Процесс резания (стружкообразования) является сложным физическим процессом, сопровождающимся большим тепловыделением, деформацией металла, износом режущего инструмента и наростообразованием на резце. Знание закономерностей процесса резания и сопровождающих его явлений позволяет рационально управлять этим процессом и изготовлять детали более качественно, производительно и экономично. При резании различных материалов образуются следующие основные типы стружек (смотри рисунок): сливные (непрерывные), скалывания (элементные) и надлома.
Сливная стружка - а) образуется при резании пластических металлов (например, мягкой стали, латуни) с высокими скоростями резания и малыми подачами при температуре 400-500°С. Образованию сливной стружки способствуют уменьшение угла резания (при оптимальном значении переднего угла) и высокое качество смазочно-охлаждающей жидкости.
Стружка скалывания - б) состоит из отдельных элементов, связанных друг с другом и имеет пилообразную поверхность. Такая стружка образуется при обработке твердой стали и некоторых видов латуни с малыми скоростями резания и большими подачами. С изменением условий резания стружка скалывания может перейти в сливную и наоборот.
Стружка надлома - в) образуется при резании малопластичных материалов (чугуна, бронзы) и состоит из отдельных кусочков.
Режущий инструмент деформирует не только срезаемый слой, но и поверхностный слой обрабатываемой детали. Деформация поверхностного слоя металла зависит от различных факторов и ее глубина составляет от сотых долей миллиметра до нескольких миллиметров. Под действием деформации поверхностный слой металла упрочняется, увеличивается его твердость и уменьшается пластичность, т. е. происходит так называемый наклеп обрабатываемой поверхности. Чем мягче и пластичнее обрабатываемый металл, тем интенсивней процесс образования наклепа. Чугуны обладают значительно меньшей способностью к упрочнению, чем стали. Глубина и степень упрочнения при наклепе увеличиваются с увеличением подачи и глубины резания и уменьшаются с увеличением скорости резания. При работе плохо заточенным инструментом глубина наклепа примерно в 2-3 раза больше, чем при работе остро заточенным инструментом. Применение смазочно-охлаждающей жидкости значительно уменьшает глубину и степень упрочнения поверхностного слоя.
При обработке металлов, особенно пластичных, в
непосредственной близости к режущей кромке резца на переднюю поверхность
резца налипает обрабатываемый материал, образуя металлический нарост,
имеющий клиновидную форму и по твердости в 2-3 раза превышающий твердость
обрабатываемого материала. Являясь как бы продолжением резца,
нарост (рисунок слева) изменяет геометрические параметры резца
(δ1<δ),
участвует в резании металла и оказывает влияние на результаты обработки,
износ резца и силы, действующие на резец. При обработке нарост периодически
скалывается и вновь образуется; отрыв частиц нароста по длине режущего
лезвия происходит неравномерно, что приводит к мгновенному изменению
глубины резания. Эти явления, повторяющиеся периодически, увеличивают
шероховатость обработанной поверхности. С увеличением пластичности
обрабатываемого металла размеры нароста возрастают. При обработке хрупких
металлов, например чугуна, нарост, как правило, не образуется.
При скорости резания υ<5м/мин нарост не образуется. Наибольшая величина нароста соответствует υ=10-20 м/мин для инструмента из быстрорежущей стали и υ>90м/мин для твердосплавного инструмента. Поэтому при этих скоростях не рекомендуется производить чистовую обработку. С увеличением подачи нарост увеличивается, поэтому при чистовой обработке рекомендуется подача 0,1-0,2 мм/об. Глубина резания существенного влияния на размеры нароста не оказывает. Для уменьшения нароста рекомендуется уменьшать шероховатость передней поверхности режущего инструмента, по возможности увеличивать передний угол γ (например, при γ=45° нарост почти не образуется) и применять смазочно-охлаждающие жидкости. При черновой обработке образование нароста, напротив, благоприятно сказывается на процессе резания.
