+ А

1
Министерство образования и науки Республики Казахстан
ВОСТОЧНО-КАЗАХСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Д. СЕРИКБАЕВА
С.Д. Капаева
ТЕОРИЯ РЕЗАНИЯ
Краткий курс лекций для студентов специальностей
5В071200 – «Машиностроение», 5В012000 – «Профессиональное
обучения» всех форм обучения
Усть-Каменогорск
2013
2
УДК 621.9.31
Капаева С.Д. Теория резания: Краткий курс лекций для студентов
специальностей
5В071200
–
«Машиностроение»,
5В012000
–
«Профессиональное обучения» всех форм обучения / ВКГТУ. - УстьКаменогорск, 2013. – 29
Конспект лекций " Теория резания с элементами теплофизики " разработан
с учетом требований к специалистам.
Целью дисциплины является теоретическая и практическая подготовка
выпускников специализации «Технология машиностроение, металлорежущие
станки и инструменты» к производственной деятельности.
В процессе изучения курса студенты должны иметь представление о
различных видах обработки металла резанием, видах теплообмена в
технологической станочной системе. Знать методы регулирования процессом
резания, обрабатываемости, тепловыми процессами. Уметь производить
расчеты режимов резания различных видов обработки. Приобрести
практические навыки расчета с использование технической документацией.
Утверждены Ученым Советом факультета машиностроения и транспорта.
Протокол №_______от__________
© ВКГТУ им. Д. Серикбаева,
2013
3
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1 Токарная обработка. геометрия токарного резца
4
5
8
2 Контактные процессы резания
12
3 Динамические и тепловые процессы резания
в технологической станочной системе
4 Старение технологической станочной системы.
износ токарных резцов
15
5 Методы получения отверстий резанием. режимы резания. инструмент
16
6 Фрезерование. режимы резания. инструменты
20
7 Зубонарезание. резьбонарезание
22
24
8 Шлифование
9 Регулирование процесса резания путем воздействия
на контактные явления
25
10 Пути интенсификации процессов обработки
27
Литература
29
4
ВВЕДЕНИЕ
Обработка резанием является одним из основных методов получения
точных деталей машин. Развитие процессов механической обработки
перспективно. Их универсальность и гибкость обеспечивает им преимущества
перед другими способами изготовления деталей.
5
1 ТОКАРНАЯ ОБРАБОТКА. ГЕОМЕТРИЯ ТОКАРНОГО РЕЗЦА
1.1 Плоскости и поверхности резания
Среди многих способов обработки металлов резанием важное место
занимает обработка резцом.
Резцы делятся на три основные группы: токарные, строгальные и
долбежные.
Токарные резцы используются на токарных (или подобных им) станках для
получения из заготовок деталей с цилиндрическими, коническими, фасонными
и торцовыми поверхностями, образующимися в результате вращения заготовки
и перемещения резца. Подобный процесс принято называть точением.
В общем парке металлорежущих станков токарные станки (включая
токарные полуавтоматы и револьверные станки) составляют около 35%,
поэтому токарные резцы являются наиболее распространенным и к тому же
наиболее простым видом режущего инструмента.
Резцы состоит из головки, т. е. рабочей части, и тела, или стержня (рисунок
1), служащего для закрепления резца в резцедержателе.
Рисунок 1 –Элементы резца.
Головка резца образуется специальной заточкой и имеет следующие
элементы: переднюю поверхность, задание поверхности, режущие кромки и
вершину.
6
1.2 Элементы резания при точении
Для того чтобы вести обработку заготовки резанием и получить в
результате этого готовое изделие (деталь), заготовка и применяемый режущий
инструмент должны совершать определенные движения. Эти движения
разделяются на основные (служащие для осуществления процесса резания) и
вспомогательные (служащие для подготовки к процессу резания и для
завершения операции). Основных движений два: главное движение и движение
подачи.
При обработке на токарном станке главное движение – вращательное –
совершает заготовка, тем или иным способом скрепленная со шпинделем
станка, а движение подачи – поступательное – получает режущий инструмент
(резец), жестко закрепленный в резцедержателе.
Главное движение позволяет осуществлять процесс резания (образования
стружки), движение же подачи дает возможность вести этот процесс
(обработку) по всей обрабатываемой поверхности (рисунок 2).
Рисунок 2- Элементы резания при токарной обработке.
Скорость резания – величина перемещения точки режущей кромки
относительно поверхности резания в единицу времени в процессе
осуществления главного движения.
Подача (точнее, скорость подачи) – величина перемещения режущей
кромки относительно обработанной поверхности в единицу времени (или
величину, ей эквивалентную) в направлении движения подачи.
Глубина резания – величина срезаемого слоя за один проход, измеренная
в направлении, перпендикулярном к обработанной поверхности (рисунок 2).
