ГЛАВА ВТОРАЯ
ПРОЦЕСС РЕЗАНИЯ ПРИ ТОЧЕНИИ
I. ЭЛЕМЕНТЫ РЕЗАНИЯ ПРИ ТОЧЕНИИ
Скоростью резания при точении называется длина пути, который проходит в одну минуту точка обрабатываемой поверхности детали.
Скорость резания измеряется в метрах в минуту, обозначается буквой v и определяется по формуле
где v — скорость резания в м/мин
Л — 3,14;
D — диаметр обрабатываемой поверхности детали в мм;
n — число оборотов детали в минуту.
Пример. Определить скорость резания, если диаметр обрабатываемой поверхности детали равен 50 мм и деталь делает 300об/мин. По формуле (3)
Для определения приближенного значения скорости резания по данным диаметру детали и числу ее оборотов в минуту можно пользоваться формулой
По данным вышеприведенного примера, применяя формулу (4), находим:
Значения величины скорости резания, вычисленные по формулам (3) и (4), после округления получаются или одинаковыми или несущественно отличающимися.
Число оборотов детали при данных диаметре и скорости резания находится по формуле
Значение букв в этой формуле см. выше.
Пример. Определить число оборотов в минуту, которое делает деталь при скорости резания, равной 47 м/мин, если диаметр обрабатываемой поверхности равен 50 мм.
В данном случае v = 47 м/мин и D = 50 мм. Поэтому по формуле (5)
Приближенное значение числа оборотов детали по данным скорости резания и диаметру обрабатываемой поверхности определяется по формуле
Для определения п при некоторых значениях D и v можно пользоваться таблицей, помещенной на стр. 491 и след.
По найденному п устанавливается ближайшее к нему число оборотов шпинделя в минуту, осуществимое на данном станке.
Глубиной резания называется расстояние между обрабатываемой и обработанной поверхностями, перпендикулярное к последней (фиг. 3).
Глубина резания измеряется в миллиметрах и обозначается буквой t.
Подачей называется величина перемещения резца при вспомогательном движении за один оборот обрабатываемой детали (фиг. 3).
Подача измеряется в миллиметрах на один оборот детали и обозначается буквой s.
3. СРЕЗ, ЕГО ШИРИНА, ТОЛЩИНА И ПЛОЩАДЬ
Вследствие деформации1, происходящей в процессе образования стружки, ширина и особенно толщина ее получаются больше размеров b и а на фиг. 3. Длина стружки оказывается меньше соответственного размера обработанного участка поверхности детали. 2 Поэтому площадь, заштрихованная на фиг. 3 и называемая срезом, не отражает поперечного сечения стружки, снимаемой в этом случае.
1 Деформация — изменение формы и размеров тела под влиянием приложенных к нему внешних сил.
2 Подробнее об этом см. ниже, стр. 49.
Срезом называется поперечное сечение слоя металла, снимаемого при данной глубине резания и подаче. Размеры среза характеризуются его шириной и толщиной.
Шириной среза называется расстояние между крайними точками работающей части режущей кромки резца. Ширина среза измеряется в миллиметрах и обозначается буквой b.
Толщиной среза называется расстояние между положениями режущей кромки резца до и после одного оборота детали, измеренное по перпендикуляру к режущей кромке. Толщина среза измеряется в миллиметрах и обозначается буквой а.
Четырехугольник, заштрихованный на фиг. 3, изображает площадь среза.
Площадь среза равна произведению глубины резания на подачу.
Площадь среза измеряется в мм2, обозначается буквой f и определяется по формуле
f=t*s мм2, (7)
где f — площадь среза в мм2; t — глубина резания в мм; s — подача на один оборот в мм.
4. ЭЛЕМЕНТЫ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ ПРИ РАСТАЧИВАНИИ, ПОДРЕЗАНИИ ТОРЦОВ И ОТРЕЗАНИИ
Все эти элементы показаны на фиг. 4. Заштрихованные площадки — сечения среза.
11. ОБРАЗОВАНИЕ СТРУЖКИ И ЯВЛЕНИЯ ЕГО СОПРОВОЖДАЮЩИЕ
Процесс образования стружки при резании металлов впервые исследовал в 1870 г. русский ученый, проф. И. А. Тиме.
Он установил, что каждый элемент rlm стружки (фиг. 5), образующийся при обработке резцом R стали, отделяется от основной массы металла по плоскости, условно показанной на фиг. 5 линией РР и называемой плоскостью скалывания.
По данным опытов И. А. Тиме, величина угла А, образуемого плоскостью скалывания с направлением движения резца, лишь незначительно зависит от величины угла резания q и изменяется в весьма узких пределах — от 145 до 155°.
Продолживший работу И. А. Тиме и углубивший ее результаты русский исследователь Я. Г. Усачев доказал, что при резании вязких, но твердых материалов, например твердой стали и стали средней твердости, кроме
скалывания элементов стружки, происходят еще сдвиги частиц металла в каждом элементе по плоскостям NN (фиг. 6). Направление этих сдвигов составляет с плоскостью скалывания угол от 0 до 30°, в зависимости от вязкости металла: чем вязче металл, тем ближе этот угол к 30°, и наоборот.
Я. Г. Усачев установил также, что при резании более мягкой и вязкой стали перемещения частиц стружки происходят лишь по плоскостям, параллельным плоскости NN,
В результате указанных особенностей процесса резания вязких материалов образуется стружка скалывания. В зависимости от механических свойств обрабатываемого металла и некоторых других факторов процесса резания стружка скалывания бывает трех видов: элементной, ступенчатой или сливной.
Элементная стружка образуется при обработке материалов малой вязкости, но твердых. Элементы этой стружки сразу же после образования отделяются один от другого (фиг. 7, а) или сохраняют между собой слабую связь.
Ступенчатая стружка получается при обработке материалов средней твердости со средней скоростью резания, причем элементы ее сохраняют между собой более или менее прочную связь (фиг. 7, б). Поверхность этой стружки, соприкасающаяся с передней поверхностью резца, получается гладкой, а противоположная ей — ступенчатой.
Сливная стружка (фиг. 7, в), образующаяся при резании вязких и мягких материалов (мягкая сталь, латунь) с высокой скоростью резания, имеет вид завивающейся ленты. Поверхность такой ленты, скользящая по передней поверхности резца, получается гладкой, а противоположная ей — шероховатой, иногда с едва видимыми, но в некоторых случаях с вполне заметными сдвигами элементов, характерными для ступенчатой стружки скалывания.
Вид стружки зависит не только от обрабатываемого металла, но и от других условий процесса резания. Так, например, при точении стали средней твердости резцом с большим углом резания может образоваться не сливная, а элементная стружка. При повышении скорости резания элементы стружки не успевают настолько деформироваться, чтобы отделиться один от другого, вследствие чего вместо элементной может получиться сливная стружка.
Стружка надлома (фиг. 7, г) образуется иначе. Вследствие хрупкости металла (чугун, бронза), разрушение его в процессе отделения стружки происходит без заметной пластической деформации. Элементы стружки, в этом случае отделяющиеся от основной массы металла по произвольной поверхности, имеют различную величину и форму.
2. НАРОСТ И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА ПРОЦЕСС РЕЗАНИЯ
Явление нароста, образующегося при резании вязких металлов, установленное и объясненное русским ученым Я. Г. Усачевым, состоит в следующем. При скольжении стружки по передней поверхности резца возни-
кают силы трения, задерживающие ее движение. Вследствие этого деформации в слоях металла, расположенных ближе к передней поверхности, увеличиваются. Частицы металла этих слоев отделяются от непрерывно движущихся слоев стружки и прилипают (привариваются) к передней поверхности резца (фиг. 8, а). Большое давление резания способствует упрочнению металла нароста. С течением времени нарост увеличивается (за счет наращивания новых слоев металла), причем часть нароста нависает над задней поверхностью резца (фиг. 8, б). В некоторый момент эта часть нароста отрывается от его основной массы и, попадая между задней поверхностью резца и обработанной поверхностью (фиг. 8, в), вдавливается в последнюю (фиг. 8, г).
Частицы нароста, оставшиеся на передней поверхности, также отрываются от резца и уносятся со стружкой (фиг. 8, д). Такие срывы нароста происходят быстро один за другим (70-80 срывов в секунду), что объясняется, по-видимому, вибрациями, возникающими в процессе резания.
При малых скоростях резания (до 5 м/мин) нарост не образуется. Это объясняется тем, что при таких скоростях температура резания получается низкой и недостаточной для приваривания частиц стружки к передней поверхности резца.
При увеличении скорости резания до 10-20 м/мин температура резания получается достаточной для образования нароста, и именно при таких температурах имеет место наибольшая высота нароста. При более высоких скоростях резания (до 60-80 м/мин) стали средней твердости происходит более или менее заметное образование нароста. При скорости свыше 60-80 м/мин нарост наблюдается реже, а при еще более высоких скоростях он совсем не заметен.
Нарост обладает повышенной твердостью и поэтому может резать обрабатываемый материал, защищая режущую кромку от непосредственного воздействия стружки. В этом случае соприкосновение стружки с резцом происходит на площадке передней поверхности его, удаленной от режущей кромки, что улучшает поглощение резцом теплоты резания. С образованием нароста увеличивается передний угол резца, что способствует уменьшению сопротивления металла резанию. Все это создает более благоприятные условия резания при черновых работах.
При чистовых работах нарост вреден: сорвавшиеся и вдавленные в обработанную поверхность частицы нароста (фиг. 8, г) образуют неровности, недопустимые при чистовой обработке деталей. Полезное в данном случае уменьшение образования нароста достигается повышением скорости резания, применением смазочно-охлаждающей жидкости и улучшением путем доводки чистоты передней поверхности резца.
В результате пластической деформации срезаемой стружки длина ее получается меньше длины пути, пройденного резцом по поверхности резания. Это уменьшение длины стружки называется усадкой. Одновременно с усадкой происходит изменение формы, а также увеличение размеров поперечного сечения срезанного слоя, называемое разбуханием стружки. Ширина стружки получается почти равной ширине среза (немного больше), а толщина значительно превышает толщину среза.
В зависимости от условий обработки величина усадки получается различной.
При обработке хрупких материалов (чугуна, твердой бронзы и т. д.), при резании которых получается стружка надлома, усадка ее весьма мала, что объясняется слабым сопротивлением металла резанию в сравнении с сопротивлением его сжатию.
Значительно больше усадка стружки при обработке стали. Здесь в отдельных случаях стружка получается в 4-5 и более раз короче пути, пройденного резцом.
Чем больше передний угол резца, тем меньше усадка стружки, так как с увеличением переднего угла резца уменьшается его угол заострения. Внедрение более «острого» резца в металл происходит при меньшем сопротивлении последнего, что и обусловливает меньшую деформацию стружки.
С увеличением радиуса закругления вершины резца усадка стружки возрастает. Причина возрастания в том, что деформация стружки в зоне криволинейного участка режущей кромки резца сложнее, чем при прямолинейной кромке.
Чем больше скорость резания, тем меньше усадка стружки, так как при более высокой скорости резания элементы стружки «не успевают» деформироваться в такой степени, в какой это происходит при сравнительно низкой скорости.
Нарост, образующийся на передней поверхности резца во время его работы, существенно влияет на усадку стружки. При малых скоростях резания, когда нароста не бывает, усадка стружки получается наибольшей. При повышении скорости резания начинается образование нароста, передний угол резца увеличивается, усадка стружки уменьшается. При дальнейшем повышении скорости резания нарост убывает, действительный передний угол резца уменьшается, усадка стружки увеличивается до тех пор пока нарост не исчезнет полностью. С последующим увеличением скорости резания усадка стружки снова уменьшается. В этом случае, при отсутствии нароста, на процесс усадки стружки основное влияние оказывает скорость резания.
В процессе резания пластическая деформация происходит не только в срезаемом слое, но и в поверхностном слое основной массы металла. Глубина распространения деформации от поверхности резания и от обработанной поверхности зависит от ряда факторов и может достигать сотых долей миллиметра, а в отдельных случаях даже целых миллиметров.
