ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВЫБОРА ФАКТОРОВ РЕЖИМА РЕЗАНИЯ

 

Режимом резания называют совокупность глубины резания, подачи, скорости резания и периода стойкости инструмента. Рациональным режимом резания называют такой, который при выполнении всех требований, предъявляемых к качеству обрабатываемой детали, обеспечивает при минимальной себестоимости операции максимально возможную для данной себестоимости производительность. При назначении режима резания для конкретной операции прежде всего возникает вопрос: что целесообразнее увеличивать - глубину резания зa счет уменьшения подачи, или наоборот; работать с большим сечением срезаемого слоя и меньшей скоростью резания или увеличивать скорость за счет уменьшения глубины резания и подачи. Решим указанную задачу поэтапно.

Выясним, что выгоднее увеличивать в первую очередь: глубину резания или подачу.

Рис. 1. Два варианта срезания припуска размером Н

Пусть при обтачивании валика длиной l (рис. 1) необходимо срезать припуск размером H. Произведем обработку при двух режимах резания. При первом режиме глубина резания t₁ = t будет равна припуску на обработку Н, а подача s₁ = s. При втором режиме глубина резания t_II = t/2 будет равна Н/2, а подача s_II = 2 s.

При обоих режимах резания площадь сечения срезаемого слоя будет, одинаковой и равной ts. Производительность обработки можно характеризовать основным технологическим временем обработки t_o. Основным технологическим временем называют время, затраченное на непосредственное изменение геометрической формы и размеров обрабатываемой детали, являющееся целью данной операции. Если обработка ведется за один проход, то основное технологическое время

t_о = L/ ns мин.

В формуле L - расчетная длина обработки в направлении движения подачи, равная сумме, состоящей из длины l обрабатываемой детали, пути t_вр врезания главного лезвия инструмента в срезаемый слой и пути l_п перебега, необходимого для выхода инструмента из соприкосновения с деталью, т. е. L = l + l_вр + l_п.

Чем меньше основное технологическое время, тем выше производительность обработки и наоборот. Определим основное технологическое время для обоих режимов:

для первого режима

t_{0 I} = L/ n_Is

для второго режима

t_{0 II} = 2 L/ n_II 2 s

где числа оборотов детали при первом и втором режимах соответственно равны:

n_I = 1000 v_I / p D и n_II = 1000 v_II / p D

Скорости резания для первого и второго режима зависят от глубины резания и подачи и соответственно равны:

 и

Для первого режима отношение глубины резания к подаче равно t/ s, а для второго t /4 s, Так как t/ s > t/4 s, то скорости резания v₁ > v_II и n_I > n_II. Поэтому основное технологическое время при первом режиме меньше, чем при втором. При работе со вторым режимом необходимо дополнительное время для возвращения резца в исходное положение перед осуществлением второго прохода. Таким образом, первый режим является более производительным, чем второй. Следовательно, глубину резания увеличивать целесообразнее, нежели подачу.

Выясним далее, что выгоднее в первую очередь увеличивать:подачу или скорость резания. Производительность обработки можно характеризовать количеством деталей Q, обрабатываемых за период стойкости Т инструмента. Без учета времени холостых ходов

Q = T/ t_o шт.

Так как t_о = L / ns, то n = 1000 v / p D то Q = T 1000 vs / p D.

Для конкретных условий операции дробь 1000 T / p DL постоянна. Обозначим ее через С. Тогда Q = Cvs, откуда следует, что наибольшему произведению vs соответствует наибольшее Q. Однако это не означает, что скорость резания и подача одинаково влияют на количество деталей, обрабатываемых за период стойкости инструмента. При постоянном периоде стойкости скорость резания и подача связаны зависимостью t^xvs^yvV = С _v и нельзя без изменения периода стойкости изменять, например, подачу, оставляя постоянной скорость резания, и наоборот.

Выразим число обрабатываемых за период стойкости деталей только через подачу. При t = const

v = С’ _v / s^yv .

где С' _v = C_v / t^xv .

Тогда

Q = CC ’ _v s / s^yv = CC ’ _v s ^{1- yv} = C ₁ s ^{1- yv} .

Из выражения следует, что с увеличением подачи число деталей Q возрастает. Например, если y_v = 0,4, а подача увеличена в 2 раза, то количество обработанных деталей возрастет в 1,32 раза. Выразим число обрабатываемых за период стойкости деталей только через s. Так как

s = C’_v^1/yv/v^1/yv,

то

Q = C(C’_v)^1/yvv/v^1/yv.

Из выражения следует, что с увеличением скорости резания число деталей Q не возрастает, а уменьшается. При x_v = 0,4 и увеличении скорости резания в 2 раза количество обработанных деталей уменьшится на 60%. Таким образом, увеличивать подачу выгоднее, чем скорость резания.

На основании изложенного можно сформулировать основные положения о назначении рационального режима резания. Для повышения производительности при заданном периоде стойкости инструмента необходимо работать с возможно большей площадью селения срезаемого слоя t х s и соответствующей этому сечению скоростью резания. При выбранной площади сечения срезаемого слоя необходимо увеличивать глубину резания за счет уменьшения подачи.

Таким образом, при назначении режима резания:

1) задаются максимально возможной, технологически допустимой глубиной резания;

2) по выбранной глубине резания назначают максимальную, технологически допустимую подачу;

3) по выбранным глубине резания и подаче, задавшись определенной величиной периода стойкости инструмента, определяют допускаемую скорость резания.

 

 

КАЧЕСТВО ОБРАБОТАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Шероховатость

Качество обработанной поверхности определяется шероховатостью поверхности и состоянием материала поверхностного слоя. Шероховатость обработанной поверхности характеризуется высотой и формой микронеровностей. Состояние материала поверхностного слоя характеризуется его упрочнением (наклепом), микроструктурой, величиной и знаком остаточных напряжений и глубиной их залегания.

При изучении шероховатости поверхности микронеровности с методической точки зрения удобно делить на расчетные неровности и действительные неровности. Под расчетными неровностями понимают такие, высота и форма которых могут быть определены геометрически при следующих допущениях:

1) обрабатываемый материал считается абсолютно недеформируемым;

2)  система СПИД - абсолютно жесткой;

3)  лезвия инструмента представляют собой геометрические линии.

Действительные неровности или просто неровности это те микронеровности, которые возникли на обработанной поверхности после прохода режущего инструмента. Высота неровностей аналитическому расчету не поддается. Ее можно измерить приборами, называемыми профилометрами и профилографами. Профилометры дают визуальный отсчет высоты неровностей, а профилографы в определенном масштабе вычерчивают микропрофиль поверхности.

Рис.1. Расчетный микропрофиль обработанной поверхности при точении

На рис. 1 изображен расчетный микропрофиль обработанной поверхности при точении (а) и фрезеровании цилиндрическими фрезами (б). При точении высота расчетных неровностей R_zp равна высоте `pk треугольника mпр:

 

Таким образом,

Формула пригодна для расчета R_zp при растачивании, сверлении, зенкеровании, строгании и фрезеровании торцовыми фрезами. Если резец имеет круговое переходное лезвие, то в зависимости от соотношения между величинами подачи на оборот s, углов в плане j и j ₁ и радиуса r - переходного лезвия высота расчетных неровностей определяется по одной из формул, приведенных в табл. 1.

 

Вспомогательный угол в плане j 1	Главный угол в плане j
	j < arcsinS/2r	j > arcsinS/2r
j 1 < arcsinS/2r
j 1 > arcsinS/2r

Рис.1. Расчетный микропрофиль обработанной поверхности при фрезеровании

При фрезеровании высота расчетных неровностей определяется положением точки р пересечения двух окружностей, отстоящих друг от друга на расстоянии, равном подаче s_z на зуб фрезы:

Выражение можно упростить. Так как

 и ,

то, пренебрегая членом R_zp ², получим

Расчетные неровности при точении уменьшаются при уменьшении подачи, углов в плане и увеличении радиуса переходного лезвия. Если на резце сделать вспомогательный угол в плане равным нулю, а длину вспомогательного лезвия на 20-30% больше подачи на оборот, то расчетные неровности образовываться не будут и R_zр = 0. По тем же обстоятельствам расчетные неровности не образуются при развертывании. Высота расчетных неровностей при сверлении и зенкеровании очень мала из-за незначительной величины вспомогательного угла в плане j ₁. При фрезеровании цилиндрическими фрезами высота расчетных неровностей уменьшается при уменьшении подачи на зуб и увеличении диаметра фрезы. Так как s_z <<D, то высота расчетных неровностей очень мала. Реальные неровности по форме и высоте отличаются от расчетных. На рис. 3 изображена типичная профило-грамма обработанной поверхности при точении.

Рис.3. Профилограмма поверхности после точения

По сравнению с расчетным реальный микропрофиль теряет свою регулярность и R_z > R_zp. Увеличение высоты неровностей R_z по сравнению с R _{z р} вызвано следующими причинами: 1) пластическим течением материала из зоны первичной деформации в сторону вершин микронеровностей; чем больше степень деформации срезаемого слоя, тем больше интенсивность пластического течения в сторону уже обработанного следа на микропрофиле и тем больше высота неровностей; 2) колебаниями детали и инструмента во время обработки; 3) трением задних поверхностей инструмента о поверхность резания; 4) неровностями лезвий инструмента, которые возрастают по мере его изнашивания. Если материал склонен к наростообразованию, то в зоне скоростей резания, при которых нарост получает максимальное развитие, высота неровностей дополнительно увеличивается за счет роста и разрушения нароста.

На высоту неровностей оказывают влияние те же факторы, что и на высоту расчетных неровностей. Поэтому при уменьшении подачи (толщины срезаемого слоя), углов в плане инструмента и увеличении радиуса переходного лезвия высота R_z неровностей уменьшается. Однако интенсивность влияния подачи на R_z зависит от величины подачи. Из рис. 4 видно, что если подача при точении меньше 0,5 мм/об, то ее влияние на высоту неровностей заметно ослабляется. Поэтому при малых подачах снизить шероховатость обработанной поверхности за счет уменьшения подачи значительно труднее, чем при больших.

Рис. 4. Влияние подачи s на высоту неровностей Rz при точении (сталь ЭB 107; резец; g = 5^o l = 0°; j = 45°; j₁ = 20°; r = 1,75 мм, по данным А. И. Исаеве)

Помимо этих факторов на высоту неровностей влияют все те, которые изменяют объем пластического деформирования материала и условия трения на контактных поверхностях инструмента. К ним можно отнести механические свойства обрабатываемого материала, скорость резания и свойства применяемой смазочно-охлаждающей жидкости. Глубина резания (ширина срезаемого слоя) и передний угол инструмента на высоту неровностей значительного влияния не оказывают. С повышением твердости и прочности обрабатываемого материала и снижением его пластичности объем пластической деформации уменьшается, и это приводит к уменьшению высоты неровностей. На этом основано искусственное повышение твердости деталей термообработкой, часто применяемое для повышения чистоты обработанной поверхности.

Рис.5. Схема влияния скорости резания v на высоту неровностей Rz при обработке материала, не склонного (а) и склонного (б) к наростообразованию

Влияние скорости резания на высоту неровностей (рис. 5) проявляется по-разному, в зависимости от того, склонен или нет обрабатываемый материал к наростообразованию. Если материал не склонен к наростообразованию, то по мере увеличения скорости резания высота неровностей непрерывно уменьшается. Это связано с уменьшением объема пластической деформации и среднего коэффициента трения. Влияние скорости резания в этом случае не особенно сильно, и скорость резания нужно увеличить в десятки раз, чтобы получить ощутимое снижение шероховатости обработанной поверхности. Если материал склонен к наростообразованию, то высота неровностей находится в прямой зависимости от высоты нароста. При увеличении скорости резания от v ₁ до v ₂ высота нароста растет и из-за этого растет высота неровностей, достигая максимума при наибольшем развитии нароста. Далее нарост уменьшается и R_z также уменьшается. При скоростях резания, больших скорости v ₃, исчезновения нароста, влияние скорости резания проявляются в чистом виде, и высота неровностей непрерывно уменьшается. Таким образом, для получения низкой шероховатости обработанной поверхности необходимо работать со скоростями резания, большими скорости, соответствующей исчезновению нароста.

При v > v₃ по мере увеличения скорости резания разница между высотами R_z и R_zp неровностей непрерывно уменьшается, и при скоростях резания, больших 120-150 м/мин, они мало отличаются друг от друга, а скорость резания перестает влиять на R_z.

На рис. 6 показано влияние смазочно-охлаждающих жидкостей на высоту неровностей. По сравнению с резанием всухую (кривая 1) наибольшее уменьшение R_z наблюдается при применении воды (кривая 3) и четыреххлористого углерода (кривая 4), т. е. тех жидкостей, которые в наибольшей степени снижают коэффициент усадки стружки и средний коэффициент трения. Из рисунка также видно, что по мере увеличения скорости резания действие смазочной жидкости ослабевает, а различие во влиянии различных жидкостей нивелируется. Ослабление действия жидкости при увеличении скорости резания связано как с уменьшением времени физико-химического воздействия жидкости, так и с затруднением проникновения жидкости на переднюю поверхность вследствие большей стабильности положения границы заторможенного слоя.

Рис. 6. Влияние смазочно-охлаждающих жидкостей на высоту неровностей при обработке:

1 - всухую; 2  с маслом; 3 - с водой; 4 - с четыреххлористым углеродом

Выше указывалось, что высота неровностей обработанной поверхности аналитическому расчету не поддается. Для того чтобы иметь численную связь между высотой неровностей и важнейшими факторами процесса резания, созданы приближенные эмпирические формулы, полученные на основании статистической обработки опытных данных. Формулы имеют вид:

при точении со скоростями резания, соответствующими чистовой обработке,

при фрезеровании осевыми цилиндрическими фрезами

при фрезеровании торцовыми фрезами

Численные величины постоянных C_R, зависящих от рода обрабатываемого материала, и показателей степени даны для резцов и осевых цилиндрических фрез в справочниках.

