ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ РЕЗАНИЯ

Резание металлов — сложный процесс взаимодействия режущего инструмента и заготовки, сопровождающийся определенными физическими явлениями, например, деформированием срезаемого слоя металла. Упрощенно резание можно представить в виде следующей схемы. В начальный момент резания, когда движущийся резец под действием силы Р (рис. 1.7) вдавливается в металл, в срезаемом слое возникают упругие деформации. При дальнейшем движении резца упругие деформации, увеличиваясь по абсолютному значению, переходят в пластические. В прирезцовом срезаемом слое материала заготовки возникает сложное упругонапряженное состояние. В плоскости, перпендикулярной траектории движения резца, возникают нормальные напряжения σ_у, а в плоскости, совпадающей с траекторией движения резца, — касательные напряжения τ_х.

В точке А приложения действующей силы Р значение τ_х наибольшее. По мере удаления от точки А τ_х уменьшается. Нормальные напряжения σ_у вначале действуют как растягивающие, а затем быстро уменьшаются и, переходя через нуль, превращаются в напряжения сжатия. Срезаемый слой металла находится под действием внешней силы Р, а также касательных и нормальных напряжений. Сложное упругонапряженное состояние металла приводит к пластическому деформированию его, т. е. к смещению частей кристаллов относительно друг друга (сдвиговые деформации). Сдвиговые деформации происходят в зоне стружкообразования ABC, причем деформирование начинается в плоскости А В и заканчивается в плоскости АС, в которой завершается разрушение кристаллов, т. е. сдвигается элементарный объем металла и образуется стружка.

Рис. 1.7. Схема упругонапряженного состояния металла заготовки при образке резанием

Далее процесс повторяется и образуется следующий элемент стружки.

Условно можно считать, что сдвиговые деформации происходят по плоскости 00, которую называют плоскостью сдвига. Плоскость 00 располагается под углом θ ≈ 30° к направлению движения резца. Угол θ называют углом сдвига. Наличие поверхности сдвига в процессе стружкообразования и положение ее в пространстве было установлено русскими учеными И. А. Тиме и К. А. Зворыкиным. Срезанный и превращенный в стружку слой металла дополнительно деформируется вследствие трения стружки о переднюю поверхность лезвия инструмента. Структуры металла зоны АВС и стружки резко отличаются от структуры обрабатываемого металла. В зоне АВС расположены деформированные и разрушенные кристаллы, сильно измельченные и вытянутые в цепочки в одном, вполне определенном направлении, совпадающем с направлением плоскости О₁О₁ которая составляет с плоскостью сдвига угол β.

Характер деформирования срезаемого слоя зависит от физико-механических свойств материала обрабатываемой заготовки, геометрических параметров инструмента, режима резания, условий обработки. В процессе резания заготовок из пластичных металлов и сталей средней твердости превалирует пластическая деформация. У хрупких металлов пластическая деформация практически отсутствует. Поэтому при резании хрупких металлов угол β близок к нулю, а при резании пластичных металлов угол β доходит до 30°, что свидетельствует о сложном внутреннем процессе деформирования кристаллов и формировании новой структуры. Знание законов пластического деформирования и явлений, сопровождающих резание, позволяет повысить качество обработанных поверхностей деталей машин, их надежность, снизить мощность резания.

При резании металлов образуется стружка сливная, суставчатая или элементная. Сливная стружка, образующаяся при резании пластичных металлов, представляет собой сплошную ленту с гладкой прирезцовой стороной. На внешней стороне стружки можно видеть слабые пилообразные зазубрины. Суставчатая стружка, образующаяся при резании металлов средней твердости, представляет собой ленту с гладкой прирезцовой стороной, на ее внешней стороне — ярко выраженные зазубрины. Стружка элементная образуется при резании хрупких металлов и состоит из отдельных, не связанных между собой элементов. Вид образующейся стружки зависит от физико-механических свойств металла обрабатываемой заготовки, режима резания, геометрических параметров режущего инструмента, применяемых в процессе резания смазочно-охлаждающих веществ.

Вид образующейся стружки влияет на стойкость режущего инструмента, шероховатость обработанной поверхности, силу резания и конструкцию инструмента. От вида стружки зависит сложность ее отвода из зоны резания и транспортирования. Особые проблемы в связи с отводом и транспортированием стружки из зоны резания возникают при обработке заготовок на станках с ЧПУ и на ГПС. Станки с ЧПУ оснащают специальными транспортными системами (шнековыми, скребковыми и др.), что в ряде случаев вызывает перекомпоновку узлов станков и ГПС в целом.

