Методы механической и физико

МЕТОДЫ МЕХАНИЧЕСКОЙ И
ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКОЙ
ОБРАБОТКИ
1
МЕТОДЫ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
Принимая во внимание, что определения геометрических параметров,
элементов режима резания и геометрии срезаемого слоя аналогичны для
большинства методов механической обработки и режущих инструментов и
рассмотрены ранее в курсе «Резание материалов» в данном курсе они не
приводятся.
Строгание
Строгание применяется для обработки плоских и фасонных поверхностей
на поперечно-строгальных или продольно - строгальных станках.
Рис.1 Элементы режима резания и геометрия срезаемого слоя
Главным движением Dr при строгании является возвратно-поступательное
движение резца при работе на поперечно-строгальном станке или столе с
заготовкой – в случае продольно-строгальных станков; движением подачи Ds –
перемещение заготовки в направлении перпендикулярном главному движению.
Процесс резания проходит во время рабочего хода резца, при обратном ходе он
отсутствует.
Особенности процесса строгания
1. Из - за наличия возвратно-поступательного движения для уменьшения сил
инерции снижается скорость главного движения. 2. Инструмент находится в
контакте с заготовкой только при рабочем ходе, при обратном ходе он не
участвует в процессе резания. 3. В контакт с заготовкой РИ входит с ударом,
что может привести к разрушению режущей части РИ. По этой причине
строгальные резцы более массивные по сравнению с токарными. 4. Для
исключения или уменьшения «заедания» резцы делают изогнутыми (рис.2)
(для формы (б) изгиб стержня резца вокруг точки О под действием сил
строгания вызывает внедрение вершины резца в обрабатываемую поверхность
заготовки, для формы (а) этого не происходит).
2
Рис.2 Форма строгальных резцов
Рассмотрим элементы режима резания и геометрию срезаемого слоя при
строгании:
1. Скорость главного движения
V=
kL
(1 + m ),
1000
где к –число двойных ходов (двойной ход/мин);
L – длина хода инструмента (мм); L=l+l1+l2 где l–длина обработанной
поверхности, мм; l1 , l2 – дополнительные длины, мм; m – коэффициент
учитывающий обратный ход инструмента ( m = V p. x. / Vx. x. , где V p.x. и Vx.x. соответственно скорости рабочего и холостого ходов инструмента);
2. t – глубина резания (мм);
3. Подача S – величина относительного перемещения резца и заготовки в
направлении перпендикулярном к главному движению за один двойной
ход (мм/дв. ход);
Скорость движения подачи Vs (или минутная подача):
Sмин =Vs=S k (мм/мин);
4. T0 – основное технологическое время :
T0 =
L B+∆+ y
=
, мин.
Vs
kS
где В – ширина обработанной поверхности, y и ∆ - соответственно
врезание и перебег инструмента (мм).
Геометрия срезаемого слоя:
1. a – толщина срезаемого слоя
2. b – ширина срезаемого слоя
а=S sinϕ
b=
3. f - площадь срезаемого слоя
t
;
sin ϕ
f = а ⋅ b = S ⋅ t.
3
Сверление
Сверление – это способ обработки резанием цилиндрических отверстий в
сплошном металле. При сверлении достигается точность получения отверстий
по 11-13 квалитету; шероховатость обработанной поверхности до Rz 40.
Особенности процесса резания при сверлении являются:
1. Переменная величина переднего угла g и главного заднего угла α по
длине режущей кромки;
2. Наличие поперечной кромки, которая не режет, а мнет металл;
3. Затруднен отвод стружки и подвод СОЖ в зону резания;
4. Трудности конструктивного обеспечения высокой жесткости сверла.
Рассмотрим конструктивные элементы и геометрию спирального сверла
Рис.3 Конструкция спирального сверла
Конструктивные элементы сверла:
l – рабочая часть, включающая в себя режущую и направляющую части; l1 режущая часть, имеющая главные режущие кромки 3; l2 – направляющая часть,
имеющая ленточки 5 и стружечные винтовые канавки - служит для
направления сверла в отверстие; l3 – крепежная часть (состоит из шейки 7,
хвостовика 8, лапки 9); 1 – передняя поверхность; 2 – главная задняя
поверхность; 3 – главная режущая кромка; 4 – поперечная кромка (перемычка)
– определяет жесткость и прочность сверла и отрицательно сказывается на
процессе сверления из-за отрицательного переднего угла на данной кромке; 5 –
ленточка, часть которой (длиной ≈ S o / 2 ) служит вспомогательной режущей
кромкой (6).
4
К геометрическим параметрам сверла относятся (рис.4):
2ϕ - двойной угол в плане при вершине - это угол, заключенный между
проекциями главных режущих кромок на плоскость, проходящую через ось
сверла параллельно главным режущим кромкам ( 2ϕ =118-120о);
ω - угол наклона винтовой канавки – это угол между касательной к
винтовой канавке и осью сверла (ω=18-30°);
ψ - угол наклона поперечной кромки – это угол между проекциями главной
режущей кромки и поперечной кромки на плоскость перпендикулярную оси
сверла (ψ=50 - 55°).
Рассмотрим главные углы сверла
Рис. 4 Геометрические параметры спирального сверла
g - передний угол, измеряется в главной секущей плоскости и является
переменной величиной по длине режущей кромки. Передний угол – угол,
заключенный между касательной к передней поверхности в рассматриваемой
точке режущей кромки и плоскостью резания. В отличие от резцов передний
угол на чертежах сверл не проставляют, так как форму и положение передней
поверхности определяют шаг и угол наклона винтовой канавки. На рис.5
показана развертка винтовой линии на плоскость. Передний угол в плоскости
параллельной оси сверла gох равен углу наклона винтовой линии ωх.
5
Рис.5 Развёртка винтовых линий канавки сверла на плоскость
Из рис.5 следует:
tgg 0 x = tgωx =
πDx
H
,
где Н – шаг винтовой линии.
Шаг винтовой линии является величиной постоянной и независящей от
диаметра сверла и равен:
H=
Отсюда следует:
tγγ 0 =
πD
.
tgω
πDx
tγω.
πD
Из полученной зависимости видно, что для спиральных сверл с
увеличением его диаметра ( или по длине режущей кромки ) угол g0 возрастет.
Передний угол в главной секущей плоскости определяется как
tγγ = tγγ 0 / sin ϕ .
и так же будет увеличиваться к периферии сверла.
α - главный задний угол измеряется в главной секущей плоскости, но при
существующих средствах его измерения и контроля он задается в плоскости
параллельной оси сверла. Главный задний угол αо - это угол между
касательной к задней поверхности в рассматриваемой точке режущей кромки и
касательной к окружности, возникающей при вращении данной точки вокруг
оси сверла. Для определения главного угла α в главной секущей плоскости
делают перерасчет по формуле:
tgα =tgα o sin ϕ .
6
Главный задний угол образуется путем заточки сверла по задней
поверхности. Угол α специально уменьшают к периферии (путем заточки
сверла) для обеспечения равнопрочного режущего клина (β=сonst) по всей
длине режущей кромки.
Геометрия резца на поперечной кромке. Для этого рассечем поперечную
кромку плоскостью PN – PN (рис.6), перпендикулярную к ней.
Рис.6 Геометрия сверла на поперечной кромки
Как видно из рис.6, передний угол на поперечной кромке γ п является
отрицательным, поэтому поперечная кромка не режет, а сминает металл.
Элементы режима резания и геометрия срезаемого слоя при сверлении
представлены на рис.7.
1. Скорость главного движения:
V=
πDn
1000
, м/мин;
2. Глубина резания: t=D/2 (мм);
3. Подача на оборот: S0, (мм/об); на каждую режущую кромку приходится
величина, равная So/2;
4. Минутная подача, скорость движения подачи:
Vs=Sмин=S0 n (мм/мин);
5. Основное технологическое время:
T0=L/Vs=
l+ y+∆
, (мин).
S0n
7
Рис.7 Элементы режима резания и геометрии срезаемого слоя
Геометрия срезаемого слоя:
1. Толщина срезаемого слоя:
a=
2. Ширина срезаемого слоя:
b=
So
sin ϕ ;
2
t
D
;
=
sin ϕ 2 sin ϕ
3. Площадь срезаемого слоя:
F = ab =
S0 D
.
4
На поперечной кромке толщина и ширина “срезаемого слоя” (сминаемого
слоя) будут соответственно равны:
an =
d
S0
и bn = c ,
2
2
где dc – диаметр сердцевины или длина поперечной кромки.
Рассмотрим осевую силу, крутящий момент и мощность при сверлении
8
Рис.8 Схема сил, действующих на сверло в процессе резания
В процессе резания на сверло действует осевая сила P0, которая
складывается из следующих составляющих (рис.8):
P0 = 2(PХ + PП + PТР ),
где Px – силы сопротивления на главной режущей кромке;
Pп – силы сопротивления на поперечной кромке;
Pтр – силы трения, действующие на вспомогательной режущей кромке.
Наибольшая часть осевой силы приходится на поперечную кромку
(Рп=57%), на режущую кромку несколько меньше (Рх=40%) и наименьшая – на
вспомогательную кромку (Ртр=3%).
Осевая сила противодействует движению подачи. По ней рассчитывают на
прочность детали механизма подачи станка. При больших вылетах осевая сила
вызывает продольный изгиб сверла.
Осевую силу можно рассчитать по формуле:
P0 = C P D X P S о P k P ,
Y
CP – коэффициент, зависящий от свойств инструментального и
обрабатываемого материалов и условий резания;
xр , yр – показатели степени влияния соответственно диаметра и подачи на
осевую силу.
kP – коэффициент на измененные условия резания.
Более точно осевую силу можно определить, исходя из формул для
токарной обработки. Принимая во внимание соотношение сил PX и PП и
пренебрегая силой PТР из-за ее малой величины, можно записать:
P0=2,5 Рx.
9
Подставляя в данное выражение формулу для расчета составляющей силы
Рх при токарной обработке, получим
Ро = 2,5(С Рх ⋅а Урх ⋅в Хрх ⋅ К Рх ) .
Учитывая выражения для определения толщины и ширины срезаемого слоя
при сверлении и угол в плане ϕ, окончательно получим:
(
P0 = 2,5 2
1− X PX −YPX
C PX D
X PX
S
YPX
sin ϕ
1+YPX − X PX
)k
PX
.
Значения коэффициента Ср, показателей степени x, y и коэффициента Кр
берутся из таблиц для токарной обработки ( аналогично и для других формул,
которые будут рассматриваться далее).
Крутящий момент при сверлении будет образовываться следующими
силами (рис.9):
Рис.9 Схема сил, образующих крутящий момент при сверлении
М=МPz+MPzп+МPzтр,
где МРz – момент от сил Рz, действующих на главных режущих кромках;
МРzп – момент от сил Рzп, действующих на поперечной кромке;
МРzтр – момент от сил трения, действующих на вспомогательных режущих
кромках.
Большая часть крутящего момента приходится на главные режущие кромки
(МРz составляет 80%). На долю момента от сил трения приходится 12% и
наименьший вклад в крутящий момент вносят силы Рzп (доля МРzп составляет
8%).
Эмпирическая формула для определения крутящего момента имеет вид:
10
M = CM D X M S YM k M ,
где См, хм, yм и kм – коэффициенты и показатели степени аналогичные как в
формуле для определения осевой силы Ро.
Определим крутящий момент исходя из формул для токарной обработки.
Учитывая соотношение моментов от сил резания, можно записать:
М=1,25 МPz=1,25 Pz (D/2).
Подставляя в данное выражение формулу для расчета силы Рz и толщины и
ширины срезаемого слоя, получим:
M = 1,25 ⋅ 2
(−1− X Pz −YPz )
C Pz D
1+ X Pz
S
YPz
sin ϕ
YPz − X Pz
k Pz .
По крутящему моменту рассчитывают на прочность и жесткость шпиндель
и детали механизмов привода главного движения станка.
Силы Ру, действующие на обоих главных режущих кромках сверла (рис.10) и
направленные на встречу друг другу, теоретически должны уравновешиваться.
Однако, вследствие неточности заточки сверла (неодинаковой величине углов ϕ и
длин главных режущих кромок) силы Ру не равны. Неравенство данных сил
приводит к “разбиванию” отверстия (увеличению диаметра отверстия по сравнению
с диаметром сверла). “Разбивание” отверстия вызывает другую погрешность – увод
оси сверла от геометрической оси отверстия.
Влияние различных факторов на осевую силу и крутящий момент при сверлении
Увеличение подачи и диаметра сверла ведет к
росту площади
срезаемого слоя и объёму снимаемого материала, что вызывает повышение
Рис. 10 Силы и крутящие моменты, действующие на сверло
осевой силы и крутящего момента.
P0
Mкр
S (D)
Рис.11 Влияние подачи и диаметра на осевую силу и крутящий момент
11
Большее влияние на величины Po и Mкр оказывает диаметр, чем подача, т.к.
диаметр при сверлении определяет глубину резания (t=D/2). При этом если подача
примерно одинаково влияет как на осевую силу, так и на крутящий момент, то
диаметр больше влияет на величину Mкр, чем на Po. Это объясняется тем, что при
увеличении диаметра D увеличивается не только сила Pz, но и плечо, на котором
действует данная сила.
Влияние угла геометрии сверла на осевую силу и крутящий момент представлено
на рис.12. С увеличением угла наклона винтовой линии ω передний угол γ также
возрастает. Повышение угла γ облегчает процесс резания, способствует снижению
сил резания. Следовательно и осевая сила и крутящий момент будут уменьшаться
(рис.12,а).
P0
Mкр
P0
Mкр
а)
ω
P0
Mкр
б)
2φ
Рис. 12 Влияние угла наклона винтовых канавок (а) и двойного угла в
плане при вершине сверла (б) на осевую силу и крутящий момент
Увеличение двойного угла в плане 2φ приводит к росту силы Рх,
направленной вдоль оси сверла, и к снижению силы Рz. Следовательно с
ростом угла 2φ осевая сила будет возрастать, а крутящий момент – снижаться
(рис.12,б).
При увеличении длины поперечной кромки lп(dс) возрастает площадь
смятия материала и растет составляющая Рп (рис.13), увеличивается также плечо,
на котором действуют силы Рzп. Следовательно с ростом длины поперечной
кромки возрастает как осевая сила, так и крутящий момент (рис.13,а).
Длина поперечной кромки оказывает большее влияние на величину силы Ро, т.к.
P0
Mкр
P0
Mкр
lП
lП
Рис. 13 Влияние длины поперечной кромки (а) и длины отверстия (б)
на осевую силу и крутящий момент
доля сил, действующих на поперечной кромке, в общей силе Ро составляет 57%, а
доля крутящего момента от этих сил в общем Мкр всего 8%.
При увеличении длины отверстия lотв возрастают силы трения (силы Ртр и
Рzтр – рис.13,б). Следовательно с ростом длины отверстия осевая сила и
12
крутящий момент увеличиваются (рис.13,б). Большее влияние величина lотв
оказывает на крутящий момент Мкр, чем на силу Ро, т.к. доля момента от сил
Рzтр составляет в общей величине МPzтр 7-12%, а доля сил Ртр в осевой силе
всего 3%.
Мощность при сверлении складывается из двух составляющих –
мощности затрачиваемой на вращение и на подачу (перемещение сверла):
N рез = N вр + N под = Mn +
975
Учитывая, что второе
окончательно имеем:
слагаемое
P0 S 0 n
.
60 ⋅ 75 ⋅1,56 ⋅1000
существенно
меньше
первого,
N рез = М ⋅ n (кВт),
975
где М измеряется в кг ⋅ м , n – об/мин.
Допускаемая скорость резания при сверлении определяется по формуле:
где m – показатель относительной стойкости; CV, xV, yV и КV коэффициенты
и показатели степени по аналогии с предыдущими эмпирическими
зависимостями.
Влияние различных факторов на допускаемую скорость резания при сверлении.
С увеличением диаметра сверла, несмотря на рост сил резания, повышается
теплоотвод из зоны резания в тело инструмента, и допускаемая скорость резания
возрастает (рис.14, а). Рост подачи снижает допускаемую скорость из-за увеличения
температуры резания (рис. 14, б).
Vдоп
Vдоп
а)
D
б)
Рис. 14 Влияние диаметра и подачи на
запускаемую скорость резания при сверлении
S
13
Рис.15 Двойная заточка
сверла
Повышение глубины просверливаемого отверстия также снижает
допускаемую скорость резания из-за ухудшения тепловой напряженности в зоне
резания.
Допускаемая скорость резания может быть повышена за счет применения
различных форм заточки сверла.
Двойная заточка сверла (рис.15) заключается в том, что сверло
дополнительно затачивается под двойным углом в плане при вершине 2φо,
равным 70о – 80о. Повышение допускаемой скорости резания при двойной
заточке обеспечивается за счет: увеличения теплоотвода в тело сверла из-за роста
длины режущих кромок; снижения тепловой нагрузки на уголок сверла из-за
уменьшения толщины срезаемого слоя а2 на длине режущей кромки,
примыкающей к уголку; снижения тепловой напряженности уголка сверла из-за
повышения его массивности.
Подточка перемычки (рис.16) заключается в уменьшении длины
поперечной кромки (lп). Уменьшение длины поперечной кромки ведет к
снижению осевой силы и крутящего момента при резании, что позволяет
повысить допускаемую скорость резания.
14
Рис. 16 Подточка
ленточки и поперечной
кромки
Подточка ленточки заключается в образовании заднего угла на некоторой ее
части (рис.16). Такая заточка снижает трение на ленточках сверла и допускаемую
скорость Vдоп можно увеличить.
Зенкерование и развертывание
Зенкерование - процесс обработки резанием предварительно полученного
отверстия с целью достижения более высокой точности обработки (по
размерам, геометрической форме, взаимному расположению) и меньшей
шероховатости поверхности.
Зенкерование может быть окончательным методом обработки или
предварительным перед развертыванием.
Точность обработки – 8-11 квалитет, шероховатость – до Ra 2,5 мкм.
Развертывание - метод окончательной обработки отверстий с целью
получения большей точности обработки и меньшей шероховатости
обработанной поверхности по сравнению с зенкерованием.
Точность обработки – 5-6 квалитет, шероховатость – Ra 1,25 – 0,32 мкм
Особенности процесса зенкерования по сравнению со сверлением:
1. Большее число режущих зубьев (режущих кромок) – z=3-4,
обеспечивающее лучшее направление инструмента в отверстии и отсутствие
поперечной кромки;
2. Меньшие углы в плане (45-60о), что обеспечивает резание с более
меньшими толщинами срезаемого слоя и при прочих равных условия дает
меньшие нагрузки на единицу длины режущей кромки;
3. Меньшие припуски, равные 0,5-5 мм на сторону, что уменьшает
суммарную величину действующих сил резания;
4. Большая, по сравнению со сверлами, жесткость корпуса инструмента.
Конструктивные и геометрические параметры зенкера показаны на рис. 17.
15
Рис.17 Конструкция и геометрия зенкера концевого
Зенкер по аналогии со сверлом имеет рабочую часть (l), снабженную
стружечными канавками, и включающую в себя режущую (l1) и направляющую
(l2) части, а также крепежную часть (l3). Стружечные канавки могут быть
прямыми и винтовыми.
К геометрическим параметрам зенкера относятся: ϕ - главный угол в плане,
ω - угол наклона стружечных канавок, γ - передний угол и α - главный задний
угол.
Рассмотрим элементы режима резания при зенкеровании (рис.18).
Рис.18 Элементы режима резания и геометрии срезаемого слоя при зенкеровании
1) Скорость главного движения - V =
πDn
1000
, м/мин;
16
2) Глубина резания - t =
D − D0
, мм
2
3) Подача: рассматривают подачу на зуб - Sz ,мм/зуб; подачу на оборот –
S0=Sz⋅z, мм/об; скорость движения подачи или минутную подачу –
VS =Smin=S0 n=Sz⋅z⋅n, мм/мин.
4) Основное технологическое время – T0 =
L l+ y+∆
=
, мин
VS
S0n
Геометрия срезаемого слоя: толщина срезаемого слоя – a =
срезаемого
f = a ⋅b =
слоя
–
b=
D − D0
t
=
;
sin ϕ 2 sin ϕ
площадь
S0
sin ϕ ; ширина
z
срезаемого
слоя
–
S o ( D − Do )
.
2⋅ z
Отличительными особенностями развертывания по сравнению с
зенкерованием:
1. Большее число режущих зубьев (режущих кромок) (от 6 до 12);
2. Меньшие углы в плане ϕ ( ϕ =5-45о);
3. Меньшие припуски на обработку (0,05-0,5 мм).
Развертки (рис.19) состоят из рабочей части ( l ) и крепежной ( l 3 ). Рабочая
часть состоит из режущей ( l 1 ) и направляющей ( l 2 ).
Рис. 19 Конструкция развёртки
К геометрическим параметрам по аналогии с зенкером относятся: главный
угол в плане ϕ , угол наклона стружечных канавок - ω , передний угол γ и
главный задний угол α .
Элементы режима резания и геометрия срезаемого слоя показаны на рис.20.
17
Рис. Элементы режима резания и геометрия срезаемого слоя при развёртывании
Все определения и формулы для определения элементов режимов резания и
геометрии срезаемого слоя при развертывании аналогичны определениям и
формулам, применяемым при зенкеровании.
Силы и крутящий момент при развертывании обычно не рассчитываются
ввиду их малой величины, а при зенкеровании используют эмпирические
формулы аналогичные процессу сверления. Исходя из формул для токарной
обработки Ро и М можно подсчитать по формулам:
P0 = zPx =
C PX
2
X Px
(D − D0 ) X
Px
S0
YPx
sin ϕ
1+YPx − X Px
z
1−YPx
k Px .
P
D + D0
 D − D0  z  D + D0  YPz
1−Y
Y −X
M = zPz
= C Pz 
 S 0 sin ϕ Pz Pz Z Pz k Pz .
 
4
 2   4 
Допускаемая скорость резания при зенкеровании и развертывании
подсчитывается по формуле:
X
Фрезерование
Фрезерование применяется для обработки наружных плоских и фасонных
поверхностей.
Различают фрезерование – цилиндрическое, торцовое и фасонное.
Фрезерование обеспечивает точность обработки 8 – 11 квалитета и
шероховатость обрабатываемой поверхности Ra до 1,25 мкм.
Рассмотрим цилиндрическое фрезерование.
18
Особенностями процесса резания при цилиндрическом фрезеровании
являются:
1. За один оборот фрезы зуб находится в контакте с заготовкой очень малое
время, большую часть времени он не работает, «отдыхает»;
2.В контакт с заготовкой зуб фрезы входит с ударом, что может привести к
его разрушению;
3. Переменная толщина срезаемого слоя по дуге контакта фрезы с
заготовкой, а для фрезы с винтовым зубом она переменна и по длине зуба.
4. Переменная ширина срезаемого слоя для фрезы с винтовым зубом.
5. Снятие малых толщин среза вызывает интенсивный износ зубьев фрезы
по задней поверхности.
Геометрические параметры и конструкция цилиндрической фрезы
представлены на рис.21.
К конструктивным элементам фрезы относятся: длина L и диаметр D
фрезы, количество зубьев, форма стружечной канавки.
Геометрические параметры фрезы: угол наклона винтовой канавки ω,
передний угол g, главный задний угол α.
Для удобства заточки и контроля переднего угла g его лучше задавать в
плоскости PN, проходящей перпендикулярно главной режущей кромке фрезы.
gN – угол между касательной к передней поверхности и нормалью к
плоскости, касательной к цилиндрической поверхности фрезы.
Между передним углом γ , главным задним углом α и углами в плоскости
РN γ N и α N имеется следующие соотношении:
tγγ =
tγγ N
; tgα = tgα N cos ω .
cos ω
Главным движением при цилиндрическом фрезеровании Dr является
вращение фрезы, движением подачи DS – перемещение стола с заготовкой.
19
Рис. 21 Конструкция и геометрические параметры цилиндрической фрезы
Элементами режима резания при цилиндрическом фрезеровании являются
(рис. 22):
1. Скорость главного движения – V =
πDn
1000
, м / мин
2. Глубина резания – t , мм;
3. Подача: рассматривают подачу на зуб – Sz, мм/зуб; подачу на один
оборот фрезы – Sо , мм/об (S0=z Sz ); скорость движения подачи или
минутную подачу – VS=Sмин= S o ⋅ n = S z ⋅ z ⋅ n (мм/мин);
4. Основное технологическое время – T0 =
L l+ y+∆
=
.
Vs
S мин
Рассмотрим геометрию срезаемого слоя для прямозубой цилиндрической
фрезы (угол ω=0)
1. Угол контакта δ - это центральный угол, соответствующий дуге контакта
фрезы с заготовкой. Его можно найти из ∆ ОТЕ:
D
−t
2t
cos δ = 2
=1− ;
D
D
2
20
Рис. 22 Элементы режима резания и геометрии срезаемого слоя
при цилиндрическом фрезеровании
2. Толщина срезаемого слоя - ai – это переменное расстояние между двумя
последовательными положениями поверхности резания (образованными
режущими кромками двух соседних зубьев) измеренное в радиальном
направлении. Для прямозубой фрезы величина аi постоянна вдоль всей длины
зуба
и
может
быть
определена
из
∆ МКН:
ai = S z sinψ i ,
где ψi – мгновенный угол контакта, соответствующий данному положению зуба
фрезы (зуб прямозубой фрезы входит в заготовку и выходит из нее по всей ее
ширине В и его положение определяется углом ψi).
При входе зуба в заготовку толщина срезаемого слоя равна нулю. При
выходе зуба из контакта с заготовкой толщина срезаемого слоя соответствует
полному углу контакта δ и имеет максимальное значение аmax:
amax = S z sin δ = 2S z t / D ; sin δ = 1−cos 2 δ = 2 t ;
D
21
3. Ширина срезаемого слоя b; как видно из рис.22, ширина срезаемого слоя
равна ширине фрезеруемой поверхности В в направлении параллельном оси
фрезы, т.е. b = B.
4. Площадь срезаемого слоя для одного зуба фрезы:
f i = ai bi = B⋅S z sinψ i ;
Суммарная площадь срезаемого слоя:
m
m
Fсум = ∑ f i = В⋅S z ∑ sinψ i ,
i =1
i =1
где m – число одновременно работающих зубьев фрезы.
Величину m можно найти как:
m=δ/ν=δz/360,
где ν - шаг между зубьями фрезы.
Рассмотрим геометрию срезаемого слоя для косозубой цилиндрической фрезы
(ω≠0) (рис.23).
Рис. 23 Геометрия срезаемого слоя косозубой цилиндрической фрезы
Зуб косозубой фрезы в отличие от прямозубой входит в заготовку
постепенно, достигает максимального соприкосновения с ней (когда он
перекрывает всю ее ширину В, как показано на рис.23) и затем постепенно
выходит из нее. Мгновенное положение зуба в этом случае характеризуется
двумя углами: углом входа ψ 1 зуба фрезы в заготовку и, соответственно, углом
выхода из нее – ψ 2 . Отсюда следует, что толщина срезаемого слоя на входе
22
зуба в заготовку равна а1 = S z ⋅ sinψ 1 , на выходе зуба из заготовки - а2 = S z ⋅ sinψ 2 .
Максимальная толщина срезаемого слоя равна amax=Sz sinδ. Таким образом для
косозубой фрезы толщина срезаемого слоя является переменной величиной как
по дуге контакта фрезы с заготовкой, так и по длине режущей кромке (зуба).
Ширина срезаемого слоя (bi) для косозубой фрезы является величиной
переменной величиной по длине зуба.
Из ∆ В’С’K имеем bi =
B' C '
;
sin ω
Величина отрезка B’C’ равна B′C′=A′C′-A′B′. Приравнивая длину отрезка
A’C’ и A’B’ длине дуг АС и АВ получим
A′C′≈ AC =D/2 ψ2 (рад);
A′B′≈ AB =D/2 ψ1 (рад).
Окончательно имеем:
bi =
D(ψ 2 −ψ 1 )
.
2 sin ω
Для определения площади срезаемого слоя f i для одного зуба фрезы
выделим элементарную площадь df i = ai ⋅ dвi (рис.23).
Обозначив в формуле для определения вi разницу углов (ψ2-ψ1) через ψx
получим:
dbi =
Тогда:
df i = S z sinψ x
D
dψ x
2 sin ω
Ddψ x
S D
= z sinψ x dψ x ;
2 sin ω 2 sin ω
Проинтегрировав данное выражение в пределах угла входа ψ 1 и угла ψ 2 ,
получим формулу для определения площади срезаемого слоя для одного зуба
фрезы:
ψ2
Sz D
S D
sinψ x dψ x = z (cosψ 1 −cosψ 2 ) .
2 sin ω
ψ 1 2 sin ω
fi = ∫
Для определения суммарной площади срезаемого слоя (Fсум) необходимо
знать число зубьев, одновременно находящихся в работе(m).
Суммарная площадь равна:
m
Fсум = ∑ f i =
i =1
S z ⋅D m
∑ (cosψ 1 − cosψ 2 ) .
2⋅sin ω i =1
23
Рис. 24 Схема для определения количества зубьев косозубой фрезы,
одновременно находящихся в работе
Для определения количества зубьев фрезы, одновременно участвующих в
процессе резания, развернем цилиндрическую поверхность фрезы на площадь
ее контакта с заготовкой (рис.24). Тогда можно записать:
m=m1+m2,
где m1 – число зубьев прямозубой цилиндрической фрезы, которая могла бы
заменить данную косозубую:
m1 =
δ ⋅z
360
.
Число зубьев фрезы m2 можно найти из ∆ А`K`A:
m2 =
где h – торцовый шаг фрезы.
B⋅ z
A' K ' A' K '
,
=
=
π ⋅D
π ⋅D⋅ctgω
h
z
Отсюда величина m равна:
m=
δ ⋅z
B⋅ z
.
360 π ⋅ D⋅ctgω
+
Равномерное фрезерование
Равномерным называется такое фрезерование, при котором суммарная
площадь срезаемого слоя остается постоянной на протяжении всего времени
обработки.
Рассмотрим цилиндрическую прямозубую фрезу (ω=0). Зуб прямозубой
фрезы входит в заготовку и выходит из нее сразу по всей ширине. Это приводит
к резкому изменению площади поперечного сечения срезаемого слоя, а,
24
следовательно, и сил, действующих в процессе резания. Представим себе, что в
работе находится только один зуб фрезы (m=1, рис.25). В этом случае
суммарная площадь срезаемого слоя будет изменяться от нуля до максимума с
последующим резким падением до нуля, когда зуб выходит из заготовки. Такое
резкое уменьшение величины Fсум вызывает резкое колебание сил и,
следовательно, неравномерную нагрузку на инструмент, станок и заготовку.
Это в конечном итоге приведет к ухудшению качества обработанной
поверхности, потере работоспособности инструмента. С увеличением числа
одновременно работающих зубьев (например, m=3, рис.25) процесс резания
будет происходить более спокойно: не будет резких изменений суммарной
площади Fсум, сил резания. Однако и при достаточно большом числе зубьев,
одновременно находящихся в работе,
Рис. 25 Влияние числа одновременно работающих зубьев прямозубой фрезы
для прямозубой фрезы невозможно получить равномерного фрезерования.
Рис. 26 Изменение площади среза во времени при равномерном фрезеровании
Равномерное фрезерование (рис.26) можно получить только для фрезы с
винтовым зубом, у которой зуб постепенно входит в заготовку и постепенно
выходит, но при условии когда ширина фрезеруемой поверхности B равна
осевому шагу фрезы h0 или кратна ему в целых числах:
B= ho ⋅k , где k=1,2,3 и т.д.
Определим условие равномерного фрезерования. Для этого развернем
цилиндрическую поверхность фрезы на площадь контакта её с заготовкой (рис.
27).
25
Рис. 27 Развёртка цилиндрической поверхности косозубой фрезы
на площадь её контакта с заготовкой
Из ∆ АКД имеем:
Так как h =
π ⋅D
z
h0 = hctgω .
, получим ho =
π ⋅D
z
ctgω .
Шаг винтовой линии фрезы Н равен
Н =π ⋅ D⋅ctgω .
Тогда
h0 =
Отсюда следует, что
В=
H
.
z
H
k.
z
Окончательное условие равномерного фрезерования
k=
B⋅ z
(целое число).
H
Встречное и попутное фрезерование
Фрезерование называется встречным (против подачи), когда направление
главного движения противоположно направлению подачи и попутным (по
подачи), когда направление главного движения совпадает с направлением
движения подачи (рис.28).
При встречном фрезеровании нагрузка на зуб фрезы возрастает постепенно,
так как толщина срезаемого слоя a изменяется от нуля до максимального
значения. При наличии на заготовке какой-либо корки зуб фрезы работает из
под корки, как бы выламывая ее. Все это можно отнести к положительным
сторонам встречного фрезерования.
