростей резания.

Работа резания переходит в тепло. Оно образуется в результате пластического деформиро­вания, трения на передней поверхности и по задней поверхности режущего инструмента. Под влиянием тепла изменяются структура и твердость поверхностных слоев резца, его износ и стойкость инструмента, изменяются также и свойства поверхностного слоя заготовки.

общее количество тепла Q, выделяющееся в процессе резания распределяется следующим образом:

Q = Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄,

где Q₁ – тепло, уходящее в стружку; Q₂ – тепло, идущее на нагрев заготовки; Q₃ – тепло, идущее на нагрев резца; Q₄ – тепло, уходящее на излучение; при скоростях резания до 50 м/мин со стружкой уходит около 45 % всего тепла, а в заготовку до 47 %.

В результате взаимодействия обрабатываемой резанием детали и инструмента возникает результирующая сила Р, приложенная к резцу, величина и направление которой зависит от материала детали, геометрии резца и режимов резания. Эту силу представляют разложенной в пространстве на три составляющие: силу резания Р_z, силу подачи Р_x, радиальную силу Р_у (см. рис. 24).

Силы Р_z, Р_х и Р_у могут быть измерены инструментальными динамометрами или рассчитаны. Сила Р_х составляет 10-25 % от Р_z, а сила Р_у – 30-50 % от Р_z.

По силе Р_z рассчитывают механизм коробки скоростей станка, определяют крутящий момент на шпинделе, эффективную мощность резания:

,

где v – скорость резания, м/мин;

,

С_р – постоянный коэффициент, зависящий от свойств, обрабатываемого материала при работе без охлаждения резцом, выполненным с углами g = 20°, j = 45°; x_pzи у_pz–соответственно, показатели степеней при глубине резания и подаче; при обработке чугуна, стали, бронзы ориентировочно можно принимать x_pz = 1, у_pz=0,75.

Точение

Точение производят на станках токарной группы, а также на расточных, агрегатных и комбинированных станках. Понятие точение объединяет следующие основные виды работ: обтачивание цилиндрических, конических и фасонных поверхностей; обтачивание и подрезание торцовых поверхностей; протачивание канавок, отрезание; растачивание цилиндрических, конических и фасонных отверстий; нарезание резьбы резцами.

Обтачивание разделяют на черновое и чистовое. При черновом обтачивании снимается значительное количество стружки; в результате чернового обтачивания получают поверхности 12-14-го квалитетов точности и с параметром шероховатости R_а = 20-80 мкм.

При чистовом обтачивании получают поверхности 7-11-го квалитетов точности, параметр R_a = 0,6-5 мкм. Припуски на чистовое обтачивание колеблются в пределах 1-2 мм на сторону и меньше. Подача при чистовом обтачивании резцами с закругленной кромкой должна быть небольшой (s = 0,2 мм/об), а при обтачивании широкими резцами составляет от 3 до 30 мм/об.

В качестве материала для режущего инструмента широко используют быстрорежущие стали Р18 и Р9. Цифра показывает процентное содержание вольфрама в сплаве, в состав стали входят также 0,8-0,9 % углерода и около 4 % хрома.

При механической обработке около 95 % стружки снимается инструментами с пластинками из твердых сплавов. Эти пластинки различной формы наплавляются, привариваются или крепятся механически к стальным стержням. Твердосплавные пластины представляют собой металлокерамические твердые сплавы, состоящие из карбидов тугоплавких металлов вольфрама и титана. цифра в маркировке, стоящая после литеры К, показывает процентное содержание кобальта, после Т – карбидов титана, остальное карбиды вольфрама.

Твердые сплавы делятся на три группы:

· Вольфрамокобальтовые ВК, сплавы, со­стоящие из карбидов вольфрама и кобальта (марки ВКЗ, ВКЗМ, ВК4, ВК6, ВК6М, ВК8, ВК10ОМ, ВК10КС, ВК20К и др.). Они применяются для оснащения резцов, сверл, фрез, зенкеров, разверток и других инструментов при обработке литых чугунных заготовок.

· Вольфрамотитанокобальтовые ТК, состоя­щие из карбидов вольфрама, титана и кобальта. Они применяются для оснащения режущих инструментов при обработке пластичных металлов в зоне высоких скоростей резания. Для грубообдирочных работ при переменной нагрузке применяют сплавы марки Т5К10; для получистовых работ – Т15К6, для чистовых работ – Т30К4. Допустимая температура нагрева примерно 1200 °С.

· Титанотанталовые сплавы, в которых, кроме карбидов вольфрама, карбидов титана и кобальта, имеется еще более теплостойкий карбид тантала (температура плавления 3880 °С), уменьшающий склонность сплава к слипанию со сходящей струж­кой. В их маркировке цифра, стоящая после второй литеры Т, показывает суммарное содержание карбидов титана и тантала в сплаве.

Титанотанталовые сплавы марок ТТ7К12 и ТТ7К15 применяют вместо быстрорежущей стали при черновом точении стальных дета­лей с ударами или загрязненной коркой при строгании деталей, а также при работе на токарных автоматах. При этом стойкость резца с пластинкой из титанотанталовых сплавов повышается в 1,5 раза по сравнению со стойкостью резца из быстрорежущей стали марки Р18.

К этой же группе по назначению относится твердый сплав марки Т5К12В, не содержащий дефицитного карбида тантала.

Твердые сплавы выпускают в виде пластинок или монолитных твердосплавных инструментов малых габаритов: сверла диаметром 0,4-0,6 мм, отрезные и прорезные фрезы, монолитные коронки для концевых фрез и др.

Буква М в конце маркировки обозначает мелкозернистую структуру и поэтому более высокую износостойкость в сравнении с теми же марками нормальной зернистости; буквы В или КС в конце маркировки определяют более высокие эксплуатационную прочность и сопротивление ударам и выкрашиванию за счет крупнозернистой структуры; литера О указывает на содержание 2 % карбида тантала, что несколько увеличивает твердость и износостойкость сплава.

При обтачивании валов в зависимости от их жесткости, определяемой отношением длины вала l к диаметру d, используют станочные приспособления. Валы средней жесткости (4 < l/d < 11)обрабатываются с дополнительной опорой (центр задней бабки), а нежесткие (l/d < 4) еще и с дополнительной опорой в виде люнета.

Обтачивание торцовых поверхностей производят черновыми и чистовыми резцами. Для обработки таких поверхностей заготовок, установленных в центры токарных станков, применяют подрезные резцы. Для выхода подрезного резца задний центр срезан.

Отрезание частей заготовок и протачивание кольцевых канавок производят отрезными и канавочными резцами. Растачивание предварительно просверленных или полученных при заготовительных операциях отверстий выполняют черновыми и чистовыми (с закругленной режущей кромкой) расточными резцами.

Нарезание треугольной резьбы на токарных станках проводится резьбовыми резцами. При нарезании резьбы резцом металл из канавки между нитками удаляется. Срезание металла производится тонкими слоями за несколько проходов. В конце каждого прохода резец отводится, возвращается вхолостую в исходное положение и перед каждым новым проходом глубже врезается в обрабатываемую деталь при помощи поперечной подачи. При нарезании резьбы продольная подача осуществляется с использованием ходового винта токарно-винторезного станка.