При внедрении в материал режущего инструмента на его переднюю и заднюю поверхности действуют нормальные силы N 1 , N 2 и силы трения F 1 , F 2 (рис.2.). Считая клин абсолютно жестким телом, можно после сложения всех сил получить общую равнодействующую силу R, являющуюся силой сопротивления резанию. Учитывая сложностиопределения нормальных сил и сил трения, для удобства расчета технологических параметров процесса резания силу R раскладывают в трехосной системе координат X-Y-Z на составляющие, которые измеряют динамометром или рассчитывают по эмпирическимформулам. При свободном ортогональном резании таких составляющих две: в направлении вектора скорости резания - Pz и перпендикулярно поверхности резания - Py.
Рис.2. Схема сил, действующих на режущий клин.
Для практических целей обычно используется не сама равнодействующая сила R, а ее составляющие Рz, Рy, Рx (рис.3). При этом: величина силы Рz определяет крутящий момент резания, по которому определяются: мощность станка, параметры зубчатых колес и валов механизма скоростей станка, параметры зуба и корпуса режущего инструмента; от величины силы Рy зависят: прогиб обрабатываемой детали и ее точность, параметры деталей механизма поперечной подачи; величина силы Рx является исходной для расчета параметров деталей механизма продольной подачи станка. Кроме этого, составляющие силы резания используются при расчетах параметров шпиндельного узла и жесткости станка.
Рис.3. Разложение силы резания R на три составляющие.
Три указанные составляющие силы резания взаимно перпендикулярны; поэтому величина и направление равнодействующей силы определяются как диагональ параллелепипеда
Соотношение величин составляющих сил Pz, Py, Px не остается постоянным и зависит от геометрических параметров рабочей части резца, элементов режима резания (v, t, s), износа резца, физико-механических свойств обрабатываемого материала и условий резания.
Отношения Py/Pz и Px/Pz возрастают с увеличением износа резца; увеличение подачи увеличивает отношение Px/Pz; уменьшение главного угла в плане увеличивает отношение Py/Pz. В некоторыхт случаях обработки одной из двух составляющих (Px или Py) может и не быть. Например, при разрезке прутка отрезным резцом отсутствует сила Px; при подрезке торца трубы резцом с φ=90º и λ=0º отсутствует составляющая Py. Сила Pz действует во всех случаях, и поэтому ее часто называют главной составляющей силы резания или просто силой резания.
Удельная сила резания и коэффициент резания. Для приближенного определения силы резания Pz может быть использовано уравнение
где f - площадь поперечного сечения среза в мм 2 ; p - удельная сила резания (Н/мм 2).
Удельная сила р численно равна силе резания, отнесенной к 1 мм 2 сечения срезаемого слоя. Так как величина удельной силы зависит от элементов режима резания (v, t, s), геометрических параметров инструмента и условий обработки, значения р, полученные в различных условиях, не могут быть сопоставимы. Поэтому для расчета величин сил резания, как правило, используются различные варианты эмпирических зависимостей. Наиболее часто используется следующая типовая формула:
где i=x,y,z; C pi , x pi , y pi , k pi - справочные коэффициенты, зависящие от свойств инструментального и обрабатываемого материалов, геометрии инструмента и т.д; t - глубина резания (мм); s - величина подачи (мм/об).
Аппаратура для измерения сил резания. Для экспериментального определения сил резания и изучения влияния на них различных факторов применяют специальные динамометры. Различают динамометры трехкомпонентные для измерения Pz, Py и Px; двухкомпонентные для измерения Pz и Py или Pz и Px и однокомпонентные для измерения какой-либо одной составляющей силы резания.
Динамометры в зависимости от принципа работы делятся на электрические, механические и гидравлические. Каждый динамометр включает в себя устройство для разложения равнодействующей силы резания на составляющие, датчики для преобразования измеряемой силы в удобно наблюдаемую величину и регистрирующее устройство. Наибольшее применение имеют электрические динамометры: пьезоэлектрические, емкостные, индукционные и динамометры с проволочными датчиками сопротивления.
2.2. Деформирование и разрушение материалов при резании
Деформации при резании распространяются впереди инструмента: в деталь и в стружку. Размеры деформированной области и характер стружкообразования зависят от свойств обрабатываемого материала и условий резания (рис.4). Если при обтекании клина материалом образуется сплошная стружка без разрывов и больших трещин, то в этом случае она называется сливной стружкой . Такой тип стружки чаще всего образуется при резании вязких, пластичных материалов. В том случае, когда при резании пластичных материалов имеет место интенсивное трещинообразование, происходит полное разделение стружки на элементы, имеющие определенную правильную форму и последовательность образования, такой тип стружки называется элементной стружкой , или стружкой скалывания .