Основное (технологическое) время – это время, в течение которого
происходит процесс снятия стружки. При работе на станке основное
(технологическое) время может быть машинным и машинно – ручным.
7
1.3 Углы режущей части токарных резцов
Геометрия металлорежущих инструментов разная, но принцип
расположения углов, плоскостей и поверхностей одинаков. Поэтому
рассмотрим геометрию на примере токарного резца.
Режущая часть резца имеет форму клина, заточенного с определенными
углами. На рисунке 3 показан след плоскости резания .
Главные углы резца измеряются в главной секущей плоскости, т. Е. в
плоскости, перпендикулярной к проекции главной режущей кромкой на
основную плоскость. К главным углам резца относятся задний угол, угол
заострения, передний угол и угол резания (рисунок 3).
Рисунок 3- Поверхности заготовки и углы резца.
8
2 КОНТАКТНЫЕ ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ
2.1 Стружкообразование. Типы стружек
Под действием режущего инструмента срезаемый слой подвергается
сжатию. Процесс сжатия, как и процесс растяжения, сопровождается упругими
и пластическими деформациями.
Из диаграммы растяжения мягкой стали (рисунок 4) видно, что вначале (до
точки а) растягиваемый образец имеет упругие (обратимые) деформации, затем
наступает текучесть металла (участок ас), после чего происходят пластические
(необратимые) деформации, заканчивающиеся разрушением (разрывом).
Рисунок 4-Диаграмма растяжения стали.
В зависимости от условий обработки срезанный слой (стружка) может
быть различных видов.
При обработке пластичных металлов имеют место три основных типа
стружек: элементная, ступенчатая и сливная (рисунок 5, а, б, в), а при
обработке малопластичных металлов – стружка надлома (рисунок 5,г).
Рисунок 5- Типы стружек.
9
2.2 Граничный слой
Высокие скорости деформации, присущие процессу резания фактически
соответствуют скоростям обработки взрывом. В этих условиях резко меняются
физико-механические свойства металла- возрастает число возможных
плоскостей скольжения, изменяется соотношение между его пределом
текучести и временным сопротивлением, возрастает химическая активность
материала и т.д.
2.3 Наростообразование
При некоторых условиях резания на передней поверхности резца, у его
режущей кромки, образуется так называемый нарост (Рисунок 6).
Рисунок 6- Схема нароста на резце.
Он имеет клиновидную форму и представляет собой часть обрабатываемого
металла, сильно сдеформированного, заторможенного и часто прилипшего
(приваренного) к резцу. Твердость нароста может быть в 2 – 3 раза больше
твердости обрабатываемого металла, и нарост сам может срезать слой металла.
Являясь как бы продолжением резца, нарост изменяет его геометрию (угол
резания δ1 при наросте меньше угла резания резца δ, полученного при заточке),
а потому, перемещаясь вместе с резцом, нарост оказывает влияние на
деформацию срезаемого слоя, на износ резца, на силы действующие на резец, и
на качество обработанной поверхности. Поэтому явлению наростообразования
при резании уделяется большое внимание.
10
2.4 Усадка стружки
В результате пластического сжатия срезаемого слоя стружка оказывается
короче того участка, с которого она срезана, т.е. L < Lo (рисунок 7).
Рисунок 7- Усадка стружки.
Укорочение стружки по длине принято называть продольной усадкой
стружки; величина ее характеризуется коэффициентом усадки.
Коэффициент усадки k представляет собой отношение длины участка, с
которого срезана стружка, к длине самой стружки, т.е.
k=
L0
.
L
Так как L < Lo, то коэффициент усадки k >1, и в зависимости от условий
обработки он может доходить до 6 – 8.
Коэффициент усадки стружки является некоторой количественной оценкой
степени пластической деформации при резании металлов, а потому чем меньше
усадка стружки, тем с меньшими пластическими деформациями протекает
процесс резания, тем, следовательно, более благоприятны условия для
стружкообразования и меньше удельный расход мощности (работы) на
обработку данной заготовки) на получение готовой детали).
Упрочнение. Выше было сказано, что пластической деформации
подвергается срезаемый слой и слои основной массы металла. Глубина
распространения пластической деформации от поверхности резания и
обработанной поверхности зависит от ряда факторов и может достигать сотых
долей миллиметра и даже нескольких миллиметров.
Величина упрочения стружки, поверхности резания и обработанной
поверхности, наряду с усадкой стружки, является характеристикой степени
пластической деформации металла при резании.
11
2.5 Качество обработанной поверхности
Долговечность современных быстроходных и мощных машин зависит не
только от рода, качества и термической обработки металла, из которого
изготовлены их детали, но и от качества обработанных поверхностей этих
деталей.
Шероховатость обработанной поверхности – одна из важных
характеристик ее качества – оказывает большое влияние на износостойкость
поверхности детали, на прочность детали, на ее коррозионную стойкость и на
надежность неподвижного соединения деталей.