Физико-механические свойства поверхностного слоя, лежащего под обработанной поверхностью, во многом определяют эксплуатационные качества деталей машин. Важнейшими показателями состояния поверхностного слоя являются величина, знак и глубина залегания остаточных напряжений, степень наклепа и толщина наклепанного слоя. Остаточные напряжения, возникающие в поверхностном слое, и его наклеп являются следствием силового поля, создаваемого силами резания, нагрева материала обрабатываемой детали и структурных превращений. При резании металлическим инструментом (точении, фрезеровании, сверлении и т. п.) остаточные напряжения образуются главным образом под действием силового поля. Температура имеет второстепенное значение. При обработке хрупких материалов остаточные напряжения сжимающие, а при обработке пластичных металлов чаще всего растягивающие. При высокотемпературном режиме (шлифовании) остаточные напряжения образуются вследствие высокой температуры поверхностного слоя и являются всегда растягивающими.

Рис. 7. Эпюра изменения остаточных напряжений в зависимости от расстояния D от обработанной поверхности

Рис. 8. Схема влияния подачи s, скорости резания v и переднего угла резца g на величину тангенциальных напряжений и глубину их залегания

На рис. 7 представлена эпюра изменения остаточных напряжений в зависимости от расстояния D от обработанной поверхности при обработке большинства пластичных материалов. В очень тонком слое толщиной 0,001-0,004 мм (зона I) действуют сжимающие напряжения. В зоне II, протяженность которой зависит от режима резания и переднего угла инструмента, действуют растягивающие напряжения. Протяженность зоны II в 10 раз и более превосходит протяженность зоны I, и поэтому состояние поверхностного слоя определяют характер и величина напряжений в зоне II. В зоне III, уравновешивающей действие остаточных напряжений первых двух зон, напряжения сжимающие. Наличие в поверхностном слое растягивающих напряжений значительно ухудшает его качество, так как при этом снижается усталостная прочность, а если остаточные напряжения по величине превосходят предел прочности материала обрабатываемой детали, то это может привести к образованию поверхностных трещин.

Величина и глубина залегания остаточных напряжений зависят от переднего угла инструмента, подачи (толщины срезаемого слоя), скорости резания, степени износа инструмента. Принципиальное влияние s , v и g на величину тангенциальных напряжений аг и глубину их залегания D представлено на рис. 8, а, б,. При увеличении скорости резания абсолютная величина растягивающих остаточных напряжений увеличивается, но глубина их залегания уменьшается. При скоростях резания v > 150-170 м/мин образование поверхностного слоя при обработке углеродистой стали стабилизируется и скорость резания перестает оказывать влияние на остаточные напряжения. Рост подачи также увеличивает величину растягивающих напряжений, но при этом несколько растет и глубина их залегания. При переходе от положительных передних углов к отрицательным до углов g = - 15° растягивающие напряжения резко уменьшаются, но одновременно увеличивается глубина их залегания. С увеличением износа инструмента наблюдается увеличение как величины растягивающих остаточных напряжений, так и глубины их залегания.

Под степенью наклепа D Н_м поверхностного слоя понимают отношение разности наибольшей микротвердости Н_мн наклепанного слоя и микротвердости Н_мс ненаклепанного материала к Н_мс (см. рис. 8), т. е.

D Н_м = [( Н_мн - Н_мс)/ Н_мс]100%.

Наклеп поверхностного слоя связан в основном с деформацией и упрочнением ферритной фазы обрабатываемого материала. Степень наклепа и толщина D _н наклепанного слоя находятся в прямой зависимости от степени деформации срезаемого слоя и действующих сил резания. Поэтому D Н_м и D _н растут при уменьшении переднего угла инструмента и увеличении подачи (толщины срезаемого слоя). Например, при точении жаропрочного сплава ЭИ437 увеличение переднего угла от -60 до +30° уменьшает D _н с 0,24 до 0,1 мм и D Н_м с 42 до 35%; увеличение подачи с 0,05 до 0,6 мм/об увеличивает D _н с 0,09 до 0,155 мм и степень наклепа с 23 до 37%. Глубина резания на D Н_м и D _н влияет сравнительно мало. Влияние скорости резания на степень наклепа и толщину наклепанного слоя такое же, как и на коэффициент усадки стружки. Повышение износа инструмента увеличивает наклеп и толщину наклёпанного слоя.

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: