Обработкарезанием является универсальным методом размерной обработки. Метод позволяетобрабатывать поверхности деталей различной формы и размеров с высокой точностьюиз наиболее используемых конструкционных материалов. Он обладает малойэнергоемкостью и высокой производительностью. Вследствие этого обработкарезанием является основным, наиболее используемым в промышленности процессомразмерной обработки деталей.
1. Сущность и схемы способов обработки
Обработкарезанием — это процесс получения детали требуемой геометрической формы,точности размеров, взаиморасположения и шероховатости поверхностей за счетмеханического срезания с поверхностей заготовки режущим инструментом материалатехнологического припуска в виде стружки (рис. 1.1).
Основнымрежущим элементом любого инструмента является режущий клин (рис. 1.1, а). Его твердость и прочность должнысущественно превосходить твердость и прочность обрабатываемого материала, обеспечиваяего режущие свойства. К инструменту прикладывается усилие резания, равное силесопротивления материала резанию, и сообщается перемещение относительнозаготовки со скоростью ν. Поддействием приложенного усилия режущий клин врезается в заготовку и, разрушаяобрабатываемый материал, срезает с поверхности заготовки стружку. Стружкаобразуется в результате интенсивной упругопластической деформации сжатияматериала, приводящей к его разрушению у режущей кромки, и сдвигу в зонедействия максимальных касательных напряжений под углом φ. Величина φзависит от параметров резания и свойств обрабатываемого материала. Онасоставляет ~30° к направлению движения резца.
Внешний вид стружки характеризует процессы деформирования иразрушения материала, происходящие при резании. Различают четыре возможныхтипа образующихся стружек: сливная, суставчатая, элементная и стружка надлома(рис. 1.1, б).
Рис. 1.1.Условная схема процесса резания:
а– 1 – обрабатываемыйматериал; 2 – стружка; 3 – подача смазочно-охлаждающих средств;4 – режущий клин; 5 – режущая кромка; φ – угол сдвига,характеризующий положение условной плоскости сдвига (П) относительно плоскостирезания; γ – главный передний угол режущего клина; Рz– сила резания; Рy– сила нормального давления инструмента наматериал; Сγu, Сγl– длины пластичного и упругого контактов; Сγ, Сa– длина зон контактного взаимодействия попередней и задней поверхностям инструмента; LOM– область главного упругопластичногодеформирования при стружкообразовании; FKPT– область вторичной контактнойупруго–пластичнеской деформации металла; h– глубинарезания; Н – толщина зоныпластического деформирования (наклепа) металла.
Впроцессе резания режущий клин, испытывая интенсивное трение, контактирует сматериалом стружки и обработанной поверхностью в контактных зонах. Дляснижения сил трения и нагрева инструмента применяют принудительное охлаждение зонырезания смазочно-охлаждающими средами (СОС), подавая их в зону резанияспециальными устройствами.
Деталии инструменты закрепляются в специальных органах станка или приспособлениях. Станок,приспособление, инструмент и деталь образуют силовую систему (СПИД),передающую усилие и движение резания от привода станка режущему инструменту идетали.
Реальныесхемы различных способов обработки резанием, используемый инструмент, а такжевиды движения инструмента и заготовки в процессе обработки приведены на рис. 1.2.В зависимости от используемого типа инструмента способы механической обработкиподразделяются на лезвийную и абразивную.
Рис. 1.2.Схемы способов обработки резанием:
а– точение; б –сверление; в – фрезерование; г – строгание; д – протягивание; е –шлифование; ж – хонингование; з – суперфиниширование; Dr– главное движение резания; Ds– движение подачи; Ro– обрабатываемая поверхность; R– поверхность резания; Rоп–обработанная поверхность; 1 – токарный резец; 2 – сверло; 3 – фреза; 4 – строгальный резец; 5 – протяжка; 6 – абразивный круг; 7 –хон; 8 – бруски; 9 – головка.
Отличительной особенностью лезвийной обработки являетсяналичие у обрабатываемого инструмента остройрежущей кромки определеннойгеометрической формы, а для абразивной обработки – наличие различным образомориентированных режущих зерен абразивного инструмента, каждое из которыхпредставляет собой микроклин.
Рис. 1.3.Конструкция и элементы лезвийных режущихинструментов:
а– токарного резца; б – фрезы; в – сверла;
1– главная режущая кромка; 2 – главная задняя поверхность; 3 – вершина лезвия; 4 – вспомогательная задняя поверхность лезвия; 5 – вспомогательная режущая кромка; 6 – передняя поверхность; 7– крепежная часть инструмента.
Рассмотрим конструкцию лезвийных инструментов, используемыхпри резании (рис. 1.3). Инструмент состоит из рабочей части, включающей режущиелезвия, образующие их поверхности, режущие кромки и крепежной части,предназначенной для установки и закрепления в рабочих органах станка.