Пластическое деформирование вызывает упрочнение металла, его наклеп. Твердость наклепанного слоя в ряде случаев может значительно превышать твердость недеформированного металла.
Чем мягче обрабатываемый металл, тем большему наклепу он подвергается. При резании стали наклепанный слой может быть в 3-4 раза тверже основного металла. Чугун упрочняется значительно меньше стали, как по величине твердости, так и по глубине распространения. Чем больше угол резания, радиус закругления вершины резца и подача, тем больше наклеп. При увеличении скорости резания с некоторого ее значения наклеп уменьшается.
Наклеп обработанной поверхности детали повышает ее износостойкость. Но с другой стороны, значительное увеличение твердости поверхности может иногда вызвать затруднения при дальнейшей ее обработке.
III. СИЛЫ РЕЗАНИЯ ПРИ ТОЧЕНИИ
В результате сопротивления срезаемого слоя металла деформации сжатия, трения стружки о переднюю поверхность резца и некоторых других причин возникает сила резания.
При работе токарного резца (фиг. 9) эта сила разлагается на три составляющие: собственно силу резания Рz, силу подачи Рх и радиальную силу Ру. Сила резания Рг касательна к поверхности резания, действует в направлении главного движения. Сила подачи Рх действует в направлении подачи. Радиальная сила Ру перпендикулярна к первым двум.
Все эти три силы измеряются в килограмм-силах (кгс).
Важное значение имеет сила Pz, так как при умножении ее на радиус обрабатываемой детали получают величину, называемую крутящим моментом по которому можно судить о том, насколько нагружен станок. При умножении силы Pz на скорость резания находят потребляемую станком мощность.
Если силу Pz принять за единицу, то можно считать, что сила Рх при достаточно остром резце изменяется в пределах от 1/8 до 1/4 величины силы Pz, а сила Ру — от 1/3 до 1/2 той же величины.
2. ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА СИЛУ РЕЗАНИЯ
На величину силы резания Pz влияют обрабатываемый материал, площадь сечения среза и его форма, углы резца, скорость резания, охлаждение и ряд других менее существенных факторов.
Влияние на силу резания обрабатываемого материала видно из следующего сопоставления: сила резания при обработке стали средней твердости (qвр ~ 70 кгс/мм2) примерно в 2,2 раза больше, чем при резании чугуна средней твердости (НВ 170). Сила резания при обработке самой мягкой стали значительно меньше силы резания при обработке твердой стали. При обработке чугуна различной твердости эта разница не так велика.
С увеличением площади сечения среза сила резания возрастает. Если при этом увеличение сечения среза происходит за счет увеличения глубины, то сила резания возрастает пропорционально глубине резания, а при увеличении подачи — несколько медленнее.
С уменьшением переднего угла резца сила резания возрастает, так как при этом увеличивается его угол заострения.
При увеличении главного угла в плане примерно до 50-55° сила резания уменьшается, после чего, при дальнейшем увеличении этого угла, сила резания возрастает. Эти изменения силы резания, вызываемые изменением главного угла в плане, незначительны и при практических расчетах ими можно пренебрегать.
При увеличении радиуса закругления вершины резца сила резания возрастает, но незначительно, что позволяет при практических расчетах не учитывать влияния радиуса закругления на процесс резания.
Затупление резца вызывает увеличение силы резания. Так, при затуплении резца, характеризуемом износом по задней поверхности, равным 2 мм, сила резания возрастает примерно на 10%. При износе его по задней поверхности до 4 мм сила резания увеличивается на 20%.
Влияние на силу резания скорости резания связано с процессом наросто-образования. Начиная со скорости резания 3-5 м/мин сила Рz уменьшается, так как с появлением примерно в этот момент нароста уменьшается угол резания. При увеличении скорости резания примерно до 20 м/мин, когда высота нароста достигает наибольшего значения, величина силы резания будет наименьшей.
При дальнейшем увеличении скорости резания наростообразование уменьшается, угол резания увеличивается, поэтому увеличивается и сила Pz. С прекращением наростообразования, что происходит при высоких скоростях резания, сила резания остается практически неизменной. Некоторое уменьшение силы резания при высокой скорости может быть объяснено тем, что сила трения стружки о переднюю поверхность резца, в особенности доведенного, меньше силы трения стружки о поверхность нароста.
Применение при резании смазочно-охлаждающих жидкостей понижает силу резания. При этом, чем выше смазывающая способность жидкости, тем значительнее уменьшение силы резания.
Кроме перечисленных факторов, на силу резания влияют вспомогательный угол в плане, угол наклона главной режущей кромки, главный задний угол и др. Однако влияние их незначительно, и в производственных условиях его можно не учитывать.
При приближенных подсчетах величину силы резания можно находить по формуле
где Рz — сила резания в кгс;
K1 — коэффициент, зависящий от обрабатываемого материала, берется по таблице, приведенной ниже;
t — глубина резания в мм;
s — подача в мм/об.
Значения K1 в формуле (8)
Обрабатываемый материал — сталь
Обрабатываемый материал — чугун
Более точное значение силы резания определяется по формуле
где Рz — сила резания в кгс;
К2 — коэффициент, зависящий от обрабатываемого материала и материала резца;
t — глубина резания в мм;
s — подача в мм/об;
т и п — показатели степеней.
Значения K2, т и п для некоторых обрабатываемых материалов при наружном продольном обтачивании приведены ниже.
Значения tm и sn при некоторых t, tn, s, и п указаны в таблицах на стр. 53 и 54.
Значения К2, tn и п в формуле (9)
Значения tm в формуле (9)
Значения sn в формуле (9)
4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА И МОЩНОСТИ ПРИ ТОЧЕНИИ
Крутящим моментом называется произведение силы, приложенной к какому-либо валу, шкиву и т. п., на расстояние от оси вала до точки приложения данной силы.
Крутящий момент выражается в килограмм-сила метрах и обозначается буквой M.
Применительно к точению крутящий момент определяется по формуле
где Мд — крутящий момент на детали в кгс*м;
Pz — сила резания в кгс;
D — диаметр детали в мм.
