Лекции по "Станки и станочное оборудование"

7. Эльбор (кубанит,  буразол, кубический нитрит бора). θC=1200°C .

 

Характеристики наиболее распространенных инструментальных материалов.

 

На рисунке 3-1 показана зависимость, износостойкости  быстрорежущей стали от твердости.

 

На рисунке 3-2 изображена зависимость твердости быстрорежущей (2) и инструментальной (1) сталей от температуры в зоне резания.

На рисунке 3-3 показаны зависимости износостойкости некоторых инструментальных сталей от скорости резания. На рисунке учитываются:

1. У10А — углеродистая  сталь; 

2. Р6М5 — быстрорежущая  сталь с низким содержанием  вольфрама; 

3. Т5К10 — двухкарбидный  твердый сплав; 

4. Т15К6 — двухкарбидный  твердый сплав; 

5. Т30К4 — двухкарбидный  твердый сплав; 

6. Т60К6 — двухкарбидный твердый сплав.

 

 

5.

При обработке  резанием превращение срезаемого слоя в стружку является одной из разновидностей процесса пластического деформирования материала, изменение под действием  внешних сил формы материала  без его разрушения. Срезаемые стружки имеют различные вид и форму которые зависят от химического состава, структурного состояния металла, режимов резания, геометрии режущего инструмента и пр. Основными факторами, влияющими на форму стружки, являются глубина резания и подача. Глубина резания влияет на ширину стружки, следовательно, и на ее форму.

 

 

Удовлетворительной  считается стружка в виде коротких спиралей и запятых. Важную роль в  процессе стружкообразованию играют главный угол в плане и радиус при вершине пластины. При разной глубине резания одна и та же режущая пластина будет образовывать и ломать стружку разными способами.

Впервые классификация  стружки была предложена И.А. Тиме, все  виды стружки были разделены по внешнему виду и строению на три основных группы: сливная стружка, стружка скалывания или суставчатая, стружка надлома.

 

Рис. 1. Виды стружек

Если обрабатываемый материал хрупок (чугун, бронза), то стружка  получается в виде отдельных мелких кусочков неправильной формы (рисунок 1, г) такая стружка называется стружкой надлома. Если обрабатывается пластичный металл (мягкая сталь, алюминий), то отдельные элементы не отделяются друг от друга и стружка сходит с резца в виде ленты, завивающейся в спираль (рисунок 1, в), такая стружка называется сливной. При обработке металлов средней твердости образуется ступенчатая стружка (рисунок 1, б), она состоит из отдельных элементов соединенных между собой. Внутренняя поверхность такой стружки (обращенная к резцу) гладкая, а внешняя сторона ступенчатая. При обработке металлов средней твердости с очень малой скоростью резания образуется элементная стружка (рисунок 1, а), она состоит из отдельных деформированных элементов на связанных между собой.

Обеспечение образования короткой, легко удаляемой стружки особенно важно при высоких режимах резания, когда в единицу времени образуется большой объем стружки и необходимо обеспечить безостановочную работу оборудования и безопасность оператора.

Рис. 2. Способы ломания стружки

Известны четыре основных вида стружколомания:

А. Стружка ломается в процессе резания, благодаря правильно  выбранным для данного обрабатываемого  материала геометрии инструмента  и параметрам режима резания.

Б. Стружка ломается от соприкосновения с задней поверхностью режущей пластины или корпуса резца. Такой метод, хотя и приемлем в ряде случаев, может привести к поломке режущей пластины.

С. Стружка ломается при контакте с обрабатываемой деталью, что может привести к увеличению шероховатости обрабатываемой поверхности, чаще всего данный способ неприемлем.

Д. Стружка ломается о специальный стружколом, прикрепленный  на режущий инструмент или станок.

Физико-механические свойства обрабатываемого  металла существенно влияют на величину силы резания. Чем больше предел прочности при растяжении ss и твердость обрабатываемого металла, тем больше Рz, Ру и Рх. Увеличение глубины резания и подачи также приводит к увеличению составляющих силы резания, причем глубина резания больше влияет на силу резания, чем подача.

