Влияние температуры резания на характер стружкообразования

1.6. Наростообразование  при резании

При резании пластичных материалов (сталь, латунь) происходит явление, получившее название наростообразования, когда на передней поверхности резца у режущей кромки образуется плотное скопление частиц металла, прочно укрепляющееся на передней поверхности инструмента. Образование нароста объясняется тем, что при некоторых условиях обработки (высокие давления, значительные температуры в зоне контакта стружки с резцом) силы трения между передней поверхностью инструмента и срезанным слоем металла становятся больше сил внутреннего сцепления, и при определенных температурных условиях металл прочно оседает на передней поверхности инструмента. Размеры и форма нароста постоянно меняются. Он периодически разрушается, уносится стружкой и образуется вновь.

Рис.5. Схема образования нароста

Металл нароста  деформирован, и твердость его  значительно (иногда в 2-3 раза) превосходит  твердость обрабатываемого металла.

Угол резания на наросте   меньше угла резания на резце , вследствие этого несколько уменьшаются затраты мощности на резание. Нарост защищает вершину резца и режущую кромку от преждевременного изнашивания. Точность и качество обработки поверхностей при наросте ухудшаются. Возрастает шероховатость поверхностей. Поэтому при черновой обработке, где качество поверхности не имеет особого значения, нарост благоприятно влияет на резание, а при чистовой обработке, когда качество обработанной поверхности важно, образование нароста вредно и его следует избегать.

Установлено, что интенсивность  образования нароста в значительной степени зависит от скорости резания. Наибольшее наростообразование имеет место при скоростях резания 18-30 м/мин, а при скоростях резания до 10-12 м/мин и более 50-70 м/мин нарост на режущем инструменте практически не образуется. Поэтому чистовую обработку выполняют на повышенных скоростях резания.

С увеличением подачи S размеры нароста увеличиваются. Поэтому при чистовой токарной обработке рекомендуются подачи 0,1 - 0,2 мм/об.

Глубина резания t существенного влияния на размеры нароста не оказывает.

С увеличением угла резания  нарост увеличивается. Применение СОЖ уменьшает нарост.

При прерывистом резании (строгание, фрезерование) нарост обычно не удерживается на режущей кромке.

1.7. Вибрации  при резании

Вследствие нежесткости  элементов технологической системы  СПИД (станок–приспособление–инструмент–деталь) всегда возникают колебания инструмента  относительно заготовки, которые называют вибрациями при резании.

Вибрации отрицательно влияют на процесс резания:        

• снижают качество обработанной поверхности       
• усиливается динамический характер силы резания, а нагрузки на движущиеся детали и сборочные единицы станка усиливаются в десятки раз – особенно в условиях резонанса, когда частота собственных колебаний системы СПИД совпадает с частотой колебаний при обработке резанием    
• резко снижается стойкость инструмента, особенно с пластинками из твердых сплавов      
• возникает шум, утомляюще действующий на окружающих людей, и производительность труда снижается.

Основные меры борьбы с вибрациями:       

• повышение жесткости технологической системы       
• уменьшение массы колебательных систем       
• применение виброгасителей (динамических, гидравлических, упругих)       
• подбор оптимальных режимов резания и геометрии режущего инструмента.

Однако при обработке  труднообрабатываемых материалов вибрации играют положительную роль. Для обработки  таких материалов применяют вибрационное резание. Сущность вибрационного резания  состоит в том, что в процессе обработки создаются искусственные колебания инструмента с регулируемой частотой и заданной амплитудой в определенном направлении. Источники колебаний – механические вибраторы или высокочастотные генераторы. Частоту колебаний задают от 200 до 20000 Гц, амплитуду колебаний – от 0,02 до 0,002 мм. Колебания задают по направлению подачи или по направлению скорости резания.

Вибрационное резание  по сравнению с обычным имеет  следующие преимущества:       

• обеспечивает устойчивое дробление стружки на отдельные элементы       
• снижает сопротивление металла деформированию       
• снижает эффективную мощность резания       
• при вибрационном резании не образуется нарост на режущем инструменте.

Однако в некоторых  случаях стойкость инструмента  несколько снижается.

Вибрационное резание  применяют при точении, сверлении, нарезании резьбы плашками и метчиками, шлифовании, фрезеровании и др.

Далее

Условия и параметры  процесса резания

Трение, износ и стойкость инструмента. Охлаждение и смазка при бработке резанием. Качество поверхностного слоя детали. Методы формообразования поверхностей деталей при резании.

2.1. Геометрия  износа и виды изнашивания

Под изнашиванием режущего инструмента понимается разрушение его контактных поверхностей в результате трения стружки о переднюю поверхность резца и его задних поверхностей о заготовку.

Физические процессы, протекающие при изнашивании  инструмента, аналогичны трению и изнашиванию  трущихся пар, но они происходят обычно при очень большом давлении, больших скоростях и высокой температуре. Трущиеся поверхности при этом беспрерывно обновляются.

Установлено, что интенсивность  изнашивания инструмента обуславливается  различными по своей физической природе  процессами. В реальных условиях некоторые из них действуют одновременно. Здесь имеют место абразивный, адгезионный, диффузионный, окислительный и другие виды износа.

Интенсивное разрушение контактных поверхностей инструмента  часто обусловлено наличием в  обрабатываемом материале достаточно твердых составляющих (карбидов, оксидов, окалины, поверхностной корки). Они действуют как абразивы, царапая поверхности трения. Изнашивание тем больше, чем меньше твердость режущей части инструмента при резании и выше твердость составляющих обрабатываемого материала.

Высокое давление и температура  резания вызывают адгезионные процессы на контактных поверхностях – схватывание  материала инструмента с материалом заготовки под действием атомарных  сил. Адгезионные процессы на контактных поверхностях наблюдаются при невысоких скоростях резания. При этом частички инструментального материала вырываются и уносятся сходящей стружкой и обрабатываемой заготовкой. При невысоких скоростях резания изнашивание инструментов из твердых сплавов вызывается именно адгезионными процессами. Более прочная быстрорежущая сталь разрушается от их действия значительно меньше.

При больших скоростях  резания, когда в зоне резания  возникает очень высокая температура, твердосплавной инструмент интенсивно изнашивается под действием диффузии. Происходит взаимное проникновение и растворение структурных составляющих инструментального и обрабатываемого материалов. Интенсивной диффузии благоприятствует то, что в контакт с инструментом беспрерывно вступают все новые участки обрабатываемого материала и стружки.

Переменные напряжения, действующие на рабочие поверхности  инструмента при некоторых видах  обработки резанием, могут разрушить  режущую кромку от усталости.

Изнашивание инструмента  из быстрорежущей стали сопровождается изменением и образованием новой менее прочной структуры уменьшенной твердости. При температуре больше 600^оС мартенсит превращается в троостит, и инструмент теряет режущую способность.

При работе инструментом, оснащенным металлокерамическими сплавами, а в особенности минералокерамическими материалами, иногда частички материала откалываются, и режущие кромки теряют режущую способность.

При высокой температуре  активизируются химические процессы, в результате чего поверхностный  слой рабочей части инструмента  покрывается окисной пленкой. Образовавшаяся пленка разрушается силами трения - происходит окислительный износ.

В зависимости от условий  обработки геометрия износа инструмента  может быть (рис.1):

1. Превалирующий износ  задних поверхностей «h_З» и незначительный по передней наблюдается при обработке пластичных материалов с толщиной среза до 0,1 мм; при обработке хрупких материалов (чугуна, бронзы), когда образуется стружка надлома, а также при работе сверлами, зенкерами, фрезами, развертками.

2. Превалирующий износ по передней поверхности «h_П» имеет место при обработке пластичных материалов с толщиной среза более 0,5 мм, а также когда имеет место наростообразование или когда температура на передней поверхности намного больше, чем на задней. Величина износа определяется глубиной h_П и шириной лунки, образующейся на передней поверхности от трения стружки.

3.Износ одновременно  по передней и задней поверхности  наблюдается при обработке пластичных  металлов с толщиной среза  0,1 -0,5 мм и работе с применением  СОЖ.

4. При чистовой обработке материалов обладающих низкой теплопроводностью (пластмасс), а также при обработке высокопрочных материалов (аустенитные стали) происходит износ в форме округления режущей кромки.

Наибольшее влияние  на интенсивность износа оказывает  скорость резания V, меньшее – подача S и особенно глубина резания t. Чем выше механические свойства обрабатываемого материала, тем больше износ режущего инструмента.

Рис.1. Схемы износа резцов 

2.2. Критерий  затупления и стойкость инструмента

Критерий затупления – это предельно допустимая величина износа, при которой инструмент теряет нормальную работоспособность.

В практике за критерий износа принимают износ по задней поверхности в тех случаях, когда качество поверхности детали не лимитируется. При чистовой обработке деталей устанавливается технологический критерий затупления, т.е. такая величина износа задней поверхности, превышение которой приводит к тому, что точность и шероховатость обработанной поверхности перестают удовлетворять техническим условиям.

Для токарных резцов из быстрорежущей  стали допустимый износ h=0,5-2,0 мм (по главной задней поверхности); с пластинками из твердого сплава h=0,8-1,0 мм; с минералокерамическими пластинками h=0,5-0,8 мм. Данные приводятся для резания в условиях применения СОЖ.

На рис.2. приведена  кривая износа резца по задней поверхности h_З в зависимости от времени работы Т. На ней можно выделить три участка.

 

 

Рис. 2. График зависимости  износа по задней поверхности от продолжительности  работы резца 

 

1) участок ОА – участок начального изнашивания или период приработки. Происходит постепенное выравнивание микронеровностей поверхности и увеличение опорной площади трения. Повышенный темп износа на первом участке объясняется высоким начальным контактным давлением ввиду малой величины площади контакта. При увеличении площадки контакта темп износа уменьшается.

2) участок АВ – период нормального износа. Характеризуется стабилизацией микрогеометрии инструмента.

3) участок АВ – период катастрофического износа. В точке С износ соответствует такому состоянию инструмента, при котором продолжать процесс резания невозможно. Инструмент нельзя доводить до катастрофического износа. Если при этом и не произойдет поломки, то при заточке нужно будет снимать большой слой металла. Работу, очевидно, следует прекратить в точке В, где износ отвечает установленному критерию затупления.

Время работы инструмента  между переточками при определенном режиме резания называется стойкостью инструмента Т (мин).

Момент затупления резцов при различных условиях работы может  характеризоваться следующими признаками:

·        ухудшение чистоты обработанной поверхности

·        появление или возрастание вибраций

·        изменение цвета и формы стружки

·        заметно усиливающимся искрением

·        повышением температуры и составляющих сил резания.

Резец считается изношенным и его надо перетачивать, когда при обработке стали на поверхности резания появляется блестящая полоска, а при обработке чугуна – темные пятна. Появление блестящей кромки соответствует началу третьего периода износа. При дальнейшей работе в течение 1-2 мин произойдет полное разрушение режущей кромки, и резец окончательно выйдет из строя.

Для быстрорежущих резцов стойкость принимается равной 60 мин, для твердосплавных – 90 мин, для  резцов, оснащенных минералокерамикой  – 30-40 мин.

Самое большое влияние  на стойкость инструмента оказывает скорость резания. Существует зависимость: