книги / Процессы формообразования и инструменты
..pdf
2)коэффициент поперечной усадки Ka = aa1 ;
3)коэффициент уширения Kb = bb1 .
Коэффициент продольной усадки Kl равен произведению коэффициентов поперечной усадки и коэффициента уширения:
Kl = Ka Kb . |
(3.2) |
Коэффициент уширения Kb равен от 1,1 до 1,15, в связи с чем зачастую не учитывается.
Таким образом, коэффициент продольной усадки примерно равен коэффициенту поперечной усадки:
Kl ≈ Ka =1...10. |
(3.3) |
Коэффициенты усадки стружки характеризуют степень пластической деформации срезаемого слоя при его превращении в стружку. Чем больше коэффициенты усадки, тем больше пластическая деформация.
Отрицательная усадка (когда Ka < 1) наблюдается при обработке некоторых сплавов титана.
На величину усадки стружки влияют:
–обрабатываемый материал;
–геометрические параметры инструмента;
–режимы резания.
Установлено, что чем тверже обрабатываемый материал, тем меньше усадка стружки (для стали Kа = 2…4; для меди Kа = 6…10).
Глубина резания (ар) не влияет на величину усадки стружки. C увеличением подачи S усадка уменьшается (↑S–↓Ka).
Зависимость усадки стружки от скорости резания представлена на рис. 3.15.
На рис. 3.15 показано, что для материалов, не склонных к наростообразованию, с увеличением скорости резания усадка уменьшается
41
(↑v–↓Ka). Если материал склонен к наростообразованию, то величина усадки носит переменный характер (↑v–↓Ka, ↑Ka, ↓Ka).
Рис. 3.15. Зависимость усадки стружки от скорости резания: а – материалы, не склонные к наростообразованию; б – материалы, склонные к наростообразованию
Влияние переднего угла и главного угла в плане на величину усадки стружки представлено на рис. 3.16 и 3.17.
Рис. 3.16. Влияние переднего угла |
Рис. 3.17. Влияние главного угла |
на усадку стружки |
в плане на величину усадки стружки |
Показано, что при увеличении переднего угла γ усадка стружки уменьшается. Данное явление связано с тем, что при увеличении переднего угла резец становится острее, легче врезается в металл, следовательно, снижается величина пластической деформации.
42
С уменьшением угла ϕ усадка стружки увеличивается. Это связано с тем, что при уменьшении главного угла в плане возрастает сила резания, что ведет к увеличению пластической деформации.
3.4. Шероховатость обработанной поверхности
Шероховатость – это микронеровности на обработанной поверхности, которые характеризуются высотой и формой (рис. 3.18).
Рис. 3.18. Шероховатость обработанной поверхности
Как правило, для анализа шероховатости пользуются высотными параметрами Rz и Ra. Rz – высота неровностей профиля по 10 точкам в пределах базовой длины. Ra – среднее арифметическое отклонение профиля в пределах базовой длины.
Для измерения шероховатости используются профилометры и профилографы.
На величину шероховатости влияют технологические условия резания.
Чем тверже обрабатываемый материал, тем меньшее значение шероховатости можно получить на обработанной поверхности. Зачастую в машиностроении специально вводят операцию термообработки заготовок.
На рис. 3.19 показана зависимость между шероховатостью и величиной подачи: шероховатость поверхности существенно увеличивается с увеличением подачи S начиная с 0,5 мм/об.
43
Рис. 3.19. Зависимость шероховатости от подачи
Рис. 3.20. Влияние скорости резания на шероховатость обработанной поверхности: 1 – для материалов, не образующих нарост; 2 – для материалов, склонных к наростообразованию
Врезультате проведенных экспериментальных исследований доказано, что глубина резания ар фактически не влияет на шероховатость обработанной поверхности.
На рис. 3.20 показана зависимость между скоростью резания и шероховатостью.
Показано, что шероховатость обработанной поверхности уменьшается при увеличении скорости резания.
На основе экспериментальных исследований установлено, что уменьшение углов в плане ведет к снижению шероховатости обработанной поверхности.
Вмашиностроении для снижения трения и, как следствие, снижения шероховатости широко применяют смазочно-охлаждающие жидкости.
3.5.Тепловые процессы резания металлов
Впроцессе резания более 99 % всей работы переходит в тепло
[1, 5–14].
Основными источниками образования тепла являются:
– пластические деформации в зоне стружкообразования Q1;
– трение стружки о переднюю поверхность Q2;
– трение обработанной поверхности о задние поверхности инст-
румента Q3 (рис. 3.21).
Образовавшееся тепло распределяется между:
– обрабатываемой деталью q1;
44
–инструментом q2;
–стружкой q3;
–окружающей средой q4.
Максимальное тепло, образующееся в зоне резания, концентрируется в верхней части пластины: на стружколоме и непосредственно на режущей кромке. Это зона максимального давления, и вследствие трения между стружкой и пластиной в ней возникают высокие температуры.
Уравнение теплового баланса процесса резания можно представить следующим образом:
Рис. 3.21. Тепловые процессы на поверхности инструмента
Q1 + Q2 + Q3 = q1 + q2 + q3 + q4. |
(3.4) |
Скорость распределения тепла зависит от теплоемкости и теплопроводности материала. Чем больше теплопроводность материала, тем быстрее тепло распределяется от нагретого участка к участку с меньшей температурой. При одинаковом количестве образовавшегося тепла материалы с большей теплоемкостью нагреваются меньше.
В зависимости от сочетания этих свойств и скорости резания устанавливается тепловой баланс на каждом из участков процесса резания.
При обработке стали 40Х со скоростью 20–50 м/мин тепло распределяется следующим образом: в стружку (q3) – 45 %, в деталь (q1) – 47 %, в инструмент (q2) – 4,5 %.
Мерой тепла является температура.
Несмотря на малое количество поступающего тепла, температура инструмента достигает порой свыше 1000 °С. Это обусловлено малой теплопроводностью инструментального материала. В результате этого тепло аккумулируется в небольшом объеме режущего клина.
В общем виде под температурой резания понимают среднюю температуру передней и задней поверхностей:
45
θрез = |
θср.з.п +θср.п.п |
, |
(3.5) |
|
2 |
||||
|
|
|
||
где θср.з.п – средняя температура на задней поверхности; |
θср.п.п – |
|||
средняя температура на передней поверхности.
Для нового инструмента ширина площади контакта задней поверхности с поверхностью резания мала, поэтому температуру резания принимают равной средней температуре на площадке контакта стружки с передней поверхностью:
θрез =θср.п.п. |
(3.6) |
Рис. 3.22. Распределение температуры резания на передней поверхности
Изменение температуры резания на передней поверхности представлено на рис. 3.22.
Показано, что на длине передней поверхности l/2 температура максимальна.
3.6. Зависимость температуры резания от технологических условий резания
На основании экспериментальных исследований получена формула, связывающая температуру резания со скоростью резания, глубиной резания, подачей и главным углом в плане:
θрез =Сθvmtn Sqx (sin ϕ)k , |
(3.7) |
где Сθ – постоянный коэффициент, учитывающий условия резания
для которых получена данная зависимость; m, n, q, k – показатели степени при аргументах функции.
46
Для понижения температуры резания необходимо интенсифицировать отвод тепла из зоны резания. Для этих целей в процессе резания применяются смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ). Применение СОЖ способствует повышенному градиенту температур, следовательно, снижается температура резания. Кроме того, СОЖ способствует снижению трения между контактными поверхностями, что ведет к уменьшению тепловыделения на передней и задней поверхностях.
Одной из основных задач при назначении технологических параметров резания является обеспечение оптимальной температуры резания, т.е. температуры, при которой наблюдается наименьшая интенсивность износа инструмента.