Стружка, образующаяся в процессе резания, подвергается значительному пластическому деформированию, например укорочению и утолщению. Укорочение стружки состоит в том, что длина стружки оказывается меньше длины обработанной поверхности заготовки, а утолщение — в том, что толщина стружки становится больше толщины срезанного с заготовки слоя металла. Ширина стружки практически остается без изменений. Укорочение и утолщение стружки характеризуются коэффициентами укорочения (K_l) и утолщения (К_а).

Чем пластичнее металл заготовки, тем больше коэффициент K_l. Для заготовок из хрупких металлов K_l близко к 1, а для заготовок из пластичных металлов K_l доходит до 5—7. Коэффициенты K_l и К_а зависят от физико-механических свойств обрабатываемого металла, режима и условий резания, геометрических параметров инструмента.

Укорочение и утолщение стружки следует учитывать при проектировании режущего инструмента и назначении конструктивных размеров стружечных канавок между режущими элементами инструмента, например, размеры канавки между двумя соседними зубьями фрезы.

Силовое взаимодействие инструмента и заготовки. Деформирование и срезание с заготовки слоя металла происходит под действием внешней силы Р, приложенной со стороны инструмента к обрабатываемой заготовке. Работа, затрачиваемая на деформирование и разрушение материала заготовки, расходуется на упругое и пластическое деформирование металла, его разрушение, преодоление сил трения задних поверхностей лезвия инструмента о заготовку и стружки о переднюю поверхность лезвия инструмента.

Рис. 1.8. Силы, возникающие в процессе резания:

а — схема сил, действующих на резец;

б — разложение силы резания на составляющие

В результате сопротивления металла деформированию возникают реактивные силы, действующие на режущий инструмент. Реактивные силы — это силы упругого (Р_у1 и Р_y2) и пластического (Р_п1 и Р_п2) деформирования, векторы которых направлены перпендикулярно к передней и главной задней поверхностям лезвия резца (рис. 1.8, а). Наличие нормальных сил обусловливает возникновение сил трения (Т₁ и Т₂), направленных вдоль передней и главной задней поверхностей лезвия инструмента. Указанную систему сил приводят к равнодействующей силе резания: R = P_yl + Р_у2 + Р_п1 + Р_п2 +Т₁+ Т₂.

Считают, что точка приложения силы R находится на главной режущей кромке инструмента (см. рис. 1.8, б). Абсолютная величина, точка приложения и направление в пространстве равнодействующей силы резания R в процессе обработки являются переменными. Это можно объяснить неоднородностью структуры металла обрабатываемой заготовки, переменной поверхностной твердостью материала заготовки, непостоянством срезаемого слоя металла, наличием штамповочных и литейных уклонов, изменением углов γ и α в процессе резания. Для расчетов прочности инструментов, узлов станка и т. п. используют не равнодействующую силы резания, а ее составляющие, действующие по трем взаимно перпендикулярным направлениям — координатным осям металлорежущего станка.

а) 6)

Рис. 1.9. Схемы сил, действующих на заготовку (а) и резец (б)

Для токарно-винторезного станка ось X — линия центров станка, ось Y — горизонтальная линия, перпендикулярная линии центров станка, ось Z — линия, перпендикулярная плоскости XOY (см. рис. 1.8, б). Составляющая силы резания Р_г действует в плоскости резания в направлении главного движения по оси Z. По силе Р_г определяют крутящий момент на шпинделе станка, эффективную мощность резания, деформацию изгиба заготовки в плоскости XOZ (рис. 1.9, а), изгибающий момент, действующий на стержень резца (рис. 1.9, б), и величину его отжатия от заготовки (z_и), а также ведут динамический расчет механизма коробки скоростей станка. Радиальная составляющая силы резания Р_у действует в плоскости XOY, перпендикулярной оси заготовки. По силе Р_у определяют упругое отжатие резца от заготовки (у_и) и деформацию изгиба заготовки в, плоскости XOY. Осевая составляющая силы резания Р_х действует в плоскости XOY вдоль оси заготовки. По силе Р_х рассчитывают механизм подачи станка, а также изгибающий момент, действующий на стержень резца (см. рис. 1.9, б).

По деформации заготовки, возникающей под действием сил Р_z и Р_у, рассчитывают ожидаемую точность размерной обработки заготовки и погрешность ее геометрической формы. По суммарному изгибающему моменту под действием сил Р_z и Р_х рассчитывают стержень резца на прочность и т. д. Равнодействующая силы резания (Н): . Силу P_z (H) определяют по эмпирической формуле: где C_Pz — коэффициент, учитывающий физико-механические свойства материала обрабатываемой заготовки; k_M — коэффициент, учитывающий факторы, не вошедшие в формулу: углы резца, материал резца и т. д.

