Лекции по "Станки и станочное оборудование"

 
Рис.11. Схема наростообразования и влияние нароста на размер детали: L_н - длина нароста; h_н - высота нароста; bн и dн - соответственно углы заострения и резания при наличии нароста; b и d - соответственно углы заострения и резания инструмента; D и Dн-соответствующие диаметры детали

 

Частота срывов нароста увеличивается (до нескольких сотен раз в минуту) с возрастанием скорости резания, уменьшением переднего  угла и увеличением толщины срезаемого слоя.

Hаростообразование  зависит от физико-механических  свойств обрабатываемых материалов и материалов режущих инструментов. Hарост может появляться при резании твердосплавным, быстрорежущим, минерало-керамическим и алмазным инструментами различных материалов (в том числе и при обработке чугуна, титановых, жаропрочных и других сплавов). Hаибольшей величины наросты достигают при резании пластичных металлов с образованием сливной стружки и инструментами, изготовленными из углеродистых и быстрорежущих сталей.

Hарост образуется  в основном тогда, когда температура  инструмента больше температуры  стружки и контактные слои стружки тверже ее внутренних слоев. При этом сила трения на контактной поверхности больше сил сцепления частиц в стружке, а скорость их перемещения по мере удаления от поверхности контакта возрастает и доходит до величины скорости стружки.

Pазмеры нароста  с увеличением скорости резания  вначале увеличиваются, а затем  уменьшаются. Причем сначала уменьшается  длина, а при более высоких  скоростях - высота нароста. При  увеличении переднего угла размеры  нароста (в основном высота) уменьшаются.

Hарост обладает  высокой твердостью и значительной  вязкостью. Твердость нароста  в 2-3 раза выше твердости исходного  материала и резко снижается  с повышением температуры резания.  Объясняется это тем, что с  увеличением температуры резания  происходит рекристаллизация материала нароста, контактные слои стружки теряют свою твердость, градиент твердости слоев нароста выравнивается, твердость нароста монотонно уменьшается. Вследствие этого прекращается увеличение размеров нароста и он срывается.

Периодические срывы нароста находятся в тесной связи с рекристаллизацией и фазовыми превращениями, при которых и происходит понижение твердости и прочности (разупрочнение) материала наростов. Hарост теряет свою режущую способность, раздавливается и уносится стружкой или вдавливается в обработанную поверхность. Частота срывов нароста увеличивается с возрастанием скорости резания, подачи и уменьшением переднего угла.

Hаличие на  передней поверхности инструмента  упрочняющей фаски с передним  углом, равным нулю или отрицательным, делает нарост более устойчивым.

Изменение величины коэффициента усадки стружки и силы резания с увеличением скорости резания носит сложный характер. При небольших скоростях резания  происходит интенсивное наростообразование, нарост уменьшает угол резания и тем самым сопротивление резанию. При увеличении скорости нарост срывается и угол резания принимает исходное значение. Сопротивление резанию увеличивается. При скоростях V = 60-100 м/мин. нарост не образуется.

Явление наростообразования имеет большое значение в практике обработки резанием(рис.12):

1) нарост изменяет  величину угла резания , а следовательно,изменяет  сопротивление резанию и условия  трения;

2) нарост ухудшает  шероховатость обработанной поверхности;

3) нарост защищает  заднюю поверхность инструмента от разрушения и изменяет размеры детали;

4)периодические  срывы нароста приводят к возникновению  вибраций, ухудшающих качество обработки;

5) нарост не  допустим при чистовой обработке;

6) наросты могут  образовываться при резании твердосплавными,  быстрорежущими, минералокерамическими и алмазными инструментами различных материалов. Но наибольшей величины наросты достигают при резании пластичных металлов.

Управление  процессом наростообразования обеспечивается правильным выбором режимов резания,геометрией инструмента, применением смазочно-охлаждающих веществ и т.п.

 
Рис.12. Влияние высоты нароста  на величину шероховатости R_z, угол резания d_н, силу резания Р_z и коэффициент трения m при резании стали 40Х на различных скоростях резания V

 

7.

установлено, что износ бывает следующих видов:

1). Механическое  изнашивание режущего инструмента  возникает при взаимодействии  макро- и микро-неровностей контактирующих  в процессе резания. На трущихся  поверхностях микро-неровности взаимодействуют  (трутся) в результате чего инструмент изнашивается (смотри рисунок 8-2).