Крутящий момент на детали не должен быть больше крутящего момента на шпинделе станка (обозначается Мш). Величина последнего зависит от мощности станка, числа оборотов шпинделя и коэффициента полезного действия станка при данном положении рукояток коробки скоростей. Очевидно также, что крутящий момент на детали не должен быть больше крутящего момента, допускаемого наиболее слабым звеном привода станка (шестерни, коробки скоростей, фрикционной муфты). Величины значений допустимых крутящих моментов на шпинделе станка указываются в его паспорте.
Мощность, затрачиваемая при точении, определяется по формуле
или по формуле
где N — мощность, потребная на резание, в квт или л. с.;
Р2— сила резания в кгс;
v — скорость резания в м/мин;
n — коэффициент полезного действия (к. п. д.) станка. Для токарных станков со ступенчатым шкивом и перебором к. п. д. можно принимать равным 0,80 - 0,90, а для станков с коробкой скоростей — 0,70 - 0,80.
Пример. Определить мощность в квт, потребную при точении, если сила резания составляет 952 кгс, скорость резания 30 м/мин, а к. п. д. станка равен 0,75.
В данном случае Рz = 952 кгс, v = 30 м/мин и n = 0,75. Поэтому, по формуле (11)
Проверяя допустимую величину силы резания по мощности станка, следует убедиться и в том, не превосходит ли она (в особенности при затупившемся резце) наибольшее усилие, допускаемое механизмом подачи, указываемое в паспорте станка.
При решении вопросов, связанных с мощностью при точении, приходится иногда переводить мощность, выраженную в киловаттах, в мощность, выраженную в лошадиных силах, и обратно.
Необходимые для этого формулы приводятся ниже:
где Nквт — мощность в квт;
N л с — мощность в л. с.
Пример. Мощность, потребная для точения при данных условиях, составляет 3 квт, а мощность, указанная на табличке электромотора станка, —4,5 л. с. Достаточна ли эта мощность?
В данном случае Nквт — 3 квт.
Поэтому по формуле (14)
Итак, потребная мощность составляет 4,08 л. с., а мощность электромотора —4,5 л. с., т. е. она вполне достаточна для данного случая.
IV. СКОРОСТЬ РЕЗАНИЯ ПРИ ТОЧЕНИИ
Причинами образования теплоты резания являются:
1) работа, затрачиваемая на пластические деформации в срезаемом слое (стружке), а также в наружном слое обработанной поверхности (при образовании в этом слое наклепа);
2) работа, затрачиваемая на преодоление трения стружки о переднюю поверхность резца и задней поверхности его об обработанную поверхность.
В зависимости от условий резания главное значение имеет та или другая из указанных причин. При повышении скорости резания, когда пластическая деформация и затрачиваемая на нее работа уменьшаются, главное значение приобретает вторая причина.
При обработке, чугуна, т. е. сравнительно малопластичного металла, работа пластических деформаций меньше, чем при обработке стали, поэтому в данном случае главным источником образования теплоты является также работа трения. Наибольшее значение при этом имеет трение по задней поверхности резца, так как скольжение стружки надлома по передней поверхности резца, а следовательно, и трение стружки об эту поверхность незначительны.
Вся теплота резания распространяется от места образования в стружку, в резец, в обрабатываемую деталь и в окружающую среду. В среднем считается, что в стружку уходит 75-80% общего количества теплоты, в резец—15-20%, в деталь—4% и в окружающую среду (воздух)—1%.
Всякий резец в процессе работы затупляется вследствие истирающего действия стружки о переднюю поверхность резца и истирания задней поверхности резца о поверхность резания.
Большое влияние на затупление резца оказывает теплота резания, нагревающая резец, влияющая на понижение его твердости и сопротивляемости износу.
При обработке стали с большим сечением стружки быстрорежущим резцом с самого начала резания на передней поверхности резца образуется лунка, показанная на фиг. 10, а черным цветом в увеличенном для ясности виде. По мере дальнейшей работы резца ширина лунки увеличивается; одновременно с этим на задней поверхности резца, трущейся о поверхность резания, образуется ленточка износа, изображенная на фиг. 10, б также в увеличенном виде. В месте соединения лунки и ленточки происходит закругление режущей кромки (фиг. 10, в). О значении размера к износа резца см. стр. 185.
При обработке чугуна главное значение имеет износ по задней поверхности; заметных следов износа на передней поверхности резца, а тем более образования лунки обычно не наблюдается. Это объясняется тем, что стружка надлома, получающаяся при резании чугуна, не скользит по передней поверхности, и указанная выше причина образования лунки в данном случае отсутствует.
По мере износа резца по задней поверхности изменяется размер обрабатываемой детали и ухудшается чистота обработанной поверхности. Кроме того, при переточке чрезмерно затупившегося резца снимается много его материала' и затрачивается на это много времени.
Средние значения допустимых величин износа (размер h на фиг. 10, в), для основных типов резцов указаны в нижеприводимой таблице.
Средние величины допустимого износа токарных резцов в мм по задней поверхности
3. ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА СКОРОСТЬ РЕЗАНИЯ
Величина скорости резания, допускаемой резцом, зависит от стойкости резца, материала обрабатываемой детали, материала резца, его углов, формы и размеров, глубины резания и подачи, охлаждения и некоторых Других факторов.
Стойкость резца измеряется продолжительностью работы резца между двумя следующими одна за другой переточками.
При назначении стойкости резца следует принимать во внимание стоимость его материала и изготовления. Так, например, чем сложнее форма резца, тем больше должна быть его стойкость, следовательно, стойкость фасонного резца следует назначать больше стойкости проходного. Стойкость резца может быть значительно больше при обработке коротких участков детали, при работе на настроенных токарных станках и т. д.
Ввиду такого обилия разнообразных условий, влияющих на назначение стойкости резца, все существующие формулы и таблицы для назначения режимов резания при точении составлены исходя из условной стойкости для определенных условий работы. При других условиях скорости резания, найденные по формуле и таблице, следует исправлять, используя для этого соответствующие поправочные коэффициенты, приводимые обычно вслед за формулами и таблицами.