Значения коэффициентов С_Р и k_Mp , а также показателей степеней х_Р , у_Р и п_Р даны в справочниках для конкретных условий обработки.

Существуют формулы для определения сил P_y и Р_х, аналогичные приведенным выше. Условно можно считать, что для острого резца с γ = 15°, φ = 45°, λ = 0 при точении стали без охлаждения Р_z, Р_у , Р_х = 1:0,45:0,35. Отношения Р_у : Р_z и Р_х : Р_z растут с увеличением износа резца, при уменьшении угла φ увеличивается отношение Р_у : P_z, а при повышении подачи увеличивается отношение Р_х г Р_z. Значения и направление сил P_z, Р_у и Р_х необходимы для расчета элементов станка, а также приспособлений и режущего инструмента.

Крутящий момент (Н∙м) на шпинделе станка М_к.ш. = 0,5Р∙D₃∙10^-3.

Изгибающий момент (Н∙м), действующий на стержень резца (см. рис. 1.9, б): , где М_я — изгибающий момент в направлении оси Z; М_х— изгибающий момент в направлении оси X; l — длина стержня резца.

Общее упругое перемещение (мм) стержня резца и заготовки под действием силы Р_у (расчет на точность обработки) у = P_y/J₃ + P_y/J_и, где J₃ — жесткость системы заготовка — приспособление — элемент станка, на котором закреплена заготовка; J_и — жесткость системы инструмент — приспособление — элемент станка, на котором закреплен инструмент.

Аналогичный расчет выполняют для определения горизонтального и вертикального упругих перемещений инструмента.

Сила тяги (Н) привода коробки подач станка Q_np = Р_х + fΣR_i, где R_i — реакции в направляющих; f — коэффициент трения в направляющих.

Крутящий момент М_к.в (Н∙м) на ходовом винте токарного станка М_к.в = Q_nvr tg (α + ρ), где r — средний радиус резьбы винта, м; α — угол подъема винтовой линии; ρ — угол трения для пары винт—гайка.

По найденному М_к. _в рассчитывают модуль зубчатых колес передач и силы, действующие на валы и опоры, выбирают мощность электрического двигателя коробки подач.

Эффективной мощностью N_e называют мощность, расходуемую на деформирование и срезание с заготовки слоя металла.

При точении цилиндрической поверхности на токарно-винторезном станке эффективная мощность (кВт)

где n — частота вращения заготовки, мин^-1.

Мощность (кВт) электрического двигателя станка N_э: N_э = N_e / η, где η — коэффициент полезного действия механизмов и передач станка.

Контактные процессы при резании металлов. При обработке резанием заготовок из пластичных металлов на передней поверхности лезвия инструмента может образоваться металл, который называют наростом. Образование нароста объясняют тем, что при некоторых условиях обработки силы трения между передней поверхностью лезвия инструмента и срезанным слоем металла становятся больше сил внутреннего сцепления, и при определенных температурных условиях металл прочно оседает на передней поверхности лезвия инструмента (рис. 1.10, а). Размеры и форма нароста постоянно меняются. В процессе резания нарост обновляется под действием сил трения между отходящей стружкой и внешней поверхностью нароста. Частицы нароста уносятся стружкой и обработанной поверхностью заготовки, нарост срывается с передней поверхности лезвия инструмента и возникает вновь. Объясняется это тем, что нарост находится под действием силы трения Т, сил сжатия Р₁ и Р₂ и силы растяжения Q (рис. 1.10, а). С изменением размеров нароста изменяется соотношение сил, действующих на него. Когда сумма сил P₁ и Q становится больше силы трения Т, происходит разрушение и срыв нароста. Частота срывов нароста зависит от скорости резания.

Рис. 1.10. Схемы образования нароста на резце (а) и наклепа обработанной поверхности заготовки (б)

Нарост существенно влияет на резание и качество обработанной поверхности заготовки, так как при наличии его изменяются условия стружкообразоЕания. Нарост оказывает положительное и отрицательное влияние на резание. Положительным является то, что он изменяет форму передней поверхности лезвия инструмента, а это приводит к увеличению переднего угла, а следовательно, к уменьшению силы резания. Вследствие высокой твердости нарост способен резать металл. Он удаляет центр давления стружки от главной режущей кромки, вследствие чего уменьшается износ режущего инструмента по передней поверхности лезвия. Нарост улучшает теплоотвод от режущего инструмента.