3.7. Сила резания
При внедрении в материал режущего инструмента на его переднюю и заднюю поверхности действуют следующие силы (рис. 3.23):
–со стороны стружки – сила трения о переднюю поверхность инструмента Т1, а также сила реакции N1;
–со стороны обработанной поверхности – сила трения о главную заднюю поверхность Т2, а также сила реакции N2 [1–14].
Рис. 3.23. Силы, действующие на инструмент
47
Геометрическую сумму сил Т1, Т2, N1 и N2 называют силой резания Р.
Определение силы резания необходимо:
–при расчете расходуемой на резание мощности;
–расчете на прочность и жесткость резца;
–расчете на прочность и жесткость узлов станка.
Положение вектора силы резания относительно инструмента зависит от условий обработки и геометрических параметров резца.
Для практических целей обычно используется не сама равнодействующая сила Р, а ее составляющие Рz, Рy, Рx (рис. 3.24).
Рис. 3.24. Составляющие силы резания
Pz – главная (окружная, или тангенсальная) составляющая силы резания.
Реакция силы Pz создает момент сопротивления резанию М, называемый крутящим моментом резания:
М = |
Pz D |
. |
(3.8) |
|
2000 |
||||
|
|
|
Для осуществления процесса резания необходимо, чтобы крутящий момент станка Мст превышал крутящий момент резания М:
48
Мст > М. |
(3.9) |
Для этого привод главного движения станка должен обладать определенной эффективной мощностью N.
Эффективная мощность N является суммой мощностей, затрачиваемых на преодоление сил резания Px, Py, Pz:
N = |
P v |
z |
+ |
P v |
x |
+ |
|
Pyvy |
|
|
z |
x |
|
|
. |
(3.10) |
|||||
60 1200 |
60 1200 |
60 1200 |
||||||||
Поскольку в процессе |
продольного |
точения |
vy отсутствует |
|||||||
(нет движения инструмента по направлению к оси детали, скорость vy = 0), а скорость осевой подачи vx значительно меньше скорости главного движения, эффективная мощность
N = |
Pzvz |
|
60 1200. |
(3.11) |
Стоит отметить, что окружная составляющая Pz всегда присутствует в процессе резания. Радиальная составляющая силы резания Py стремится оттолкнуть резец от детали в направлении, перпендикулярном к ее оси. Реакция силы Ру изгибает деталь в горизонтальной плоскости (рис. 3.25). Ру существенным образом влияет на точность обработки, ее используют для расчета прочности механизма радиальной подачи.
Рис. 3.25. Реакция силы Ру
49
В процессе резания осевая составляющая силы резания Рх противодействует движению суппорта станка вдоль оси детали. Сила Рх изгибает резец в горизонтальной плоскости. Реакция силы Рх сдвигает деталь вдоль ее оси. Силу Рх учитывают при конструировании привода подачи.
Под действием Рх и Рz резец испытывает косой изгиб (следовательно, по этим силам рассчитывают размеры державки).
Значения сил Рх, Ру, Рz неодинаковы. Равнодействующая сила резания
Р = Pz2 + Px2 + Py2 . |
(3.12) |
Установлено, что при ϕ = 45°, ϕ1 = 10°, λ = 0°, γ = 15°, α = 10° |
|
при обработке Ст45 |
|
Pz : Py : Px = 1: (0,35...0,5) : (0, 25...0,35). |
(3.13) |
Из соотношения следует, что главная составляющая Рz по вели- |
|
чине мало отличается от силы резания Р: |
|
P = (1,10...1,15)Pz . |
(3.14) |
Теоретически силу резания вычислить не удается, поэтому на практике используются эмпирические зависимости, которые получены в результате экспериментов.
На значение силы резания влияют технологические условия: геометрия инструмента, режимы резания, физико-механические свойства обрабатываемого материала.
На рис. 3.26 представлена зависимость силы резания от геометрических параметров инструмента.
Показано, что чем острее резец (больше передний угол), тем меньше сила резания. При увеличении главного угла в плане уменьшается эффективная длина режущей кромки, что приводит к снижению силы резания.
На рис. 3.27 изображено влияние режимов резания на величину силы.
50