Наличие на поверхности микронеровностей (гребешков) вызывает
концентрацию местных напряжений у дна впадин гребешков, что может
привести к появлению трещин, значительно снижающих прочность детали
(особенно при ее работе со знакопеременными нагрузками).
Но качество обработанной поверхности характеризуется не только ее
шероховатостью, а также и другими факторами, оказывающими значительное
влияние на работоспособность той или иной детали.
Так, на износостойкость обработанной поверхности детали (например,
при трении стального вала в твердом подшипнике) большое влияние, наряду с
шероховатостью, оказывают степень и глубина распространения упрочнения
(наклепа) и величина остаточных напряжений в поверхностном слое.
При износе резца до 0,5 – 1 мм по его задней поверхности влияние износа
на шероховатость незначительно. При недостаточной жесткости системы
СПИД (станок, приспособление, инструмент, деталь) могут появиться вибрации
и значительно ухудшится микрогеометрия обработанной поверхности. В
заключение отметим, что подача s в пределах до 0,12 – 0,15 мм/об на
действительную высоту гребешков влияет незначительно, тогда как при
дальнейшем увеличении подачи действительная высота микронеровностей
резко возрастает. Глубина же резания на изменение микрогеометрии
обработанной поверхности влияет мало.
Так как завивание стружки, ее усадка и упрочнение являются результатом
пластической деформации при резании металлов, а последняя влияет также и на
степень шероховатости обработанной поверхности, то можно сказать, что
пластическая деформация, завивание стружки, усадка стружки и шероховатость
обработанной поверхности имеют глубокую физическую связь.
12
3 ДИНАМИЧЕСКИЕ И ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ РЕЗАНИЯ
В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СТАНОЧНОЙ СИСТЕМЕ
3.1 Работа резания и составляющие силы резания
Представляя процесс резания как процесс упруго – пластического сжатия и
принимая во внимание силы трения, действующие на поверхностях режущего
инструмента, общую работу А, затрачиваемую на резание, можно выразить как
сумму, состоящую из следующих этой работы:
А = А у + Апл +Атр.п.п + Атр. З.п,
где Ау – работа, затрачиваемая на упругие деформации;
Апл – работа, затрачиваемая на пластические деформации;
Атр.п.п – работа, затрачиваемая на преодоление трения по передней
поверхности;
Атр. З.п – работа, затрачиваемая на преодоление трения по задним
поверхностям.
При токарной обработке в условиях несвободного резания
равнодействующая R сила сопротивления резанию раскладывается на три
взаимно перпендикулярные составляющие силы, действующие на резец:
Pz,(Н) – силу резания, или тангенциальную силу, касательную к
поверхности резания и совпадающую с направлением главного движения
станка;
Px,(Н) – осевую силу, или силу подачи, действующую параллельно оси
заготовки в направлении, противоположном движению подачи;
Ру,(Н) – радиальную силу, направленную горизонтально и
перпендикулярно оси обрабатываемой заготовки.
3.2 Вибрации при резании
Технологическая станочная система в общем случае представляет
совокупность функционально взаимосвязанных средств технологического
оснащения, предметов производства и исполнителей, предназначенных для
выполнения того или иного технологического процесса или операции.
Вибрации (колебания в системе СПИД) ухудшают качество обработанной
поверхности, повышают износ инструмента (особенно твердосплавного и
минералокерамического, вплоть до разрушения пластинок) и станка и приводят
к регулированию соединений в станке и приспособлении. Сильные вибрации
вынуждают снижать производительность процесса резания, а иногда работа на
станке вообще становится невозможной.
При резании металлов могут иметь место два вида колебаний (вибраций):
вынужденные колебания и автоколебания (самовозбуждающиеся процессом
стружкообразования).
13
3.3 Виды теплообмена
В процессе резания металла в результате затраченной работы возникает
тепло. Различают три способа теплообмена: теплопроводность, конвекция и
тепловое излучение.
Теплопроводностью называется перенос теплоты при непосредственном
соприкосновении тел или частей тела с различной температурой.
Конвекция наблюдается в движущихся газах и жидкостях. Перенос
теплоты при этом происходит за счет перемещения вещества в пространстве.
Тепловое излучение – явление переноса теплоты в виде
электромагнитных волн с взаимным превращением тепловой энергии в
лучистую и обратно.
Температура является функцией времени и координат:   f ( х, у, z, )
Совокупность температур в данный момент времени для всех точек
пространства называется температурным полем.