Но нарост также увеличивает шероховатость обработанной поверхности. Частицы нароста, внедрившиеся в обработанную поверхность, при работе сопрягаемых деталей вызывают повышенный износ пары. Наличие нароста изменяет вылет резца от l до l₁ (см. рис. 1.10, а), что изменяет диаметр заготовки по ее длине, и вследствие этого обработанная поверхность получается волнистой. В результате изменения переднего угла инструмента колеблется сила резания, что вызывает вибрацию частей станка инструмента, а это ухудшает качество обработанной поверхности.

Следовательно, нарост полезен при черновой обработке, когда возникают большие силы резания, снимается большой слой металла и выделяется большое количество теплоты, и, наоборот, нарост вреден при чистовой обработке, например при протягивании, развертывании, так как приводит к снижению качества обработанной поверхности.

Образование нароста зависит от физико-механических свойств материала обрабатываемой заготовки, скорости резания, геометрических параметров режущего инструмента и других факторов. Наиболее активно нарост образуется при обработке пластичных материалов. Интенсивность образования нароста в значительной степени зависит от скорости резания. Наибольшее наростообразование происходит 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 .

Результаты исследований образования нароста при чистовой обработке позволяют дать следующие рекомендации по его предотвращению: нужно изменять геометрические параметры режущего инструмента и скорость резания, применять смазочно-охлаждающие жидкости, тщательно доводить переднюю поверхность режущего инструмента для снижения коэффициента трения между ней и сходящей стружкой.

Результатом упругого и пластического деформирования материала обрабатываемой заготовки является упрочнение (наклепывание) поверхностного слоя заготовки. При анализе процесса стружкообразования принято считать инструмент острым. Однако инструмент всегда имеет радиус закругления режущей кромки ρ (см. рис. 1.10, б), который при обычных методах заточки составляет примерно 0,02 мм. Такой инструмент может срезать с заготовки стружку при условии, что глубина резания t соизмерима с радиусом ρ. Тогда в стружку переходит часть срезаемого слоя металла, лежащая выше линии CD. Слой металла, толщина которого соизмерима с радиусом ρ, лежащий между линиями АВ и CD, будет упругопластически деформироваться. При работе инструмента радиус ρ быстро растет вследствие затупления режущей кромки и расстояние между линиями А В и CD увеличивается.

Упрочнение металла обработанной поверхности заготовки проявляется в повышении ее поверхностной твердости. Если твердость металла заготовки принять за 100%, то твердость металла обработанной поверхности после обработки резанием может увеличиться в 2 раза. Значение твердости может колебаться, так как пластическая деформация зависит от физико-механических свойств материала обрабатываемой заготовки, геометрических параметров режущего инструмента и режима резания.

Следствием деформирования металла является также то, что после перемещения резца относительно обработанной поверхности происходит упругое восстановление поверхностного деформированного слоя на величину h_y (см. рис. 1.10, б) — упругая деформация. В результате образуется контактная площадка шириной Н между обработанной поверхностью и вспомогательной задней поверхностью лезвия резца. Со стороны обработанной поверхности возникают силы нормального давления N и трения F. Чем больше упругая деформация, тем больше силы трения. Для уменьшения сил трения у режущего инструмента делают задние углы, которые зависят от степени упругого деформирования материала заготовки.

Рис. 1.П. Поверхностный слой материала заготовки:

а — строение; б — эпюра изменения твердости

Упруго пластическое деформирование металла приводит к возникновению в поверхностном слое заготовки остаточных напряжений, которые могут быть растягивающими или сжимающими. Напряжения растяжения снижают предел выносливости материала заготовки, так как приводят к появлению микротрещин в поверхностном слое, развитие которых ускоряется под действием корродирующем среды. Напряжения сжатия, напротив, повышают предел выносливости деталей. Неравномерная релаксация остаточных напряжений искажает геометрическую форму обработанных поверхностей, увеличивает отклонения их взаимного расположения и размеров. Релаксация напряжений, продолжающаяся в процессе эксплуатации машин, снижает их качество и надежность.

Следовательно, окончательную обработку поверхностей заготовок следует вести такими методами и в таких условиях, чтобы 'остаточные напряжения отсутствовали или были минимальны. Целесообразно, чтобы в поверхностном слое возникали напряжения сжатия. Можно снизить напряжения, применяя, например, электрохимическую обработку, а для получения в поверхностном слое сжимающих напряжений можно рекомендовать обработку пластическим деформированием, например, обкатку поверхностей заготовок стальным закаленным роликом или шариком.

