Физико-химические основы резания. Условие непрерывности и самозатачиваемости.
Среди физико-химических процессов, определяющих процесс резания, основное значение имеет процесс пластической деформации при образовании стружки. От характера пластической деформации, деформационного упрочнения и разрушения металла при стружкообразовании зависят точность обработки деталей и качество поверхностного слоя. Параллельно со стружкообразованием при резании протекают процессы контактного взаимодействия инструмента со стружкой и обработанной поверхностью, сопровождаемые интенсивным тепловыделением, трением, адгезионным взаимодействием, обрабатываемого материала и инструмента. Явления, сопровождающие контактное взаимодействие, существенно влияют на свойства обработанной поверхности, определяют стойкость инструмента и устойчивость процесса резания.
Рис. 13.2. Элементы резания: S – подача (мм/об); t – глубина резания ( мм); а – толщина среза (мм); в – ширина среза (мм), φ – главный угол в плане, φ1 – вспомогательный угол в плане
Режущие кромки инструмента при своем движении деформируют находящийся перед ним металл. При этом в срезаемом слое создается сложное напряженное состояние. Когда напряженное состояние превышает силу внутреннего сцепления металлов, происходит сдвиг отдельного элемента стружки. Степень деформации металла зависит от его физико-механических свойств, геометрии инструмента, режима резания, условий резания и др. В процессе резания могут образовываться три вида стружки: сливная, скалывания и надлома.
Сливная стружка образуется при обработке пластичных материалов (мягкой стали, меди, алюминия и др.) и имеет вид сплошной гладкой ленты. Стружка скалывания образуется при обработке менее вязких материалов (стали повышенной твердости, некоторые виды латуней). У нее видны плоскости скалывания между отдельными элементами стружки, а верхняя сторона имеет пилообразную форму. Стружка надлома получается при обработке хрупких материалов (чугуна, бронзы и др.) и некоторых неметаллических материалов и состоит из элементов, практически не связанных между собой.
Стружка оказывает на переднюю поверхность режущего инструмента очень высокое давление, а вследствие выделения в зоне резания большого количества тепла в ряде случаев возникают условия, при которых происходит приваривание элементов стружки к передней поверхности режущего инструмента, образуя нарост клиновидной формы. Его твердость в 2-3 раза больше твердости обрабатываемого материала. В процессе резания нарост непрерывно обновляется, защищая режущую кромку от истирания. При черновой обработке он не оказывает вредного влияния на процесс резания, но при чистовой обработке приводит к значительному увеличению шероховатости обрабатываемой поверхности.
Теплообразование при резании в целом отрицательно влияет на процесс резания, хотя и повышает пластичность обрабатываемого материала. Повышение температуры режущего инструмента снижает его твердость и износостойкость. С повышением температуры заготовки и инструмента увеличиваются их размеры, что приводит к увеличению толщины снимаемого слоя и получения бракованных деталей. Возможно искажение формы детали.
В целях уменьшения трения и охлаждения режущего инструмента при обработке резанием широко применяются смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ). Для этого используются водные растворы минеральных солей, эмульсии, растворы мыла, минеральные, животные и растительные масла, скипидар, керосин и т.д.
СОЖ, обладая смазывающими свойствами, снижают трение, при этом одновременно охлаждаются режущий инструмент, заготовка и деформируемый слой. Смазывающая способность жидкостей препятствует образованию нароста, что способствует уменьшению шероховатости обработанной поверхности. За счет применения СОЖ мощность, необходимая для снятия стружки, уменьшается на 10-15 %, резко возрастает стойкость режущего инструмента, повышается точность обработанной поверхности и уменьшается степень шероховатости.
В процессе срезания стружки упруго-пластической деформации подвергается не только слой металла, находящийся выше клина инструмента, но и под ним. В результате такого воздействия поверхность приобретает повышенную твердость, называемую наклепом и внутренние остаточные напряжения.
В процессе резания происходит затупление режущей кромки инструмента, снижающее его режущие свойства. При затуплении нарушаются условия стружкообразования, возрастают силы резания, ухудшается точность обработки и качество поверхности. Затупление режущей кромки обусловлено ее износом.
Для восстановления режущей способности инструмента производится затачивание его рабочих поверхностей. В процессе затачивания инструмента с его рабочей части срезаются довольно большие слои дорогостоящего инструментального материала. Кроме того, на смену затупившегося инструмента затрачивается время, которое увеличивает продолжительность операции механической обработки и, следовательно, ее стоимость. В целом все это существенно удорожает механическую обработку и ограничивает ее эффективность. Поэтому, задача уменьшения интенсивности изнашивания режущих инструментов и увеличения срока его службы была и остается одной из главных задач металлообработки.
Восстановление заданной геометрической формы и режущей способности рабочей поверхности инструмента называют правкой. Необходимость в правке отпадает для тех инструментов, которые обладают самозатачиваемостью, т. е. свойством инструмента сохранять работоспособное состояние в течение всего периода эксплуатации. В режиме самозатачивания работают хонинговальные и суперфинишные бруски, обдирочные круги, шлифовальные круги с определенными характеристиками и ряд других инструментов.
Резание может осуществляться режущими инструментами с одним режущим лезвием или с несколькими. Согласно этому резание может называться однолезвийным или многолезвийным. Оно может быть непрерывным, например, при точении, или прерывистым, как при фрезеровании, и происходить с постоянным или переменным сечением среза.
Прерывистый характер резания, например, при сторогании, вызывает повышенные динамические нагрузки. Кроме этого имеется остановка рабочих органов в конце прямого и обратного ходов и неравномерность этих ходов. Наличие холостого хода, когда обработка не производится, приводит к значительному увеличению времени обработки и снижению производительности труда, а ударное врезание инструмента в заготовку и непостоянство скорости резания обуславливают невысокое качество обработки.
С другой стороны, прерывистый характер обработки способствует охлаждению режущего инструмента во время холостого хода, что повышает стойкость инструмента и позволяет выполнять обработку без применения СОЖ.