Для обработки металлов резанием

(Продолжительность лабораторной работы 2 ч;

домашняя подготовка ─ 2 ч)

1 Краткие прикладные и теоретические сведения
по изучаемым вопросам

Процесс резания металлов заключается в срезании с обрабатываемой заготовкой слоя металла — припуска, специально оставленного на обработку, с целью получения детали с заданными чертежом формой, размерами и шероховатостью поверхностей.

Основными видами обработки резанием являются точение, строгание, сверление, фрезерование и шлифование. Обработка металлов резанием осуществляется на металлорежущих станках – токарных, строгальных, сверлильных, фрезерных и шлифовальных – с использованием различных режущих инструментов – резцов, сверл, фрез, шлифовальных кругов.

Удаляемый в процессе резания металл – припуск – превращается в стружку, при этом наличие стружки является характерным признаком всех разновидностей процесса резания металлов.

Для осуществления процесса резания необходимо иметь главное движение резания и движения подачи (рисунок 6, а). Главное движение резания (главное движение) Д_r имеет наибольшую скорость и называется скоростью резания. Движение подачи Д_s имеет скорость меньшую, чем скорость главного движения резания, и предназначено для срезания припуска со всей поверхности, подлежащей обработке. Это движение называется подачей. Главное движение и движение подачи в зависимости от вида обработки могут быть вращательными или прямолинейно поступательными и совершаться как заготовкой, так и режущим инструментом.

При точении главное движение Д_r – вращательное движение заготовки, движение подачи Д_s – прямолинейное поступательное "движение режущего инструмента – резца (рисунок 6, а). Перемещением резца относительно заготовки срезается ее исходная поверхность, которая называется обрабатываемой поверхностью 1, и образуется новая поверхность, которая называется обработанной поверхностью 3. Временно существующая поверхность в процессе резания между обрабатываемой и обработанной поверхностями называется поверхностью резания 2. Расстояние между обрабатываемой и обработанной поверхностями, измеренное в направлении, перпендикулярном обработанной поверхности, определяется глубиной резания Δ. При точении глубина резания выражается уравнением

Δ = (D — d)/2,

где D и d – диаметры обрабатываемой и обработанной поверхностей, мм.

Скорость резания при точении υ – линейная скорость точек обрабатываемой поверхности заготовки, м/мин, которая определяется следующим уравнением

υ = 10^–3 πDп,

где D – диаметр обрабатываемой поверхности заготовки, мм;

п—частота вращения заготовки, об/мин.

Подача s при точении количественно оценивается расстоянием, на которое перемещается режущий инструмент – резец – в направлении движения подачи за один оборот заготовки, и имеет размерность мм/об.

Скорость резания υ, подача s и глубина резания Δ являются параметрами режима резания при точении.

При строгании главное движение сообщается резцу, а движение подачи – заготовке (рисунок 6,б) или как главное движение, так и движение подачи сообщается только резцу.

При сверлении (зенкеровании и развертывании) как главное движение, так и движение подачи обычно сообщается режущему инструменту – сверлу (зенкеру, развертке) (рисунок 6, в), однако есть схемы сверления, в которых главное движение сообщается заготовке.

При фрезеровании главное движение сообщается режущему инструменту – фрезе, а движение подачи – заготовке (рисунок 6, г), однако есть схемы фрезерования, согласно которым как главное движение, так и движение подачи сообщается фрезе.

При круглом (рисунок 6, д) и плоском (рисунок 6, е) шлифовании главное движение сообщается режущему инструменту – шлифовальному кругу, а движение подачи – заготовке.

Скорость резания υ при сверлении (зенкеровании и развертывании), фрезеровании и шлифовании определяется, так же как и при точении, только диаметром режущего инструмента. Скорость резания υ при шлифовании имеет вид υ = 10^–3 πDп /60 м/с).

Скорость резания υ при строгании (м/мин) является линейной скоростью перемещения резца или заготовки.

