Обработка металлов резанием

	Загрузить архив:
	Файл: ref-20607.zip (156kb [zip], Скачиваний: 536) скачать

Обработка резанием является универсальным методом размерной обра­ботки. Метод позволяет обрабатывать поверхности деталей различной формы и размеров с высокой точностью из наиболее используемых конструкционных ма­териалов. Он обладает малой энергоемкостью и высокой производительностью. Вследствие этого обработка резанием является основным, наиболее используе­мым в промышленности процессом размерной обработки деталей.

1. Сущность и схемы способов обработки

Обработка резанием — это процесс получения детали требуемой гео­метрической формы, точности размеров, взаиморасположения и шерохова­тости поверхностей за счет механического срезания с поверхностей заготов­ки режущим инструментом материала технологического припуска в виде стружки (рис. 1.1).

Основным режущим элементом любого инструмента является режу­щий клин (рис. 1.1, а). Его твердость и прочность должны существенно превосходить твердость и прочность обрабатываемого материала, обес­печивая его режущие свойства. К инструменту прикладывается усилие резания, равное силе сопротивления материала резанию, и сообщается перемещение относительно заготовки со скоростью ν. Под действием приложенного усилия режущий клин врезается в заготовку и, разрушая обрабатываемый материал, срезает с поверхности заготовки стружку. Стружка образуется в результате интенсивной упругопластической дефор­мации сжатия материала, приводящей к его разрушению у режущей кром­ки, и сдвигу в зоне действия максимальных касательных напряжений под углом φ. Величина φ зависит от параметров резания и свойств обрабатываемого материала. Она составляет ~30° к направлению движения резца.

Внешний вид стружки характеризует процессы деформирования и раз­рушения материала, происходящие при резании. Различают четыре возмож­ных типа образующихся стружек: сливная, суставчатая, элементная и струж­ка надлома (рис. 1.1, б).

Рис. 1.1. Условная схема процесса резания:

а – 1 – обрабатываемый материал; 2 – стружка; 3 – подача смазочно-охлаждающих средств; 4 – режущий клин; 5 – режущая кромка; φ – угол сдвига, характеризующий положение условной плоскости сдвига (П) относительно плоскости резания; γ – главный передний угол режущего клина; Р_z – сила резания; Р_y – сила нормального давления инструмента на материал; С_γu, С_γl – длины пластичного и упругого контактов; С_γ, С_a – длина зон контактного взаимодействия по передней и задней поверхностям инструмента; LOM – область главного упругопластичного деформирования при стружкообразовании; FKPT – область вторичной контактной упруго–пластичнеской деформации металла; h – глубина резания; Н – толщина зоны пластического деформирования (наклепа) металла.

В процессе резания режущий клин, испытывая интенсивное трение, контактирует с материа­лом стружки и обработанной по­верхностью в контактных зонах. Для снижения сил трения и на­грева инструмента применяют принудительное охлаждение зо­ны резания смазочно-охлаждающими средами (СОС), подавая их в зону резания специальными устройствами.

Детали и 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 и детали.

Реальные схемы различ­ных способов обработки резани­ем, используемый инструмент, а также виды движения инструмен­та и заготовки в процессе обра­ботки приведены на рис. 1.2. В зависимости от используемого типа инструмента способы меха­нической обработки подразделя­ются 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; D_r – главное движение резания; D_s – движение подачи; R_o – обрабатываемая поверхность; R– поверхность резания; R_оп – 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 явля­ется наличие у обрабатываемого инструмента острой режущей кромки определенной геометрической формы, а для абразивной обработки – наличие различным образом ориентированных режущих зерен абразивного инструмента, каждое из которых представляет собой микроклин.

Рис. 1.3. Конструкция и элементы лезвийных режущих инструментов:

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, используемых при резании (рис. 1.3). Инструмент состоит из рабочей части, включающей ре­жущие лезвия, образующие их поверхности, режущие кромки и крепежной части, предназначенной для установки и закрепления в рабочих органах станка.

Основными способами лезвийной обработки являются точение, сверле­ние, фрезерование, строгание и протягивание. К абразивной обработке относятсяпроцессы шлифования, хонингования и суперфиниша. В основу классификации способов механической обработки заложен вид используемого инструмента и кинематика движений. Так, в качестве инструмента при точении используются токарные резцы, при сверлении – сверла, при фрезеровании – фрезы, при строгании – строгальные резцы, при протягивании – протяжки, при шлифовании – шлифовальные круги, при хонинговании – хоны, а при суперфинише – абразивные бруски. Любой способ обработки включает два движения (рис. 1.2.): главное – движене резания D_r – и вспомогательное – движение подачи D_s. Главное движение обеспечивает съем металла, а вспомогательное – подачу в зону обработки следующего необработанного участка заготовки. Эти движения осуществляются за счет перемещения заготовки или инструмента. Поэтому при оценках движение инструмента во всех процессах резания удобно рассматривать при неподвижной заготовке как сум­марное (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Схемы определения максимальной скорости режущей кромки инструмента υ_е, формы поверхности резания Rи глубины резания hпри обработке:

а – точением; б – сверлением; в – фрезерованием; г – строганием; д– протягиванием; е – хонингованием; ж – суперфинишированием.

Тогда полная скорость перемещения (v_e) произвольной точки Мрежу­щей кромки складывается из скорости главного движения (v) и скорости подачи (v_s):

v_e = v + v_s       (1.1)

Поверхность резания Rпредставляет собой поверхность, которую описывает режущая кромка или зерно при осуществлении суммарного движения, включающего главное движение и движение подачи. При точении, сверлении, фрезеровании, шлифовании поверхности резания — пространственные линейчатые, при строгании и протягивании — пло­ские, совпадающие с поверхностями главного движения; при хонин-говании и суперфинишировании они совпадают с поверхностями глав­ного движения.

Поверхности R_oи R_oп называются, соответственно, обрабатывае­мой поверхностью заготовки и обработанной поверхностью детали (см. рис. 1.2).

В процессах точения, сверления, фрезерования и шлифования глав­ное движение и движение подачи выполняются одновременно, а в про­цессах строгания, хонингования движение подачи выполняется после главного движения.

2. Параметры технологическогопроцесса резания

К основным параметрам режима резания относятся скорость главного движения резания, скорость подачи и глубина резания.

Скорость главного движения резания (или скорость ре­зания) определяется максимальной линейной скоростью главного движения режущей кромки инструмента. Эта скорость выражается в м/с.

Если главное движение резания вращательное, как при точении, сверлении, фрезеровании и шлифовании, то скорость резания будет определяться линейной скоростью главного 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 - максимальный диаметр обрабатываемой поверхности заготовки, определяющий положение наиболее удаленной от оси вращения точки режущей кромки, м; ω - угловая скорость, рад/с.

Выразив угловую скорость ω через частоту вращения шпинделя станка, получим:

v = πnD          (2.2)

При строгании и протягивании скорость резания vопределяется скоро­стью перемещения строгального резца и протяжки в процессе резания отно­сительно заготовки.

При хонинговании и суперфинишировании скорость резания определя­ется с учетом осевого перемещения (см. рис. 1.4, е, ж) инструмента.

Скорость резания оказывает наибольшее влияние на производительность процесса, стойкость инструмента и качество обработанной поверхности.

Подача инструмента определяется ее скоростью v_s. В технологических расчетах параметров режима при точении, сверлении, фрезеровании и шлифовании используется понятие подачи на один оборот заготовки S_oи выражается в мм/об. Подача на оборот численно соответству­ет перемещению инструмента за время одного оборота:

S_o= v_s / n         (2.3)

При строгании подача определяется на ход резца. При шлифовании по­дача может указываться на ход или двойной ход инструмента. Подача на зуб при фрезеровании определяется числом зубьев Z инструмента и подачей на оборот:

S_z = S_o / Z        (2.4)

Глубина резания А определяется расстоянием по нормали от обработан­ной поверхности заготовки до обрабатываемой, мм. Глубину резания задают на каждый рабочий ход инструмента. При точении цилиндрической поверх­ности глубину резания определяют как полуразность диаметров до г: после обработки:

h = (D_ur - d)/2                      (2.5)

где d - диаметр обработанной поверхности заготовки, мм. Величина подачи и глубина резания определяют производительность про­цесса и оказывают большое влияние на качество обрабатываемой поверхности.

К технологическим параметрам процесса относятся геометрия режущего ин­струмента, силы резания, производительность обработки и стойкость инструмента.

Геометрические параметры режущего инструмента определяются углами, образуемыми пересечением поверхностей лезвия, а также положением поверхностей режущих лезвий относительно обрабаты­ваемой поверхности и направлением главного движения. Указанные пара­метры идентичны для различных видов инструмента, что позволяет рассмот­реть их на примере резца, используемого при точении.

Углы резца по передним и задним поверхностям измеряют в определен­ных координатных плоскостях. На рис. 2.1, а изображены координатные плоскости при точении, а на рис. 2.1, б углы резца в статике.