26
Рис. 28 Силы, действующие на зуб цилиндрической фрезы:
а) встречное фрезеровании; б) попутное фрезерование
В то же время зуб фрезы старается оторвать заготовку от стола станка, что
при большом сечении среза может привести к вибрации и ухудшить
шероховатость обработанной поверхности. Кроме того, из-за малой толщины
среза a зуб фрезы начинает срезать стружку в т. М, когда радиус округления ρ
становится соизмеримым или больше толщины среза a. На участке KM
происходит интенсивный износ зубьев из-за трения задней поверхности зубьев
о поверхность резания.
Рис. 29 Схема врезания зуба фрезы в заготовку при встречном фрезеровании
27
При встречном фрезеровании имеется вероятность затаскивания стружки
зубьями фрезы на уже обработанную поверхность, что также может привести к
ухудшению шероховатости обработанной поверхности.
К положительным сторонам попутного фрезерования можно отнести
следующее: при отсутствии на заготовке корки обеспечивается меньший износ
зубьев и меньшая высота микронеровностей обработанной поверхности; зуб
фрезы прижимает заготовку к столу станка; отсутствует вероятность
затаскивания стружки зубьями фрезы на уже обработанную поверхность.
В то же время зуб фрезы начинает работать с максимальной нагрузкой, так
как толщина срезаемого слоя a изменяется от максимального значения до нуля.
При наличии на заготовке корки зуб ударяется об нее, что приведет к резкому
снижению работоспособности инструмента. Поэтому, как было отмечено выше,
когда заготовка имеет твердую корку, попутное фрезерование не применяется
Силы, действующие на фрезу
Силы, действующие на зуб цилиндрической фрезы, показаны на рис.28.
На зуб цилиндрической фрезы действуют силы:
PZ – касательная составляющая силы резания, которая необходима для
расчета механизма главного движения и мощности электродвигателя
станка;
Py – радиальная составляющая силы резания;
Pх – осевая составляющая силы резания.
PВ – вертикальная составляющая силы резания (отрывает или прижимает
заготовку к столу станка в зависимости от схемы фрезерования: попутного или
встречного);
PГ – горизонтальная составляющая силы резания, по которой производится
расчет механизма подачи станка.
Эмпирическая формула для определения силы Pz :
Pz =
C Pz t
X Pz
D
q
Y
S z Pz B Pz z
U Pz
n
wPz
k Pz ,
где коэффициенты и показатели степени по аналогии с другими
эмпирическими зависимостями, рассмотрены выше.
Формула для определения силы исходя их формулы для токарной
обработки:
m
Учитывая, что суммарная сила резания равна Pz = ∑ Pzi , а составляющая РZi
i =1
Pzi = C Pz b
X Pz
y Pz
a k Pz ,
Окончательно имеем
28
Влияние различных факторов на силы резания при фрезеровании
Рис. 30 Схема для объяснения влияния различных факторов
на силу при цилиндрическом фрезеровании
Увеличение глубины резания повышает полный угол контакта фрезы с
заготовкой δ и следовательно число зубьев фрезы, одновременно находящихся в
процессе резания. Это ведет к росту суммарной площади срезаемого слоя и силы
резания Pz (рис.31,а). Кроме того с увеличением t растет толщина срезаемого слоя a
и его площадь, что также вызывает рост силы Pz.
С увеличением подачи на зуб увеличивается толщина срезаемого слоя а, площадь
срезаемого слоя на одном зубе и объем снимаемого материала, что приводит к
возрастанию силы резания (рис.31,а).
Pz
Pz
D
t (Sz, В)
Рис. 31 Влияние глубины резания подачи на зуб, ширины фрезеруемой
поверхности (а) и диаметра фрезы на составляющую силы Pz
Для прямозубой фрезы увеличение ширины фрезеруемой поверхности В
также вызывает рост силы резания, что связано с повышением площади срезаемого
слоя на одном зубе фрезы (рис.31,а). В случае косозубой фрезы сила Рz
дополнительно увеличивается за счет повышения количества зубьев, одновременно
находящихся в процессе резания.
Рост диаметра фрезы уменьшает толщину срезаемого слоя, полный угол
контакта δ и количество зубьев фрезы, одновременно находящихся в работе. Это
29
ведет к уменьшению площади срезаемого слоя одним зубом фрезы и суммарной
площади срезаемого слоя и как следствие к снижению силы резания (рис.31,б).
Мощность резания:
N рез =
Pz v
(кВт);
60 ⋅ 1020
Скорость резания, допускаемая режущими свойствами РИ:
Vдоп
СV ⋅ Д q ⋅ ω p
= m y x n n ⋅ KV ,
T ⋅ Sz ⋅t ⋅ B ⋅ z
где коэффициенты и показатели степени по аналогии с рассмотренными
ранее эмпирическими зависимостями.
Влияние различных факторов на допускаемую скорость резания при
фрезеровании. Рост допускаемой скорости резания при фрезеровании вызывает
увеличение диаметра фрезы (рис.32, а). Увеличение диаметра фрезы при прочих
равных условиях снижает толщину срезаемого слоя и количество зубьев,
принимающих участие в резании. Все это ведет с снижению силы резания и,
следовательно, теплоты, образующейся при резании. Кроме того, рост диаметра
фрезы приводит к увеличению ее массы, что способствует увеличению
теплоотвода из зоны резания в тело фрезы. Все это вместе взятое позволяет
повысить допускаемую скорость резания при увеличении диаметра фрезы.
Vдоп.
а)
Vдоп.
б)
D
Sz, t, B, z
Рис. 32 Влияние различных факторов на допускаемую
скорость резания при фрезеровании
Увеличение подачи на зуб Sz, глубины резания t, ширины фрезерования В и
количества зубьев фрезы z вызывает повышение температуры резания и
допускаемая скорость резания будет снижаться (рис. 32, б).
Торцовое фрезерование.
При торцовом фрезеровании ось фрезы располагается перпендикулярно к
обрабатываемой поверхности.
Рассматривают торцовое фрезерование симметричное и несимметричное,
полное и неполное.
30
При симметричном фрезеровании ось фрезы расположена симметрично
ширине фрезеруемой поверхности (рис.33). В противном случае фрезерование
будет нессиметричным. Торцовое фрезерование называется полным, когда
ширина фрезеруемой поверхности В равна диаметру фрезы D. Полный угол
контакта (по аналогии с цилиндрическим фрезерованием) δ равен в этом
случае 180о. При неполном симметричном фрезеровании полный угол контакта
δ определяется из ∆ ОМN:
sin
B
B
MN
=
= 2= .
D
2 OM
D
2
δ
Основные движения и элементы режима резания при торцовом фрезеровании
аналогичны как и в случае с цилиндрическим фрезерованием. Поэтому
рассмотрим геометрию срезаемого слоя.
Толщина срезаемого слоя – а – величина переменная вдоль всей длины дуги
контакта фрезы с заготовкой. Из ∆ kmn (рис.33) имеем:
ai = S Z ⋅ sinψ i ,
где ψ i - мгновенный угол контакта.
При симметричном полном фрезеровании (рис.33) данная величина аi на
входе зуба в заготовку и на выходе из нее будет одинаковой и равной ai1 . При
несимметричном фрезеровании (рис.34) толщина срезаемого слоя будет
изменяться от аi =0 до аi = аmax (при попутном фрезеровании величина аi
будет изменяться от аmax до нуля, при встречном – от нуля до аmax ).
Толщина срезаемого слоя вдоль зуба торцовой фрезы является величиной
постоянной и равна (рис.33):
ai = S Z ⋅sin ϕ .
С учетом этого толщина срезаемого слоя будет равна:
ai = SZ ⋅ sin ϕ ⋅ sinψ i .
Ширина срезаемого слоя равна (рис.33):
в= t
sin ϕ
.
31
Рис. 33 Элементы режима резания и геометрии срезаемого слоя при
торцевом фрезеровании (симметричное полное фрезерование)
Рис. 34 Схема торцевого несимметричного неполного фрезерования
(вид сверху)
Силf резания при торцовом фрезеровании подсчитывается по рассмотренной
выше эмпирической зависимости для цилиндрического фрезерования. Исходя
32
из формул для токарной обработки, сила резания при симметричном полном
фрезеровании может быть определена по следующей зависимости:
PZ =
C P ⋅ B⋅ z
Z
pD
⋅t
X
Pz
⋅S ZPz ⋅(sin ϕ ) Pz
Y
Y
−X
Pz
⋅(sinψ cp ) Pz ⋅k Pz .
Y
где (sinψ cp ) Pz ≈ 0,9 .
При несимметричном торцовом фрезеровании силу можно подсчитать путем
разделения его на различные виды фрезерования.
Y
Рис. 35 Схема к определению силы резания при несимметричном
торцевом фрезеровании
Например, сила резания при несимметричном фрезеровании Рz н.ф. равна
сумме сил торцового симметричного фрезерования Рz т.с. и цилиндрического
фрезерования Рz ц., т.е. Рz н.ф. = Рz т.с. + Рz ц .
Эту же силу Рz н.ф. можно подсчитать как разницу сил Рz ш.п. при шпоночном
фрезеровании и Рz ц при цилиндрическом, т.е. Рz н.ф. = Рz ш.п. - Рz ц .
Сила резания для шпоночного фрезерования, исходя из формул для токарной
обработке равна:
P =
Z
CP
Z
2
⋅ z ⋅t
X
Pz
⋅S
Y
Pz
Z
⋅ (sin ϕ ) Pz
Y
−X
Pz
⋅ (sinψ cp ) Pz ⋅ k
Y
,
Pz
где (sinψ cp ) Pz ≈ 0,75 .
Y
33
ПРОТЯГИВАНИЕ
Протягивание является высокопроизводительным и точным способом
обработки резанием, обеспечивающим малую высоту микронеровностей
обработанной поверхности (низкую шероховатость) и предназначено для
окончательной обработки отверстий различной формы, плоских, фасонных
наружных поверхностей, уступов и пазов. Получаемая точность обработки - 6-8
квалитет, шероховатость обработанной поверхности - до Ra 0,2.
Особенности процесса протягивания
1. Срезание заданного припуска в виде слоев металла малой толщины и
большой ширины (малые толщины среза a).
2. Малые скорости резания главного движения 8-15 м/мин.
3. Отсутствие движения подачи как самостоятельного кинематического
движения станка. Подача, определяющая толщину срезаемого слоя режущей
кромкой каждого зуба, устанавливается путем превышения каждого
последующего зуба над предыдущим.
4.Возможность
осуществления
за
один
проход
инструмента
комбинированной обработки (черновой, чистовой).
Высокая производительность процесса протягивания объясняется большой
длиной режущих кромок, одновременно участвующих в резании (за счет
большого количества зубьев), и возможностью за один проход осуществлять
комбинированную обработку.
Схемы резания при протягивании
Схема резания определяет порядок срезания заданного припуска на
обработку в поперечном сечении. Принятая схема резания определяет
конструкцию протяжки, форму и размеры ее рабочих зубьев.
Различают две основные схемы резания при протягивании: одинарную и
групповую. При одинарной схеме резания подача задается на каждый зуб
протяжки, при групповой – на группу зубьев (рис.36).
Рис. 36 Подача при одинарной (а) и групповой (б) схеме резания
34
Одинарная схема резания в свою очередь подразделяется на профильную и
генераторную. При профильной схеме резания припуск h снимается слоями
параллельными профилю обработанной поверхности детали; при
генераторной схеме – относительно узкими слоями, расположенными
перпендикулярно или наклонно к профилю обработанной поверхности
детали.
Рис. 37 Схема срезания припуска: а) профильная; б) генераторная
Работа в группе между зубьями при групповой схеме резания
распределяется за счет разделения между ними ширины срезаемого слоя. На
рис. 49 показана схема срезания припуска группой, состоящей из двух зубьев.
Зубья в группе для наглядности показаны рядом друг с другом – для реальной
плоской протяжки они расположены в разных секциях.
Рис. 38 Схема срезания припуска при групповой схеме резания
Рассмотрим конструкцию и геометрию круглой протяжки (рис.39).
35
Рис. 39 Конструкция круглой протяжки
l1 ,l2 – хвостовик и шейка – служат для закрепления протяжки в патроне; l3 –
переходной конус; l4 – передняя направляющая – служит для направления
протяжки в начале ее работы; l5 – режущая часть (включает в себя черновые и
чистовые зубья) – выполняет работу по снятию припуска; l6 – калибрующая
часть – служит для калибрования отверстия по размеру и обеспечивает
необходимую шероховатость поверхности; l7 – задняя направляющая – служит
для удержания протяжки от провисания.
К геометрическим параметрам круглой протяжки относятся передний угол
g и главный угол α (на рис. 40 показаны углы протяжки в главной секущей
плоскости).
Рис. 40 Геометрические параметры протяжки
Рассмотрим элементы режима резания на примере круглой протяжки.
36
Главным движением является поступательное движение протяжки, скорость
которого равна V=8-15 (м/мин).
Подача: рассматривается подача на зуб Sz (мм/зуб) – это разность между
высотами двух соседних зубьев или двух групп зубьев.
Основное технологическое время – T0 =
L
L
k ( мин),
=
V s 1000V
где L – длина хода протяжки (мм); k – коэффициент учитывающий
обратный ход протяжки (1,14-1,5).
Геометрия срезаемого слоя (рис.41) для круглой протяжки:
толщина срезаемого слоя – a=Sz; ширина срезаемого слоя –
площадь срезаемого слоя для одного зуба – fi=a b=Sz πD;
b=πD;
Рис. 41 Форма сечения срезаемого слоя для одного зуба протяжки
m
суммарная площадь срезаемого слоя – Fсум = ∑ f i ,
i =1
где mmax - максимальное количество одновременно работающих зубьев.
Величину mmax можно найти из рис.42 :
l
mmax = + 1 ,
t
где l – длина отверстия, t – шаг зубьев протяжки.
Рис. 42 Схема для определения максимального количества зубьев,
одновременно находящихся в работе
Силы резания при протягивании (в данном случае для круглой протяжки)
можно подсчитать исходя из формул для токарной обработки:
37
m
m
i =1
i =1
Pz = ∑ Pzi = ∑ C Pz b Pz a Pz k Pz = C Pz b Pz S
x
y
x
y Pz
mmax k Pz = C Pz (πD ) Pz S z Pz mmax k Pz .
x
y
Резьбонарезание
Различают три метода получения резьбы: нарезание резьбы лезвийным
инструментом (резцы, метчики, плашки, фрезы и др.), шлифование резьбы
однониточными или многониточными шлифовальными кругами и накатывание
резьбы. Основной особенностью процесса нарезания резьбы лезвийным
инструментом является снятие тонких стружек (малая толщина срезаемого
слоя). При этом эти тонкие слои металла снимаются не только прямолинейной
режущей кромкой, но и режущей кромкой в виде треугольника или трапеции.
Рис. 43 Геометрические параметры стержневого резьбового резца
Нарезание резьбы резцами
Резцами нарезается наружная и внутренняя резьба. Для нарезания резьбы
применяются стержневые (токарные) , призматические и круглые резцы.
38
Рис. 44 Схема формирования профиля резьбы: а) профильная; б) генераторная
Геометрические параметры резьбового резца аналогичны токарному
проходному резцу (рис.43). Отличительными особенностями его являются:
наличие двух главных режущих кромок, различные значения главных задних
углов для левой и правой режущих кромках (на левой он больше, чем на
правой) из-за различных кинематических углов на левой и правой стороне
профиля, для чистовых проходов с целью исключения искажения профиля
резьбы после переточки резца передний угол γ делают равным нулю.
Резьбовыми резцами резьбу нарезают обычно в несколько проходов. При
этом формирование профиля резьбы может осуществляться по двум схемам:
профильный с подачей St, в направлении перпендикулярном оси заготовки (рис.
44, а), или генераторной с подачей St, направленной вдоль стороны профиля
резьбы (рис.44, б). Иногда применяют комбинированную подачу.
Рассмотрим элементы режима резания и геометрию срезаемого слоя при
нарезании резьбы резцами:
1. Скорость главного движения
2. Глубина резания t равна высоте профиля нарезаемой резьбы.
3. Подача на оборот S0 равна шагу S нарезаемой резьбы (мм/об).
Скорость движения подачи, минутная подача VS =S n (м/мин).
4. Основное технологическое время
где i – количество проходов резца, nox – частота вращения при обратном ходе
резца.
Рассмотрим геометрию срезаемого слоя для профильной (а) и
генераторной (б) схем резания (рис.44).