Чем меньше передний угол g или чем больше угол резания d=90-g, тем больше сила резания. При увеличении главного угла j в плане сила Ру резко уменьшается, а сила Рх увеличивается. Для твердосплавных резцов при увеличении j от 60 до 90 градусов сила Рx практически не изменяется. При увеличении радиуса г скругления режущей кромки резца силы Рz и Ру возрастают, а сила Рх уменьшается. Смазочно-охлаждающие жидкости уменьшают силу Рz при небольшой толщине срезаемой стружки, увеличение толщины среза и скорости резания снижает эффект применения СОЖ. При увеличении скорости резания с 50 до 400-500 м/мин сила Рz значительно уменьшается; дальнейшее повышение скорости резания дает лишь небольшое уменьшение силы Рz. Износ резца по задней поверхности значительно увеличивает силы Ру и Рx. Материал режущей части резца также оказывает влияние на силу резания; например, твердосплавные резцы снимают стружку с несколько меньшей силой резания, чем резцы из быстрорежущей стали.

 

6.

 

Под влиянием пластической деформации изменяется кристаллическая решетка. Это приводит к росту сопротивляемости металла дальнейшему увеличению деформации. Металл упрочняется, его твердость повышается, вязкость уменьшается. Такое изменение свойств металла под влиянием пластической деформации называется наклепом.

Такое же явление  наблюдается и при резании. Поэтому  стружка, полученная от пластичного  материала, раза в 1,5-2 тверже, чем сам  металл.

В процессе резания  деформации подвергается не только срезаемый  металл (рис. 85), но и наружный слой поверхности  на некоторой глубине h. Дело в том, что режущая кромка любого инструмента в действительности не так остра, как это кажется невооруженному глазу. Под микроскопом на ней видны зазубрины и некоторый радиус закругления ρ. Даже у тщательно заточенного инструмента ρ = 0,01-:- 0,03 мм. Такое закругление режущей кромки препятствует ее врезанию в срезаемый слой. В результате некоторая часть металла подминается закруглением, вызывая пластические деформации в поверхностном слое обрабатываемой заготовки. Вот почему твердость наружного слоя обработанной заготовки (детали) иногда намного выше твердости нижележащих слоев: при обработке алюминия на 90-100%, латуни на 60-70%, мягкой стали на 40-50%.

Рис. 85. Схема деформации срезаемого слоя

 

Наклепанный слой имеет разную глубину при различных способах обработки. Так, при обычных условиях обработки заготовок из стали средней твердости глубина наклепанного слоя получается при черновой обработке резцом 0,4-0,5 мм, при чистовой - только 0,04-0,06 мм, а при полировании - 0,02-0,04 мм.

На глубину  наклепа значительное влияние оказывают  условия работы и режим резания. Она уменьшается с увеличением  скорости резания и растет с увеличением  толщины среза. Затупленный резец  дает в 2-3 раза большую глубину наклепа, чем острый, так как тупой резец труднее внедряется в срезаемый слой.

Разные металлы  имеют неодинаковую способность  к наклепу. Чем пластичнее обрабатываемая сталь и меньше ее твердость, тем  большее повышение твердости  она получит после обработки. Встречаются такие металлы, которые  при невысокой твердости отличаются чрезвычайно большой способностью к наклепу. Их твердость в процессе резания настолько возрастает, что нередко механическая обработка становится невозможной. К ним, например, относится кремнемарганцовая сталь, содержащая 13% марганца, и некоторые другие стали. Хрупкие металлы - чугун, бронза и др. не наклепываются. Наклеп - следствие пластической деформации обрабатываемого металла: чем больше деформация, тем больше наклеп. Следовательно, на образование наклепа, как и на усадку стружки, должна влиять величина переднего угла.

Так, с увеличением  переднего угла деформации срезаемого слоя обработанной поверхности уменьшаются, следовательно, степень и глубина  наклепа резко снижаются. Например, при угле γ=5° глубина наклепанного слоя примерно в 2-3 раза больше, чем при угле γ=45°.

 

Наклеп обрабатываемой поверхности при резании возникает  в результате упруго-пластического  деформирования металла заготовки, вследствие затупления резца (увеличения радиуса закругления его режущего лезвия). Глубина наклепа составляет от нескольких микрон до 5—6 мм и зависит от режимов резания, геометрии инструмента и физико-механических свойств обрабатываемого материала. С увеличением глубины резания, подачи, угла резания, затупления резца глубина и степень наклепа возрастают. Влияние' подачи на величину наклепа является наибольшим. С увеличением скорости резания и>100 м/мин наклеп снижается.