2). Абразивное  действие обработанного материала  и стружки на инструментальный  материал (абразивный износ). Он связан  с удалением частиц инструментального  материала под действием твердых  карбидов включений и окислительных пленок обрабатываемого материала, которые царапают рабочие поверхности режущего инструмента.

3). Адгезионное  воздействие материалов инструментальной  и обрабатываемой деталей (адгезионный  износ). Он связан с процессами  схватывания (сваривания) отдельных участков материала под действием молекулярных сил. В результате чего на поверхности инструмента образуются кратеры износа. Этому виду износа способствуют высокие давления и температуры в зоне резания. Адгезионный износ возрастает при скоростях резания          

V ≈ 20 м/мин  в областях наростообразования.

4). Окислительный  износ. Химическое взаимодействие  инструментального материала с  активными компонентами внешней  среды, то есть частицы режущего  клина при взаимодействии с  кислородом и другими активными компонентами окружающей среды окисляются, "выгорают".

5). Диффузионное  растворение составляющих структуры  инструментального материала в  обрабатываемый материал называется  диффузионным износом. С ростом  температуры возрастает амплитуда  колебаний атомов, контактирующих при резании материала, и как следствие, возрастает диффузионный износ.

Изнашивание режущего инструмента при резании металлов значительно отличается от изнашивания  деталей машин. Зона резания характеризуется  высокой химической чистотой трущихся поверхностей, высокими температурой и давлением в зоне контакта. Механизм изнашивания инструмента при резании металлов очень сложен. Здесь имеют место абразивное, адгезионное и диффузионное изнашивания. Удельное влияние каждого из них зависит от свойств контактирующих материалов инструмента и детали, условий обработки (прежде всего от скорости резания).

Абразивное  изнашивание инструмента заключается  во внедрении материала стружки  в рабочую поверхность инструмента. При этом съем металла с рабочей поверхности инструмента происходит микроцарапанием.

Адгезионное изнашивание  инструмента происходит в результате схватывания или прилипания трущихся поверхностей и последующего отрыва мельчайших частиц материала инструмента. Результатом этого вида изнашивания, происходящего при температурах ниже 900°С, являются кратеры на рабочих поверхностях инструмента, при слиянии которых образуются лунки. При этом действие адгезионного изнашивания усиливается в зоне низких и средних скоростей резания. Уменьшить адгезионное изнашивание можно повышением твердости инструмента.

Диффузионное  изнашивание инструмента происходит в результате взаимного растворения  металла детали и материала инструмента. На активность процесса растворения  оказывает влияние высокая температура (900—1200 °С) контактного слоя, возникающая при высокой скорости резания. Это приводит к изменению химического состава и физико-химических свойств поверхностных слоев инструмента, снижает его износостойкость. Поэтому диффузионное изнашивание можно рассматривать как разновидность химического изнашивания.

Чем выше механические свойства обрабатываемого материала  и содержание в нем углерода, хрома, вольфрама, титана, молибдена, тем интенсивнее  изнашивание инструмента. Наибольшее влияние на интенсивность изнашивания оказывает скорость резания, меньшее — подача и глубина резания.

Как правило, инструменты  изнашиваются по задней и передней поверхности. За критерий изнашивания  обычно принимают допустимый износ h3 по задней поверхности инструмента. Например, для твердосплавных резцов при черновой обработке износ h3составляет 1,0—1,4 мм для стали, 0,8—1,0 мм для чугуна, а при чистовой обработке 0,4— 0,6 мм для стали, 0,6—0,8 мм для чугуна.