Основными способамилезвийной обработки являются точение, сверление, фрезерование, строгание ипротягивание. К абразивной обработке относятся процессышлифования, хонингования и суперфиниша. В основу классификации способов механическойобработки заложен вид используемого инструмента и кинематика движений. Так, вкачестве инструмента при точении используются токарные резцы, при сверлении –сверла, при фрезеровании – фрезы, при строгании – строгальные резцы, припротягивании – протяжки, при шлифовании – шлифовальные круги, при хонинговании– хоны, а при суперфинише – абразивные бруски. Любой способ обработки включаетдва движения (рис. 1.2.): главное – движене резания Dr– и вспомогательное – движение подачи Ds.Главное движение обеспечивает съем металла, а вспомогательное – подачу в зонуобработки следующего необработанного участка заготовки. Эти движенияосуществляются за счет перемещения заготовки или инструмента. Поэтому приоценках движение инструмента во всех процессах резания удобно рассматривать принеподвижной заготовке как суммарное (рис. 1.4).
Рис. 1.4.Схемы определения максимальной скорости режущей кромкиинструмента υе, формы поверхности резания Rи глубины резания hпри обработке:
а– точением; б –сверлением; в – фрезерованием; г – строганием; д– протягиванием; е –хонингованием; ж –суперфинишированием.
Тогда полная скоростьперемещения (ve) произвольной точки Мрежущей кромки складывается изскорости главного движения (v) и скоростиподачи (vs):
ve= v+ vs (1.1)
Поверхность резания Rпредставляетсобой поверхность, которую описывает режущая кромка или зерно при осуществлениисуммарного движения, включающего главное движение и движение подачи. При точении,сверлении, фрезеровании, шлифовании поверхности резания — пространственныелинейчатые, при строгании и протягивании — плоские, совпадающие споверхностями главного движения; при хонин-говании и суперфинишировании онисовпадают с поверхностями главного движения.
Поверхности Roи Roпназываются,соответственно, обрабатываемой поверхностью заготовки и обработаннойповерхностью детали (см. рис. 1.2).
Впроцессах точения, сверления, фрезерования и шлифования главное движение идвижение подачи выполняются одновременно, а в процессах строгания,хонингования движение подачи выполняется после главного движения.
2. Параметры технологическогопроцессарезания
Косновным параметрам режима резания относятся скорость главного движениярезания, скорость подачи и глубина резания.
Скоростьглавного движения резания (или скорость резания) определяется максимальнойлинейной скоростью главного движения режущей кромки инструмента. Эта скоростьвыражается в м/с.
Еслиглавное движение резания вращательное, как при точении, сверлении, фрезерованиии шлифовании, то скорость резания будет определяться линейной скоростьюглавного движения наиболее удаленной от оси вращения точки режущей кромки —максимальной линейной скоростью главного движения (см. рис. 1.4):
v= ωD/2 (2.1)
где D — максимальныйдиаметр обрабатываемой поверхности заготовки, определяющий положение наиболееудаленной от оси вращения точки режущей кромки, м; ω — угловаяскорость, рад/с.
Выразивугловую скорость ω через частоту вращения шпинделя станка, получим:
v= πnD (2.2)
Пристрогании и протягивании скорость резания vопределяется скоростьюперемещения строгального резца и протяжки в процессе резания относительнозаготовки.
Прихонинговании и суперфинишировании скорость резания определяется с учетомосевого перемещения (см. рис. 1.4, е, ж) инструмента.
Скоростьрезания оказывает наибольшее влияние на производительность процесса, стойкостьинструмента и качество обработанной поверхности.
Подачаинструмента определяется ее скоростью vs. В технологическихрасчетах параметров режима при точении, сверлении, фрезеровании и шлифованиииспользуется понятие подачи на один оборот заготовки Soивыражается в мм/об. Подача на оборот численно соответствует перемещениюинструмента за время одного оборота:
So= vs / n (2.3)
Пристрогании подача определяется на ход резца. При шлифовании подача можетуказываться на ход или двойной ход инструмента. Подача на зуб при фрезерованииопределяется числом зубьев Zинструмента иподачей на оборот:
Sz= So /Z (2.4)
Глубинарезания А определяется расстоянием по нормали от обработанной поверхностизаготовки до обрабатываемой, мм. Глубину резания задают на каждый рабочий ходинструмента. При точении цилиндрической поверхности глубину резания определяюткак полуразность диаметров до г: после обработки:
h= (Dur — d)/2 (2.5)
гдеd — диаметр обработанной поверхности заготовки, мм. Величинаподачи и глубина резания определяют производительность процесса и оказываютбольшое влияние на качество обрабатываемой поверхности.
Ктехнологическим параметрам процесса относятся геометрия режущего инструмента,силы резания, производительность обработки и стойкость инструмента.
Геометрическиепараметры режущего инструмента определяются углами, образуемыми пересечениемповерхностей лезвия, а также положением поверхностей режущих лезвийотносительно обрабатываемой поверхности и направлением главного движения.Указанные параметры идентичны для различных видов инструмента, что позволяетрассмотреть их на примере резца, используемого при точении.
Углырезца по передним и задним поверхностям измеряют в определенных координатныхплоскостях. На рис. 2.1, а изображены координатные плоскости приточении, а на рис. 2.1, б углы резца в статике.
Главныйпередний угол γ —угол между передней поверхностью лезвия и плоскостью, перпендикулярной кплоскости резания; главный задний угол α – угол между задней поверхностьюлезвия и плоскостью резания; угол заострения β – угол между передней и заднейповерхностями. Из принципа построения углов следует, что
α + β + γ= π/2.
Уголнаклона режущей кромки X— угол в плоскости резания между режущей кромкой и основнойплоскостью.
Углы в плане: главный угол вплане φ – угол в основной плоскости между следом плоскости резания инаправлением продольной подачи; вспомо-
гательный угол в плане φ' –угол в основной плоскости между вспомогательной режущей кромкой и обработаннойповерхностью.
Рис. 2.1.Геометрические парамеры токарного резца:
а– координатные плоскости; б – углы резца в статике;
1– плоскость резания Рп; 2 –рабочая плоскость Рs; 3 – главнаянесущая плоскость Рt; 4 – основнаяплоскость Pv
Геометрическиепараметры режущего инструмента оказывают существенное влияние на усилие резания,качество поверхности и износ инструмента. Так, с увеличением угла у инструментлегче врезается в материал, снижаются силы резания, улучшается качествоповерхности, но повышается износ инструмента. Наличие угла а снижает трениеинструмента о поверхность резания, уменьшая его износ, но чрезмерное егоувеличение ослабляет режущую кромку, способствуя ее разрушению при ударныхнагрузках.
Силырезания Р представляют собой силы, действующие на режущий инструмент впроцессе упругопластической деформации и разрушения срезаемой стружки.
Силы резания приводят квершине лезвия или к точке режущей кромки и раскладывают по координатным осямпрямоугольной системы координат xyz(рис. 2.2). В этой системе координат ось zнаправленапо скорости главного движения и ее положительное направление соответствуетнаправлению действия обрабатываемого материала на инструмент. Ось у направленапо радиусу окружности главного движения вершины. Ее положительное направлениетакже соответствует направлению действия металла на инструмент. Направлениеоси х выбирается из условия образования правой системы координат.Значение усилия резания определяется несколькими факторами. Оно растет сувеличением глубины hрезания и скорости подачи s(сечения срезаемойстружки), скорости резания ν, снижением переднего угла γ режущегоинструмента. Поэтому расчет усилия резания производится по эмпирическимформулам, установленным для каждого способа обработки (см. справочники пообработке резанием).Например, для строгания эта формула имеет вид Р =СphXpsYpXnгде коэффициенты Ср,Хр, Yp, nхарактеризуютматериал заготовки, резца и вид обработки.
Мощность процесса резанияопределяется скалярным произведением:
N = Pve (2.6)
Выразив это произведениечерез проекции по координатным осям, получим:
N = Pz vz+ Pyvy + Pxvx (2.7)
где vx, vy, vz— проекции на оси координат скорости движения точки приложения равнодействующейсил резания. В практических расчетах используется приближенная зависимость N= Pzv. Это упрощение обусловлено тем, что составляющие Руи Рх полной силы резания малы по сравнению с Р2,а скорость подачи относительно скорости резания составляет всего 1 — 0,1%.
Рис. 2.2. Схема действия сил резания на режущуюкромку инструмента в точке, имеющую максимальную скорость перемещения νе, при обработке: а – точением; б – сверлением; в –фрезерованием; г – строганием; д– протягиванием; е – хонингованием; ж –суперфинишированием.
Производительностьобработки при резании определяется числом деталей, изготовляемых в единицувремени: Q= /Тт. Время изготовления одной детали равно Тт = Тд+ Тт + Ткп, где То — машинное времяобработки, затрачиваемое на процесс резания,определяется для каждого технологического способа; Тт — времяподвода и отвода инструмента при обработке одной детали; Гвсп —вспомогательное время установки и настройки инструмента.
Такимобразом, производительность обработки резанием в первую очередь определяетсямашинным временем То. При токарной обработке, мин: То= La/(nsoh), где L — расчетная длинахода резца, мм; а — величина припуска на обработку, мм.
Отношениеa/hхарактеризует требуемое число проходов инструмента приобработке с глубиной резания И. Поэтому наибольшая производительностьбудет при обработке с глубиной резания h= а, наибольшейподачей s0и максимальнойскоростью резания. Однако при увеличениипроизводительности снижается качестоповерхности и повышается износ инструмента. Поэтому при обработке резаниемрешается задача по установлению максимально допустимой производительности присохранении требуемого качества поверхности и стойкости инструмента.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
[1] –Материаловедение и технология металлов. Подред. Г.П.Фетисова
М.: Высшая школа, 2001