Условно поверхностный слой обработанной заготовки можно разделить на три зоны (рис. 1.11, а): 1 — зона разрушенной структуры с измельченными зернами, резкими искажениями кристаллической решетки и большим количеством микротрещин; ее следует обязательно удалять при каждой последующей обработке поверхности заготовки; 11 — зона наклепанного металла; 111 — основной металл. В зависимости от физико-механических свойств материала обрабатываемой заготовки и режима резания глубина наклепанного слоя составляет несколько миллиметров при черновой обработке, а также сотые и тысячные доли миллиметра при чистовой обработке. Пластичные металлы подвергаются большему упрочнению, чем твердые (рис. 1.11,б).

Рис. 1.13. Распределение теплоты резания в зависимости от скорости резания

Рис. 1.12. Источники образования и распространения теплоты резания

Наклеп обработанной поверхности можно рассматривать как благоприятное явление, если возникающие остаточные напряжения являются сжимающими. Однако наклеп, полученный при черновой обработке, отрицательно влияет на резание при последующей чистовой обработке, когда срезаются тонкие стружки (развертывание, протягивание). В этом случае инструмент обрабатывает поверхность повышенной твердости, что приводит к его быстрому затуплению, а шероховатость поверхности увеличивается.

Тепловые явления при резании. Резание сопровождается образованием теплоты. Количество теплоты Q (Дж/мин), выделяющейся в единицу времени, Q ≈ Р_zv.

Причинами образования теплоты являются упруго-пластическое деформирование в зоне стружкообразования, трение стружки о переднюю поверхность лезвия инструмента, трение задних поверхностей лезвия инструмента о поверхность резания и обработанную поверхность заготовки (рис. 1.12).

Тепловой баланс процесса резания можно представить тождеством Q = Q_д + + Q_n.._п + Q₃. _п = Q_с + Q₃ + Q_и + Q_л, где Q_д — количество теплоты, выделяющейся при упругопластическом дефор»мировании обрабатываемого материала, Дж; Q_n. _п — количество теплоты, выделяющейся при трении стружки о переднюю поверхность лезвия инструмента, Дж; Q₃. _п — количество теплоты, выделяющейся при трении задних поверхностей лезвия инструмента о заготовку, Дж; Q_c — количество теплоты, отводимое стружкой, Дж; Q₃ — количество теплоты, отводимое заготовкой, Дж; Q_и — количество теплоты, отводимое режущим инструментом, Дж; Q_л — количество теплоты, переходящее в окружающую среду (теплота лучеиспускания), Дж. В зависимости от технологического метода и условий обработки стружкой отводится 25—85% всей выделившейся теплоты, заготовкой — 10—50%, инструментом — 2—8%. Количественное распределение теплоты зависит главным образом от скорости резания (рис. 1.13).

Теплообразование отрицательно влияет на процесс резания. Нагрев инструмента до высоких температур (800—1000 °С) вызывает структурные превращения в материале, из которого он изготовлен, снижение твердости инструмента и потерю его режущих способностей.

Нагрев инструмента вызывает изменение его геометрических размеров, что влияет на отклонение размеров и формы обработанных поверхностей. Например, при обтачивании цилиндрической поверхности на токарно-винторезном станке удлинение резца при повышении его температуры изменяет глубину резания, и обработанная поверхность может получиться конусообразной. Нагрев заготовки вызывает изменение ее размеров. Вследствие жесткого закрепления на станке заготовка начинает деформироваться. Температурные деформации инструмента, приспособлений, заготовки и станка изменяют глубину резания и снижают точность формы и размеров ее поверхности. Отклонение формы обработанных поверхностей возрастает в связи с тем, что температурное поле переменно по объему заготовки (рис. 1.14, а). После охлаждения у заготовки происходит дополнительное отклонение формы обработанной поверхности (рис. 1.14, б). Температурные погрешности, влияющие на отклонение формы и размеров обрабатываемой заготовки, следует учитывать при наладке станков, особенно автоматов и полуавтоматов. Для определения погрешностей необходимо знать температуру инструмента и заготовки или количество теплоты, переходящее в них (см. рис. 1.13).

Рис. 1.14. Влияние нагрева на заготовку:

а - Температурное поле заготовки; б — форма заготовки после обработки

Выделяющаяся теплота отрицательно влияет на чистоту среды в цехе и работу систем ЧПУ станков. Поэтому в механообрабатывающих цехах принимают меры по устранению отрицательного влияния теплоты на работу систем ЧПУ: обработку заготовок осуществляют, используя обильное охлаждение смазочно-охлаждающими жидкостями, применяют системы приточно-вытяжной вентиляции и системы кондиционирования воздуха, системы ЧПУ изолируют в специальных помещениях.

