Шорсткістьповерхні
1.Загальні причини виникненняшорсткості
різання вібрація деформація шорсткість
Всі різноманітні фактори, що обумовлюють шорсткість обробленоїповерхні, можна об’єднати в три основні групи:
· причини, пов’язані з геометрією процесурізання;
· причини, пов’язані з пластичною та пружноюдеформаціями оброблюваного матеріалу;
· причини,пов’язані з виникненням вібрацій різального інструменту.
Процес виникнення нерівностей внаслідок геометричних причин прийнятотрактувати як копіювання на оброблюваній поверхні траєкторії руху і формирізальних лез. З геометричної точки зору величина, форма і взаємне розташуваннянерівностей (напрямок слідів обробки) визначаються формою і станом різальнихлез і тими елементами режиму різання, які впливають на зміну траєкторії рухурізальних лез відносно оброблюваної поверхні.
В різних умовах обробки пластичні та пружні деформації оброблюваного матеріалуі вібрації спотворюють геометрично правильну форму нерівностей, порушують їхзакономірний розподіл на поверхні і суттєво збільшують їх висоту. В рядівипадків пластичні деформації та вібрації викликають появу поздовжньоїшорсткості, яка досягає значних розмірів, і збільшення поперечної шорсткості.
Переважно на формування шорсткості поверхні впливає (як правило) одна зтрьох згаданих груп причин, яка і визначає характер і величину шорсткості.Проте, в окремих випадках шорсткість виникає в результаті одночасної і майжерівнозначної дії всіх згаданих причин і внаслідок цього немає чітко вираженихзакономірностей.
2.Геометричні причини створенняшорсткості при точінні
За один обертзаготовки різець переміщується на величину подачі S1 (мм/об) іпереходить з положення 2 в положення 1 (рис. 1, а). При цьому на обробленій поверхні залишається деяка частина металу,не знята різцем, і вона створює залишковий гребінець m. Цілком очевидно, щовеличина і форма нерівностей поверхні, що складається із залишкових гребінців,визначається подачею S1 і формою різального інструменту. Наприклад,при зменшенні подачі до значення S2 висота нерівностей Rz знижується до />(рис. 1, б). Зміна кутів φ і φ1 в плані впливає не тільки на висоту,але й на форму нерівностей поверхні (рис. 1, в). При використанні різців із заокругленою вершиною достатньо великогорадіуса r1 форма нерівностей стає відповіднотакож заокругленою (рис. 1, г). При цьомузбільшення радіуса заокруглення вершини різця до r2 призводить до зменшення висоти Rz шорсткості (рис. 1, д).
/>
Рис. 1.Геометричні причини утворення шорсткості під час точіння
Виходячи знаведених міркувань геометричного характеру, проф. Чебишев В.Л. запропонуваввизначати висоту Rz нерівностейпри обробці різцем в залежності від подачі S і радіуса r заокруглення вершинирізця за формулою:
/>. (1)
В процесі створеннянерівностей при точінні різцями з невеликими радіусами заокруглення і звеликими подачами беруть участь не тільки криволінійна частина різальної кромкирізця, створена радіусом r заокруглення, але й прямолінійна ділянка різальноголеза (рис. 1, е) [2]. В цьому випадку у формулу Чебишева В.Л. включаютьзначення головних кутів φ і φ1 в плані:
/>.
Якщо шорсткістьформується повністю заокругленою частиною різальної кромки, то висотамікронерівностей може бути визначена за формулою:
/>.
Якщо при виготовленні різця або в процесі його експлуатації на йоголезах утворюються вищерблення, то вони прямо впливають на підвищення шорсткостіповерхні.
За практичними даними при затупленні різального інструмента і появі наньому вищерблень шорсткість обробленої поверхні при точінні зростає на 50–60 %,при фрезеруванні циліндричними фрезами – на 100–115 %, при фрезеруванніторцевими фрезами – на 35–40 %, при свердлінні – на 30–40 % і при розвертанні –на 20–30 %.
Вказане збільшення шорсткості оброблюваної поверхні при затупленні різальногоінструмента пов’язане не тільки з геометричним впливом вищерблень, що виникаютьна різальному лезі, але й зі збільшенням радіуса заокруглення леза. Збільшеннярадіуса заокруглення леза збільшує ступінь пластичної деформації металуповерхневого шару, що призводить до зростання шорсткості поверхні.