При профильной схеме резания (рис.44, а) из ∆ АВС имеем:
аi = t i ⋅ sin 30 o ,
где ti – глубина резания для i-го прохода резца.
t
i
Величина t i = , тогда
t
ai = sin 30 0 .
i
Учитывая, что t =
S
, имеем окончательно
2 ⋅ tg 30 0
39
ai =
S ⋅ sin 30 0
S ⋅ cos 30 0
=
.
2⋅i
2 ⋅ i ⋅ tg 30 0
Ширина срезаемого слоя при профильной схеме резания величина
переменная и изменяется от нуля до 2S (bi=(0-2S)).
При генераторной схеме (рис.44, б) из ∆ АВС находим:
ai = t i ⋅ cos 30 0 =
S
⋅ cos 30 0.
i
Ширина срезаемого слоя также переменная и изменяется от нуля до S, т.е.
(bi=(0-S)).
Силы резания при нарезании резьбы резцами можно подсчитать исходя из
формул для токарной обработки:
При профильной схеме резания:
P = C Pz b a k Pz = C Pz (2 S )
x Pz
=2
x Pz − y Pz
y Pz
C Pz S
x Pz + y Pz
x Pz
 cos 30° 


 i 
 S cos 30° 


2
i


y Pz
k Pz =
y Pz
k Pz ;
При генераторной схеме резания:
P = C Pz S
z
x Pz + y Pz  cos 30° 
S
 z
 cos 30°  k Pz = C Pz S

 k Pz .
i
i




yP
x Pz
yP
Мощность резания определяется по аналогии с токарной обработкой:
Нарезание резьбы метчиками
Рис. 45 Конструктивные элементы метчика
Метчики применяют для нарезания внутренней резьбы. Различают метчики:
ручные, машинные, гаечные.
40
К конструктивным элементам метчика относятся: режущая часть (l1)
(заборный конус), калибрующая часть (l2), крепежная часть (l3), количество
стружечных канавок, их профиль и направление.
Режущая часть выполняет основную работу по формированию профиля
нарезаемой резьбы. Для распределения работы между зубьями режущая часть
оформляется в виде конуса с углом наклона ϕ. Калибрующая часть служит для
калибрования (зачистки резьбы) и направления метчика в резьбовом отверстии.
Окончательное формирование резьбы заканчивается после прохода первого
калибрующего витка, имеющего полную высоту профиля резьбы. Следующие
витки не участвуют в калибровании резьбы, а служат для направления метчика
в резьбовом отверстии и обеспечения перемещения его по подаче, т.е.
обеспечивают самозатягивание. По мере переточки метчика роль калибрования
переносится на следующий виток и так повторяется после каждой переточки,
т.е. калибрующая часть может рассматриваться как резерв для переточки
метчика. Калибрующая часть метчика для уменьшения трения делается с
обратным конусом (уменьшается наружный и средний диаметр метчика).
Стружечные канавки обычно
делаются
прямыми,
т.е.
параллельно оси метчика, но
иногда винтовыми. Направление
канавок определяет направление
схода стружки.
Левое
направление
применяется
для
сквозных
отверстий, правое - для глухих.
К
геометрическим
параметрам метчика относятся:
Рис. 46 Влияние угла наклона стружечных
канавок на направление схода стружки
передний угол g, главный задний угол α, угол заборного конуса ϕ и угол
наклона винтовой канавки ω.
Передний угол и главный задний угол измеряются в плоскости
перпендикулярной оси метчика. Задний угол α образуется только на заборном
конусе путем его затылования, на калибрующей части он обычно равен нулю и
только для метчиков со шлифованным профилем он образуется также путем
затылования на резьбошлифовальных станках.
Величина падения затылка, которая образует задний угол, равна:
k=
πD
z
tgα . .
Элементы режима резания при нарезании резьбы метчиками:
1.
Скорость главного движения
2.
Глубина резания t равна высоте профиля нарезаемой резьбы;
41
Рис. 47 Схема для определения геометрии срезаемого слоя при l > l 1
3. Подача на оборот S0 равна шагу нарезаемой резьбы (S);
Скорость движения подачи, минутная подача Vs=Sмин= S ⋅ n , мм/мин;
 L
L 
i;
Основное технологическое время T0 =  +
nS
n
S
ox 

где nox – частота вращения при обратном ходе метчика, i - число метчиков в
комплекте, L – длина резания:
y=l1; ∆=(2-3)S , l – длина резьбового отверстия.
L=l+y+∆;
Геометрия срезаемого слоя при нарезании резьбы метчиками представлена
на рис.47 и рис.48).
1. Толщина срезаемого слоя а равна: a=at cosϕ. Толщину срезаемого слоя в
направлении глубины резания at можно найти как at = t/z3, где z3 – число
зубьев на заборной части метчика. Число зубьев z3 равно z3 = z k = z l3/S, где k
– количество ниток резьбы. Отсюда at =
a=
tS S
= tgϕ .
zl3 z
Окончательно имеем
S
S
tgϕ cos ϕ = sin ϕ .
z
z
2. Ширина срезаемого слоя b. Рассмотрим случай, когда длина заборной части
метчика l1 меньше длины отверстия l – l1<l; В этом случае ширина срезаемого
слоя изменяется от нуля до шага резьбы, т.е. b=0 – S. Для случая l1>l (рис. 59)
ширина срезаемого слоя будет изменяться в пределах
b=bx – S. Найдем
величину bх.
Рис. 48 Схема для определения геометрии срезаемого слоя при l < l 1
42
Из подобия треугольников ∆ mkn и ∆ pkq следует
треугольников ∆ АВС и МСК запишем
полученных выражений имеем:
t x bx
= . Из подобия
t
S
t x l1 − l
=
. Приравнивая правые стороны
t
l1
l −l 
bх l1 − l
. Отсюда bx =  1  ⋅ S .
=
l1
S
 l1 
Силы резания при нарезании резьбы метчиками определим исходя из формул
для токарной обработки.
1. Для случая l1<l:
m
Pz = ∑ Pzi = C p z a
y Pz
i =1
m
Заменив ∑ bi через
 m 
 ∑ bi ;
 i =1 
x
bср Pz и число одновременно работающих зубьев метчика
i =1
m=
l1
⋅z,
S
получим:
2. Для случая l1>l учитывая, что m =
(l1 − l )
⋅ z , по аналогии получим:
S
В полученных формулах из-за влияния двух вспомогательных кромок
показатель степени xPz необходимо брать равным хР z = 0,9.
Мощность резания при нарезании резьбы метчиками определяется по
формуле:
N рез =
M ⋅n
, кВт.
975
Зубонарезание
Для нарезания зубчатых колес применяются два метода: метод копирования
и метод обкатки.
43
При методе копирования используется фасонный режущий инструмент,
профиль режущей части которого соответствует профилю впадины нарезаемого
зубчатого колеса (для этого используются фасонные дисковые фрезы,
пальцевые фрезы, зубодолбежные головки). При методе обкатки, эвольвентный
профиль зубчатого колеса получается в результате того, что режущий
инструмент и заготовка рассматриваются как зубчатая пара находящаяся в
зацеплении, при этом инструменту кроме движения обкатки дается
дополнительное движение, необходимое для обеспечения процесса резания
(зубчатые колеса нарезаются, например, червячно-модульными фрезами,
долбяками, строгальными резцами).
Нарезание зубчатых колес дисковыми модульными фрезами
Применение дисковых фрез ограниченно из-за низкой точности получаемых
зубчатых колес (9-10 степень точности) и малой производительности (из-за
наличия движения деления).
Дисковая фреза (рис.49) представляет собой фасонную фрезу с
затылованным зубом, профиль которого соответствует профилю впадины
нарезаемого зубчатого колеса.
К геометрическим параметрам фрезы относятся передний γ и главный
задний α углы для вершинной режущей кромки. Для чистовой фрезы передний
угол равен нулю, чтобы не изменялся профиль зуба нарезаемого зубчатого
колеса при переточке фрезы.
Рис. 49 Нарезание зубчатых колёс дисковыми модульными фрезами
44
Главным движением при работе дисковой модульной фрезой (рис.49)
является вращательное движение фрезы. Движением подачи – поступательное
(перпендикулярно оси фрезы) движение заготовки.
После нарезания одной впадины зубчатого колеса движением Dо.х. заготовка
отводится от фрезы и производится движение деления Dд для нарезания
следующей впадины зубчатого колеса.
Нарезание зубчатого колеса по данному методу осуществляется комплектом
фрез (8 – 15).
Недостатки метода: низкая точность нарезания зубчатых колес (9 –10
степень точности) и низкая производительность из-за наличия единичного
движения деления (Dд).
Элементы режима резания (рис.49):
1. Скорость главного движения
V=
πDn
1000
, м / мин;
tчист=0,8m, где m – модуль
2. Глубина резания равна t=2,2m; tчер=1,4m,
нарезаемого зубчатого колеса;
3. Подача: рассматривается подача на зуб Sz (мм/зуб), подача на оборот
S0=Sz z (мм/об), минутная подача или скорость движения подачи
Sмин=Vs=S0 n (мм/мин).
4. Основное технологическое время


L L
+
+Tдел  ⋅ z.

 VS VOX
To = 
где – z - число зубьев нарезаемого зубчатого колеса; Vох - скорость
движения подачи при обратном ходе ( VOX = S O ⋅ nOX ).
Нарезание зубчатых колес червячными фрезами
При нарезании зубчатых колес червячными фрезами обеспечивается более
высокая точность ( степень точности нарезаемых колес до 6 степени) и более
высокая производительность обработки.
Рис. 50 Конструкция и геометрические параметры червячной фрезы
45
К геометрическим параметрам относятся: передний γ и главный задний α
углы для вершинной режущей кромки; ω - угол наклона стружечной канавки; τ
- угол подъема витков зубьев фрезы.
При нарезании прямозубых зубчатых колес ось червячной фрезы
располагается под углом ϕ=τ к плоскости, перпендикулярной к оси нарезаемого
зубчатого колеса (рис.51, а). При нарезании косозубых зубчатых колес ось
фрезы располагается под углом ϕ=τ±β, где β - угол наклона зубьев нарезаемого
зубчатого колеса (знак минус выбирают тогда, когда наклон зубьев нарезаемого
зубчатого колеса и фрезы совпадает, если не совпадает - знак плюс).
Главным движением при
работе червячными фрезами
является вращение фрезы Dr ,
цепь обкатки (непрерывного
деления) связывает вращение
фрезы Dr и заготовки Dз. За
один оборот фрезы заготовка
поворачивается на один зуб.
Рис. 51 Нарезание зубчатых колёс
червячными фрезами
Элементы режима резания:
1. Скорость главного движения
V=
πDn
1000
, м / мин;
2. Глубина резания равна t=2,2m (при одном проходе), где m – модуль
нарезаемого зубчатого колеса;
3. Подача: рассматривают подачу фрезы за один оборот заготовки
S0 (мм/об). Подача фрезы за свой оборот Sф (мм/об) будет равна:
Sф=
S0
k,
z
где k – количество заходов фрезы; z – число зубьев
нарезаемого зубчатого колеса.
Основное технологическое время:
To =
L
L
.
=
VS S O ⋅ n заг
n
z
Учитывая, что n заг = , имеем
T0 =
L⋅z
.
S0 ⋅ n ⋅ к
46
Нарезание зубчатых колес зуборезными долбяками
Рис. 52 Нарезание зубчатых колёс долбяками
При нарезании зубчатых колес долбяками обеспечивается 7- 8 степень
точности нарезаемых зубчатых колес. По сравнению с червячными фрезами
производительность
процесса
меньше
из-за
наличия
возвратнопоступательного движения долбяка.
Главным движением является возвратно-поступательное движение долбяка
Dr. Цепь обкатки связывает вращение долбяка Dд и заготовки Dз. При повороте
долбяка на один зуб заготовка также поворачивается на один зуб.
Для исключения трения задних поверхностей зубьев долбяка при его
обратном ходе заготовка движением D0 отводится от долбяка, а перед рабочим
ходом к нему подводится.
Dвр – движение врезания, когда зубчатое колесо нарезается за несколько
проходов.
К геометрическим параметрам долбяка относятся передний и главный
задний углы для вершинной режущей кромки.
Элементы режима резания (рис.52):
1. Скорость главного движения может быть подсчитана по формуле
аналогичной строганию
V =
K ⋅L
(1 + m) ,
1000
учитывая, что Vр.х.=Vх.х., т.е. m=1 получим:
V=
2⋅ K ⋅ L
, м / мин.
1000
47
где k – число двойных ходов долбяка (дв.ход/ мин); L рх = l + l1 + l 2 − длина
рабочего хода долбяка (мм); l – длина зубчатого венца, l1 и l2 – дополнительные
длины (мм).
2.Глубина резания равна t=2,2m, где m – модуль нарезаемого зубчатого колеса;
3.Подача: рассматриваются круговая подача Skp – это перемещение долбяка по
дуге начальной окружности за двойной ход (мм./дв.ход) и минутная подача Sмин
– скорость движения подачи Vs: Sмин=Vs=kSкр (мм/мин).
Основное технологическое время складывается
из времени,
затрачиваемого на обкатку и врезание:
T0 =
L π ⋅m⋅ z 2,2⋅m
,
=
+
Vs k ⋅S кр k ⋅Sвр
где Sвр – подача на врезание (Sвр=(0,1-0,15)Sкр).
Абразивная обработка
В зависимости от вида инструмента и кинематики станка различают
следующие виды абразивной обработки: шлифование, хонингование,
суперфиниширование, полирование и притирка (доводка). Абразивная
обработка обеспечивает точность обработки 5-6 квалитета и шероховатость
обработанной поверхности Ra до 0,1 мкм. Рассмотрим различные виды
абразивной обработки.
Виды шлифования
Различают следующие виды шлифования: наружное круглое шлифование в
центрах, внутреннее шлифование, бесцентровое шлифование, плоское
шлифование, специальные виды шлифования.
Наружное круглое шлифование в центрах
Различают три основных способа данного вида шлифования: шлифование с
продольной подачей (когда длина обрабатываемой поверхности больше высоты
шлифовального круга); шлифование с поперечной подачей (когда высота
шлифовального круга больше длины обрабатываемой поверхности); глубинное
шлифование (припуск на обработку при этом снимается за 1-2 прохода).
Рассмотрим шлифование с продольной подачей (рис.53). Главным
движением является вращение шлифовального круга Dr, движением подачи –
перемещение заготовки относительно шлифовальн6ого круга вдоль своей оси
DSпрод.
Элементы режима резания:
1. Скорость главного движения – скорость вращения шлифовального круга
Vшк:
Vшк =
π ⋅ Dшк ⋅ nшк
60 ⋅1000
, ( м / с),
48
Рис. 53 Схема наружного круглого шлифования с продольной подачей:
1- шлифовальный круг; 2- заготовка
где Dшк и nшк – диаметр (мм) и частота вращения шлифовального круга
(об/мин).
1. Скорость вращения заготовки VЗ:
VЗ =
π ⋅ D ⋅ nЗ
100
, ( м / мин),
где D и nЗ – диаметр обрабатываемой поверхности (мм) и частота вращения
заготовки (об/мин).
3. Глубина резания:
t=
D − D0
, мм;
2
где D0 – диаметр обработанной поверхности (мм). Глубина резания равна
поперечной подаче Sпоп, которая осуществляется после каждого хода или
двойного хода заготовки движением DSпоп.
4.Подача: рассматривают подачу на оборот заготовки S0=SдB, мм/об, где В –
высота круга в мм.; Sд – долевая подача, выбирается в зависимости от вида
обработки (черновая и чистовая). После каждого (или двойного)
продольного хода дается подача на “глубину” Sпоп мм/ход (мм/дв.ход).
Скорость движения подачи (минутная подача): Vs= Sмин=S0nз=SдBnз,
мм/мин.
Основное технологическое время:
T0 =
L
L⋅h⋅к
,
i⋅к =
V
S д ⋅ B ⋅ nЗ ⋅ t
где i – число проходов круга; к – коэффициент выхаживания; h – заданный
припуск на обработку.
49
Бесцентровое шлифование
Бесцентровое шлифование может применяться для обработки как
внутренних, так и наружных поверхностей. Схемы бесцентрового шлифования
могут быть следующие: сквозное с продольной подачей, методом врезания с
поперечной подачей и шлифование до упора. Рассмотрим бесцентровое
наружное шлифование с продольной подачей, схема которого представлена на
рис. 54. Заготовка 1 устанавливается на упоре 2 между шлифовальным кругом 3
и ведущим кругом 4, который обеспечивает вращение и перемещение
заготовки.