Очень часто при резании пластичных материалов образуются стружки, не имеющие четко выраженных признаков сливных или стружек скалывания. При их образовании не происходит полного разделения на элементы и трещины заканчивают свое развитие в толще деформированного материала, не выходя на его наружную поверхность. Такие стружки называют суставчатыми.
При резании хрупких материалов (чугуна, бронзы, керамических материалов и др.) происходит вырывание отдельных частиц поверхностного слоя заготовки режущей частью инструмента. Так как пластического деформирования практически не происходит, то элементы стружки, образующиеся в процессе хрупкого разрушения, не имеют правильной формы. Обработанная поверхность шероховатая с зазубринами и вырывами. Такой тип стружек носит название стружек надлома.
Рис.4. Типы стружек
А) сливная; б) суставчатая; в) скалывания; г) надлома
Изменяя условия резания и состояния материала, можно при его обработке получать различные типы стружек. Так, например, при резании меди с глубоким охлаждением можно получить стружки надлома, а при резании с подогревом твердых и хрупких материалов - стружки скалывания и даже сливные. При резании некоторых современных материалов, применяющихся в технике, например таких, как: высокопрочные и тугоплавкие сплавы, неметаллические, полимерные и композиционные материалы, образуются стружки, по своей форме и внешнему виду значительно отличающихся от вышеперечисленных.
В механике процесса резания металлов уделяется большое внимание стружкообразованию, так как оно определяет протекание процесса резания в целом. Hа осуществление процесса стружкообразования обычно затрачивается более 90% силы и работы резания; соответственно, при стружкообразовании выделяется основная часть тепла. От этого процесса, главным образом, зависят тепловой режим и контактные нагрузки на рабочих поверхностях инструмента, а следовательно, интенсивность и характер их износа. В непосредственной связи с процессом стружкообразования находится качество поверхностного слоя и точность обработки детали. Можно сказать, что почти все характеристики процесса резания и его практические результаты зависят от процесса стружкообразования. Протекание этого процесса в основном определяется деформированным состоянием зоны стружкообразования.
Установлено, что зона стружкообразования имеет клинообразную форму и размеры, сопоставимые с толщиной среза.
При этом пластическое деформирование срезаемого слоя начинается на линии, по которой проходят первые сдвиги обрабатываемого материала. Проходя через зону стружкообразования, обрабатываемый материал последовательно подвергается дополнительным пластическим деформациям при пересечении каждой последующей линии сдвига. Достигнув конечной границы зоны стружкообразования, обрабатываемый материал получает наибольшую степень деформации, свойственную уже образовавшейся стружке.
Концентрация пластической деформации у конечной границы зоны стружкообразования позволяет в некоторых случаях использовать упрощенное представление о том, что весь процесс деформации происходит вдоль некоторой условной плоскости сдвига ВС, наклоненной под углом φ к вектору скорости резания. Угол φ, называемый углом сдвига, является удобным параметром для характеристики направления и величины пластической деформации в зоне стружкообразования (рис.1) .
Hапряженное состояние зоны резания также играет определенную роль в процессе стружкообразования. Хотя в силу особенностей этого процесса не наблюдается полного соответствия между напряженным и деформированным состоянием зоны стружкообразования, тем не менее изучение напряженного состояния позволяет более обоснованно подойти к анализу схем стружкообразования и влияния условий резания на процесс стружкообразования.
Установление напряженного состояния зоны стружкообразования является сложной задачей, которая даже для простейшего случая резания решена лишь в первом приближении. Причина этого заключается в том, что существующие аналитические и экспериментальные методы не позволяют определить напряженное состояние зоны стружкообразования без ряда допущений.
2.2.1. Методы оценки состояния зоны резания
Для качественной и количественной оценки напряженно-деформированного состояния при резании существуют различные методы.