Подача s и глубина резания Δ определяются аналогично точению, только при строгании подача s имеет размерность мм/дв.ход (дв.ход – двойной ход резца или заготовки), а при сверлении (зенкеровании, развертывании) и фрезеровании также рассматривается подача на режущую кромку (зуб) режущего инструмента s_z, которая определяется уравнением

s_z = s/z,

где z – количество режущих кромок (зубьев) инструмента.

При фрезеровании рассматривается также минутная подача s, которая численно оценивается значением перемещения фрезы относительно заготовки за минуту и имеет размерность мм/мин. При шлифовании подача s (мм/об) определяется в долях ширины шлифовального круга В

s = kB,

где В – ширина шлифовального круга, мм,

k – коэффициент, принимаемый в зависимости от точности обработки 0,2–0,8.

Режущим инструментом называется инструмент для обработки металлов резанием. Наиболее распространенный режущий инструмент – резец – состоит из режущей части Б и стержня А (рисунок 7). Режущая часть имеет переднюю поверхность 1 и несколько задних поверхностей 3 и 4, из которых одна называется главной задней поверхностью 4, а остальные – вспомогательными задними поверхностями 3. Передняя поверхность 1обращена по ходу главного движения в сторону срезаемого слоя на обрабатываемой заготовке и по ней перемещается стружка. Главная задняя поверхность 4 обращена к поверхности резания, вспомогательная задняя поверхность 3 к обработанной поверхности заготовки.

Передняя и задние поверхности, пересекаясь, образуют главную 6 и вспомогательную 2 режущие кромки. Точка пересечения главной и вспомогательной режущих кромок образует вершину 5 режущей части резца. Режущие кромки и примыкающие к ним контактные поверхности на передней и задних поверхностях образуют соответственно главное и вспомогательное лезвия. На всех инструментах лезвия в поперечном сечении имеют форму клина.

Положение поверхностей и кромок режущей части инструмента координируется относительно его державки угловыми размерами, называемыми геометрическими параметрами. Геометрические параметры инструмента рассматриваются с использованием основной плоскости, а также плоскостей резания и главной секущей (рисунок 8).

Основная плоскость I – плоскость, параллельная продольной и поперечной подачам и совпадающая с основанием державки резца.

Плоскость резания II – плоскость, касательная к поверхности резания и проходящая через главную режущую кромку.

Главная секущая плоскость III – плоскость, перпендикулярная проекции главной режущей кромки на основную плоскость.

Главные углы рассматриваются в главной секущей плоскости (рисунок 9, а).

Главный передний угол γ – угол между передней поверхностью инструмента и плоскостью, перпендикулярной плоскости резания и проходящей через главную режущую кромку. Главный задний угол α – угол между главной задней поверхностью и плоскостью резания. Угол заострения β – угол между передней и главной задней поверхностями. Угол резания δ – угол между плоскостью резания и передней поверхностью.

Углы в плане измеряются в основной плоскости (рисунок 9, б).

Главный угол в плане φ – угол между проекцией главной режущей кромки на основную плоскость и направлением подачи.

Вспомогательный угол в плане φ₁ – угол между проекцией вспомогательной режущей кромки на основную плоскость и направлением подачи.

Инструментальные материалы. Металлорежущий инструмент может производить срезание слоя материала с поверхности заготовки в том случае, если его режущая часть изготовлена или оснащена инструментальным материалом, обладающим высокой твердостью, прочностью, температуростойкостью и износостойкостью.

Под температуростойкостью Θ_к инструментального материала понимается наибольшая температура, при которой он сохраняет высокое значение твердости и прочности.

Износостойкость материала определяет его способность сопротивляться истирающему действию материала, с которым он находится в контакте.

В качестве инструментальных материалов для лезвийных инструментов используются быстрорежущие стали, твердые сплавы (металлокерамика), минералокерамические сплавы (керметы), сверхтвердые материалы, синтетические алмазы.