Соединив все точки поля имеющих одинаковую температуры, получим
изотермическом поверхность. Любая кривая, проходящая в этом поле
называется изотермой. Изменение температуры наблюдается при переходе с
одной изотермической поверхности на другую. Скорость изменения
температуры с расстоянием вдоль какого-либо направления ℓ характеризуется
отношением ∆θ/∆ℓ , а вдоль направления m отношением ∆θ/∆m . максимальная
скорость изменения температуры соответствует направлению нормали n
(рисунок 8) , так как расстояние между изотермами будет кратчайшим:
∆θ/∆n> ∆θ/∆m> ∆θ/∆ℓ
Предел отношения приращения температуры ∆θ к расстоянию между
изотермами по нормали ∆n называется градиентом температуры:
grad  lim(  / n) n0  d / dn
14
Рисунок 8 – К определению градиента температуры.
3.4 Баланс теплоты при резании металлов.
Закон распределения температур
Влияние температуры на процесс резания большое. Характер образования
стружки, нарост, усадка стружки, сила резания, микроструктура
поверхностного слоя зависят от тепловых явлений.
Теплота образуется в результате механической работы резания,
затраченной на срезания стружки. Вся механическая энергия переходит в
тепловую:
А  Адеф  Атрен.пер.пов  Атрен. задн.пов  Q
Тепло, выделяющееся в процессе резания, согласно законам физики,
распространяется от точек с высшей температурой к точкам с низшей
температурой. Зная количество теплоты, выделяемой в процессе резания и
распространяемой между стружкой, обрабатываемой деталью, инструментом и
средой (рисунок 9), можно записать уравнение тепловой и механической
энергии при резании:
Адеф  Атрен.пер.пов  Атрен. задн.пов  QCT  QИНСТ  Q ДЕТ  QО.С .
где Q CT - количество теплоты, уходящее в стружку - 2,3
QИНСТ - количество теплоты, уходящее в инструмент- 4,5
Q ДЕТ - количество теплоты, уходящее в деталь- 1,6
QO.С . - количество теплоты, уходящее в окружающую среду
Рисунок 9- Схема движения тепловых потоков.
Данное уравнение – уравнение теплового баланса при резании.
15
4 СТАРЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СТАНОЧНОЙ СИСТЕМЫ.
ИЗНОС ТОКАРНЫХ РЕЗЦОВ
В элементах технологической системы возникают сложные физикохимические процессы, в результате которых происходит изменение ее
начальных параметров и повреждение или отказ. Такое изменение влияет не
только на условия работы деталей и узлов станка, но и инструмента, систем
гидравлики, охлаждения и др.
Оценить работоспособность технологической системы можно в результате
анализа физических закономерностей, описывающих изменение свойств и
состояние ее элементов. Существует две группы закономерностей. Первая –
законы состояния., когда после прекращения действия внешних факторов
материал
возвращается
в
исходное
состояние. Второй
группой
закономерностей оценивается изменение начальных свойств материалов,
которые происходят в процессе эксплуатации системы. К ней относится законы
старения технологической системы.
Старению в результате сложных физико-химических процессов
подвергаются все элементы технологической системы. Рассмотрим эти
процессы применительно к режущему инструменту.
4.1 Основные физические причины изнашивания режущих инструментов
Абразивное изнашивание заключается в том, что твердые включения
обрабатываемого материала, внедряясь в контактные поверхности инструмента,
царапают их как микроскопические резцы.
Адгезия, схватывание и перенос вещества заключается в сцеплении
поверхностных слоев разнородных тел и уносом оторванных частиц стружкой
или вновь образуемыми участками поверхности резания.
Диффузионное и химическое изнашивание происходит вследствие
взаимного диффузионного растворения компонентов инструментального и
обрабатываемого материалов, разрушения поверхностных слоев инструмента в
результате структурных превращений и их разупрочнения.
Первые признаки изнашивания режущих лезвий обнаруживаются уже в
начале резания: микровыкрашивание, возрастание радиусов округления
кромок, появление вдоль режущей кромки узкой светлой полоски.
На износ инструмента влияет ряд факторов: физико-механические свойства
обрабатываемого материала и материала инструмента, род и физикохимические свойства СОЖ, элементы режима резания, углы инструмента,
состояние станка, жесткость системы СПИД.
16
5 МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ОТВЕРСТИЙ РЕЗАНИЕМ. РЕЖИМЫ РЕЗАНИЯ.
ИНСТРУМЕНТ
5.1 Сверление
Сверление является одним из самых распространенных методов получения
отверстия. Режущим инструментом здесь служит сверло, которое дает
возможность получать отверстие в сплошном материале и увеличивать диаметр
ранее просверленного отверстия (рассверливание). Методом сверления
получается отверстие 12 квалитета точности. Главное движение при сверлении
– вращательное, движение подачи – поступательное. На сверлильных станках
оба движения имеет сверло, закрепленное в шпинделе станка. Сверление
можно производить и на токарном станке, закрепив неподвижный инструмент в
задней бабке станка, а заготовку во вращающийся шпиндель.
При сверлении сталей образуется в основном сливная стружка, а при
обработки чугунов – стружка надлома.
На все элементы сверла при резании действуют некоторые силы.
Предположим, что равнодействующая сил, возникающих на режущем лезвии
сверла, приложена в точке А (рисунок 10)
Рисунок 10- Схема сил, действующих на сверло.
Разложим ее в трех взаимно перпендикулярных направлениях и получим
три составляющие силы, действующие на каждое лезвие. Силы Рz создают
крутящий момент Мкр, который преодолевается шпинделем станка. Силы Ру
действуют по радиусам и взаимно уничтожаются. Силы Рх вместе с силой Рn,
действующей на перемычке, образуют осевую силу или силу подачи, которая
17
преодолевается механизмом подачи станка. В итоге на сверло действуют силы
Мкр и осевая, или сила подачи Ро.
В промышленности применяют сверла: спиральные, перовые,
одностороннего резания, кольцевого сверления, а также специальные
комбинированные. Сверла изготавливают из легированной стали 9ХС,
быстрорежущих сталей Р6М5 и др., и оснащенные твердым сплавом ВК6, ВК6М, ВК8, ВК10-М и др.
Спиральные
сверла.
Спиральные
сверла
имеют
наибольшее
распространение и состоят из следующих основных частей: режущей,
калибрующей или направляющей, хвостовой и соединительной. Главные
режущие кромки сверла (рисунок 11) прямолинейны и наклонены к оси сверла
под главным углом в плане . Режущая и калибрирующая части сверла
составляют ее рабочую часть, на которой образованы две винтовые канавки,
создающие два зуба, обеспечивающие процесс резания. На рабочей части
сверла имеется режущая кромка.
Рисунок 11- Конструктивные элементы спирального сверла
Для уменьшения трения об образованную поверхность отверстия и
уменьшения теплообразования в процессе работы сверло на всей длине
направляющей части имеет занижение по спинке с оставлением у режущей
кромки ленточки шириной 0,2—2 мм в зависимости от диаметра сверла.
Ленточки обеспечивают направление сверла в процессе резания, и только в
начале, на длине, равной 0,5 значения подачи, они работают в качестве
вспомогательной режущей кромки. Для уменьшения трения при работе на
ленточках делают утонение по направлению к хвостовику (обратная конусность
18
0,03— 0,12 мм по диаметру на 100 мм длины). Размер утонения зависит от
диаметра сверла.
5.2. Зенкерование. Развертывание. Режимы резания. Инструмент
Для получения более точных отверстий (11-10 квалитет точности)
применяют зенкерование.
Процесс зенкерование осуществляется при помощи инструмента – зенкера,
который служит для обработки отверстий полученных методом литья,
штамповки или сверления. Эта обработка может быть либо окончательной,
либо промежуточной (получистовой) – перед развертыванием.
Процесс развертывание осуществляется при помощи инструмента –
развертки. В процессе работы развертки повышают точность и качество
обработки отверстий до 6-11 – квалитета и параметр шероховатости
поверхности Rа=2,5…0,32 мкм. Их обычно используют для обработки
отверстий после растачивания или зенкерования. Как и сверло, зенкер и
развертка совершают два движения: вращательное и поступательное (рисунки
12,13).
Рисунок 12 – Элементы резания при зенкеровании.
19
Рисунок 13 – Элементы резания при развертывании.
5.3 Протягивание отверстий. Протяжки
Протяжка — многолезвийный инструмент с рядом последовательно
выступающих одно над другим лезвий в направлении, перпендикулярном к
направлению скорости главного движения, предназначенный для обработки
при поступательном или вращательном главном движении лезвия и отсутствии
движения подачи.
Протягивание применяется при крупносерийном и массовом производстве
и протяжка дорогостоящий инструмент.
Схема резания – последовательность снятия припуска режущими зубьями.
При протягивании используется три схемы резания.
Профильная (одинарная) схема резания (рисунок 14, а),
Генераторная схема резания (рисунок 14, б)
Групповая схема резания (рисунок 14, в, г, д)
20
Рисунок 14- Схемы резания протяжки.
6 ФРЕЗЕРОВАНИЕ. РЕЖИМЫ РЕЗАНИЯ. ИНСТРУМЕНТЫ
6.1 Методы фрезерования
Фрезерованием является одним из высокопроизводительных и
распространенных методов обработки металлов резанием. Оно осуществляется
при помощи инструмента – фрезой. Фреза – многозубый инструмент,
представляющий собой тело вращения, на образующей поверхности которого
или на торце имеются режущие зубья. Главное движение при фрезерованиивращательное (его имеет фреза); движение подачи (обычно прямолинейное)
может иметь как заготовка, так и сама фреза.
Процесс фрезерование сопровождается теми же явлениями, что и процесс
стружкообразования
при
точении
(деформация,
тепловыделение,
наростообразование, износ инструмента и др.), с аналогичными их
21
возникновениями. Однако процесс фрезерования имеет и некоторые
особенности. Каждый зуб фрезы врезается в заготовку, сопровождаясь ударом.
Ударная нагрузка приводит к снижению стойкости зуба фрезы и в отдельных
случаях – к его полному разрушению.
1-заготовка; 2- стол станка; 3- маточная гайка; 4-ходовой винт
Рисунок 15- Схема встречного (а) и попутного (в) фрезерования.
6.1 Силы, действующие на фрезу
22
Рисунок 16 – Силы, действующие на цилиндрическую фрезу с прямым зубом.
Сила R1 раскладывается на две составляющие: окружная сила Pz,
действующую по касательной к траектории движения режущего лезвия, и
радиальная Py . Кроме того, эту же равнодействующую силу R1 можно
разложить на горизонтальную Ph и вертикальную Pv составляющие силы. Если
же фреза имеет винтовые зубья, то наряду с силой R1, действующей на зуб в
плоскости, перпендикулярной к оси фрезы, возникает осевая сила Px. Общей
1
равнодействующей в этом случае будет сила R  PX2  P12  2 .
6.3 Фрезы
Фрезы отличаются большим разнообразием типов, форм и назначения как
стандартизованных , используемых на универсальных фрезерных станках, так и
специальных, проектируемых для обработки конкретных изделий.
Классификацию фрез проводят по следующим показателям.
По расположению зубьев относительно оси
По конструкции
По направлению зубьев
По конструкции зубьев
7 ЗУБОНАРЕЗАНИЕ. РЕЗЬБОНАРЕЗАНИЕ.
23
7.1 Методы нарезания зубчатых колес
Образование
профиля
зубьев
зубчатого
колеса
производится
фрезерованием, строганием, долблением, протягиванием, шевингованием и
шлифованием.
Фрезерование осуществляется профильными фрезами, дисковыми или
пальцевыми; цилиндрическими или коническими червячными фрезами;
торцовыми зуборезными головками с резцами для черновой и чистовой
обработки конических зубчатых колес.
Строгание осуществляется на зубострогальных станках для обработки
конических колес резцами с прямолинейной режущей кромкой.
Долбление производится на зубодолбежных станках многолезвийным
инструментом – долбяком.
Протягивание производится с помощью специального инструмента и как
способ образования зубьев применяется редко.
Шевингование – процесс чистовой обработки зубчатых колес
инструментом в виде зубчатого колеса с зубьями, снабженными по профилю
мелкими режущими зубчиками.
Шлифование используется как процесс чистовой обработки зуба, а в
отдельных случаях, при мелких модулях, - для вышлифовывания зуба в целой
заготовке.
Нарезание зубьев осуществляется двумя методами:
1) методом копирования, когда форма режущей кромки фасонного
инструмента соответствует форме впадины зуба колеса (так работают
дисковые, пальцевые модульные фрезы, зубодолбежные головки);
2) методом обката, когда поверхность зуба получается в результате
обработки инструментом, режущие кромки которого представляют собой
профиль сопряженной рейки или профиль зуба сопряженного колеса и во время
обработки инструмент с заготовкой образует сопряженную зубчатую пару. По
методу обката работают самые различные зуборезные инструменты: червячные
фрезы, долбяки, гребенки, шеверы и др.
7.2 Методы резьбонарезания
24
Образование резьбы производится тремя методами:
1)
Нарезание резьбы режущим инструментом, изготовленным из
быстрорежущей стали и твердого сплава; к ним относятся резьбовые резцы и
гребенки,
метчики,
резьбонарезные
плашки,
резьбонарезные
самооткрывающиеся головки, резьбовые фрезы;
2)
Шлифование резьбы мелкозернистыми резьбошлифовальными
кругами – однониточными и многониточными;
3)
Накатывание резьбы накатными роликами, плоскими накатными
плашками, а также головками с узкими накатными роликами.
Схема получения резьб различными инструментами часто дополняется
разделением операции нарезания на черновую и чистовую. При черновом
нарезании с большими сечениями среза происходит интенсивное нагревание
заготовки. Поэтому целесообразно производить чистовое нарезание с
меньшими сечениями среза для обеспечения точного шага и профиля резьбы.
Особенно важно производить разделение нарезания на черновое и чистовое при
обработке длинных резьб (например, ходовых винтов).
Нарезание резьбы многониточным инструментом за один или два прохода
во всех случаях должно приводить к повышению производительности по
сравнению с однониточным инструментом за несколько проходов. Однако этот
вывод справедлив только при одинаковых скоростях резания.
В последнее время широко распространяется многониточное нарезание
резьбы твердосплавными резцами, т.к. можно работать с высокими до 150
м/мин скоростями резания, и
высокопроизводительные вихревые
резьбонарезные головки.
8 ШЛИФОВАНИЕ
25
Шлифование – процесс резания металлов при помощи абразивного
инструмента, режущим элементом которого являются зерна абразивных,
алмазных, эльборовых материалов. Шлифованием можно практически
обрабатывать любые материалы, так твердость зерен абразива (2200-3100НВ) и
алмаза (7000НВ) очень велика. Шлифование применяется чаще всего как
отделочная операция и позволяет получить детали 6-2 квалитета точности и
Rа= 0,1 мкм. В некоторых случаях шлифование применяют при обдирке
отливок и поковок, при зачистки сварных швов.
Характерные особенности процесса шлифования:
- многопроходность, способствующая эффективному исправлению
погрешностей формы и размеров деталей, полученных после предшествующей
обработки;
- резание осуществляется большим количеством беспорядочно
расположенных абразивных зерен, обладающих высокой микротвердостью (до
31000 МПа);
- процесс резания осуществляется на высоких скоростях резания (30-70
м/с);
- большие скорости резания и неблагоприятная геометрия режущих зерен
способствуют развитию высоких температур (1000-1500◦) в зоне резания;
- управлять процессом шлифования можно лишь за счет изменения
режимов резания;
- абразивный инструмент может в процессе работы самозатачиваться. Это
происходит, когда режущие грани зерен затупляются, что вызывает увеличение
сил резания, а следовательно, и сил, действующих на зерно. В результате
затупления зерна выпадают, и в работу вступают новые острые зерна;
- шлифованная поверхность образуется в результате одновременного
действия, как геометрических факторов, так и пластических деформаций.
Основными способами шлифования являются: 1) наружное круглое; 2)
внутреннее; 3) плоское; 4) специальное (резьбовое, фасонное и т.д.).
9 РЕГУЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ ПУТЕМ ВОЗДЕЙСТВИЯ
НА КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
26
9.1 Действие технологической среды
Применение технологических сред – одно из основных направлений
интенсификации процесса механической обработки различных материалов.
Цель применения СОТС (смазочно-охлаждающих технологических сред) –
снижение интенсивности изнашивания режущего инструмента, улучшения
качества обработанной поверхности и повышение производительности труда.
Достичь этого можно направленным воздействием на элементарные физикомеханические и механохимические процессы, протекающие при резании.
В результате смазочного действия технологической среды уменьшаются
схватывание, фрикционный нагрев и силы трения при перемещении стружки и
обрабатываемого металла по передней и задней поверхностям инструмента.
Смазочное действие СОТС осуществляется за счет уменьшения
реакционной способности образуемых в процессе резания ювенильных (новых,
химически чистых) поверхностей. Эти поверхности характеризуются высокой
физической и химической активностью, высокими коэффициентами трения.
При отсутствии смазочной пленки наличие ювенильных поверхностей
вызывает значительную адгезию, т.е. сцепление поверхностей контактирующих
металлов. Добавленные в СОЖ поверхностно-активные вещества адсорбируясь,
позволяют образовывать граничную пленку, уменьшающую силы трения,
наростообразование, износ инструмента.
Охлаждающее действие СОТС позволяет действовать на температурное
поле инструмента, заготовки, стружки, что влияет на стойкость инструмента,
точность обработки, шероховатость, и остаточное напряжение в поверхностном
слое.
Моющее действие определяется степенью очистки обрабатываемой детали
и инструмента в зоне резания от шлама, содержащего мелкие частицы стружки,
обрабатываемого
металла,
инструментального
материала,
которые
удерживаются на поверхности твердых
тел электростатическими,
электромагнитными и механическими силами. Чем меньше частиц шлама, тем
меньше они попадают в микронеровности на поверхности инструмента и
детали, ухудшая технологические показатели процесса обработки.
Режущее и пластифицирующее действие. Под режущими свойствами
понимают ее способность облегчать разрыв связей в обрабатываемом
материале при внедрении инструмента. Это способствует повышению
стойкости инструмента и облегчению процесса резания. Пластифицирующее
действие СОТС заключается в облегчении пластического деформирования
металлов за счет локализации деформации в тонких поверхностных слоях. Эти
слои выполняют роль смазочного материала и препятствуют налипанию
обрабатываемого металла на инструмент, уменьшают трение на контактных
площадках и силу резания.
9.2 Резание инструментами с повышенными
эксплуатационными свойствами
27
В настоящее время в инструментальном производстве широко
используется
различные
способы
улучшения
режущих
свойств
инструментальных материалов.
К первому способу относится обработка инструмента при температурах
ниже нуля (обработка холодом). После закалки инструмент охлаждают при
минус 75..900С в течении 1 часа. Остаточный аустенит переходит в мартенсит,
что позволяет исправить возможные отклонения , получить выгодный режим
термообработки, повысить стойкость инструмента в 1,5-2 раза.
