ГлавнаяРезание металлов представляет собой сложный физический процесс, знание закономерностей которого необходимо для создания благоприятных условий обработки деталей на металлорежущих станках.
Образование стружки при точении. Стружка образуется последовательным скалыванием деформированных элементов металла. Перед скалыванием каждый элемент стружки претерпевает упругие и пластические деформации и отделяется от основной массы, когда напряжения в металле становятся выше его предела прочности.
В зависимости от условий резания стружка может приобретать различные виды: сливной, скалывания или надлома (рис. 4.7).
Сливная стружка — прямая или завитая в спираль лента. Ее наружная прнрезцовая поверхность — гладкая, внутренняя — матовая, со слегка различимыми границами элементов. Сливная стружка образуется преимущественно при обработке мягких пластичных металлов (сталей, цветных металлов и их сплавов) с большой скоростью резания.
Стружка скалывания отделяется участками небольшой длины. Наружная поверхность у нее гладкая, внутренняя — ступенчатая, с четко различимыми границами элементов. Эта стружка получается в основном при обработке твердых пластичных металлов с невысокой скоростью резания.
Стружка надлома — отделяется в виде элементов неправильной формы, не связанных друг с другом. Она образуется при резании хрупких металлов (серый чугун, твердая бронза).
В процессе резания элементы сливной стружки полностью не скалываются, а преимущественно относительно сдвигаются. Поэтому сила сопротивления резанию не изменяется резко; резание протекает более спокойно, уменьшается шероховатость обработанной поверхности и расход энергии на резание. Следовательно, образование сливной стружки может до некоторой степени служить внешним показателем рациональных условий резания пластичных металлов.
Образование нароста на инструменте. При обработке пластичных металлов со средней скоростью резания на передней поверхности инструмента появляется твердый комочек металла — нарост. Он образуется в результате застоя частиц обрабатываемого металла из-за больших сил трения стружки о переднюю поверхность инструмента. Под действием высокой температуры и давления эти частицы прочно привариваются к инструменту, создавая как бы естественную защиту режущей кромки от изнашивания.
Постепенно увеличиваясь, нарост обламывается. Часть обломков вдавливается инструментом в обработанную поверхность, остальные уносятся стружкой. Нарост искажает форму режущей кромки и увеличивает шероховатость обработанной поверхности, поэтому при чистовой обработке он нежелателен. Избежать его можно при скорости резания свыше 80 м/мин или ниже 3—4 м/мин, при применении смазывающе-охлаждающей жидкости, доводкой или полированием передней поверхности инструмента.
Наклеп обработанной поверхности. В результате давления резца тонкий слой металла на обработанной поверхности подвергается упрочнению — наклепу и приобретает повышенную твердость (примерно в 1,5 раза выше твердости исходного металла). Большую склонность к упрочнению имеют более пластичные металлы. Толщина наклепанного слоя увеличивается с увеличением глубины резания, подачи и степени затупления резца и достигает при черновом точении до 0,4 мм. Это явление следует учитывать при чистовом точении, так как режущая кромка в наиболее ослабленном месте, около вершины, срезая упрочненный слой, имеет повышенный износ. Поэтому желательно, чтобы глубина резания при чистовом точении была несколько больше толщины наклепанного слоя, оставшегося от предыдущей черновой обработки.
Силы сопротивления резанию. Обрабатываемый материал оказывает значительное сопротивление резанию, которое зависит от механических свойств материала детали, размера сечения срезаемого слоя, углов заточки резца и свойств применяемой смазывающе-охлаждающей жидкости.
Установлено, что силы сопротивления резанию повышаются с увеличением твердости и прочности обрабатываемого материала, глубины резания и подачи, при уменьшении переднего угла и углов в плане резца, при работе всухую или при охлаждении жидкостью со слабым смазывающим действием.
Силы, препятствующие резанию, стремятся деформировать обрабатываемую деталь, инструмент, приспособление и части станка и являются причиной возникновения вибраций при резании. Следовательно, создание условий, при которых эти силы были бы наименьшими, способствует улучшению процесса резания и качества обработки.
Для уменьшения сил сопротивления резанию следует прежде всего правильно выбирать величину переднего угла резца в зависимости от свойств обрабатываемого материала. Обработку нежестких деталей необходимо выполнять резцами с большими углами в плане, если позволяют условия — применять смазывающе-охлаждающие жидкости (СОЖ). Кроме смазывающего действия, СОЖ, проникая в микротрещины срезаемого металла, расклинивают его и облегчают резание.
Теплообразование и охлаждение при резания. Работа, затрачиваемая на деформацию срезаемого слоя металла, скалывание элементов стружки и преодоление сил трения, превращается в теплоту.
Теплота, выделяющаяся при точении, распределяется примерно в следующих соотношениях: 70—80 % уносится стружкой, 20—25 поступает в резец, 4—9 в деталь и около 1 % — в окружающее пространство.
Нагрев инструмента и обрабатываемой детали отрицательно влияет на условия работы. Разогретый инструмент, теряя твердость, быстрее изнашивается, а тепловое расширение обрабатываемой детали усложняет получение точных размеров.