Главный передний угол γ — угол между передней поверхностью лезвия и плоскостью, перпендикулярной к плоскости резания; главный задний угол α – угол между задней поверхностью лезвия и плоскостью резания; угол заострения β – угол между передней и задней поверхностями. Из принципа построения углов следует, что

α + β + γ = π/2.

Угол наклона режущей кромки X— угол в плоскости резания между режущей кромкой и основной плоскостью.

Углы в плане: главный угол в плане φ – угол в основной плоскости ме­жду следом плоскости резания и направлением продольной подачи; вспомо-

гательный угол в плане φ' – угол в основной плоскости между вспомога­тельной режущей кромкой и обработанной поверхностью.

Рис. 2.1. Геометрические парамеры токарного резца:

а – координатные плоскости; б – углы резца в статике;

1 – плоскость резания Р_п; 2 – рабочая плоскость Р_s; 3 – главная несущая плоскость Р_t; 4 – основная плоскость P_v

Геометрические параметры режущего инструмента оказывают сущест­венное влияние на усилие резания, качество поверхности и износ инструмен­та. Так, с увеличением угла у инструмент легче врезается в материал, сни­жаются силы резания, улучшается качество поверхности, но повышается износ инструмента. Наличие угла а снижает трение инструмента о поверх­ность резания, уменьшая его износ, но чрезмерное его увеличение ослабляет режущую кромку, способствуя ее разрушению при ударных нагрузках.

Силы резания Р представляют собой силы, действующие на ре­жущий инструмент в процессе упругопластической деформации и разруше­ния срезаемой стружки.

Силы резания приводят к вершине лезвия или к точке режущей кромки и раскладывают по координатным осям прямоугольной системы координат xyz(рис. 2.2). В этой системе координат ось zнаправлена по скорости глав­ного движения и ее положительное направление соответствует направлению действия обрабатываемого материала на инструмент. Ось у направлена по радиусу окружности главного движения вершины. Ее положительное на­правление также соответствует направлению действия металла на инстру­мент. Направление оси х выбирается из условия образования правой системы координат. Значение усилия резания определяется несколькими факторами. Оно растет с увеличением глубины hрезания и скорости подачи s(сечения срезаемой стружки), скорости резания ν, снижением переднего угла γ режу­щего инструмента. Поэтому расчет усилия резания производится по эмпири­ческим формулам, установленным для каждого способа обработки (см. спра­вочники по обработке резанием).Например, для строгания эта формула имеет вид Р =С_ph^X_ps^Y_pXⁿгде коэффициенты С_р, Х_р, Y_p, nхарактеризуют материал заготовки, резца и вид обработки.

Мощность процесса резания определяется скалярным про­изведением:

N = Pv_e           (2.6)

Выразив это произведение через проекции по коорди­натным осям, получим:

N = P_z v_z + P_yv_y + P_xv_x           (2.7)

где v_x, v_y, v_z— проекции на оси координат скорости движения точки приложения равнодействующей сил резания. В практических расчетах используется приближенная зависимость N = P_zv. Это упрощение обусловлено тем, что составляющие Р_у и Р_х 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 режущую кромку инструмента в точке, имеющую максимальную скорость перемещения ν_е, при обработке: а – точением; б – сверлением; в – фрезерованием; г – строганием; д– протягиванием; е – хонингованием; ж – суперфинишированием.

Производительность обработки при резании определяется числом деталей, изготовляемых в единицу времени: Q= /Т_т . Время изготовления одной детали равно Т_т = Т_д + Т_т + Т_кп, где Т_о — машинное время обработки, затрачиваемое на процесс резания, определяется для каждого технологического способа; Т_т — время подвода и отвода инструмента при обработке одной детали; Г_всп — вспомогательное время установки и на­стройки инструмента.

Таким образом, производительность обработки резанием в первую оче­редь определяется машинным временем Т_о. При токарной обработке, мин: Т_о = La/(ns_oh), где L- расчетная длина хода резца, мм; а — величина при­пуска на обработку, мм.

Отношение a/hхарактеризует требуемое число проходов инструмента при обработке с глубиной резания И. Поэтому наибольшая производитель­ность будет при обработке с глубиной резания h= а, наибольшей подачей s₀ и максимальной скоростью резания. Однако при увеличениипроизводительности снижается качесто поверхности и повышается износ инструмента. Поэтому при обработке резанием решается задача по установлению максимально допустимой производительности при сохранении требуемого качества поверхности и стойкости инструмента.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

[1] – Материаловедение и технология металлов. Под ред. Г.П.Фетисова

         М.: Высшая школа, 2001