Для усунення впливу вищерблень і притуплення різального лезарекомендується ретельне (бажано алмазне) доведення інструментів і своєчасне їхпереточування.
Наведені вище відомості про геометричні причини виникнення нерівностейпри точінні дають можливість зробити наступні висновки.
1. Збільшення подачі, головного φ ідопоміжного φ1 кутів різця у планіпризводить до зростання висоти нерівностей. При чистовій обточці доцільнокористуватись прохідними різцями з малим значенням кутів φ і φ1. Не слід без особливої необхідності застосувати підрізнірізці.
2. Зростання радіуса заокруглення вершини різця знижує висотушорсткості поверхні.
3. Зниження шорсткості різальних поверхоньінструмента за допомогою ретельного (бажано алмазного) доведення усуває впливнерівностей різального леза на оброблювану поверхню. Разом зі зменшеннямшорсткості оброблюваної поверхні, доведення помітно підвищує стійкістьрізального інструмента, а отже, і економічність його використання.
3.Пластичні та пружні деформаціїметалу поверхневого шару
При обробці різанням пластичних матеріалів метал поверхневого шарузазнає пластичної деформації, в результаті якої суттєво змінюються розміри іформа нерівностей обробленої поверхні (звичайно шорсткість при цьомузбільшується).
При обробці крихких металів спостерігається виривання окремих частинокметалу, що також веде до збільшення висоти і зміни форми нерівностей.
Швидкістьрізання єодним із найбільш суттєвих факторів, які впливають на розвиток пластичнихдеформацій при точінні. Малі швидкості різання вуглецевих конструкційних сталей(сталі 30, 40, 50) порядку V = 1 м/хв призводять до порівняно невеликого підвищення температури ісприяють утворенню елементної стружки. При цьому відокремлення стружкивідбувається легко і без помітних деформацій верхнього шару обробленоїповерхні. Нерівності на обробленій поверхні незначні.
Зі збільшенням швидкості різання до 40 м/хв в процесі утворення стружкивиділяється велика кількість теплоти, яка сприяє пластичній течіївідокремлюваного металу вздовж передньої та задньої поверхонь різця. В деякиймомент під дією зусиль, які притискають шари металу до передньої поверхнірізця, і високої температури шари металу приварюються до передньої (і частковозадньої) поверхні, створюючи наріст. При швидкості різання 20–40 м/хв нарістнайбільший і стійкий.
При подальшому підвищенні швидкості різання кількість теплоти, щовиділяється у процесі стружкоутворення, збільшується. При цьому нарістнагрівається швидше за інші частини зони деформації, частково роззміцнюється ісили зчеплення окремих частинок наросту вже не можуть чинити достатній опірсилам тертя спливаючої стружки. Тому частинки металу застійної зони виносятьсяразом зі стружкою. Внаслідок цього наріст зменшується і в інтервалі швидкостей 60–70м/хв повністю зникає. При наступному підвищенні швидкості різання нарости нарізці більше не створюються.
Шорсткість оброблюваноїповерхні тісно пов’язана з процесами утворення стружки і в першу чергу з явищемнаросту. В зоні малих швидкостей (V = 2–5 м/хв), при яких наріст не утворюється, розміри нерівностей обробленоїповерхні незначні. Зі збільшенням швидкості розміри нерівностей поверхнізростають, досягаючи при 20–40 м/хв свого найбільшого значення, що багатократноперевищує розрахункову величину.
Подальше підвищення швидкості різання зменшує наріст і знижує висотушорсткості обробленої поверхні.
В зоні швидкостей(V > 70 м/хв.), при яких наріст не утворюється,шорсткість поверхні виявляється мінімальною. В цьому випадку подальшезбільшення швидкості різання лише несуттєво знижує висоту шорсткості поверхні.Зв’язок процесів утворення шорсткості обробленої поверхні та наросту на різцізі швидкістю різання показаний на рис. 2.
/>
Рис. 2. Вплив швидкості різання на утворення наросту та шорсткість обробленої поверхні при точінністалі 45
При великій швидкості різання глибина пластично деформованогоповерхневого шару незначна, і розміри шорсткості наближаються до розрахункових.
У випадку обробки крихких матеріалів (наприклад, чавуну) разом іззрізанням окремих частинок металу відбувається їх зсув і безладне крихке відколюваннявід основної маси металу, що збільшує шорсткість поверхні. Підвищення швидкостірізання зменшує відколювання частинок, і оброблювана поверхня стає більшгладкою.
При чистовійобробці металів, коли стан і точність обробленої поверхні мають вирішальнезначення, цілком природне намагання вести обробку в зоні швидкостей, при якихнаросту на інструменті не утворюється, а шорсткість поверхні виходитьнайменшою. Такою зоною для конструкційних сталей (як це відмічалось раніше) є 5м/хв ≥ V ≥ 70 м/хв.
Подача – другий елемент режиму різання, щосуттєво впливає на шорсткість.
Це пов’язано нетільки із згаданими раніше геометричними причинами, але і суттєво обумовленопластичними і пружними деформаціями у поверхневому шарі.
Різання металівздійснюється інструментом, лезо якого завжди має радіус заокруглення ρ.При вдавлюванні різця в оброблюваний матеріал відбувається відокремленнястружки по площині сколювання А–А (рис. 3). При цьому частина металу, що лежитьнижче точки В, не зрізується, а підминається заокругленою частиною різця,піддаючись пружній та пластичній деформаціями.
/>
Рис. 3. Схемавідокремлення стружки різцем з радіусом заокруглення леза
Після проходження різця незрізаний шар металу частково пружновідновлюється, викликаючи тертя по задній поверхні різця. Різниця ступеняпружного відновлення металу виступів і западин нерівностей звичайно збільшуютьвисоту шорсткості.
/>
Рис. 4. Утворення шорсткості під час точіння з малими подачами (а) ізбільшення шорсткості зі зменшенням товщини стружки (б)
Найменша товщина tmin шару, яка може бутизрізаною, залежить від радіуса заокруглення різальної кромки, властивостейоброблюваного матеріалу і швидкості різання (при зменшенні радіуса заокругленняρ і збільшенні швидкості різання tmin зменшується).
При тонкомуточінні різцем, що має радіус при вершині r, теоретично утворюється стружказмінної товщини з дуже тонкою вершиною (рис. 4). Частина цієї вершини АВ з товщиною, меншою tmin, практично не може бути зрізаною іпідминається заокругленою вершиною леза. Фактичне зрізування металувідбувається тільки на ділянці ВС, на якій товщина стружки перевищує tmin.
Після проходурізця деформована ділянка металу (на рис. 4, а показана подвійною штриховою лінією) частково пружно відновлюється,збільшуючи висоту нерівностей Rz = S2/(8r), що визначаєтьсягеометричними причинами, до />.
Очевидно, щофактична висота нерівностей /> дорівнюєрозрахунковій S2/(8r) тільки при відносно великійподачі, при якій Rz = S2/(8r) більше чи дорівнює tmin.
При роботі зневеликими подачами (S б) [2].
В цьому випадку при зниженні подачі в декілька разів збільшуєтьсяпитома сила різання, а також підвищується ступінь пластичної деформації металуоброблюваної поверхні і стружки, усадка стружки, наріст на різці і, в кінцевомурезультаті, висота шорсткості. Точіння з подачею менше 0,12 мм/об не призводитьдо зниження висоти шорсткості за законом параболи (рис. 5, крива 3), як цьогослід було очікувати згідно з теоретичною формулою (1), а викликає лише незначнезменшення шорсткості (крива 2) чи навіть її збільшення (крива 1). Узаштрихованій частині відбувається збільшення шорсткості у зв’язку з пружними іпластичними деформаціями металу.
/>
Рис. 5. Залежність шорсткості від подачі
Таким чином, навіть при мінімальній подачі неможна повністю усунутишорсткість обробленої поверхні, яка в цьому випадку суттєво визначаєтьсянайменшою товщиною шару, що зрізується, і пластичними деформаціямиоброблюваного матеріалу.
На рис. 5показано, що при чистовому і тонкому точінні вуглецевих сталей зміна подачі від0,02 до 0,1 мм/об мало впливає на висоту шорсткості. Нерівності поверхні вцьому випадку створюються не стільки під впливом геометричних причин, скільки врезультаті пружних і пластичних деформацій, швидкості різання та радіуса заокругленнярізального леза різця. У зв’язку з цим для забезпечення найменшої шорсткостіобробленої поверхні і високої продуктивності чистове точіння вуглецевихконструкційних сталей потрібно проводити при S = 0,05÷0,12 мм/об.