Быстрорежущие инструментальные стали являются высоколегированными сталями с добавками вольфрама (обозначается буквой Р), молибдена (М), ванадия (Ф), кобальта (К) при содержании примерно 4 % хрома и 1 % углерода. Наибольшее распространение в настоящее время находят следующие марки этих сталей: Р18, Р9Ф5. Р6МЗ, Р6М5, Р9К5, Р9К5Ф5. Твердость сталей находится в пределах HRA 62—64, температуростойкость 620÷640 °С.

Твердые сплавы делятся на три группы: вольфрамокобальтовую (ВК), вольфрамотитанокобальтовую (ТК) и вольфрамотитанотанталокобальтовую (ТТК). При обозначении марок твердых сплавов процентное содержание карбидов титана (Т), суммарное содержание карбидов титана и тантала (ТТ) и металлического кобальта (К), остальным является карбид вольфрама. В твердых сплавах указанные порошкообразные карбиды соединяются в монолит металлическим кобальтом. В конце обозначения марки твердого сплава могут стоять буквы М, ОМ, Б, что означает зернистость: мелкозернистый, особо мелкозернистый и крупнозернистый.

Твердые сплавы группы ВК (ВКЗМ, ВК4, ВК6М, ВК6–ОМ, ВК8, ВК10–ОМ), группы ТК (Т5К10. Т15К6, ТЗОК4) и группы ТТ (ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ10К8–Б).

Твердость указанных марок твердых сплавов составляет HRA 87–91, температуростойкость 800÷1250 °С.

Покрытие твердых сплавов тонким слоем (5—15 мкм) карбидов (титана, ниобия), боридов, нитридов позволяет повысить их износостойкостьув 5—6 раз.

Основой минералокерамических сплавов (керметов) является корунд—оксид алюминия Al₂O₃. Температуростойкость минералокерамики и керметов составляет 1500÷1300 °С.

Сверхтвердые материалы являются синтетическими материалами на основе гексагонального или кубического нитрида бора, который по твердости превосходит керметы и уступает только синтетическому алмазу. Температуростойкость композитов и нитрида бора достигает 1300÷1800 °С.

Синтетические алмазы образуются при спекании углерода под высоким давлением и при значительной температуре. В зависимости от технологии выращивания кристаллы алмазов имеют различное строение; следовательно, различные физико–механические свойства и по твердости приближаются к природным монокристаллам алмаза. Температуростойкость алмазов невелика – примерно 650 °С, но она компенсируется их чрезвычайно высокой твердостью, износостойкостью и теплопроводностью.

В процессе резания при перемещении режущего инструмента относительно заготовки ему приходится преодолевать силу сопротивления обрабатываемых материалов пластической деформации, силу сопротивления пластически деформированных слоев металла разрушению в местах возникновения новых (обработанных) поверхностей и силы трения стружки по передней поверхности инструмента и обработанной поверхности о его задние поверхности. Результирующая этих сил называется силой резания Р. Для удобства расчетов силу резания Р рассматривают в декартовой координатной системе XYZ с центром, совпадающим с вершиной разреза 1 (рисунок 10), причем ось Y совпадает с геометрической осью державки резца, ось Х параллельна оси вращения обрабатываемой заготовки, а ось Z совпадает с вектором скорости резания υ и проходит через вершину резца — точку 1. При этом опорная плоскость державки резца параллельна плоскости XY, а вектор скорости подачи υ_s проходит через вершину резца — точку 1.

Проекция силы Р на оси ZYX называется соответственно вертикальной (главной) Р_z радиальной Р_y и осевой Р_x составляющей силы резания.

При угле φ = 45° соотношение между составляющими Р_z : Р_у : Р_x = 1 : 0,4 : 0,25. Зная составляющие Р_z, Р_у, Р_x, можно вычислить силу резания по следующей зависимости: .