Для перемещения заготовки вдоль оси и возникновения скорости Vs ось
ведущего круга располагается под углом α к оси заготовки ( α =1 – 4о). Для
увеличения длины соприкосновения его с заготовкой ведущему кругу в
процессе правки придают форму гиперболоида.
Ось заготовки устанавливается выше осей кругов на величину h=(0,1 –
0,3)d, где d – диаметр заготовки.
Элементы режима резания:
1. Скорость главного движения – скорость вращения шлифовального круга
Vшк:
Vшк =
πDшк nшк
60 ⋅1000
, ( м / с);
2. Скорость вращения ведущего круга Vвк=15 – 30 м/мин;
3. Скорость вращения заготовки Vз=Vвкcosα ≈ Vвк;
4. Скорость движения подачи заготовки Vs=Sмин=Vвкsinα⋅λ, мм/мин;
коэффициент проскальзывания (λ=0,95 – 0,99);
λ -
Рис. 54 Схема бесцентрового наружного шлифования: 1-заготовка;
2-упор; 3-шлифовальный круг; 4-ведущий круг
5. Подача на оборот S0=Vs /nз , мм/об.
Основное технологическое время:
T0 =
l+B
i⋅к
VS
где l – длина заготовки; B – высота шлифовального круга, i – число
проходов, к – коэффициент выхаживания.
50
Внутреннее шлифование
Схема внутреннего шлифования показана на рис.55. Основные движения и
элементы режима резания при внутреннем шлифовании аналогичны наружному
внутреннему шлифованию в центрах. Отличие заключается в том, что
поперечная подача Sпоп задается за двойной ход шлифовального круга.
Элементы режима резания:
1. Скорость главного движения – скорость вращения шлифовального круга
Vшк =
2. Скорость вращения заготовки
VЗ =
3.Глубина резания
t=
πDшк nшк
60 ⋅1000
πDЗ nЗ
1000
, ( м / с).
, ( м / мин).
D − D0
= S поп , ( м / дв.ход).
2
4.Подача на оборот – S0=SдВ,( мм/об) ; скорость движения подачи,
минутная подача – Vs=Sмин=S0ns=SдBnз,( мм/мин).
Основное технологическое время: T0 =
2 Lhk
.
S д Bn з t
Рис. 55 Схема внутреннего шлифования:
1 – шлифовальный круг; 2- заготовка
Плоское шлифование периферией круга
Плоское шлифование осуществляется двумя методами: периферией
круга и торцом круга. Рассмотрим плоское шлифование периферией круга
(рис.56). При данном виде шлифования круг совершает вращательное
51
движение Dr, а заготовка для обработки ее по всей длине – возвратнопоступательное движение DSпрод . Для обработки заготовки по всей ширине
она совершает поперечное движение DSпоп , в конце которого
шлифовальный круг перемещается в вертикальном направлении движением
Dверт.
Элементы режима
резания:
1.Скорость
главного
движения
–
вращение
шлифовального круга
Vшк =
Рис. 56 Схема плоского шлифования
периферией круга
πDшк nшк
60 ⋅1000
, ( м / с);
2. Скорость движения
подачи Vs=Sмин , (м/мин);
3. Глубина резания t ,( мм);
4. Поперечная подача чаще
совершается в конце
каждого продольного хода стола с заготовкой S поп = Sд В, ( мм / ход.стола);
Основное технологическое время:
To =
h
H
L
.
i1 ⋅ i2 ⋅ к, где i1 = , i2 =
t
VS
Sд ⋅B
Окончательно имеем:
T0 =
L⋅H ⋅h⋅к
,
1000 ⋅ VS ⋅ S д ⋅ B ⋅ t
где Н – величина перемещения круга в направлении движения DSпоп,
Н=ВЗ+В+(5-10) (мм); L – длина продольного хода стола – L=l+(10-15) (мм).
Ленточное шлифование
В качестве режущего инструмента применяется шлифовальная лента,
состоящая из основы, на которую нанесены абразивные зерна и связка – клей.
Особенности процесса ленточного шлифования:
1.
Контакт ленты и заготовки может осуществляться, как по плоской, так
и по фасонной поверхности.
2.
Площадь контакта шлифовальной ленты с заготовкой во много раз
больше площади контакта круга с заготовкой. Это способствует
улучшению теплоотвода, уменьшает вероятность
появления
прижогов и повышает производительность обработки.
52
Рис. 57 Схема ленточного шлифования: 1 – ведущий круг; 2 – шлифовальная лента;
3 – натяжное устройство; 4 – ведомый ролик; 5 - заготовка
Возможность обработки труднодоступных мест на заготовке
(впадины, уступы и т.п.);
4.
Простота конструкции оборудования.
Ленточное шлифование может осуществляться по всем рассматриваемым
выше схемам шлифования.
3.
Отделочные методы абразивной обработки
Отделочные методы абразивной обработки обеспечивают точность
обработки по 4 – 6 квалитету и шероховатость обработанной поверхности до Ra
0,1 мкм.
Хонингование применяется для обработки внутренних цилиндрических и
реже
наружных
плоскостей, обеспечивает
высокую
точность
по
размерам, форме, но не
изменяет положение осей
отверстия, полученное на
предыдущих операциях. В
качестве
режущего
инструмента используется
хон,
оснащенный
абразивными брусками,
Рис. 58 Движение инструмента и заготовки при
хонинговании: 1- заготовка; 2- инструментальная
головка- хон; 3- абразивные бруски
которые могут самоустанавливаться по отверстию. Абразивные бруски для
снятия припуска имеют возможность перемещаться в радиальном направлении.
53
Хонинговальная головка совершает два движения: вращательное Dr и
возвратно-поступательное Ds (рис.58). Отношение скоростей Vr и Vs равно 2 –
4; скорость главного движения Vr=40 – 80 м/мин.
Суперфиниширование – процесс сверхтонкой абразивной обработки
круглых наружных и внутренних поверхностей и заключается в снятии
остаточных микрогребешков поверхности (припуск 5 –
10 мкм).
Суперфиниширование не изменяет точности (по размерам, форме,
взаиморасположению поверхностей) полученной на предыдущей операции.
Рис.59 Движения инструмента и заготовки при супершлифовании:
1- инструментальная головка; 2- заготовка
При суперфинишировании заготовка вращается со скоростью Vз = 10 –30
м/мин. Инструментальная головка совершает возвратно-поступательное
движение Dr со скоростью Vr около 1000 мм/мин. Кроме того,
инструментальная головка имеет колебательное (асцилирующее) движение Da с
частотой 250 – 1000 кол/мин при амплитуде 1 – 5 мм.
Полирование уменьшает высоту микронеровностей обработанной
поверхности, при этом точность обработки, полученная на предыдущей
операции, не изменяется. Обработка осуществляется с помощью мягкого
абразива (окиси хрома, алюминия, кремнияi), который наносится на круги из
дерева, войлока или фетра. Полирование производится в нескольких проходов с
постепенным уменьшением зернистости абразива.
Притирка (доводка) обеспечивает самую высокую точность обработки и
малую высоту микронеровностей обработанной поверхности. Процесс резания
заключается в снятии тонких слоев материала мелкозернистом абразивным
порошком в среде смазки при относительных движениях притира и заготовки.
Алмазные и эльборовые шлифовальные круги
Алмазный (или эльборовый) шлифовальный круг представляет собой
металлический корпус, на рабочую поверхность которого нанесен алмазный
слой толщиной 1,0-3,0 мм. Алмазный слой состоит из связки и алмазного
порошка.
В качестве абразивного материала используются в основном синтетические
алмазы. Натуральные технические алмазы применяются преимущественно для
изготовления алмазных резцов, наконечников к приборам, фильер для
волочения, для правки шлифовальных кругов.
54
Синтетические алмазы получают в виде мелких кристаллов размером обычно
не более 1,0 мм. Синтез алмазов проходит в результате воздействия на графит
высоких давлений (до 1,7*105 кгс/мм2) и высоких температур (до 2500оС).
Синтетические и природные алмазы нельзя противопоставить друг другу, они
дополняют друг друга и каждый из них имеет свои области применения. По
сравнению с природными алмазами с ровной и гладкой поверхностью
синтетические алмазы имеют более шероховатую поверхность с выступами,
углублениями и большим числом режущих элементов на одном зерне. Такая
поверхность зерна обеспечивает более высокую работоспособность
синтетических алмазов. Синтетические и природные алмазы имеют
одинаковую кристаллическую решетку, плотность, твердость и другие физикомеханические свойства. Отличаются они только формой зерен, характером
поверхности, прочностью и хрупкостью.
В характеристику алмазных кругов входят: зернистость зерен, связка,
концентрация алмазов.
Зернистость. Синтетические алмазы подвергают дроблению и последующей
классификации по размерам. В зависимости от размера зерен, метода их
получения и контроля, алмазные зерна делятся на три группы: шлифпорошки
(имеют 12 размеров зернистости от 630/500 до 50/40); микропорошки (имеют
11 номеров зернистости от 60/40 до 1/0); субмикропорошки.
Шлифовальные порошки из природных алмазов обозначаются буквой А, из
синтетических алмазов – буквами АС, а из синтетических поликристаллических
алмазов – АР. Микропорошки и субмикропорошки обозначаются
соответственно буквами АМ и АСМ, а повышенной абразивной способности
АСН. Шлифовальные порошки из синтетических поликристаллических алмазов
типа «баллас» обозначаются АРВ, типа «карбонадо» - АРК, типа «спеки» АРС. Выделяют марки шлифпорошков из природных алмазов А1, А2, А3, А5,
А8, из синтетических поликристаллических алмазов АРВ1, АРК4, АРС3;
шлифпорошки из синтетических алмазов марок АС2, АС4, АС6, АС15, АС20,
АС32, АС50; микропорошки марок АСМ1, АСМ5, АСН.
Зернистость шлифпорошков обозначается дробью, например 400/250. В
числителе указано число (в нашем случае 400), равное размеру ячейки сита в
микрометрах, через которую проходят зерна основной, преобладающей по
массе фракции, а в знаменателе – число (в нашем случае 250), равное размеру
ячейки сита, на котором зерна задерживаются.
Связка. Для алмазных кругов применяются металлическая, керамическая и
бакелитовая связки. Наиболее распространены круги на бакелитовой связке,
которая состоит обычно из фенолформальдегидной смолы (например,
пульвербакелит) и наполнителя (карбид бора, карбид кремния и т.д.), который
играет роль опоры для алмазных зерен, а также определяет механическую
прочность, износостойкость и теплостойкость алмазоносного слоя.
Обозначаются они также, как и для абразивных кругов, например, Б1, Б2 и др.
Металлические связки обозначаются буквой М (например, М1, МК, М15, МВ1,
ПМ1) и состоят из медной или алюминивой основы с добавлением других
компонентов и наполнителей.
55
Концентрация алмаза. Основным показателем, определяющим стоимость
алмазного инструмента, является концентрация алмазов в алмазоносном слое.
Концентрация алмазов характеризуется весовым содержанием их в
алмазоносном слое. За 100% концентрацию условно принято содержание
алмаза в количестве 4,39 карата или 0,878 г в 1 см3 алмазоносного слоя. В
соответствии с этим различают круги с 25-, 50-, 75-, 100-, 150 % - ной
концентрацией. При маркировке алмазных кругов концентрация обозначается
цифровым индексом. Цифрами 1, 2, … 6 обозначается соответственно 25, 50,
75, 100, 125 и 150 % - ная концентрация. Круги из синтетических алмазов
применяют в настоящее время преимущественно для заточки твердосплавного
инструмента и обработки заготовок из неметаллических материалов (гранит,
кварц, стекло и др.).
Маркировка алмазного инструмента. При маркировки алмазных кругов
указывается марка алмазов, зернистость, их концентрация, связка, форма и
размеры круга.
зернистость
алмазных
зерен
АС6 160/125
материал
алмазного
круга
связка
5
размеры круга
М5 1А1
150 × 10 × 3 × 32
концентрация
форма и наружный
алмазов в
размер диаметр
алмазоносном слое
круга
толщина
алмазоносного
высота
слоя
круга
посадочный
диаметр
1А1
форма корпуса
круга
форма алмазоносного
слоя
расположение
алмазоносного
слоя
Эльборовые материалы в зависимости от размера зерен разделяются на
шлифзерна (размеры зерен 160 – 500 мкм), шлифпорошки (размеры зерен 40 –
120 мкм) и микропорошки (размеры зерен 1 – 63 мкм). Обозначение
зернистости эльборовых материалов аналогично обозначению алмазных
материалов. В зависимости от вида сырья, способа получения и прочности
выпускаются следующие марки эльбора: ЛО – обычной механической
прочности, ЛП, ЛКВ – повышенной прочности, ЛД – поликристаллический,
ЛОМ, ЛОС – с покрытиями. В характеристику эльборового шлифовального
круга входят те же параметры, что и в характеристику алмазного круга.
Маркировка эльборовых кругов аналогична маркировке алмазных кругов.
56
ПУТИ ИНТЕНСИФИКАЦИИ МЕТОДОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ
ОБРАБОТКИ
Пути управления тепловыми явлениями при резании с целью
повышения эффективности процесса и стойкости режущего
инструмента
Различные способы управления тепловыми явлениями направлены на
решение двух основных задач:
1) общее изменение теплового состояния в зоне резания (уменьшение или
увеличение температуры резания).
2) Направленное изменение температуры (уменьшение или увеличение)
отдельных участков поверхности инструмента или заготовки.
Для решения первой задачи можно использовать следующие способы
управления:
1. Регулирование интенсивности теплообразования в зоне резания за счет
изменения элементов режима резания, геометрии и конструкции
режущего инструмента. Изменяя форму и геометрические параметры
режущей части инструмента, можно влиять на интенсивность и
направление тепловых потоков, обеспечивающих отвод теплоты из
зоны резания через инструмент.
2. Выбор количества одновременно работающих режущих клиньев
режущего инструмента. Увеличение или уменьшение количества
одновременно работающих режущих клиньев соответственно
повышает или снижает температуру резания.
3.
Применение ротационного резания (рис.60).
При
ротационном резании кроме двух основных движений (Dr и Ds),
необходимых для осуществления процесса резания, имеется движение
резца вокруг собственной оси (Dр). Движение Dр может быть
принудительным или осуществляться за счет трения резца о заготовку,
которое регулируется углом μ. Уменьшение температуры в зоне
резания при ротационном резании происходит за счет того, что в
контакт с заготовкой периодически входят уже охлажденные участки
режущей кромки. Кроме того, при такой схеме резания уменьшается
коэффициент трения за счет частичной замены трения скольжения
трением качения.
57
Рис. 60 Схема ротационного резания
4. Регулирование теплообмена инструмента и заготовки с окружающей
средой (применение смазывающей охлаждающей жидкости, подогрева
срезаемого слоя). Основным потоком теплоотвода из зоны обработки является
тепловой поток от поверхностей режущего инструмента не занятых стружкой.
Поэтому главным объектом охлаждения при использовании смазывающей
охлаждающей жидкости является режущий инструмент.
5. Регулирование интенсивности вторичного теплообмена между режущим
инструментом и сходящей стружкой. Это достигается за счет различных
мероприятий, связанных с дроблением и удалением стружки из зоны
обработки.
6. Регулирование длительности контакта режущего инструмента и
обрабатываемой заготовки за счет искусственного прерывания процесса
резания и других способов.
Для решения второй задачи используются следующие меры:
1. Регулирование размеров контактных площадок инструмента.
Например, уменьшение длины контакта Сγ (рис.61) за счет создания
канавки на передней поверхности ведет к снижению коэффициента
трения. В результате снижается сила резания Pz и количество
выделившейся теплоты Q , а следовательно и температура на
передней поверхности. Большое влияние на температуру оказывает
угол μ, под которым проведена передняя стенка канавки.
Уменьшение данного угла приводит к повышению теплоотвода в
инструмент и снижению температуры на передней поверхности.
2. Применение дополнительных теплоотводящих кромок. Как показано
на рис.62, такие кромки, снимая небольшой слой материала,
незначительно
увеличивают
общее
количество
теплоты,
образующейся при резании. Вместе с тем, соприкасаясь с заготовкой,
они способствуют отводу тепла из инструмента в заготовку.
58
Рис. 61 Регулирование размера длины контакта стружки с
передней поверхностью инструмента
Рис. 62 Применение дополнительных теплоотводящих кромок
Рис. 63 Форма режущего инструмента
3.
Выбор размеров и формы режущих элементов режущего
инструмента (рис.63). При одном и том же значении
вспомогательного угла в плане пластины с разным числом граней
будут иметь различные главные углы в плане. При постоянных
значениях глубины резания и подачи разные главные углы в плане
будут вызывать различное изменение сил резания, коэффициента
59
укорочения стружки, поскольку изменяются толщина и ширина
срезаемого слоя. С другой стороны, чем меньше граней имеет
пластина, тем меньше теплоотвод в нее от контактной площадки на
передней поверхности. Таким образом, форма и размер режущего
элемента определяют условия теплоотвода из зоны резания и
увеличение числа граней пластины температура на передней
поверхности будет уменьшаться.
4. Выбор теплофизических характеристик инструментального материала.
Изменение коэффициента теплопроводности инструментального материала
может служить средством не только общего, но и направленного
регулирования температуры. Увеличение коэффициента теплопроводности,
как правило, снижает температуру на передней поверхности за счет
повышения теплоотвода в инструмент, но повышает температуру его задней
поверхности. Причина повышения температуры на задней поверхности
заключается в том, что теплота, поступающая в инструмент со стороны
передней поверхности, с увеличением коэффициента теплопроводности все
более активно передается через режущий клин в сторону задней поверхности,
подогревая ее. Отсюда следует, если инструмент изнашивается в основном по
передней поверхности, то для уменьшения тепловой нагрузки на данную
поверхность следует применять инструментальные материалы большой
теплопроводности. Если же необходимо снизить тепловую нагрузку на заднюю
поверхность инструмента, то следует использовать инструментальные
материалы с меньшим коэффициентом теплопроводности.
5. Выбор схемы подвода смазочно-охлаждающей жидкости в зону резания.
Применяя различные схемы подвода жидкости (со стороны передней
поверхности или задней, поливом или через тело инструмента) можно
создавать необходимое тепловое состояние зоны обработки и контактных
площадок режущего инструмента.
Методы повышения стойкости режущего инструмента
Рассматривают следующие методы повышения стойкости режущего
инструмента:
1. Создание новых марок инструментальных материалов. Увеличение
периода стойкости Т достигается при этом за счет повышения основных
эксплутационных характеристик инструментального материала. Как видно
из рис.64, использование инструментальных материалов, имеющих более
высокую теплостойкость, повышает период стойкости инструмента.
60
TV
Рис. 64 Зависимость пути резания (L=TV)
инструмента от скорости резания: 1-Р6М5,
2-Т5К10, 3-ВОК71
3
2
1
V
2. Совершенствование конструкции режущего инструмента и оптимизация
геометрических параметров режущей части инструмента. Повышение
периода стойкости режущего инструмента обеспечивается за счет
равномерного распределения силовых и тепловых нагрузок на режущих
кромках инструмента, улучшение теплоотвода, подвода смазочноохлаждающей жидкости в зону резания и обеспечение достаточной
прочности режущего клина инструмента. Например, применение
инструментов с механическим креплением пластин обеспечивает больший
период стойкости по сравнению с инструментом с напайными пластинами
(рис.65); применение внутреннего охлаждения через тело инструмента,
например, сверла, также ведет к повышению периода стойкости;
использование метчиков с внутренними каналами способствует не только
лучшему охлаждению инструмента, но и лучшему отводу стружки из зоны
обработки, что вместе взятое увеличивает их период стойкости.
T
Рис. 65 Зависимость периода стойкости
инструмента от скорости резания :
1– РИ с напаянной пластиной
2 – РИ с механическим креплением
1
2
V
3. Применение смазочно-охлаждающей жидкости. Повышение периода
стойкости режущего инструмента при использовании смазочноохлаждающей жидкости обеспечивается за счет использования основных
свойств жидкости: охлаждающего, смазывающего, моющего и режущего
(более подробно влияние жидкости на износ инструмента будет
рассмотрен ниже).
4. Повышение качества контактных площадок режущего инструмента.
Повышение периода стойкости режущего инструмента за счет повышения
качества его контактных площадок рассмотрим на примере трех методов.
4.1 .Уменьшение шероховатости контактных площадок режущего
инструмента (доводка). Доводка контактных площадок инструмента
осуществляется кругами из сверхтвердых материалов (алмазными – для
доводки твердосплавных режущих инструментов, эльборовыми – для
доводки быстрорежущего инструмента). Повышение периода стойкости
инструмента при доводке обеспечивается за счет снижения трения на
61
контактных площадках режущего инструмента и удаления с
поверхности контакта различного рода дефектов (микросколов,
микротрещин, рисок и т.п.), которые в процессе резания могут сыграть
роль концентраторов напряжений и привести к преждевременному
разрушению режущих кромок. Наиболее эффективна доводка для
режущего инструмента из твердого сплава.
4.2 .Упрочнение поверхностного слоя режущего инструмента путем
изменения его структуры и состава. Методы данной подгруппы
наиболее эффективны для режущего инструмента из быстрорежущей
стали. К данным методам можно отнести методы химико-термической
обработки (ХТО), основанные на газо-фазовом, жидкостном и
твердофазовом насыщении поверхностного слоя режущего инструмента
(азотирование, цементация, цианирование и др.). В результате
насыщения образуются диффузионные слои, кристаллохимическое
строение которых отличается от основного материала (фазовый состав
слоя, химический состав, твердость). В результате диффузионного
насыщения образуются слои толщиной 10-40 мкм с повышенной
твердостью. Методы ХТО
обеспечивают повышение периода
стойкости быстрорежущего инструмента в 1,5-2 раза. К методам данной
подгруппы можно отнести также ионное азотирование, ионную
имплантацию, электроискровое легирование, лазерную обработку и
лазерное легирование.
Ионное азотирование осуществляется в два этапа и проводится в
разряженной атмосфере: первый этап – очистка поверхности режущего
инструмента от окисных и адсорбированных пленок в тлеющем разряде
и нагрев режущего инструмента до требуемой температуры, второй
этап – насыщение поверхности режущего инструмента ионами азота.
Ионное азотирование имеет ряд преимуществ перед традиционным
азотированием:
высокая
скорость
насыщения,
получение
азотированных слоев с необходимыми свойствами и структурой, малые
деформации режущего инструмента в процессе насыщения.
Применение ионного азотирования позволяет увеличить период
стойкости инструмента в 1,5-2,5 раза.
Ионная имплантация заключается в бомбардировке с высокой энергией
поверхностных слоев режущего инструмента ионами различных металлов или
газов. В результате такой обработки происходит изменение механических
свойств поверхностного слоя инструмента и повышается его микротвердость. В
качестве легирующих элементов используются тугоплавкие металлы (Ta, Ti, W,
Zr) и различные газы (азот, аргон). К преимуществам ионной имплантации
можно отнести низкую температуру процесса, что позволяет упрочнять
мелкоразмерные инструменты и инструменты из низкотеплостойких сталей.
Электроискровое легирование заключается в том, что под действием
электроискрового разряда малой мощности происходит перенос материала
электрода на поверхность режущего инструмента. В качестве электродов
используются твердые сплавы группы ТК, карбиды и нитриды тугоплавких
62
металлов. Недостатки процесса: низкая производительность, высокая
шероховатость поверхности Ra 3,2-6,3.
Лазерная обработка. В результате обработки лазером в поверхностных слоях
инструмента образуется зона с особой макроструктурой («белая зона»),
состоящая из нескольких слоев, причем один из этих слоев обладает высокой
твердостью.
Лазерное
легирование
является
комбинацией
двух
методов
–
электроискрового легирования и лазерной обработки.
К методам данной подгруппы можно отнести методы, направленные на
улучшение свойств быстрорежущей стали путем устранения недостатков
термообработки и вредных последствий заточки инструмента. Это охлаждение
режущего инструмента в жидком азоте (удар холодом) и магнитно-импульсная
обработка. Наличие остаточного аустенита в закаленной стали уменьшает
твердость, прочность и теплостойкость инструментального материала, что
приводит к снижению периода стойкости режущего инструмента. При
охлаждении быстрорежущего инструмента в жидком азоте и при магнитноимпульсной обработке происходит снижение остаточного аустенита, что
повышает указанные выше свойства стали.
4.3. Упрочнение поверхностного слоя режущего инструмента путем нанесения
твердых износостойких покрытий. Главная задача нанесения покрытия создание
композиционного инструментального материала с высокой износостойкостью
поверхностного слоя (за счет нанесенного покрытия) и вязкой прочной основой.
Покрытия следует наносить на те инструментальные материалы, которые
обладают вязкой основой и имеют недостаточную поверхностную
износостойкость. К таким инструментальным материалам относятся углеродистые,
легированные и быстрорежущие стали, твердые сплавы группы ВК, ТТК и более
прочные сплавы из группы ТК (например, сплав Т5К10). Для нанесения
износостойких покрытий на режущий инструмента применяются методы
химического (ХОП) и физического (ФОП) осаждения покрытий.
Методы химического осаждения покрытий. Методы ХОП являются
высокотемпературными (температура процесса 1000°С) и применяются для
нанесения покрытий на неперетачиваемые твердосплавные пластины и цельный
твердосплавный инструмент. В качестве покрытий используются карбиды,
нитриды и карбонитриды титана, оксид алюминия (TiC , TiN , TiCN , Al2O3).
Применение методов ХОП позволяет повысить период стойкости режущего
инструмента при обработке конструкционных сталей в 1,5-4 раза.
Методы физического осаждения покрытий. К данным методам относятся:
метод КИБ (метод конденсации вещества в вакууме с ионной бомбардировкой),
метод РЭП (реактивный электронно-лучевой плазменный), метод МИР
(магнитронно-ионное распыление), метод МИРР (магнитронно-ионное
реактивное распыление), метод ионного плакирования. Наибольшее
распространение получил метод КИБ, который позволяет наносить покрытия
как на быстрорежущий, так и на твердосплавный инструмент. Данным методом
наносятся покрытия различного состава и конструкции – однослойные и
многослойные на основе нитридов, карбидов, карбонитридов тугоплавких
металлов (например, однослойные одноэлементные TiN, ZrN, CrN,
63
многоэлементные
(Ti,Mo)N,
TiN+TiCN+(TI,Zr)N и др.).
(Ti,Al)N),
(Ti,Zr)N,
многослойные
Обрабатываемость материалов резанием
Под обрабатываемостью понимается способность обрабатываемого материала
разрушать и изнашивать контактные площадки инструмента до заданного
критерия износа.
Полное исследование обрабатываемости какого-либо материала включает в себя
следующие этапы:
1. Определение
оптимальной
марки
инструментального
материала,
оптимальной геометрии режущего инструмента и оптимального состава
смазочно-охлаждающей жидкости.
2. Исследование влияния различных факторов (скорости резания, подачи,
глубины резания, геометрии режущего инструмента и др.) на качество
обработанной поверхности, силы резания и износ режущего инструмента.
3. Исследование влияния термообработки на обрабатываемость.
Оценку обрабатываемости производят по следующим параметрам: допускаемой
скорости резания, качеству обработанной поверхности, силам и мощности,
затрачиваемым на процесс резания и характеру образующейся стружки.
Основным параметром оценки обрабатываемости как при черновой, так и при
чистовой обработке является скорость резания. Чем она выше, тем лучше
обрабатываемость материала и наоборот.
Для определения обрабатываемости используют различные методы. Рассмотрим
«классический» метод, который заключается в построении периода стойкости
инструмента от скорости резания – Т=f(V). Данный метод является наиболее
точным и объективно отражает влияние обрабатываемого материала на износ
инструмента. Недостатком его является трудоемкость и большой расход
обрабатываемого материала.
64
Tv1
1
Tv2
2
Tv3
Б
3
Tv4
А
4
V1 V2
V3
V4
Рис. 66 Зависимость
периода стойкости
инструмента от скорости
резания (а) и износа по
задней поверхности от
времени работы
инструмента (б)
V
а)
h3
h3к=0,5
5
10
20
40
Tv1 τ,мин
б)
Если сравнивают обрабатываемость двух материалов А и Б, то для них в
одинаковых условиях обработки экспериментально находят зависимость
Т=f(V). Построение данной зависимости производится следующим образом.
При постоянных значения глубины резания и подачи заготовка из материала Б
обрабатывается на скорости резания V1 до заданного критерия износа (в
нашем примере критерий равен h3к=0,5 мм ) и строится график h3=f(τ) (рис. 83,
б). На данном графике определяется время Tv1 , которое проработал
инструмент до величины износа по задней грани hз, равного 0,5 мм, которое
будет соответствовать периоду стойкости инструмента при работе на скорости
V1. Значение периода стойкости Tv1 переносим на график Т=f(V) и получаем
на нем первую точку. По аналогии строим графики h3=f(τ) для скоростей V2,
V3, V4 и т. д. и получаем для данных скоростей значения периодов стойкости
Tv2, Tv3, Tv4 и т.д., которые переносим на график Т=f(V) . Построив
зависимость T=f(V) для материала Б, аналогично строим зависимость T=f(V)
для обрабатываемого материала Б. Если зависимость T=f(V) является
монотонной, то ее аппроксимируют
степенной функцией и находят две
зависимости:
V=
CА
C
- для материала А и V = mББ - для материала Б.
mА
T
T
Затем, задавшись периодом стойкости Т=60мин, определяют соответствующие
ему скорости резания V60А и V60Б. Коэффициент обрабатываемости будет равен
Ко =
V60 А
.
V60 Б
При немонотонной зависимости T=f(V) (рис.67) находят отношение скоростей
резания VA и VБ, допускаемых материалами А и Б при определенном значении
периода стойкости инструмента, являющееся коэффициентом обрабатываемости
при выбранном периоде стойкости.
65
Т, мин
Б
Рис. 67 Зависимость
периода стойкости
инструмента от скорости
резания
Т
А
VA
VB
V
Для повышения обрабатываемости материалов применяются следующие
методы: термическая обработка обрабатываемого материала, изменение
химического состава, введение в состав обрабатываемого материала легкоплавких
добавок (висмут, селен, свинец и др.), которые не изменяют физико-механических
свойств материала, подогрев срезаемого слоя заготовки (лазерный плазменный).
Обрабатываемость различных материалов. Обрабатываемость конструкционных
сталей ухудшается с увеличением содержания в них углерода и легирующих
элементов, поскольку это приводит к повышению коэффициента истираемости
материала и температуры резания. Наряду с химическим составом на
обрабатываемость сталей влияет их микроструктура. Наибольшей истирающей
способностью обладает феррит, небольшой коэффициент истираемости имее
аустенит; истирающая способность перлита зависит от формы цементита – у
пластинчатого перлита она больше, чем у зернистого; у зернистого перлита она
тем меньше, чем меньше зерна цементита. Обрабатываемость чугунов
определяется в первую очередь их микроструктурой и ухудшается по мере того,
как углерод из свободного состояния (графит) переходит в связанное (цементит),
обладающее повышенной истирающей способностью. На обрабатываемость
чугуна влияет также размер и форма графита и цементита. Наилучшая
обрабатываемость достигается при наличии сфероидальных зерен графита.
Вследствие малых пластичности и склонности чугуна к упрочнению силы резания
при его обработке меньше, чем при обработке сталей на ферритной основе. Однако
из-за малой длины контакта стружки с передней поверхностью нормальные
напряжения достаточно велики и концентрируются вблизи режущей кромки.
Температура резания при обработке чугуна также меньше по сравнению с
температурой, возникающей при обработке ферритных сталей той же твердости.
Щднако обрабатываемость чугуна хуже. Обрабатываемость жаропрочных и
нержавеющих сталей и сплавов существенно хуже по сравнению с
обрабатываемостью конструкционных сталей и чугунов. Жаропрочными называют
материалы, способные выдерживать механические нагрузки без существенных
деформаций и обладающие жаростойкостью, т.е. способностью противостоять
химическому разрушению под действием воздуха или других агрессивных сред
при высоких температурах. Нержавеющими называются материалы, обладающие
высокой коррозионной стойкостью в агрессивных средах, т. е. в атмосфере
воздуха, паров воды и кислот. Худшая обрабатываемость данных материалов
определяется
их
физико-механическими
свойствами,
структурой
и
теплофизическими характеристиками. К таким свойствам относятся: 1. Высокое
упрочнение материала в процессе его обработки резанием. 2. Низкая
теплопроводность. 3. Способность данных материалов сохранять исходную
66
прочность и твердость при повышенных температурах. 4. Большая истирающая
способность данных материалов, обусловленная наличием в них, кроме фазы
твердого раствора, еще и второй фазы, когда образуются интерметаллидные или
карбидные включения. Низкую обрабатываемость имеют титановые сплавы,
которая обусловлена рядом их особенностей: малая пластичность, характеризуемая
высоким коэффициентом упрочнения; высокая химическая активность к
кислороду, азоту, водороду, что вызывает интенсивное охрупчивание
поверхностного слоя сплавов вследствие диффузии в него атомов газа при
повышении температуры; чрезвычайно низкая теплопроводность, более низкая,
чем у жаропрочных сталей и сплавов. Алюминиевые сплавы с точки зрения
обрабатываемости можно разделить на три группы. К первой относятся сплавы с
низкой твердостью, имеющие склонность к налипанию на инструмент (например,
дюралюминий в отожженном состоянии). Сплавы второй группы имеют высокую
твердость, не налипают на инструмент (например, термически упрочненный
дюралюминий, кованные сплавы АК6, АК8 и др.). В третью группу входят широко
распространенные литые сплавы, содержащие кремний, в частности силумины
различных сплавов. Для первых групп наиболее характерно образование сливной
стружки в виде длинных лент и спиралей, для третьей – стружка легко дробится на
короткие элементы. По сравнению со сталью алюминиевые сплавы обладают
меньшей твердостью, более низким временным сопротивлением и лучшей
теплопроводностью, что позволяет значительно повысить скорость резания и
подачу. Высокая вязкость ряда алюминиевых сплавов интенсифицирует налипание
частиц на рабочие поверхности инструмента, что затрудняет отвод стружки, может
вызвать пакетирование стружки и привести к образованию задиров на
обработанной поверхности. Алюминиевые сплавы склонны к наростообразованию
и данный процесс протекает чрезвычайно активно. Максимальная высота нароста
и его исчезновение отмечаются для алюминиевых сплавов при относительно более
низких скоростях резания, чем для сталей. Медные сплавы с точки зрения
обрабатываемости можно разбить на три группы: 1. Сплавы с гомогенной
структурой (латуни Л60, Л63, бронзы БрА7, Бр04Ц3 и др., медь); 2. Сплавы с
гетерогенной структурой (ЛЦ16К4, ЛЦ30А3, БрА10ЖЗМц2 и др.); 3. Сплавы,
содержащие свинец (ЛС63-3, ЛЦ10С, БрС30 и др.). При обработке сплавов первой
группы и красной меди образуется сливная вязкая и трудноломающаяся стружка.
Сплавы второй группы также образуют сливную стружку, однако она менее
прочная и значительно лучше ломается. При резании свинцовистых сплавов
образуется короткая хрупкая стружка, а в случае высокого содержания свинца –
стружка надлома почти в виде пыли. Обрабатываемость медных сплавов лучше по
сравнению со сталями, коэффициент, характеризующий уровень скоростей
резания, для них в 2 – 3 раза выше по сравнению с чугуном и сталью.
Действие смазочно-охлаждающей жидкости при резании
Действие смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) при резании определяется
основными ее свойствами: смазывающим, охлаждающим, моющим и режущим.
Смазывающее действие СОЖ заключается в создании на контактных площадках
режущего инструмента различного рода пленок, которые полностью или частично
предотвращают контакт передней поверхности со стружкой и задних поверхностей
67
с обрабатываемым материалом. По характеру пленки могут быть физическими,
химическими и механическими. Физические пленки образуются в результате
молекулярной адсорбции, они имеют высокое сопротивление на сдвиг, но плохо
сопротивляются нормальным нагрузкам и имеют низкую термостойкость.
Условием образования физических пленок является присутствие в СОЖ
поверхностно-активных веществ. Химические пленки образуются в результате
хемосорбции, которая сопровождается химической реакцией между СОЖ и
контактными поверхностями режущего инструмента. Эти пленки имеют низкое
сопротивление на сдвиг, но лучше воспринимают нормальные нагрузки и имеют
высокую термостойкость. Условием их образования является присутствие в СОЖ
веществ, химически активных по отношению к материалу инструмента.
Механические пленки образуются вследствие содержания в СОЖ твердых
веществ, которые заполняют впадины микронеровностей контактной поверхности
режущего инструмента. Эти пленки имеют еще меньшее сопротивление на сдвиг,
чем химические. Смазывающее действие СОЖ проявляется в снижении трения и
схватывания на контактных площадках режущего инструмента.
Охлаждающее свойство СОЖ заключается в отводе тепла от инструмента,
заготовки и стружки и проявляется в снижении температуры на контактных
площадках и в режущем клине режущего инструмента.
Моющее свойство СОЖ заключается в удалении продуктов износа и
мелкодисперсной стружки из зоны обработки и проявляется в снижении
абразивного изнашивания инструмента.
Режущее свойство СОЖ заключается в том, что наличие в ней поверхностноактивных веществ облегчает процесс разрыва связи в обрабатываемом материале
при внедрении режущего клина режущего инструмента в поверхностный слой
заготовки.
Смазочно-охлаждающие жидкости могут подаваться в зону резания
следующими способами: поливом свободно падающей струей, под давлением со
стороны передней или задней поверхности, подача распыленной жидкости.
Современные тенденции в развитии процессов резания
В настоящее время все больше деталей изготавливается из
труднообрабатываемых сталей и сплавов, керамики, композитов и других
новых конструкционных материалов. Многие из них ктеризуются очень
сложной формой, минимальными припусками на обработку, высокими
требованиями к качеству обработанных поверхностей. Для обеспечения
рациональных условий обработки таких деталей необходим комплексный
подход, объединяющий знания о процессах обработки материалов резанием,
свойствах материала, оборудовании и т. д.
Совершенствование различных технологических процессов обработки
резанием обусловлено целым рядом факторов:
- возрастанием точности обработки и качества обработанной поверхности.
Использование новых технологий обработки поверхности инструмента
обеспечивает идеальную остроту режущих кромок, что позволяет заменить
68
полирование и притирку. Такая обработка относится к так называемым
нанотехнологиям и получила название сверхточной;
- повышением скоростей резания до максимально допустимого уровня с
точки зрения безопасности работы станка. Такой процесс получил название
сверхскоростной обработки и сопровождается целым рядом изменений в
физических процессах, происходящих в зоне резания;
- ограничением использования СОЖ. Затраты на использование и
последующую утилизацию СОЖ в современном производстве в несколько раз
превышают затраты на режущие инструменты. Кроме того, СОЖ отрицательно
влияет на состояние здоровья человека и окружающую среду. В связи с этим
все более широкое распространение получает резание без использования либо с
минимальным использованием СОЖ;
- использованием лезвийной обработки высокотвердых и закаленных
материалов вместо шлифования. Такие технологии находят все более широкое
применение благодаря расширенному использованию сменных пластин из
сверхтвердых материалов и режущей керамики.
Определенным условием расширения традиционных границ обработки
материалов является введение в зону обработки дополнительной энергии,
которая либо поступает извне, либо остается после предыдущих
технологических операций.
Высокоскоростное резание
Идея высокоскоростного резания (ВСР) (скорости резания до 18000 м/мин)
была высказана в 30-х годах прошлого века немецким исследователем
Заломоном. Смысл данной идеи заключался в следующем. С увеличением
скорости резания до VA температура резания достигает значения Ткр, при
котором в материале инструмента начинаются необратимые процессы
теплового разупрочнения, которые делают дальнейший процесс резания
невозможным. Заломон выдвинул гипотезу, согласно которой при дальнейшем
увеличении скорости резания температурная кривая, достигнув некоторого
максимального значения, начнет убывать, и при достижении скорости VB
температура при резании вновь станет ниже критической, в связи с чем в этой
зоне скоростей можно снова производить процесс снятия стружки. (рис. 68 ).
Следует отметить, что понятие ВСР даже в настоящее время не до конца
определено и выдвинутая гипотеза Заломона до сих пор не подтверждена
практикой и теоретическими исследованиями. На рис. 69 показаны зависимости
изменения силы резания и температуры от скорости резания. Как видно, с
увеличением скорости резания температура возрастает, а темп ее увеличения
снижается, и в пределе стремится к температуре плавления обрабатываемого
материала. Как показывают исследования в области обработки материалов
резанием, на сегодняшний день нет данных по снижению температуры резания
с повышением скорости резания. Значение силы резания с увеличением
скорости резания уменьшается, и, достигнув определенного уровня,
практически не изменяется. И только на очень высоких скоростях резания
наблюдается некоторое ее увеличение, связанное с ростом инерционных сил от
неуравновешенности инструмента и сходящей стружки.
69
Рис. 68. Влияние скорости резания на температуру
Таким образом, зависимости Т0С = f (V) и Рz = f (V) позволяют однозначно
утверждать, что увеличение скорости резания в области ее высоких значений
приводит к росту общего количества тепла, выделившегося при снятии
стружки.
Рис. 69. Влияние скорости резания на температуру Т0С и силу резания Рz
Как известно, несмотря на общий рост количества теплообразования, с
увеличением скорости резания происходит перераспределение тепла,
уходящего в стружку, заготовку и в режущий инструмент. При этом, доля
тепла, уходящего в стружку возрастает, а доля тепла, уходящего в заготовку и
инструмент, уменьшается. Однако, несмотря на снижение доли тепла,
уходящего в режущий инструмент, общее его количество увеличивается.
Поэтому с повышением скорости резания тепловые условия эксплуатации
режущего инструмента становятся более жесткими. Таким образом, зона
высокоскоростного резания, указанная на кривой Заломона, не может быть
достигнута даже теоретически, и процесс резания может происходить в зоне до
70
критических скоростей VA.
Однако необходимо отметить, что если
температура плавления обрабатываемого материала будет ниже температуры
теплостойкости инструментального материала, то ограничений по скорости
резания не будет. В этом случае скорость резания будет ограничиваться только
возможностями оборудования и техники безопасности. Примером такого
подхода может служить опыт обработки алюминиевых сплавов и некоторых
видов пластмасс. В противном случае ограничение скорости резания всегда
будет определяться уровнем теплостойкости инструментального материала или
– в условиях динамических колебаний – уровнем его прочностных свойств.
Под термином ВСР следует понимать сочетание всех технологических
средств, способных поднять скорость обработки при
резании выше
общепринятого предела. Четких границ, выше которых простое фрезерование,
точение или сверление становятся высокоскоростными, на сегодняшний день
не существует. Поэтому понятие «высокая скорость резания» является
относительным. Например, увеличение скорости обработки при фрезеровании
стали с 250 м/мин до 750 м/мин уже является переходом в область ВСР.
Скорость 2500 м/мин вместо 250 м/мин при фрезеровании алюминиевых
сплавов уже является ВСР. При обработке никелевых сплавов предел скоростей
ВСР лежит на уровне 50 м/мин. Таким образом, высокая скорость резания
всегда относительна в зависимости от условий обработки.
В последние годы ВСР является одним из эффективных направлений
развития технологии получения деталей, а основные преимущества ВСР
связывают с увеличением объема обрабатываемого материала, снимаемого в
единицу времени, и высоким качеством обработанной поверхности.
Рассмотрим некоторые особенности процесса резания при увеличении
скорости обработки.
Изменения закономерностей стружкообразования в условиях ВСР
обусловлены известным теоретическим положением физики твердого тела,
согласно которому при увеличении скорости пластической деформации
металла область последней уменьшается и металл становится более хрупким.
Вследствие этого уменьшается относительная работа пластической
деформации. Скорость резания при ВСР оказывает весьма существенное
влияние на процесс формирования стружки. При относительно низких
скоростях резания вся зона основных пластических деформаций находится
практически в равных условиях. По мере роста скорости возрастают
температура и ее градиент, снижая эффект упрочнения обрабатываемого
материала. При сверхвысоких скоростях могут возникнуть адиабатические
условия протекания процессов деформирования. При достижении баланса
между эффектами упрочнения и разупрочнения образуется стружка в виде
отдельных сегментов. Материал образующихся фрагментов стружки
практически не подвергается деформированию, за исключением очень тонкого
слоя, соединяющего сегменты. При ВСР сливная стружка будет переходить в
элементную, а при резании закаленных сталей – в порошкообразную. Зона
основных пластических деформаций при ВСР очень узкая, стружка
контактирует с передней поверхностью инструмента на крайне малом участке.
В результате нормальные контактные напряжения на передней поверхности по
71
мере увеличения скорости резания возрастают, тогда как при обычном резании
они снижаются.
Коэффициент укорочения стружки при высоких скоростях для широкого
круга обрабатываемых материалов значительно меньше, чем при обычном
резании. В ряде случаев он может быть меньше единицы при одновременном
уменьшении ширины стружки. Угол сдвига при ВСР больше чем при обычном
резании и достигает 600 (при обычном резании не более 450).
Весьма важную роль в физических процессах в зоне резания при
высокоскоростной обработке играют силы инерции. В условиях обычного
резания они совершенно незначительны, при высокоскоростном – составляют
до 30 – 50 % от силы Рz. Для осуществления высокоскоростного резания
необходимо повышать мощность станка. Так, например, при обработке стали
45 при t = 5 мм, s = 0,3 мм, v = 120м/мин мощность резания равна 6,47 кВт, а
при v /мин = 1000 м/мин – 161 кВт.
Отсутствие нароста, застойной зоны и упрочнения металла в зоне
пластического
контакта
повышают
интенсивность
адгезионных
и
диффузионных процессов в условиях ВСР – возникает значительный износ
контактных площадок вблизи режущей кромки. Динамика и интенсивность
износа при обычных и сверхвысоких (больших в 300 раз) скоростях при прочих
равных условиях могут примерно одинаковой или несколько более высокой в
последнем случае. Для обеспечения высокого периода стойкости режущие
инструменты оснащаются сменными пластинами из твердых сплавов с
многослойными покрытиями из минералокерамики и сверхтвердых материалов.
При высокоскоростной обработке в значительной степени изменяются
подходы к использованию СОЖ. Исследования показывают, что в таких
условиях более эффективно резание всухую либо с подводом газовой среды.
Исследования показывают, что при высокоскоростной обработке
наибольший съем металла при постоянном периоде стойкости и минимальный
относительный износ обеспечиваются при значительных подачах и меньшей
скорости резания. В связи с резким возрастанием скоростей резания
производительность обработки чрезвычайно велика – при одинаковой точности
обработки она может быть в 1,5 - 4 раза выше, чем при шлифовании.
Резание всухую
СОЖ в последние годы рассматривают все чаще как нежелательный фактор в
производстве. Это обусловлено экономическими и экологическими причинами,
в том числе все более жесткими международными законодательными актами об
охране окружающей среды.
В крупносерийном производстве на долю процессов, связанных с
применением СОЖ (доставка, использование, регенерация и т. д.), приходится
от 7,5 до 17 % общих производственных затрат, тогда как расходы на
инструмент составляют только 4 %. Весьма значительны затраты на
последующую утилизацию и регенерацию СОЖ. Важную роль играют также
экологические последствия от использования СОЖ. С одной стороны,
учитывается их отрицательное влияние на окружающую среду, с другой –
вредное воздействие на здоровье работников. Известно, что резание всухую
72
приводит к повышению температуры и, как следствие, ускоренному
изнашиванию инструмента, возрастанию термических напряжений в заготовке,
ее тепловым деформациям и другим отрицательным последствиям. Эти
воздействия можно уменьшить за счет:
- выбора технологии обработки, не требующей использования СЩЖ;
- изменения конструкции и геометрии инструмента (размеров поверхностей,
контактирующих с заготовкой и стружкой);
- использования износостойких покрытий режущего инструмента;
- подбора марки инструментального материала с повышенными
теплостойкостью и теплопроводностью;
- использования твердых, газообразных смазочных веществ, либо СОЖ с
минимальным расходом в распыленном состоянии.
Применение СОЖ в малых количествах не требует значительных затрат на ее
очистку и утилизацию, но в то же время обеспечивает снижение коэффициента
трения и схватывания на контактных площадках инструмента.
Основная проблема при резании всухую – правильный выбор
инструментального материала с учетом специфики процесса резания. Режущие
инструменты при сухой обработке должны обеспечить приемлемые условия
резания и иметь высокий период стойкости. В первую очередь при такой
обработке рекомендуется использовать твердые сплавы с износостойкими
покрытиями, минералокерамику и сверхтвердые материалы.
Ротационное резание
Ротационное резание – это метод механической обработки, когда на
обычную кинематическую схему резания (вращательное движение заготовки Dr
и движение подачи резца DS) накладывается дополнительное движение вдоль
главной режущей кромки резца (DP). Наиболее широко применяемой схемой
ротационного резания является обработка круглыми вращающимися резцами
(КВР) (рис.70). Рабочая часть этих резцов может быть выполнена в виде
конической чашки, грибка, трубки, цилиндрического столбика.
Рис. 70. Схема резания круглым
вращающимся резцом
процессе обработки.
Обработку
круглым
вращающимся
резцом
производят по двум схемам: с
принудительным вращением
резца и с применением
самовращающихся
резцов,
когда
вращение
резца
возникает под действием сил
резания,
возникающих
в
73
Рациональная область применения ротационного резания – токарная
обработка наружных и внутренних поверхностей вращения, а также строгание
и протягивание плоскостей.
Основные затруднения при внедрении данной схемы
резания связаны с возникновением интенсивных вибраций вследствие снятия
широких и тонких стружек, что требует обеспечения высокой жесткости
технологической системы.
Резание с опережающим пластическим
деформированием
Резание с определяющим пластическим деформированием (ОПД) (рис.71)
обеспечивает улучшение условий стружкообразования путем рационального
изменения физико-механических свойств материала срезаемого слоя
вследствие его упрочнения до процесса срезания.
Упрочнение
обрабатываемого
материала
осуществляют
накатным
устройством, которое создает глубину и степень наклепа в срезаемом слое,
необходимые для получения максимальной эффективности последующего
процесса резания.
Рис. 71. Схема резания с опережающими
пластическими деформациями
При обычном резании металлов основная доля работы резания расходуется
на пластическое деформирование снимаемого слоя.
Сущность резания с определяющим пластическим деформированием
материала срезаемого слоя состоит в совмещении двух процессов –
опережающего пластического деформирования и непосредственно
процесса резания. При этом к моменту начала воздействия режущего
инструмента на материал срезаемого слоя (т.е. к началу резания) часть работы,
затрачиваемой на пластические деформации в процессе стружкообразования,
уже предварительно выполняется накатным устройством. Следовательно, в
процессе резания с ОПД режущим инструментом совершается не вся работа, а
только ее часть. Это обеспечивает снижение силы резания и температуры
резания, что ведет к повышению периода стойкости инструмента и
производительности обработки.
74
Определяющее пластическое деформирование может производиться по
поверхности резания (как показано на рис.71) или по обрабатываемой
поверхности. При черновой обработке применение резания с ОПД приводит к
повышению периода стойкости инструмента или производительности
обработки. При чистовой обработке ОПД используется прежде всего как
средство улучшения шероховатости поверхности.
Резание с ОПД наряду со значительным повышением периода стойкости
инструмента позволяет улучшить эксплуатационные характеристики
обрабатываемых деталей. При этом поверхностный слой получается
повышенной твердости, в нем образуются остаточные сжимающие напряжения.
Применяется резание с ОПД в основном для обработки заготовок из
труднообрабатываемых материалов.
Обработка резанием с вибрациями
Процесс вибрационного резания заключается в том, что на обычно принятую
кинематическую схему обработки на данной операции накладывается
дополнительное вибрационное движение инструмента или заготовки.
Общими особенностями резания с вибрациями являются: кратковременное
периодическое увеличение скоростей резания; переменная циклическая
нагрузка на деформируемый в процессе резания материал; снижение сил трения
на контактных поверхностях инструмента; повышение эффективности
применения СОЖ.
Эти особенности приводят к улучшению условий работы режущего
инструмента в результате снижения сил резания и температур, периодического
«отдыха» режущей кромки инструмента вследствие кратковременного
уменьшения или полного снятия нагрузки на режущий клин инструмента.
Применение вибрационного резания обеспечивает эффективное дробление
стружки, а также значительное улучшение обрабатываемости резанием
материалов, прежде всего труднообрабатываемых.
Наложение вибраций может производиться в следующих плоскостях (рис.
72): в осевой плоскости (вибрации направлены вдоль оси заготовки – плоскость
Х-Х); в радиальной плоскости (вибрации направлены вдоль оси режущего
инструмента – плоскость Y-Y); в тангенциальной плоскости (вибрации
Рис. 72. Схема резания с вибрациями
75
направлены в плоскости Z-Z).
Как показывают многочисленные исследования, наличие радиальных
вибраций значительных амплитуд отрицательно сказывается на процессе
резания – сильно ухудшается шероховатость поверхности. Резание с осевыми
вибрациями применяется для дробления стружки. Наряду с этим оно
обеспечивает получение удовлетворительной шероховатости поверхности,
сохранение точности обработки, периода стойкости инструмента, что и при
обычном резании в тех же условиях. Вибрационное резание с тангенциальными
колебаниями применяется для повышения периода стойкости инструмента при
обработке труднообрабатываемых материалов.
Ультразвуковое резание
Ультразвуковыми методами обработки называют способы, использующие
ультразвуковые колебания. Ультразвуковые колебания могут применяться в
качестве основного воздействия для снятия материала, например, размерная
ультразвуковая обработка, которая будет рассмотрена в разделе физикохимических способов обработки, или в сочетании с другими видами
воздействия (механическим, электрическим, химическим) как средство
интенсификации какого-то другого метода обработки, как например, наложение
ультразвуковых колебаний на режущий инструмент при резании.
Механическая обработка с ультразвуковыми колебаниями является
разновидностью резания с вибрациями. Эта обработка позволяет улучшить
процесс резания жаропрочных сталей и сплавов. Наложение ультразвуковых
колебаний приводит к ликвидации нароста, снижению сил резания и наклепа
обработанной поверхности, а также ее шероховатости. Повышение периода
стойкости наблюдается только для быстрорежущего инструмента и
абразивного инструмента.
Абразивная обработка с вибрациями
Вибрации при абразивной обработке используют по двум направлениям:
обработка заготовок в вибрирующем бункере с абразивной средой и наложение
вибраций на обычные
схемы
абразивной
обработки.
Рис. 73. Схема обработки
свободным абразивом:
1 - заготовка; 2- абразив
Обработка заготовок в
вибрирующем бункере с
абразивом
успешно
используется
для
повышения
качества
поверхности
деталей
76
вместо шлифования и полирования, очистки поверхности деталей от окалины,
снятия заусенцев и др. Кроме того, она позволяет
заменить ручную обработку и обработку войлочными кругами, которую
применяют для декоративного шлифования и полирования.
Обработку в вибробункерах осуществляют по следующей схеме (рис.73):
заготовки и абразив помещают в бункер, которому сообщается колебательное
движение. При этом обработка в вибробункере может осуществляться в сухую
или с жидкостью.
Наложение вибраций на операции шлифования и хонингования упрощает эти
операции. Это объясняется повышением равномерности загрузки отдельных
абразивных зерен, лучшим доступом СОЖ и удалением продуктов обработки и
износа из зоны резания.
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ
В настоящее время широко применяется конструкционные и
инструментальные материалы, которые трудно обрабатываются резанием. Это
металлокерамика, минералокерамика, тугоплавкие сплавы на основе вольфрама
и т.д. Для их обработки применяются физико-химические методы обработки, к
которым относятся: электроэрозионная, электрохимическая, ультразвуковая,
светолучевая и химическая обработки.
В этих способах разрушение поверхностных слоев обрабатываемого
материала обычно происходит не за счет больших пластических деформаций,
что имеет место при лезвийном резании, а путем химической или
электрической эрозии. Химическая эрозия это местное разрушение металла под
действием химических или электрохимических процессов. Электрическая
эрозия – это направленный выброс металла под действием импульсных
электрических разрядов.
Физико-химические методы размерной обработки не исключают, а
дополняют существующие процессы резания металлов.
Электроэрозионная обработка
Электроэрозионная обработка осуществляется путем импульсивного
электрического разряда, вызывающего эрозионное разрушение материала.
При данном методе обработки (рис.74) инструмент и обрабатываемую
заготовку включают в цепь с генератором электрических импульсов.
Электрический разряд между заготовкой и инструментом происходит в жидкой
среде (маловязких маслах, керосине, этилом спирте и др.). Электрическая
эрозия происходит в результате испарения, плавления и гидродинамического
выброса расплавленного металла.
Все процессы, вызывающие электроэрозионную обработку, протекают в
межэлектродном промежутке (МЭП). При подводе напряжения в МЭП
возникает электрическое поле. Максимальная напряженность будет между
77
наиболее близкими микронеровностями на поверхностях инструмента и детали.
При определенном значении напряженности поля электрическая прочность
жидкости нарушается и происходит пробой МЭП. Это вызывает импульсивный
Рис. 74. Схема электроэрозионной обработки: 1- инструмент;
1- заготовка; 3- генератор электрических импульсов
разряд, в результате которого выделяется тепловая энергия высокой
плотности и происходит местное плавление и испарение металла заготовки.
Электроэрозионные методы наиболее эффективны при изготовлении деталей
сложной конфигурации: пресс-форм, отверстий сложной формы и др.
Основными видами электроэрозионной обработки являются: электроискровая и
электроимпульсная.
Электрохимическая обработка
Электрохимическая обработка (рис. 75) основана на явлении анодного
растворения: при прохождении электрического тока через электролит на
поверхности заготовки-анода происходит химические реакции и растворение
поверхностного
слоя
заготовки.
Рис. 75. Схема
электрохимической
обработки: 1- инструменткатод; 2- заготовка- анод
Катод изготовлен из
материала, который не
вступает в химическую
реакцию с электролитом.
Процесс идет в условиях
интенсивного движения
электролита и малом
78
зазоре между электродами. Прокачка электролита обеспечивает стабильное
протекание химических реакций,
удаление из зоны анодных плёнок и отвод тепла.
Рис. 76. Схема анодно-механической обработки: 1- инструмент; 2- заготовка
Различают три метода электрохимической обработки: анодно-гидравлический,
анодно-механический и анодно-абразивный. Анодно-механический метод
применяется обычно для разрезки заготовок из труднообрабатываемых
материалов (рис. 76).
Рис. 77. Схема анодно-абразивного шлифования:
1- шлифовальный круг; 2- заготовка
При анодно-абразивном шлифовании (рис. 77) шлифовальный круг содержит
электропроводный наполнитель (графит, свинец и др. металлы). Данный метод
применяется при шлифовании труднообрабатываемых материалов.
Ультразвуковая обработка
79
Данная обработка основана на использовании энергии ультразвуковых
колебаний. Источником ультразвука являются магнитострикционные
преобразователи, возбуждаемые от ультразвуковых генераторов. Известны
четыре области применения энергия ультразвуковых колебаний при
механической обработке:
1. Обработка мелких деталей свободным абразивом
2. Размерная ультразвуковая обработка хрупких материалов
3. Очистка шлифовальных кругов в процессе обработки
4. применение ультразвука для облегчения обычных процессов резания
вязких материалов.
Рис. 78. Схемы ультразвуковой обработки: а) обработка свободным абразивом;
б) размерная ультразвуковая обработка
При обработке по первой разновидности (рис.78, а) заготовки небольших
размеров помещают в абразивную суспензию, в которой возбуждаются
интенсивные ультразвуковые колебания. Под действием гидродинамических
потоков абразивные зерна и заготовки двигаются с различными скоростями и
происходит
декоративное
шлифование и снятие заусенцев.
Рис. 79. Схема очистки
шлифовальных кругов: 1 шлифовальный круг; 2- насадка
При размерной ультразвуковой
обработке (рис.78, б) инструмент
1
совершает
продольные
колебания
с
ультразвуковой
частотой
и
небольшой
амплитудой.
Инструмент
прижимается к заготовке 2 со
статической силой Рст (2-15 кгс).
В
рабочую
зону
подается
взвешенный в воде абразив,
обычно зерна карбида бора.
Области применения размерной ультразвуковой обработки – изготовление
деталей сложной конфигурации
80
из
стекла,
кварца,
керамики,
полупроводниковых
материалов.
Ультразвуковая обработка состоит из двух основных процессов: ударного
внедрения абразивных зерен, которое вызывает выкалывание небольших
частиц материала заготовки и процесса циркуляции и смены абразива в рабочей
зоне, в результате чего происходит унос выколотых частиц и доставка свежего
абразива.
Схема очистки шлифовальных кругов показана на рис.79. Под действием
ультразвука в жидкости, попадающей в пространство между кругом и насадкой,
возникает кавитация, способствующая очистке круга.
Лазерная и электронно-лучевая обработка
Лазерная обработка осуществляется с помощью оптических квантовых
генераторов, называемых лазерами. Действие лазера основано на
использовании внутренней энергии атомов и молекул некоторых веществ. В
инструментальном производстве получили распространение различные виды
поверхностной обработки с использованием лазерного излучения – лазерная
закалка (термообработка), легирование и наплавка. Если первые два процесса
используются для упрочнения тонкого (до 80 мкм) поверхностного слоя
режущего инструмента за счет изменения его структуры и химического
состава, то наплавка в основном используется для нанесения сравнительно
толстых покрытий (до 3 мм) главным образом для ремонта и восстановления
штампового инструмента – пресс-форм, фильер, вырубного инструмента и др.
Лазерное
поверхностное
упрочнение
осуществляется
высококонцентрированным излучением, сфокусированным на малой площади –
от долей миллиметра до нескольких миллиметров. Данный способ обработки
может быть использован для упрочнения инструментов из быстрорежущих
сталей, твердых сплавов и керамики.
Для осуществления лазерной закалки локальный участок поверхности
инструмента нагревают с помощью излучения до сверхкритических
температур, а после прекращения воздействия излучения этот участок
охлаждается за счёт отвода теплоты во внутренние слои металла. Высокая
скорость охлаждения приводит к образованию в инструментальном материале
закалочных структур и, как следствие, к изменению физико-механических
характеристик поверхностного слоя инструмента – микротвёрдости,
напряженного состояния и др.
Легирование и наплавка отличаются от закалки тем, что участок поверхности
нагревается выше температуры плавления, а в зону оплавления вводят
легирующие компоненты. В результате этого на поверхности инструмента
образуется слой, отличающийся от исходного инструментального материала не
только своей структурой, но и химическим составом. Разновидностями
легирования являются оплавление лазером предварительно полученных
покрытий и лазерное легирование из обмазок.
Высокие плотности мощности лазерного излучения позволяют получать
качественно новые свойства поверхностей, недоступные традиционным
81
методам обработки материалов. Лазерная обработка поверхностей металлов и
сплавов относится к локальным методам термической обработки с помощью
высококонцентрированных источников нагрева. В этой связи лазерный луч как
источник нагрева при термической обработке материалов имеет свои
особенности и преимущества:
1. Высокая концентрация подводимой энергии и локальность позволяют
производить обработку только поверхностного участка материала без нагрева
остального объёма и нарушения его структуры и свойств. Кроме того, высокая
концентрация подводимой энергии позволяет провести нагрев и охлаждение
обрабатываемого объёма материала с большими скоростями при очень малом
времени воздействия.
2. Возможность регулирования параметров лазерной обработки в
широком интервале позволяет разработать целый ряд процессов
поверхностной лазерной обработки, в каждом из которых можно легко
регулировать структуру поверхностного слоя и его свойства – твёрдость,
шероховатость, геометрические размеры обработанных участков и др.
3. Возможность обработки на воздухе, лёгкость автоматизации
процессов, отсутствие вредных отходов при обработке и т.д.
4. Возможность транспортировки излучения на значительные расстояния
и подвода его с помощью специальных оптических систем в труднодоступные
места, позволяет производить обработку в тех случаях, когда использование
других источников энергии затруднительно или невозможно.
Однако лазерная обработка, как, впрочем, и любой другой метод
поверхностного упрочнения режущего инструмента, наряду с преимуществами,
имеет и недостатки. Для лазерного упрочнения это в первую очередь
чрезвычайно низкий КПД и высокая стоимость оборудования, а также
трудности при упрочнения фасонного инструмента – протяжек, червяных фрез
и др.
Электронно-лучевая обработка осуществляется с помощью специального
оборудования, основным элементом которого является электронная пушка. В
электронной пушки формируется электронный луч, который используется для
упрочнения поверхности изделий. При попадании электронов в твердое тело
происходит их торможение, в результате которого протекают следующие
процессы: нагрев поверхности, появление рентгеновского излучения, вторичная
электронная эмиссия. Время контакта электронов с веществом оценивается 105
…10-6 с.
Глубина проникновения зависит от плотности вещества и энергии
электронов. Некоторая часть электронов от поверхности отражается.
Отражение тем больше, чем больше отклонение луча от нормали к
поверхности.
Достоинствами электронно-лучевой обработки, обусловливающими
целесообразность её практического применения, являются: возможность
широкой регулировки режимов и тонкого управления тепловыми процессами;
проведение процесса в вакууме, что обеспечивает чистоту среды в процессе
обработки; высокий КПД (до 90%), существенно превосходящий аналогичный
показатель для лазерной обработки; возможность автоматизации процесса.
82
Недостатками процесса, ограничивающими его применение, являются:
необходимость защиты от рентгеновского излучения, возникающего при работе
на напряжениях свыше 20 кВ; достаточно высокая стоимость и относительная
сложность оборудования.
83