Стойкость резца при увеличении скорости резания быстро уменьшается. Так, например, если какой-либо быстрорежущий резец, работающий при скорости резания 15 м/мин, затупляется через 90 мин. после начала резания, то тот же резец при тех же глубине резания и подаче, но при скорости резания 18 м/мин затупится через 20 мин.
Физические свойства обрабатываемого материала существенно влияют на скорость резания, допускаемую резцом. Поэтому скорости резания, например, при обработке цветных сплавов значительно выше, чем при обработке легированных сталей.
Очень большое влияние на скорость резания оказывают механические свойства обрабатываемого металла. Чем тверже этот материал, тем с большим усилием от него отделяется стружка, тем больше сила трения стружки о переднюю поверхность резца. С увеличением силы трения возрастает количество теплоты, поступающей в резец, что, в свою очередь, ускоряет его износ.
Ступенчатая стружка, образующаяся при обработке сравнительно твердых сталей, давит на небольшой участок передней поверхности резца (фиг. 7, 6), вследствие чего теплота резания поступает главным образом в часть головки резца, близкую к его режущей кромке. Сливная стружка, получающаяся при точении мягких и вязких металлов опирается (фиг. 7, в) на довольно большой участок передней поверхности, что обеспечивает хорошее поглощение теплоты резания частью головки резца, удаленной от режущей кромки. Поэтому, в частности, скорость резания при обработке сравнительно мягкой стали может быть выше, чем при обработке твердой. Стружка надлома, образующаяся при обработке хрупких металлов, давит (фиг. 7, г) на переднюю поверхность резца у самой режущей кромки. В данном случае резец больше изнашивается от истирающего действия стружки, чем от действия теплоты, образующейся при резании. Это относится особенно к обработке корки чугунных деталей, т. е. поверхностного слоя отливки, в котором всегда имеются частицы песка, истирающие поверхность резца и затрудняющие отвод тепла.
Главнейшим свойством материала резца, влияющим на скорость резания, является его теплостойкость, т. е. способность сохранять необходимую твердость при нагреве.
Углы и другие элементы резца влияют на скорость резания следующим образом. При сравнительно небольшом угле резания стружка давит на переднюю поверхность резца с меньшей силой, чем при большом угле. Это способствует понижению теплоты резания и обеспечивает возможность повышения скорости резания. Но одновременно с уменьшением угла резания уменьшается и угол заострения резца, что, в свою очередь, приводит к понижению теплоотводящей способности резца и его прочности.
С уменьшением главного угла в плане скорость резания, допускаемая резцом, увеличивается. Это объясняется тем, что одновременно с уменьшением главного угла в плане (при неизменных глубине резания и подаче) увеличивается ширина стружки, вследствие чего происходит увеличение длины режущей кромки резца, участвующей в резании, и улучшается поглощение резцом теплоты резания. Однако с уменьшением главного угла в плане возрастает радиальная сила резания, что может вызвать вибрации, ускоряющие разрушение режущей кромки резца.
Увеличение радиуса закругления вершины резца способствует повышению скорости резания, так как повышает теплоотводящую способность резца. При радиусной форме передней поверхности резца скорость резания может быть несколько большей, чем при плоской; это объясняется тем, что в первом случае стружка деформируется меньше, чем во втором. Увеличение поперечного сечения резца способствует повышению допускаемой им скорости резания, так как одновременно с увеличением сечения резца возрастает его способность поглощать теплоту резания.
Изменение толщины и ширины стружки при неизменном ее поперечном сечении по-разному влияет на скорость резания. Так, при увеличении толщины стружки и соответственном уменьшении ее ширины, т. е. одновременно и длины режущей кромки, участвующей в резании, ухудшаются условия отвода теплоты резания резцом, его стойкость понижается. Наоборот, при увеличении ширины стружки в резании участвует большая длина режущей кромки резца, что повышает его стойкость.
Из сказанного очевидно, что для повышения скорости резания выгодно работать с тонкими и широкими стружками. Это может быть достигнуто без изменения сечения стружки уменьшением подачи и соответствующим увеличением глубины резания или уменьшением главного угла в плане. Первый способ ограничивается припуском на обработку, а второй — вибрациями, возникающими вследствие увеличения радиальной силы резания.
Правильное применение охлаждения резца обеспечивает повышение скорости резания.
Скорость резания зависит и от вида токарной обработки. При растачивании отверстий скорость резания должна быть меньше, чем при обработке наружных поверхностей. Это объясняется тем, что размер расточного резца определяется во многих случаях размерами растачиваемого отверстия. Поэтому сечение такого резца и размеры его головки получаются небольшими, с плохой теплопоглощающей способностью. Охлаждение расточного резца обычно затруднено. Скорости резания при обработке отверстий больших диаметров могут быть равны применяемым при обтачивании наружных поверхностей, так как сечение резца в этом случае может быть большим.
При поперечном обтачивании с подачей от наружной поверхности к центру скорость резания можно принимать большую, чем при наружном обтачивании детали. В данном случае по мере перемещения резца к центру детали скорость резания уменьшается. При отрезании скорости резания должны быть меньше, чем при наружном обтачивании, так как процесс стружкообразования здесь происходит в стесненных условиях.
V. СМАЗКА И ОХЛАЖДЕНИЕ ПРИ РЕЗАНИИ МЕТАЛЛОВ
1. ВЛИЯНИЕ СМАЗКИ И ОХЛАЖДЕНИЯ НА ПРОЦЕСС РЕЗАНИЯ
Производительность процесса резания повышается, а качество обработанной поверхности улучшается, если в зону стружкообразования непрерывно и в достаточном количестве поступает смазочно-охлаждающая жидкость.
Смазывающее действие этой жидкости заключается в том, что она, покрывая тонкой пленкой поверхности соприкосновения отходящей стружки и резца, а также резца и обработанной поверхности детали, уменьшает трение между ними.
Необходимо отметить, однако, что в связи с высокими давлениями на резец на его поверхности могут удерживаться только предельно тонкие слои жидкости, наиболее прочно связанные с металлом инструмента. Работами акад. П. А. Ребиндера и его сотрудников доказано, что такие пленки образуются при условии, если смазочно-охлаждающая жидкость содержит в себе в небольших количествах поверхностно-активные вещества 3.
Смазочно охлаждающая жидкость не только смазывает поверхности трения, но одновременно проникает в микроскопические трещины срезаемого слоя металла, расширяет и удлиняет их облегчая тем самым разрушение металла. Поверхностно-активные вещества содействуют также увеличению числа микротрещин во время деформации, что приводит к облегчению сдвига одних слоев по отношению к другим.
Смазочно-охлаждающие жидкости способствуют и уменьшению трения по задней поверхности резца, хотя проникновение жидкости на поверхность трения в данном случае более затруднено, чем при смазывании передней поверхности резца; тем не менее применение при резании смазочно-охлаждающей жидкости снижает интенсивность износа режущего инструмента.
Охлаждающее действие жидкостей заключается в поглощении ими тепла, образующегося при резании, охлаждении режущего инструмента и обрабатываемой детали, а также в усилении отвода тепла от поверхностей, нагревающихся от трения. Обильное охлаждение быстрорежущего резца дает возможность повысить скорость резания на 20-25% при обтачивании стали и на 10-15% при обработке чугуна. Этот эффект снижается при высоких скоростях резания.
2. СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИЕ ЖИДКОСТИ
Смазочно-охлаждающие жидкости, используемые при токарной обработке, их составы и области применения указаны в нижеприводимой таблице. Данные этой таблицы заимствованы из сборника «Охлаждающе-смазывающие жидкости, применяемые при холодной обработке металлов резанием. Руководящий технический материал РС-390-56 ВПТИ Ленсов-нархоза».
Поверхностно-активными веществами по отношению к какой-либо жидкости называют такие вещества, которые при введении их в жидкость уменьшают ее поверхностное натяжение. К таким веществам относятся стеариновая, олеиновая и другие кислоты и их соли.
Смазочно-охлаждающие жидкости, применяемые при токарной обработке
Продолжение
3. ПРИМЕНЕНИЕ СМАЗОЧНО-ОХЛАЖДАЮЩИХ ЖИДКОСТЕЙ
Смазочно-охлаждающая жидкость подается в зону резания обычно на стружку свободной струей со стороны передней поверхности резца. Расход жидкости должен быть не меньше 10-15 л/мин. При прерывистом поступлении жидкости возможно резкое охлаждение нагревшегося резца, что часто служит причиной его разрушения. Указанное явление часто происходит при работе с охлаждением твердосплавными инструментами. Именно поэтому при использовании таких резцов охлаждение применяется редко.
В последнее время находит себе применение так называемое высоконапорное охлаждение. В данном случае жидкость подается со стороны задней поверхности резца под давлением до 30 ати. Диаметр выходной части трубки, по которой поступает жидкость, не более 1 мм. Охлаждающее действие жидкости в этом случае в несколько раз интенсивнее, чем при безнапорном охлаждении, причем расход жидкости значительно уменьшается. Этот способ особенно эффективен при обтачивании быстрорежущими резцами труднообрабатываемых сталей. Поэтому он рассматривается подробнее в главе тринадцатой Справочника.
VI. ОБРАБОТКА ПРИ ВЫСОКИХ РЕЖИМАХ РЕЗАНИЯ
1. ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ ПРИ ВЫСОКОЙ СКОРОСТИ
По закону теплопередачи количество теплоты, протекающее через единицу поверхности соприкосновения двух тел с разными температурами, тем меньше, чем меньшее количество времени эти тела находились в соприкосновении. Поэтому каждая частица стружки тем меньше своей теплоты отдает резцу, чем больше скорость ее перемещения по передней поверхности резца, т. е. чем выше скорость резания. При увеличении скорости резания уменьшается и количество теплоты, переходящей из стружки в обрабатываемую деталь. Таким образом, в стружке, образовавшейся при более высокой скорости резания, остается теплоты больше, чем в стружке, образованной при сравнительно низкой скорости.
Вследствие этого при более высокой скорости резания температура в зоне стружкообразования повышается, что, в свою очередь, при обработке стали несколько понижает сопротивление последней деформированию. В результате, как показывает опыт, силы резания при более высоких скоростях резания оказываются даже несколько меньшими, чем при умеренных скоростях.
Несмотря на все сказанное выше о положительном значении повышения скорости резания, условия работы режущей кромки при этом тяжелее, чем при менее высокой скорости. В этом случае общее количество теплоты, поступившей в резец, вследствие более высокой скорости перемещения стружки по резцу (а следовательно и большего количества элементов стружки, отдавших резцу часть своей теплоты) будет больше, чем при сравнительно низкой скорости. Поэтому температура части резца, находящейся в сильно нагретой зоне, оказывается значительно более высокой, чем при умеренных скоростях.
Одним из способов повышения прочности и стойкости твердосплавных резцов, используемых в указанных условиях, является применение отрицательного переднего угла, при котором не происходит выкрашивания твердосплавной пластинки, ограничивающего использование твердосплавных резцов при обтачивании закаленных сталей и при работе с ударной нагрузкой (прерывистое точение с неравномерными припусками, при значительном биении детали и т. д.).
Резцы с отрицательным передним углом обладают следующими достоинствами:
1) при точении резцами с отрицательным передним углом (—у) направление действующих сил Р обусловливает сжатие (фиг. 11, а) и обеспе
чивает более благоприятные условия работы пластинки твердого сплава в сравнении с условиями работы резца с положительным (+ у) передним углом (фиг. 11, б);
2) при отрицательном переднем угле и одновременно с этим при положительном угле наклона режущей кромки (Ллямбда) вершина резца предохранена от ударов при обтачивании прерывистых поверхностей.
Наряду с достоинствами резцы с отрицательным передним углом имеют ряд существенных недостатком, а именно:
1) при точении резцами с отрицательным передним углом возрастает сила трения стружки о резец, вследствие чего увеличивается и потребная мощность. Поэтому при работе на недостаточно мощных станках приходится уменьшать скорость резания, а вместе с ней и производительность;
2) при работе рассматриваемыми резцами возрастает радиальная сила Ру, что приводит к искажению формы обрабатываемой детали (при ее недостаточной жесткости), вибрациям и т. д.
Поэтому резцы с отрицательным передним углом применяются лишь при обработке стали с повышенной и высокой прочностью (qвр > 80 кгс/мм4) при резании с ударной нагрузкой и при обработке заготовок с очень твердым поверхностным слоем. Следует отметить, что в последнее время стремятся и в таких случаях пользоваться резцами с положительным передним углом.
4 ОСОБЕННОСТИ ТОЧЕНИЯ С БОЛЬШИМИ ПОДАЧАМИ
Возможность повышения производительности обычного токарного станка за счет увеличения скорости резания часто ограничивается недостаточно большим предельным числом оборотов шпинделя. Повышение производительности станка путем увеличения подачи при обтачивании проходными резцами с обычной геометрией также часто ограничено. В этом случае шероховатость поверхности (гребешки) настолько возрастает, что часто оказывается необходимым последующее чистовое обтачивание детали с небольшой подачей; это, в свою очередь, сводит на нет повышение производительности, достигнутое работой с большой подачей при черновом обтачивании.
Повышение производительности при чистовом обтачивании посредством использования резца, установленного таким образом, что режущая кромка его параллельна направлению подачи или расположена под некоторым углом к ней (подробнее о таких резцах см. ниже, стр. 253), получается иногда весьма существенным. Но такие резцы могут работать без вибраций лишь при сравнительно небольших глубинах резания, что, очевидно. является фактором, снижающим производительность процесса резания.
Указанные выше ограничения не имеют места при использовании резца с дополнительной режущей кромкой, параллельной направлению подачи, т. е. при = 0. Такой резец предложен токарем-новатором В. А. Колесовым; пользуясь этим резцом можно совмещать черновое и чистовое обтачивание в одном проходе.
Резец конструкции В. А. Колесова имеет три режущие кромки (фиг. 12).
Первая режущая кромка А с углом в плане 45° выполняет работу обычного проходного резца; вторая режущая кромка В с углом в плане 20o является переходной; третья режущая кромка С с углом в плане 0°, т. е. параллельная направлению подачи, выполняет задачу чистового резца, используемого при больших подачах (см. ниже, стр. 252).
Резцами В. А. Колесова можно производить обработку деталей даже при сравнительно большой глубине резания и подаче, получая при этом чистоту обрабатываемой поверхности 4-6го класса.
Наиболее значительным источником резкого повышения производительности при работе резцом В. А. Колесова является совмещение чернового и чистового переходов при одновременном увеличении подачи.
Практика применения резцов В. А. Колесова показала, что они обладают повышенной по сравнению с обычными резцами стойкостью. Это объясняется тем, что при обработке одной и той же детали длина пути, проходимого резцом В. А. Колесова по поверхности детали, меньше длины пути, который проходит обыкновенный резец, во столько же раз, во сколько подача при резце В. А. Колесова больше, чем при обыкновенном резце.
Работая на модернизированном станке ДИП-300, В. А. Колесов производил обтачивание пинолей задней бабки токарного станка при скорости резания 150 м/мин, глубине резания 1,7-2 мм и подаче 2,7 мм/об, вместо применявшейся ранее 0,3-0,5 мм/об. Машинное время обработки было снижено при этом почти в 10 раз.
3. СТРУЖКОЛОМАНИЕ ПРИ ТОЧЕНИИ
Стружколомание путем подбора геометрии резца
При точении стали, особенно при высокой скорости резания, большое значение имеет измельчение стружки, обеспечивающее безопасность обслуживания станка, а также удобство дальнейшей транспортировки стружки. Универсального средства для измельчения стружки пока не существует, и поэтому каждый из нижеприводимых способов решения этой задачи имеет более или менее ограниченное применение.
Ломание стружки может достигаться при работе с плоской передней поверхностью с отрицательным передним углом и положительным углом наклона режущей кромки.
Установлено, что наилучшее дробление стружки получается при переднем угле у = -10° и угле наклона Л = + (5 - 10°). Соотношение глубины резания и подачи должно быть при этом выдержано в пределах s/t = 5 - 8. Рассмотренный способ дробления стружки связан со значительным
увеличением расходуемой мощности, а также и радиальной силы Ру. Он применяется поэтому при обработке жестких деталей на станках с большим запасом мощности.
Проходной резец (фиг. 13) конструкции токаря-новатора Г. С. Нежевенко обеспечивает стружколомание за счет специальной заточки.
Стружколомание посредством лунок и порожков на передней поверхности резца
Стружколоманию способствуют лунки или порожки, образованные на передней поверхности резца.
Резцы с лунками, образованными посредством бронзового диска-притира, предложенные И. С. Штейнбергом и принятые на Липецком тракторном заводе, показаны на фиг. 14. Лунки типа / делаются у резцов, используемых при t = 0,5 - 5,0 мм и любой подаче; типа II— при t > 5,0 мм и любой подаче; типа III — при t > 0,5 мм и s< 0,3 мм/об; типа IV — при t > 5,0 мм и s < 0,3 мм/об.
Размеры лунок: r при s = 0,5 - 1,0 мм/об принимается 0,5 4- 3,0 мм; R равно радиусу притира; В = 0,5-3,0 мм; l > ; f<s*sin<p и
при Ф = 45° для s= 0,05- 1,0 мм/об f1= 0,03 ч-0,50 мм; = 0,2 - 0,3 мм; F — больше ширины лунки В на 1,0 - 2,0 мм; при мягких сталях у = 0°, при сталях средней твердости у = — 5° и при твердых у = — 10°.
Размеры притирочного диска: диаметр 20 - 60 мм; толщина 1,0-3,0 мм; радиус закругления профиля 0,5-3 мм. Шаржирование диска производится пастой, состоящей из 75% карбида бора зернистостью 280 4- 320 и 25% керосина по весу. Сила прижима резца к притиру около 1 кгс.
Размеры f1 и f2 обеспечиваются при доводке задних поверхностей резца после образования лунки.
Порожки располагаются параллельно режущей кромке (фиг. 15, а) или под углом к ней (фиг. 15, б) с расширением к вершине резца.