Механическая работа, затрачиваемая на пластическую деформацию и разрушение металла в процессе стружкообразорания и образования новой поверхности, а также работа сил тренья по передней и задним поверхностям инструмента почти полностью превращается в теплоту. Теплота, выделяемая в зоне резания, нагревает стружку, обрабатываемую заготовку и режущий инструмент, в которых образуются температурные поля. Наибольшая температура, возникающая в процессе резания, не должна превышать температуростойкости инструментального материала.

В процессе резания происходит непрерывный износ режущего инструмента по передней и задним поверхностям.

Износ режущего инструмента во времени протекает монотонно, но не равномерно (рисунок 11). В I период происходит приработка режущего инструмента, во II — его нормальный износ, а в III — катастрофический износ режущего инструмента вплоть до его разрушения. Так как разрушение режущего инструмента в процессе его работы недопустимо, необходимо прекратить им процесс резания до наступления периода его катастрофического износа и произвести переточку. Время работы режущего инструмента до его затупления h_зкр называется стойкостью, при этом величина h_зкр называется критерием затупления режущего инструмента.

Обработка на токарных станках. Точение производится на токарных станках и применяется для обработки наружных и внутренних тел вращения: цилиндрических, конических, сферических и фасонных.

При точении заготовка закрепляется в установленном на шпинделе станка патроне и вращается, а закрепленный в резцедержателе резец совершает поступательное движение в продольном s_пр и поперечном s_поп направлениях.

Обработка на сверлильных станках. Сверлильные станки предназначены для изготовления отверстий в деталях. Для повышения точности и качества отверстий после их обработки используются зенкеры и развертки.

Сверла, зенкеры и развертки применяются для изготовления сквозных, глухих, ступенчатых и глубоких отверстий с отношением глубины отверстия к его диаметру более пяти.

На рисунке 12 показаны основные части сверла (а), зенкера (б) и развертки (в). Режущая часть 1 у сверл имеет две режущие и поперечную кромки, у зенкеров – несколько режущих кромок (3 – 4 и более), у разверток режущая часть может иметь начальный конус 1 и заборный конус 2 с большим числом режущих кромок (6 – 12 и более).

Направляющая часть 2 у сверл имеет две ленточки и обратный конус (D > D₁) с углом φ' = 1–3° для уменьшения сил трения сверла о стенки разрабатываемого отверстия; у зенкеров направляющая часть 2 имеет несколько ленточек и угол φ'=1–2°; развертки кроме направляющей имеют калибрующую часть 3, точное изготовление которой обеспечивает получение отверстии с высокой точностью и качеством обработанной поверхности.

Рабочая часть 3 у сверл и зенкеров включает режущую 1 и направляющую 2 части, а у разверток рабочая часть 5 дополнительно имеет обратный конус 4 с углом φ₁=4–5°.

Шейка 4 у сверл и зенкеров и шейка 6 у разверток является переходной частью от рабочей части инструмента к его хвостику 5 (7 у разверток). Лапка 6 предназначена для выбивания инструмента из патрона.

У сверл и зенкеров угол наклона винтовых канавок 8 для выхода стружки из обрабатываемого отверстия составляет соответственно 52÷40 и 20÷30°.

Угол при вершине сверла 2φ находится в пределах 60÷140°, угол 2φ у зенкеров — в пределах 90÷120°, угол 2φ₀ разверток — 90°, а угол φ = 1,5°.

Обработку отверстий, как правило, производят на вертикально – и радиально–сверлильных станках с вертикальным расположением шпинделя.

Вертикально–сверлильный станок показан на рисунке 13. Обрабатываемая деталь закрепляется на столе 2, который с помощью винта 1 устанавливается на определенную высоту в зависимости от высоты заготовки и закрепляется рукояткой 8 относительно станины 9. Режущий инструмент закрепляется в шпинделе 3, получающем вращательное движение от электродвигателя 7 через коробку скоростей 6 и движение подачи от коробки подач 5. Вертикальное перемещение шпинделя 3 также может осуществляться вручную с помощью маховика 3.