Метод определения коэффициента усадки стружки . Внешними наблюдениями за процессом стружкообразования установлено, что в большинстве случаев обработки резанием стружка укорачивается, утолщается и становится шире срезаемого слоя ("разбухает", "усаживается"). Усадка стружки является внешним проявлением процесса деформирования при наличии больших пластических деформаций. Рассматриваются следующие геометрические соотношения (рис.5): коэффициент укорочения kl=Lo/L , коэффициент уширения kb=b1/b, коэффициент утолщения ka=a1/a. Так как объем пластически деформированного материала не изменяется, то a·b·Lo=a1·b1·L и при b1=b получим, что Lo/L=a1/a , т.е. kl=ka .
При резании различных материалов и в разных условиях эти коэффициенты могут быть больше или меньше единицы. В случае равенства линейных размеров срезаемого слоя и стружки понятие "коэффициент усадки" теряет свой смысл, так как "усадки" не происходит, а энергия, затраченная на пластическое деформирование, достаточно велика.
Рис.5. Схема определения величины коэффициентов усадки стружки (коэффициентов укорочения и утолщения)
Метод координатных сеток. Этот метод позволяет качественно и количественно оценить напряженно-деформированное состояние в зоне резания при образовании сливных стружек и стружек скалывания. Сетки с различной формой ячеек наносятся на наблюдаемую поверхность детали. По характеру искажения формы ячеек сеток можно получить представления о размерах зоны деформированного материала, количественных характеристиках напряженно-деформированного состояния в очаге деформации и поверхностном слое детали, а также о контактных нагрузках и трении на поверхностях режущего клина.
Метод микротвердости. Метод определения напряженного состояния по изменению микротвердости Hu деформированного материала в сочетании с методом координатных сеток позволяет, зная величины интенсивностей деформаций еi, определить величины интенсивностей напряжений бi в различных точках зоны резания. Для этого необходимо построить графики механических испытаний, связывающие еi - бi - Hu.
Поляризационно-оптические методы. Эти методы позволяют экспериментально-расчетным путем определить контактные напряжения, а также распределение касательных и нормальных напряжений в режущем клине. Инструмент необходимо изготовлять из оптически-активного материала (эпоксидная смола, стекло) и резать высокопластичные материалы (свинец, алюминий). Обработка фотографий изоклин (линий равных нормальных напряжений) и изохром (линий равных касательных напряжений) достаточно сложна и трудоемка.
Кроме перечисленных выше, достаточно часто используются методы расчета напряженно-деформированного состояния материала в зоне резания, связанные с построением поля линий скольжения, применением теории подобия и электромоделирования.
При обтекании режущего клина часть деформированного материала перемещается по передней поверхности, превращаясь в стружку, а другая часть ниже линии среза - по задней поверхности и образует поверхностный слой детали.
2.2.2. Физико-механические свойства поверхностного слоя
Формирование поверхностного слоя детали путем срезания стружки определяется сложным напряженно-деформированным состоянием зоны резания. Процесс образования поверхностного слоя деталей при резании материалов представляет собой комплекс сложных физических явлений. Физико-механические свойства поверхностного слоя оценивают глубиной hнк и степенью N наклепа, величиной и знаком остаточных напряжений, микроструктурой и другими характеристиками . Под степенью наклепа понимается отношение N=((Hmax-Ho)/Ho)·100%, где Hmax - микротвердость обработанной поверхности; Но - микротвердость исходного материала заготовки.
Изменение степени пластической деформации срезаемого слоя при увеличении скорости резания вызывает соответствующее изменение наклепа обработанной поверхности. При более высоких скоростях резания глубина наклепа снижается. При износе инструмента возрастают нормальные силы N 2 и силы трения F 2 на задней поверхности инструмента и поэтому увеличивается наклеп поверхностного слоя детали. Степень наклепа очень сильно зависит от физико-механических свойств обрабатываемого материала. Нержавеющие, жаропрочные стали и другие пластичные материалы обладают большой склонностью к наклепу.