При обработке определенного материала температура инструмента зависит от его геометрии, применяемого режима резания, свойств смазывающе-охлаждающей жидкости и способа охлаждения.
Инструменты, имеющие малые углы заострения в режущего клина и более острые углы при вершине е, нагреваются до высокой температуры быстрее.
Из элементов режима резания на температуру режущей кромки инструмента наибольшее влияние оказывает скорость резания, меньшее — подача и наименьшее — глубина резания. Эта закономерность является исходным положением для выбора оптимальных режимов резания.
Смазывающе-охлаждающая жидкость, уменьшая трение, снижает нагрев и изнашивание инструмента. Рекомендации по ее применению приведены с табл. 4.3. Применяемые жидкости характеризуются различными смазывающими и охлаждающими свойствами. Наибольшую охлаждающую и слабую смазывающую способность имеет раствор кальцинированной соды в воде. Им рекомендуется пользоваться преимущественно при обдирочном точении, когда прежде всего необходимо интенсивно охлаждать режущий инструмент. При получистовом и чистовом точении, сверлении и зенкеровании универсальной смазывающе-охлаждающей жидкостью является 5 %-ная эмульсия, которая представляет собой раствор эмульсола в воде. Основу эмульсола составляет минеральное масло в смеси с раствором едкого натра, вследствие этого эмульсия наряду с хорошим охлаждением оказывает и смазывающее действие.
Для чистовых работ с невысокой скоростью резания (развертывание, нарезание резьб) целесообразно применять жидкости с большей смазывающей способностью. К ним относятся высококонцентрированные 10—15 %-ные эмульсии, сульфофрезолы, керосин, веретенные масла и их смеси.
Сульфофрезолами называются минеральные масла, содержащие химически активные присадки (обычно серу). Сера, вступая в реакцию с нагретым металлом, создает на контактных поверхностях устойчивую смазочную пленку, значительно снижающую трение. Наиболее часто применяется сульфофрезол, содержащий 80 % минерального масла, 18 % нигрола и 2 % серы.
При резании алюминиевых сплавов и для отделочных работ, связанных с обработкой чугуна и медных сплавов, в качестве охлаждающей жидкости в большинстве случаев применяют керосин или его смесь с минеральным маслом.
Несмотря на благоприятное действие смазывающе-охлаждающих жидкостей на процесс резания, их практически не применяют при обработке серого чугуна и работе твердосплавными инструментами на токарных станках. Это объясняется тем, что мелкая чугунная стружка, смешиваясь с жидкостью, образует густую смесь, которая сильно загрязняет станок и повышает изнашивание направляющих. Кроме того, эффективность применения охлаждения для обработки чугуна незначительна.
Твердосплавные инструменты нуждаются в непрерывном и обильном охлаждении, так как в противном случае в твердом сплаве могут возникнуть трещины. При универсальных токарных работах такие условия создать не всегда удается, вследствие чего обработку твердосплавными инструментами часто выполняют без охлаждения.
Обычный способ охлаждения осуществляется направлением струи жидкости в зону резания со стороны передней поверхности резца.
Более эффективным является способ охлаждения распыленной жидкостью, мельчайшие частицы которой хорошо смазывают трущиеся поверхности и производят интенсивное охлаждение за счет ускоренного испарения. Распыление осуществляется потоком сжатого воздуха, направляемого в смесительную форсунку, куда поступает жидкость от охладительной Системы станка.
Износ и стойкость инструмента. Вследствие трения и высокой температуры происходит изнашивание инструмента, на передней поверхности которого стружка выбирает лунку, а на задней образуется притертая к поверхности резания площадка без заднего угла. Наибольшему изнашиванию обычно подвергается главная задняя поверхность инструмента.
По мере увеличения износа режущая кромка ослабляется, усиливаются трение и нагревание инструмента, ухудшается чистота и точность обработки. При появлении признаков допустимого износа инструмент необходимо снять со станка и заточить.
Интенсивность изнашивания непосредственно влияет на время работы инструмента от заточки до переточки, которое принято называть стойкостью. Между ними существует обратно пропорциональная зависимость, т. е. с повышением интенсивности изнашивания стойкость инструмента уменьшается.
При низкой стойкости увеличиваются время вынужденных простоев станка и расход режущего инструмента.
Принятая стойкость должна быть экономически выгодной, т. е. обеспечивать высокую производительность работы и наименьшие материальные затраты, связанные с изготовлением изделия. Такую стойкость называют экономической.
На стойкость влияют механические свойства обрабатываемого материала и материала инструмента, геометрия и качество заточки инструмента, режим резания и смазывающе-охлаждающая жидкость. Поэтому для обеспечения необходимого периода стойкости или его увеличения рекомендуется: обработку выполнять преимущественно твердосплавными инструментами, обладающими высокой тепло- и износостойкостью; их геометрию выбирать соответственно свойствам обрабатываемого материала; качественно выполнять заточку и доводку инструментов; применять режимы резания, соответствующие условиям работы, учитывая при этом, что на стойкость наибольшее влияние оказывает скорость резания; пользоваться смазывающе-охлаждающими жидкостями, способствующими повышению стойкости инструментов.