Для уменьшения отрицательного влияния теплоты па резание обработку следует вести с применением смазочно-охлаждающих средств. В зависимости от технологического метода обработки, физико-механических свойств материалов обрабатываемой заготовки и режущего инструмента, а также от режима резания применяют различные смазочно-охлаждающие средства, которые можно разделить на следующие группы:

жидкости: водные растворы солей, эмульсии, растворы мыл; минеральные, животные и растительные масла; минеральные масла с добавлением фосфора, серы, хлора (сульфофрезолы); керосин и растворы поверхностно-активных веществ в керосине; масла и эмульсия с добавлением смазывающих веществ графита, парафина, воска;

газы и газообразные вещества: газы С0₂, СС1₄, N₂; пары поверхностно-активных веществ; распыленные жидкости (туман) и пены;

твердые вещества: порошки воска, парафина, петролатума, битума; мыльные порошки.

Чаще всего при обработке резанием применяют смазочно-охлаждающие жидкости. Обладая смазывающими свойствами, жидкости снижают внешнее трение стружки о переднюю поверхность лезвия инструмента и задних поверхностей лезвия инструмента о заготовку. Одновременно снижается работа деформирования. Общее количество теплоты, выделяющейся при резании, уменьшается. Смазочно-охлаждающие средства отводят теплоту во внешнюю среду, охлаждая тем самым режущий инструмент, деформируемый слой и обработанную поверхность заготовки. Интенсивный отвод теплоты снижает общую тепловую напряженность резания. Смазывающее действие сред препятствует образованию налипов металла на поверхностях лезвия инструмента, в результате чего снижается шероховатость обработанных поверхностей заготовки. Указанные положительные свойства смазочно-охлаждающих сред приводят к тому, что эффективная мощность резания уменьшается на 10—15%; стойкость режущего инструмента возрастает, обработанные поверхности заготовок имеют меньшую шероховатость и большую точность, чем при обработке без применения смазочно-охлаждающих средств.

При черновой и получистовой обработке, когда необходимо иметь сильное охлаждающее действие, широко применяют водные эмульсии, состоящие из воды, масла, антикоррозионных и других веществ. Количество эмульсии, используемой в процессе резания, зависит от метода обработки и режима резания и составляет 5—150 л/мин. Увеличивать подачу жидкости следует при работе инструментов с пластинками твердого сплава, что способствует их равномерному охлаждению и предохранению от растрескивания. При чистовой обработке, когда требуется получить высокое качество обработанной поверхности, используют различные масла. Для активизации смазочных веществ к ним добавляют активные вещества — фосфор, серу, хлор. Под влиянием высоких температур и давлений эти вещества образуют с материалом контактирующих поверхностей соединения, снижающие трение, — фосфиды, хлориды, сульфиды. При обработке заготовок из хрупких материалов (чугунов, бронз), когда образуется элементная стружка, для охлаждения применяют сжатый воздух, углекислоту.

Смазочно-охлаждающие средства по-разному подают в зону резания. Наиболее распространенным способом подачи жидкости в зону резания является ее подвод через узкое сопло на переднюю поверхность лезвия инструмента под давлением 0,05—0,2 МПа. Более эффективным является высоконапорное охлаждение. В этом случае жидкость подают тонкой струей, с большой скоростью, под давлением 1,5—2,0 МПа со стороны задних поверхностей лезвия инструмента. Весьма эффективным методом является охлаждение распыленной жидкостью — туманом, который подают со стороны задних поверхностей лезвия инструмента. В тех случаях, когда охлаждение режущего инструмента затруднено, жидкость подводят непосредственно в зону резания через полый режущий инструмент. Такой способ подачи жидкости в зону резания применяют, например, при сверлении глубоких отверстий. Кроме того, охлаждение режущего инструмента можно осуществлять циркуляцией охлаждающей жидкости по каналам в присоединительных частях инструментов.

Износ и стойкость инструмента. Трение между стружкой и передней поверхностью лезвия инструмента и между главной задней поверхностью лезвия и поверхностью резания заготовки приводит к изнашиванию режущего инструмента. В условиях сухого и полусухого трения преобладает абразивное изнашивание инструмента. Высокие температуры и контактные давления вызывают следующие виды изнашивания: окислительное — разрушение поверхностных оксидных пленок; адгезионное — вырыв частиц материала инструмента материалом стружки или заготовки вследствие молекулярного сцепления их; термическое — структурные превращения в материале инструмента.