При точіннікольорових сплавів добре доведеними або алмазними різцями tmin зменшується. Тому длязниження висоти шорсткості може виявитись корисним зменшення подачі до 0,01 –0,02 мм/об.
За численнимидослідженнями встановлено, що при звичайному точінні вплив глибини різанняна шорсткість мізерний і практично може не прийматись до уваги. При зменшенніглибини різання до 0,02 мм (внаслідок наявності на різальній кромці заокруглення)нормальне різання припиняється і різець, відтискаючись від заготовки, починаєковзати по оброблюваній поверхні, періодично врізаючись в неї і вириваючиокремі ділянки. Тому глибину різання при роботі звичайними різцями не потрібнобрати дуже малою.
При глибинах різання менших за подачу перша геометрично впливає нависоту шорсткості. В цьому випадку зменшення глибини різання знижує висотушорсткості.
Оброблюванийматеріал ійого структура суттєво впливають на характер і висоту нерівностей обробленоїповерхні. Більш в’язкі та пластичні матеріали (наприклад, маловуглецеві сталі)схильні до пластичних деформацій, дають при їх обробці різанням грубі ташорсткі поверхні.
Шорсткість обробленої поверхні зменшується при переході від структуриферитоперлиту до трооститу і трооститомартенситу. Ферит, як складова структурасталі, є м’яким, в’язким і таким, що легко деформується, при обробці різаннямвін має схильність до утворення нерівностей. З точки зору отримання поверхні змінімальною шорсткістю, виявляються надзвичайно несприятливими структури знеоднорідними зернами, а саме: структури так званого глобулярного перлиту, щоскладаються з круглих зерен цементиту, розсіяних по основній масі фериту.
Значно меншашорсткість утворюється при обробці сталі після нормалізації та відпущення, якамає однорідну і дрібнозернисту структуру. У зв’язку з цим для отримання примеханічній обробці мінімальної шорсткості рекомендується попередня нормалізаціявуглецевої сталі при 850–870 °С або (у випадку полегшити умови різання і підвищитистійкість різального інструмента) відпалювання при 900 °С протягом 5 годин.
Встановлено, що зі збільшенням твердості оброблюваного матеріалу висоташорсткості знижується. При цьому одночасно зменшується залежність висотишорсткості від швидкості різання і при твердості 500НВ вплив швидкості майжевідсутній. На основі цих досліджень рекомендується проводити попереднютермообробку конструкційних сталей, що підвищує їх твердість.
Вплив швидкостірізання та твердості на висоту шорсткості вуглецевих сталей помітнопроявляється лише в зоні порівняно невеликих швидкостей різання. При перевищеннішвидкості різання 140 м/хв залежність висоти шорсткості від твердості помітно послаблюється.Це пояснюється тим, що при швидкості різання 140 м/хв і вище температураоброблюваного матеріалу досягає 840 °С. При такій температурі механічні властивості сталейрізної початкової твердості вирівнюються, в результаті чого висота шорсткостістабілізується і практично не залежить від зміни швидкості різання.
Зниження в’язкості оброблюваного матеріалу за рахунок наклепуповерхневого шару також сприяє зменшенню шорсткості обробленої поверхні. Напрактиці це явище спостерігається при розвертанні отворів після зенкування, щоутворює помітний наклеп обробленої поверхні. Якщо припуск, залишений нарозвертання, менший глибини наклепаного зенкуванням більш крихкого поверхневогошару, то в результаті розвертання отримується поверхня з мінімальниминерівностями.
Зміна хімічного складу оброблюваного матеріалу, що відбивається на йогов’язкості, в свою чергу впливає на розміри шорсткості обробленої поверхнізаготовок як з кольорових сплавів, так і зі сталей.
ЗастосуванняМОР, щозапобігає схоплюванню, зменшує тертя та полегшує процес стружкоутворення,сприяє зниженню висоти нерівностей поверхні.
4. Вібраціїрізального інструмента, верстата і заготовки
В процесі різання виникають вимушені коливання технологічної системи,які викликаються дією зовнішніх сил, і автоколивань системи, поява якихпов’язана з періодичним зміцненням (наклепом) шару металу, що зрізується, ізміною умов тертя чи різання. Вимушені коливання системи обумовлюютьсядефектами окремих механізмів верстата (неточність зубчастих передач, поганебалансування частин що, обертаються, надзвичайні зазори у підшипниках тощо),які є причиною нерівномірності його руху.
Вібрація леза різального інструмента відносно оброблюваної поверхні єдодатковим джерелом збільшення шорсткості обробленої поверхні. Очевидно, щовисота шорсткості поверхні буде тим значніша, чим більша подвоєна амплітудаколивань леза інструмента відносно оброблюваної поверхні.
Суттєво впливає на шорсткість оброблюваної поверхні стан верстата. Новіі добре відрегульовані верстати, встановлені на масивних фундаментах чи навіброопорах, добре ізольовані від вібрацій іншого обладнання, забезпечуютьмінімальну шорсткість.
Дуже важливим є створення достатньо високої жорсткості пристроїв длязакріплення заготовок і допоміжних інструментів для встановлення різальногоінструмента. Наприклад, у випадку обробки заготовок на револьверному верстаті зпрутка із закріпленням останнього в трикулачковому самоцентруючому патронівисота шорсткості обробленої поверхні на 30–40 % вища, ніж при затисканніпрутка в нормальному цанговому патроні, який має більшу поверхню зіткнення іззаготовкою і тому створює більшу її стійкість. Щоб запобігти появі вібраціївільного кінця прутка (який має звичайно діаметр на 3–4 мм менший отворушпинделя), застосовують спеціальне центруюче кільце, яке закріплюється налівому кінці шпинделя. Такі вібрації легко передаються на оброблювану поверхнюі викликають збільшення шорсткості на 70–120 %.
Особливо відбивається вібрація технологічної системи на шорсткості обробленоїповерхні при тонкому розточуванні на алмазно-розточувальних верстатах. Прицьому зі зменшенням жорсткості та збільшенням піддатливості її технологічноїсистеми амплітуда коливань вершини різця зростає, викликаючи відповіднепідвищення зношування різця (рис. 6, а). Збільшення амплітуд коливань іззростанням піддатливості технологічної системи і збільшення глибини різання, аотже, і збільшення ширини леза супроводжується зростанням шорсткості обробленоїповерхні (рис. 6, б).
/>
Рис. 6. Вплив податливості технологічної системиалмазно-розточувального верстата: а – на амплітудуколивань (1) і зношування інструменту (2); б – нашорсткість поверхні заготовки зі сталі 20Х, обробленої при V=100м/хв; S= 0,14мм/об
При роботі на алмазно-розточувальних верстатах жорсткість технологічноїсистеми зменшується зі збільшенням відношення довжини L розточувальноїборштанги до її діаметра D. При зниженні жорсткості борштанги і збільшенні L/Dшорсткість обробленої поверхні зростає. Наприклад, при розточуванні отворів Æ30 мм в деталях зі сталі 20Х на алмазно-розточувальному верстаті 2706при V = 250м/хв, S = 0,02 мм/об, t = 0,1 мм і L/D = 2 шорсткість поверхні Ra = 0,8мкм, при L/D = 4 значення Ra = 1,35 мкм і при L/D = 5 значення Ra = 1,6 мкм.
Нерівномірність припуску, що знімається при тонкому розточуванні іобумовлює коливання сил різання, також може стати причиною вібраціїтехнологічної системи, що збільшує шорсткість обробленої поверхні.
Формування шорсткості поверхні при різних видах механічної обробки(фрезеруванні, свердлінні, шліфуванні, викінчуванні тощо) підкоряється взагалітим же закономірностям, що і при точінні. Характер цих закономірностейвидозмінюється в залежності від зміни співвідношення впливу геометричнихпричин, пластичних деформацій та вібрацій, пов’язаних з особливостями окремихвидів механічної обробки.
Використана література
1. Бондаренко С.Г. Розмірні розрахунки механоскладального виробництва. – К. 1993. – 544 с.
2. Маталин А.А. Технология машиностроения. – Л. – М., 1985. – 496 с.
3 Основы технологии машиностроения / Под ред. В.С. Корсакова – М., 1977. – 416 с.
4. Справочник технолога-машиностроителя / Под. ред. А.Г. Косиловой, О.К Мищерякова. Т. 1. – М… 1985. – 655 с.
5. Руденко П.А., Шуба В.А и др. Отделочные операции в машиностроении. – К.: Техника, 1990. – 150 с.