Стружка, снимаемая при такой форме порожка ломается короткими кусками в виде завитков. Реже применяются резцы с обратным наклоном порожка.
Угол порожка рекомендуется делать в пределах 110-4-115°. Размеры порожка принимаются в зависимости от глубины резания и подачи, при которых выполняется данная обработка, и изменяются в следующих пределах:
Ширина порожка r...................1,6-6,5 мм
Высота порожка h...................• 0,6-1,5 мм
Радиус закругления угла порожка..........0,25-0,6 мм
Меньшие из указанных значений размеров порожка следует применять при глубине резания t 0,5-1,5 мм и подаче s= 0,15-0,3 мм/об, а большие — при глубине t = 7 4- 12 мм, и подаче s = 0,8 4- 1,0 мм/об.
Качество порожка получается удовлетворительным при образовании его электроискровым способом. В этом случае применение порожков, если форма и размеры их соответствуют режиму резания, хорошо обеспечивает дробление стружки.
Недостатки этого способа дробления стружки — затруднения с образованием порожков абразивными кругами и повышенный расход твердого сплава при переточках резца.
При обработке вязких сталей порожек не всегда обеспечивает ломание стружки.
Стружколомание посредством упоров
В практике находят применение напайные и приварные стружколома-тели, называемые упорами.
Таким упором является пластинка, напаянная (фиг. 16, а) или приваренная (фиг. 16, б) к резцу на расстоянии / от режущей кромки, выбираемом в зависимости от подачи и глубины резания. Угол В также зависит от подачи и принимается равным 105° при подаче 0,2-0,4 мм/об и 115° при подаче 0.4-0,6 мм/об.
Значения величины l указаны в нижеприводимой таблице.
Расстояние l напайного или приварного стружколомателя от режущей кромки резца в мм
Материал пластинки для ломания стружки — сталь марок 5ХНМ, 40Х, У10, любая сталь, наплавленная сормайтом1, или твердый сплав ВК8. ' Сормайт — сплав, в состав которого входит хром (25-30%), никель (3 -
4-5%), кремний (3-4%), марганец (1.5%). углерод (2,5-3.5%), железо (остальное). Твердость наплавленного слоя колеблется в пределах HRA=40-60.
Достоинство рассмотренных стружколомателей — простота изготовления. Недостатки их — сравнительно быстрый износ, наступающий часто раньше затупления резца, а также возможность приваривания стружки к упорной пластинке, что приводит к выкрашиванию твердосплавной пластинки. Затруднено восстановление необходимых размеров упора при переточке резца.
Стружколомание посредством специальных устройств
Примеры устройств для ломания стружки, часто называемых стружко-ломателями, показаны на фиг. 17.
Закрепление накладного стружколомателя (фиг. 17, о) осуществляется одновременно с установкой резца на станке. Рабочая поверхность стружколомателя должна быть износоустойчивой. Возможность регулирования положения такого стружколомателя с учетом режима резания, свойств обрабатываемого материала и износа резца сообщает ему некоторую универсаль
ность. Стружколоматель (фиг. 17, б), предложенный Н. П. Патутиным, представляет собой пластинку 1 с криволинейной выемкой Л, прикрепляемую к резцу болтом 2. Для более надежного закрепления пластинки 1 ее опорная поверхность и соответствующая поверхность резца имеют рифления. Отходящая стружка обтекает рабочую поверхность выемки. Скорость перемещения передних частей стружки при этом несколько уменьшается (вследствие трения о пластинку). Частицы стружки, расположенные между местом образования стружки и поверхностью трения, наталкиваются на частицы, находящиеся за этой поверхностью, вследствие чего и происходит разрушение стружки.
Пластина рассмотренного стружколомателя изготовляется из стали марки ШХ15 и для повышения износостойкости наплавляется сормайтом.
Недостаток рассмотренного стружколомателя — невозможность установки его под наивыгоднейшим углом по отношению к направлению движения стружки. Для устранения этого недостатка в случае надобности можно снять рифление, имеющееся на резце, сохранив рифли лишь на стружколомателе.
4. ПРАКТИКА РАБОТЫ ПРИ ВЫСОКИХ РЕЖИМАХ РЕЗАНИЯ
Обслуживание станка при высоких режимах резания
Общие правила обслуживания станка, обязательные при работе с нормальными скоростями, изложены ниже (стр. 147).
Здесь же отметим, что неуклонное выполнение этих правил приобретает особое значение, если работа выполняется при повышенной скорости резания.
Неполадки при работе с высокими режимами резания
Ниже приводится перечень главнейших неполадок при точении с высокими режимами резания, причины их возникновения и способы устранения.
Неполадки при точении с высокими режимами резания и способы их устранения
|
Характер неполадок |
Причины неполадок |
Способы устранения неполадок |
|
Происходит выкрашивание режущей кромки |
Неудовлетворительная заточка резца |
Переточить и довести резец |
|
Неудовлетворительная доводка (при крупной подаче и в особенности при обработке по корке отливок и поковок) |
Тщательно довести резец. Если при особо острых режущих кромках наблюдается расслаивание твердого сплава, следует несколько закруглить кромки мелкозернистым оселком |
|
|
Перегрев при заточке части пластинки, примыкающей к режущей кромке |
При небольшом выкрашивании переточить, а при значительном — заменить резец |
|
|
Мала подача или скорость резания |
Увеличить подачу или скорость резания |
|
|
Неправильные размеры порожка для дробления стружки или неправильная установка стружколомателя |
В том и другом случае устранить допущенную ошибку |
|
|
Быстрый износ режущей кромки резца |
Несоответствие марки твердого сплава выполняемой работе |
Заменить резец другим с пластинкой другой марки твердого сплава |
|
Мал задний угол резца |
Увеличить задний угол резца |
|
|
Велик радиус закругления вершины резца |
Уменьшить радиус закругления вершины резца |
|
|
Мала подача |
| Увеличить подачу |
|
|
Мала или велика скорость резания |
Установить скорость резания в соответствии с существующими нормативами режимов резания |
|
|
Возникают вибрации |
См. стр. 185 |
См. стр. 186 |
Подробнее о крутящем моменте см. стр. 54.
©МАШГИЗ