Рис. 1.15. Износ резца (а) и изменение размеров резца и заготовки в результате износа (б)

Рассмотрим общий характер изнашивания режущего инструмента на примере токарного резца (рис. 1.15, а). При изнашивании резца на передней поверхности лезвия образуется лунка шириной b, а на главной задней поверхности лезвия — ленточка шириной h. У инструментов из разных материалов и при различных режимах резания преобладает износ по передней или по главной задней поверхности лезвия. При одновременном изнашивании по этим поверхностям лезвия образуется перемычка f.

Износ резца по главной задней поверхности лезвия в процессе обработки влияет на глубину резания, так как уменьшается вылет резца на величину u = l – l_и (рис. 1.15, б). Износ резца пропорционален времени обработки, поэтому по мере роста u глубина резания t уменьшается. Обработанная поверхность получается конусообразной с наибольшим диаметром D_u и наименьшим D. Приближенно износ резца по главной задней поверхности u = h tg α.

Допустимое значение износа называют критерием износа. За критерий износа принимают в большинстве случаев износ h инструмента по главной задней поверхности лезвия. Для токарных резцов из быстрорежущей стали h = 1,5...2 мм, для резцов с пластинками твердого сплава h = 0,8...1 мм, а с минералокерамическими пластинками h = 0,5...0,8 мм.

Допустимый износ токарного резца по главной задней поверхности лезвия можно определить по эмпирической формуле h — C_hvⁿ_hS^x_ht^y_h, где C_h — коэффициент, учитывающий физико-механические свойства обрабатываемого материала и условия обработки (указан в справочниках, так же как и значение показателей степени n_h, x_h, y_h). Допустимый износ инструмента соответствует определенному периоду стойкости.

Под периодом стойкости инструмента Т понимают суммарное время (в минутах) его работы между повторными заточками при определенном режиме резания. Период стойкости токарных резцов, режущая часть которых изготовлена из разных инструментальных материалов, составляет 30—90 мин. Период стойкости инструмента зависит от физико-механических свойств материала инструмента и обрабатываемой заготовки, режима резания, геометрических параметров инструмента и условий обработки. Наибольшее влияние на стойкость оказывает скорость резания.

Между величинами v и Т при определенных условиях обработки существует зависимость или v = С/Т^m, где С — постоянная величина; m — показатель относительной стойкости; для резцов m = 0,1...0,3.

Так как m мал, то период стойкости резцов резко падает даже при незначительном росте скорости резания, поэтому обработку всегда следует вести на расчетной скорости (см. подразд. 1.6.). Это условие легко выполнимо на станках с бесступенчатым регулированием частоты вращения шпинделя. На станках со ступенчатым регулированием частоты вращения шпинделя обработку следует вести на ближайшей меньшей к расчетной частоте вращения заготовки. В этом случае произойдет небольшое уменьшение скорости резания, но период стойкости инструмента будет больше принятого. Это уменьшит время на смену затупившегося инструмента, но, как правило, не снизит производительность. Износ режущего инструмента приводит не только к увеличению отклонений размеров и формы обработанных поверхностей. При обработке затупившимся инструментом увеличивается сила резания. Соответственно увеличиваются составляющие силы резания, что вызывает интенсивное деформирование заготовки и инструмента и еще более увеличивает отклонения размеров и формы обработанных поверхностей заготовок. В этих условиях также увеличиваются глубина наклепанного поверхностного слоя материала заготовки и силы трения между заготовкой и инструментом, что, в свою очередь, увеличивает теплообразование в процессе резания.

Рис. 1.16. Схема автоматической подналадки плоскошлифовального станка для уменьшения влияния износа на точность обработки

При обработке на настроенных станках износ инструментов приводит к рассеянию размеров обработанных поверхностей заготовок, что снижает качество сборки деталей при условии соблюдения взаимозаменяемости деталей. Уменьшить влияние размерного износа на точность обработки можно периодической подналадкой станка в течение периода стойкости инструмента. Рассмотрим автоматическую подналадку карусельного плоскошлифовального станка (рис. 1.16). Шлифовальный круг 1 обрабатывает заготовки 5 в заданный размер по высоте за один рабочий ход. Перед удалением с вращающегося электромагнитного стола 6 заготовки проходят под измерительным щупом 4. Если вследствие износа шлифовального круга он не срезал весь припуск и деталь имеет размер по высоте больше допустимого, то щуп 4 замыкает контактную электрическую систему 3. Сигнал передается на привод 2, и шлифовальный круг опускается вниз на определенное расстояние, что восстанавливает точность размеров заготовок по высоте.

Применение автоматических подналадчиков в значительной степени уменьшает влияние износа режущего инструмента на отклонение размеров и формы поверхностей заготовок, обрабатываемых на токарных, фрезерных, шлифовальных и других станках.