Для устранения мелких дефектов, трещин применяют травление
(химическая обработка) заточенных инструментов в водных растворах кислот и
медного купороса, в результате которой с поверхности удаляется слой
отпущенного металла толщиной 5..20 мкм.
Доводка также удаляет поврежденный при заточке слой с рабочей
поверхности инструмента с помощью доводочных паст.
Следующий способ – цианирование, сульфидирование, хромарование,
нанесение износостойких покрытий, повышающих твердость поверхностного
слоя инструмента. Пленки, покрывающие поверхность, из карбидов титана,
карбонитридов титана и других металлов создают износостойкую поверхность.
Обработка перегретым паром - уменьшает силы адгезии, снимает остаточные
напряжения.
10 ПУТИ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ
28
10.1 Резание с наложением дополнительных колебаний
Процесс вибрационного резания заключается в том, что на обычно
принятую кинетическую схему обработки на данной операции накладывается
дополнительное вибрационное движение инструмента или заготовки.
Общие физические особенности этого процесса:
- кратковременное периодическое изменение мгновенных скоростей и
углов резания;
- переменные циклические нагрузки на обрабатываемый материал,
обусловленные переменными скоростями и углами резания;
- снижение сил трения на площадках контакта инструмента со стружкой и
обрабатываемой деталью;
- повышенная эффективность применения СОТС в результате их лучшего
проникновения на контактные площадки и надежного омывания режущего
клина при выходе инструмента из контакта с обрабатываемым материалом.
В результате улучшаются условия работы инструмента, снижается уровень
сил и температур резания. Отпадает также необходимость в стружколомающих
уступах и лунках.
Достаточно иметь частоту вынужденных колебаний не свыше 50 Гц. Это
достигается при использовании механических, пневматических или
гидравлических вибраторов либо модулированием подачи на станках с ЧПУ.
10.2 Резание с подогревом
Принципиальная идея обработки с подогревом заключается в
использовании температурного закона сопротивления материала пластической
деформации:
М 2  М 1е  ( 2 1)
где М2, М1 –механическая характеристика обрабатываемого материала,
определяющая его сопротивление пластической деформации при меньшей θ 1 и
большей
θ2 температурах; αθ –коэффициент, зависящий от свойств
обрабатываемого материала и условий деформирования.
Согласно этому закону, нагрев во всех случаях снижает сопротивление
металла пластической деформации, что широко используется при обработке
давлением.
Резание с подогревом дает положительный эффект только в тех случаях,
когда разупрочнение обрабатываемого материала превалирует над
разупрочнением рабочих поверхностей инструмента.
10.3 Сверхскоростное резание
29
Сверхскоростное резание базируется на теоретическом положении 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, а следовательно, количество выделившейся теплоты
и температура в зоне резания. Скорость достигается от 600 до 18000 м/мин. Для
этого используются станки с повышенной жесткостью и мощностью
электродвигателя привода главного движения, оснащенные специальными
шпиндельными узлами и устройствами ЧПУ.
10.4 Лазерная и электронно-лучевая обработка
Лазерная, или светолучевая обработка основана на том, что световое
излучение, сфокусированное на обрабатываемую деталь при удельной
мощности до 104 кВт/см2, позволяет испарить металл в тысячные доли секунды
и прожечь отверстия. В настоящее время для размерной обработки
используются твердотельные и газовые лазеры, работающие в импульсном или
непрерывном режиме как в воздушной среде, так и в вакууме.
Электронно- лучевая обработка по принципу действия и областям
применения близка к лазерной. Основная часть установок для обработки
электронным лучом- «пушка», генерирующая пучок электронов. Они с
помощью электростатических и магнитных устройств разгоняются до
околосветовых скоростей и фокусируются на обрабатываемое изделие. Здесь
они тормозятся и отдают в зону обработки свою кинетическую энергию,
которая преобразуется в тепловую. Выделившейся теплоты достаточно, чтобы
практически мгновенно испарить любой материал.
ЛИТЕРАТУРА
30
Основная
1 Ящерицын П.И., Еременко М.Л., Фельдштейн Е.Э Теория резания.Минск.: ВШ, Новое издание, 2006.
2. Справочник технолога-машиностроителя /Под ред. А.Г.Косиловой,
Р.К.Мещерякова. М.:Машиностроение, Изд.3, 2003.-655с.
Дополнительная
1 Резников А.Н. Резников Л.А.Тепловые процессы в технологических
системах:
Учебник
для
вузов
по
специальностям
«Технология
машиностроения»
и
«Металлорежущие
станки
и
инструменты»М.:Машиностроение,1990.-288 с.
2 Макаров А.Д. Оптимизация процессов резания. - М.: Машиностроение ,
1976.-278 с.
3 Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов.- М.: Машиностроение,
1975.-343 с
4 Аршинов В.А., Алексеев Г.А. Резание металлов и режущий инструмент.М.: Машиностроение , 1964.-543 с.