Явление наклепа положительно на окончательных (финишных) операциях  обработки, так как поверхность  детали упрочняется.

 

При резании вся механическая работа превращается в тепловую энергию. Количество теплоты Q, выделяющееся при резании в единицу времени (тепловая мощность), определяется по формуле:  , Дж,

где РZ- сила резания, V- скорость резания.

Образующееся в зоне резания  тепло распределяется между заготовкой, стружкой, режущим инструментом и  окружающей средой.

Причинами образования теплоты  являются упругопластическое деформирование в зоне стружкообразования, трение стружки о переднюю поверхность инструмента, трение задних поверхностей инструмента о заготовку. Тепловой баланс процесса резания можно представить следующим тождеством: 

где:   QД – количество теплоты, выделяющейся при упругопластическом деформировании обрабатываемого материала;         

QП.П – количество теплоты, выделяющейся при трении стружки о переднюю поверхность инструмента;         

QЗ.П. – количество теплоты, выделяющейся при трении задних поверхностей инструмента о заготовку;         

QС  – количество теплоты, отводимое стружкой;         

QИ – количество теплоты, отводимое режущим инструментом;         

QЛ – количество теплоты, переходящее в окружающую среду (теплота лучеиспускания).

По данным многих исследований, количество теплоты, отводимое стружкой, составляет (25-85)% всей выделяющейся теплоты, заготовкой (10-50)%, режущим инструментом (2-8)%. Количественное распределение теплоты зависит главным образом от скорости резания (рис.4). С увеличением скорости резания отводимое стружкой тепло увеличивается, а заготовкой, инструментом, окружающей средой – уменьшается.

Рис.4. Распределение теплоты резания  в зависимости от скорости резания 

Соотношение членов в уравнении  теплового баланса не постоянны  и изменяются в зависимости от физико-механических свойств обрабатываемого  материала, условий резания и материала инструмента, условий обработки и др.

Увеличение подачи S повышает температуру в зоне резания, но менее интенсивно, чем при увеличении скорости резания V. Еще меньшее влияние на температуру оказывает глубина резания t.

Влияние геометрии резца:

1.С увеличением угла резания   и угла в плане   температура в зоне резания возрастает.

2.С увеличением радиуса закругления  при вершине температура в  зоне резания уменьшается.

Теплообразование отрицательно влияет на процесс обработки. Обработка  должна производится без перегрева  режущего инструмента. Так для работы инструмента из углеродистой стали температура в зоне резания не должна превышать (200-250)град C, из быстрорежущей стали (550-600) град C, инструментом, оснащенным твердыми сплавами – (800-1000) град C, а минералокерамикой – (1000-1200) град C; абразивными материалами – (1800-2000) град C. Нагрев инструмента выше указанных температур вызывает структурные превращения в материале, из которого инструмент изготовлен, снижение его твердости и потерю его режущих способностей. Также происходит изменение геометрических размеров инструмента, что влияет на точность размеров и геометрическую форму обработанных поверхностей. Нагрев заготовки вызывает изменение ее геометрических размеров. Вследствие жесткого закрепления заготовки на станке она начинает деформироваться. А это приведет к снижению точности обработки.

Для уменьшения отрицательного влияния теплоты на процесс резания  обработку следует вести в  условиях применения смазочно-охлаждающих  сред (СОЖ).

 

При некоторых  условиях резания на передней поверхности инструмента появляется слоистое металлическое образование, называемое наростом. Существует много различных гипотез о причинах возникновения наростов, что свидетельствует о малой изученности природы наростообразования. Наростообразование находится в тесной взаимосвязи с условиями трения, высокими контактными температурами и давлениями. Наиболее вероятной причиной наростообразования можно считать возникновение несимметричной клинообразной застойной зоны упрочненного материала впереди режущего клина, а также торможение (схватывание) тонких контактных слоев стружки на шероховатой передней поверхности инструмента (рис.11) вследствие наличия чистого трения, высоких коэффициентов трения и значительной реальной площади контакта.

Нарост обладает особыми свойствами:

а) имеет неоднородную слоистую структуру, существенно отличающуюся от структуры обрабатываемого материала и материала режущего инструмента;

б) нарост обладает высокой твердостью и значительной вязкостью. Однако большие силы трения (резания) и высокая температура  в зоне контакта приводит периодичности  образования нароста.