В металлорежущих станках с системами программного управления износ режущего инструмента может компенсироваться в процессе обработки партии заготовок специально предусматриваемыми для этой цели блоками систем обратной связи. Когда износ режущего инструмента приводит к тому, что размер обработанной поверхности заготовки выходит за пределы допуска, датчики системы активного контроля подают сигналы в систему коррекции, и в программу обработки заготовки вносится соответствующая поправка на перемещение инструмента в определенном направлении.

В системах с ЧПУ с инструментальными магазинами при изнашивании инструментов или переходе на обработку другого типа заготовок можно целиком заменять весь магазин. Низкая стойкость инструментов вызывает дополнительную нагрузку на инструментальные магазины, дополнительный рост вспомогательного времени, что снижает производительность работы станков с ЧПУ и ГПС. На станках с ЧПУ и в условиях обработки заготовок с ГПС для повышения периода стойкости инструментов широко используют повторно незатачиваемые пластины из сверхтвердых и керамических материалов.

Влияние вибраций на качество обработки. При обработке заготовок на станках иногда возникают периодические колебательные движения (вибрации) элементов системы станок—приспособление—инструмент—заготовка. В этих условиях резание теряет устойчивость.

Колебания инструмента относительно заготовки резко снижают качество обработанной поверхности: шероховатость возрастает; появляется волнистость; усиливается динамический характер силы резания, а нагрузки на движущиеся детали и сборочные единицы станка возрастают в десятки раз — особенно в условиях резонанса, когда частота собственных колебаний системы станок—приспособление—инструмент—заготовка совпадает с частотой колебаний, вызванных силами резания. Период стойкости инструмента, особенно с пластинками из твердых сплавов, при колебаниях резко падает. При появлении вибраций возникает шум, утомляюще действующий на окружающих людей, и производительность труда снижается.

При резании вынужденные колебания возникают под действием внешних периодических возмущающих сил вследствие прерывистости процесса резания, неуравновешенности вращающихся масс, погрешностей изготовления и сборки передач. Вынужденные колебания устраняют, уменьшив возмущающие силы и повысив жесткость частей станка.

Автоколебания (незатухающие самоподдерживающиеся колебания) происходят вследствие того, что в процессе резания возникают силы, вызывающие колебательный процесс системы. Причинами автоколебаний системы станок—приспособление—инструмент—заготовка в процессе резания являются] изменения сил резания и трения на рабочих поверхностях инструмента, а также площади сечения среза металла; образование и срывы наростов; упругие деформации заготовки и инструмента. Автоколебания могут быть низкочастотными (f == 50...500 Гц) и высокочастотными (f = 800...6000 Гц). Первые на обработанной поверхности заготовок вызывают волнистость, вторые — мелкую рябь. Возникновение автоколебаний можно устранить, изменяя режимы резания и геометрические параметры инструмента, правильно устанавливая заготовку и инструмент на станке, а также обрабатывая заготовки при больших скоростях резания.

Для уменьшения автоколебаний повышают жесткость системы станок—приспособление—инструмент—заготовка, главным образом станка и режущего инструмента; уменьшают массы колебательных систем, особенно массу обрабатываемой заготовки; применяют виброгасители. Для гашения автоколебаний используют динамические, упругие, гидравлические и другие виброгасители.

Однако возникающие при обработке вибрации можно использовать так, чтобы они положительно влияли на резание и качество обработанных поверхностей. Например, для облегчения резания заготовок из труднообрабатываемых материалов иногда применяют вибрации. Сущность вибрационного резания состоит в том, что в отличие от вынужденных колебаний и автоколебаний системы в процессе обработки создают искусственные колебания {вибрации) инструмента с регулируемой частотой, заданной амплитудой и в заданном направлении. Источниками искусственных колебаний служат механические вибраторы или высокочастотные генераторы. Частоту колебаний задают от 200 до 20 000 Гц, амплитуду колебаний — от 0,02 до 0,002 мм. Выбор оптимальных амплитуды и частоты колебаний зависит от метода обработки и режима резания. Колебания задают по направлению движения подачи или по направлению главного движения резания.

Вибрационное резание по сравнению с обычным имеет следующие преимущества: обеспечивает устойчивое дробление стружки на отдельные элементы, снижает сопротивление металла деформированию и эффективную мощность резания. При вибрационном резании не образуются нарост на режущем инструменте и заусенцы на обработанной поверхности, однако в некоторых случаях период стойкости инструмента несколько снижается. Вибрационное резание применяют при точении, сверлении, нарезании резьбы плашками и метчиками, шлифовании, фрезеровании и других методах обработки.