Радиально–сверлильные станки предназначены для обработки тяжелых и крупногабаритных заготовок, которые сложно или невозможно обработать на вертикально–сверлильных станках. Продольно–строгальные станки применяются для обработки крупногабаритных и тяжелых заготовок.

Обработка на фрезерных станках.Фрезерные станки предназначены для обработки плоских и фасонных поверхностей, пазов, канавок, выступов, зубчатых колес, наружных и внутренних резьб.

Фрезерование осуществляется режущим инструментом –фрезой, представляющей собой тело вращения, на образующей и(или) торцевой поверхности которого расположены режущие зубья. Главное движение при фрезеровании – вращение фрезы; движение подачи совершает заготовка (иногда фреза).

Фрезы (рисунок 14) могут быть самых различных конструкций, из которых наиболее распространенными являются цилиндрические (а), дисковые (б), концевые (в), торцевые (г) и фасонные (д).

Обработка шлифованием. Шлифованием называется способ обработки материалов резанием, осуществляемый массовым скоростным (υ=8—50 м/с и более) микрорезанием (царапаньем) поверхностных слоев твердых тел большим числом мельчайших зерен, сцементированных в инструмент с помощью связки.

Процесс шлифования используется как завершающая чистовая обработка с получением размером детален с точностью по 6—7–му квалитетам и шероховатостью поверхности R_а=0,08 — 0,32 мкм и как обдирочная обработка при очистке литья, поковок и т. д. Шлифование осуществляется особым видом инструментов — шлифовальными кругами.

Шлифовальный круг представляет собой геометрически правильное тело, состоящее из шлифовальных (абразивных) зерен, связки и промежутков (пор) между ними. В зависимости от процентного содержания абразивных зерен в объеме шлифовальных кругов их структура может быть плотной (62—56 %), средней (54—46%), открытой (44—38%) и очень открытой (36—22%). Структура круга обозначается номером: соответственно 0—3, 4—8, 9—12, 13—20.

Шлифовальные круги имеют различную форму и изображены на рисунке 15.

Для изготовления шлифовальных кругов используют следующие искусственные абразивные материалы: электрокорунд (кристаллы оксида алюминия Al₂O₃ с добавками), нормальный корунд (условное обозначение 12А, 13А, ..., 16А), белый корунд (22А, .... 2Ж), хромистый корунд (с добавками соединений хрома 32А, ..., 34JI), монокорунд (кристаллы Al₂O₃ правильной формы 43А, .... 45л), карбиды кремния (SiC) черный (53С, ..., 55С) и зеленый (63С, б4С), алмазы природные (А) и синтетические (АС), нитрид бора (эльбор, ЛО и ЛП).

Абразивные зерна в зависимости от размеров делятся на следующие группы: шлифзерна (№200–16), шлифпорошки (№ 12– 4), микропорошки (М40–М5).

Связки шлифовальных кругов делятся на неорганические и органические. Наиболее распространенная из неорганических связок керамическая (условное обозначение К), состоящая из Огнеупорной глины, жидкого стекла, Полевого шпата и других компонентов, а из органических — бакелитовая (Б) и вулканитовая (В), основой которых соответственно являются бакелит и каучук.

Шлифовальные круги обладают способностью частично или полностью самозатачиваться, т. е. самоудаляться под действием сил резания затупившихся абразивных зерен и обнажать острые грани зерен следующего ряда. Это свойство шлифовальных кругов характеризуется твердостью. Под твердостью шлифовального круга понимают сопротивляемость выравниванию абразивных зерен под действием сил резания. По твердости шлифовальные круги делятся на мягкие (М), среднемягкие (СМ), средние (С), среднетвердые (СТ), твердые (Т), весьма твердые (ВТ) и чрезвычайно твердые (ЧТ), при этом чем мягче круг, тем легче могут быть вырваны из связки абразивные зерна, и наоборот. Для шлифования деталей с высокой твердостью используют мягкие круги, и наоборот.