 

Рис. 1. Геометрические формы износа резца:

hз—по задней  поверхности, hр—радиальный, hл—глубина лунки, r—радиус скругления, α—задний угол

Преобладающее изнашивание задней поверхности  обычно наблюдается при обработке  сталей с малой толщиной среза (не более 0,15 мм) и низкими скоростями резания, а также при обработке  чугуна. Объясняется это следующим: при малых толщинах среза радиус скругления режущей кромки соизмерим с толщиной среза; при тонкой стружке возрастает относительное значение упругой деформации поверхностного слоя; путь трения металла по задней поверхности больше, чем по передней поверхности из-за усадки стружки. Преобладающее изнашивание по передней поверхности наблюдается при большом удельном давлении и высокой температуре в зоне резания. Такие условия возникают при обработке стали без охлаждения с высокими скоростями резания и большими толщинами среза (более 0,5 мм). Изнашивание резцов по передней поверхности характеризуется образованием лунки, ширина и глубина которой непрерывно увеличиваются. При этом непрерывно уменьшается ширина перемычки между режущей кромкой и лункой, когда перемычка исчезает, образуется полный или катастрофический износ инструмента. На практике наблюдается одновременное изнашивание инструмента по задней и передней поверхности с увеличением радиуса скругления режущей кромки. Преобладание изнашивания по этим поверхностям зависит от режимов обработки детали.

 

Рис. 2. Геометрические формы износа сверла:

hэ—по задней  поверхности, hл—по ленточке, hп — по передней поверхности, hи — цилиндрического участка, hK — конического участка

Износ сверл  из быстрорежущей стали наблюдается по передней hп и задней h3 поверхностям, а также по ленточкам hл и уголкам hy. При увеличенной длине перемычки и неправильной заточке сверла наблюдается износ по лезвию перемычки hпер. Допустимый износ сверл из быстрорежущей стали не должен превышать hy=0,5÷1,2 мм при сверлении чугуна, h3=1,1 мм — стали, а сверл, оснащенных твердосплавными пластинками, h3=0,4÷1,3 мм при сверлении стали и чугуна. Большие значения износа допустимы для сверл большего диаметра.

Износ по задней поверхности у периферийной части режущей кромки спиральных сверл является наиболее распространенным и возникает вследствие увеличения температуры в зоне резания. Износ перемычки сверла чаще возникает при сверлении твердых материалов или при высокой скорости резания. Износ по передней поверхности режущей части сверла редко служит критерием стойкости, но может иметь значительную величину при длительном сверлении глубоких отверстий с СОЖ- Износ участка ленточки, примыкающего к режущей части сверла, зависит от деформаций, увода сверла и др.

Допустимый  износ зенкеров из инструментальной стали не должен превышать h3=0,5÷1,2 мм при обработке стали, hу=0,8÷1.5 мм при  обработке чугуна, а зенкеров, оснащенных твердым сплавом, h3=1,0÷1,6 мм при обработке  незакаленных сталей и чугуна и h3=0,7 мм — закаленной стали.

При чистовой обработке  деталей за критерий оценки изнашивания  инструмента принимают конструктивно-технологические  требования к качеству деталей. Они  предусматривают допустимый износ, при превышении которого точность получаемых размеров и шероховатость обработанной поверхности перестают удовлетворять заданным техническим требованиям. Так, технологическим критерием оценки изнашивания мерных инструментов для обработки отверстий (например, разверток) является износ инструмента по задней поверхности, при котором получаемое отверстие начинает выходить за пределы допуска на размер или не отвечает заданному качеству поверхности.

 

Стойкость инструмента характеризуется  его способностью без переточки  возможно длительное время обрабатывать заготовки в соответствии с техническими требованиями. Стойкость определяется временем непосредственной работы (исключая время перерывов) инструмента от переточки до переточки на заданном режиме резания до наступления принятого критерия затупления. Это время называют периодом стойкости или стойкостью инструмента, его обозначают буквой Т и измеряют в минутах работы по резанию материала. Стойкость резца связана со скоростью резания

где Т—стойкость  резца, мин;

С₀—постоянная величина, характеризующая условия резания; m— показатель степени, зависящий от материала инструмента (т=0,1-ь0,3).

Стойкость резцов из быстрорежущей стали составляет 30—60 мин, твердых сплавов 45—90 мин, для  резьбовых резцов — 120 мин для  одноинструментной обработки. При  многорезцовой обработке о стойкости инструмента судят по наименее стойкому (лимитирующему) инструменту.

 

Скорость резания оказывает  существенное влияние на стойкость  инструмента. Возрастание скорости резания на 50 % снижает стойкость  примерно на 75 %, в то же время аналогичное увеличение подачи — лишь на 60 %. Наоборот, снижение скорости резания на 30 % может в определенном интервале режимов обработки увеличить стойкость инструмента в 2,5 раза, а уменьшение подачи — всего в 1,4 раза.