Глубина наклепа определяется путем последовательного измерения микротвердости на косых срезах или методом рентгено-структурного анализа. Степень и глубина наклепа в основном зависят от физических свойств обрабатываемого материала, скорости резания (при больших скоростях степень и глубина наклепа уменьшаются) и угла резания (чем больше угол резания, тем больше степень и глубина наклепа). Многие пластичные материалы (стали аустенитного класса, медь, жаропрочные и титановые сплавы) обладают большой склонностью к наклепу. Увеличение подачи, износа инструмента и радиуса округления режущей кромки приводит к увеличению размеров зоны деформации, увеличению глубины и степени наклепа. Необходимо отметить, что при образовании поверхностного слоя изделия параллельно происходят два конкурирующих процесса: упрочнение ("наклеп") и разупрочнение ("отдых").
С увеличением скорости резания повышается температура и возрастает скорость разупрочнения. Высокая температура может привести к рекристаллизации и снижению наклепа, что и наблюдается при шлифовании.
Остаточные напряжения могут возникнуть в результате действия упруго-пластических деформаций, при значительном нагреве поверхностного слоя, а также при структурных и фазовых превращениях. В этих случаях атомы в поверхностном слое отклоняются от положения устойчивого равновесия, но стремятся вернуться в исходное положение - возникают внутренние силы. С увеличением нормального расстояния между атомами появляются напряжения растяжения, а при уменьшении - сжатия.
При движении инструмента по обработанной поверхности возникает пластическое растяжение поверхностных слоев в направлении линии среза. Слои, лежащие ниже, деформируются упруго и после прохода инструмента стремятся возвратиться в исходное состояние, т.е. сжаться. В поверхностном слое изделия возникают остаточные напряжения сжатия. Также под действием теплоты, идущей в деталь, верхние слои растягиваются, а нижние холодные слои оказывают сопротивление. Появляются остаточные напряжения сжатия. Иногда (при охлаждении) во внутренних слоях возникают остаточные напряжения сжатия, а на поверхности - растяжения. Результирующая эпюра остаточных напряжений зависит от интенсивности действия механического и теплового факторов. Например, интенсивный нагрев может уменьшить напряжения сжатия, возникшие от механического воздействия. При шлифовании стальных деталей поверхностный слой нагревается до высоких температур и происходят структурные преобразования. Превращения, связанные с увеличением объема структурных составляющих, могут вызвать появление остаточных напряжении сжатия, а при уменьшении объема - остаточных напряжений растяжения.
С увеличением скорости резания или уменьшением угла резания остаточные напряжения уменьшаются и могут изменить свой знак. Увеличение подачи, глубины резания и износа инструмента приводит к увеличению остаточных напряжений. Сжимающие остаточные напряжения повышают износостойкость деталей машин, усталостную прочность и их коррозионную устойчивость. Растягивающие остаточные напряжения приводят к снижению циклической прочности и появлению трещин на поверхности деталей. Остаточные напряжения бывают трех видов:
- Остаточные напряжения первого рода, уравновешивающиеся между большими объемами деформируемого тела. Они вызывают коробления и изменения формы изделия.
- Остаточные напряжения второго рода, уравновешивающиеся в объеме нескольких зерен. Они приводят к трещинообразованию.
- Остаточные напряжения третьего рода, уравновешивающиеся внутри каждого зерна, они связаны с изменением расположения атомов в кристаллической решетке.
Величину остаточных напряжений можно уменьшить путем увеличения жесткости технологической системы, правильного выбора режимов резания и геометрии инструмента, а также применением смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) и специальной термообработки изделия.
Важной характеристикой физического состояния поверхностного слоя является величина и знак остаточных напряжений. При наличии в поверхностном слое сжимающих остаточных напряжений предел выносливости деталей обычно повышается, а остаточные напряжения растяжения понижают предел выносливости. Для сталей, обладающих высокой твердостью, повышение усталостной прочности в результате сжимающих напряжений достигает 50%, а снижение ее за счет растягивающих напряжений - 30%.
Остаточные напряжение при резании металлов образуются в результате неравномерности пластической деформации и значительного нагрева поверхностных слоев. Исследования процесса формирований остаточных напряжений показали, что, если механическая обработка материала сопровождается высокими силами резания, то формируются сжимающие остаточные напряжения; при повышенных температурах в зоне резания формируются остаточные напряжения растяжения.
В производственных условиях широко используют различные способы искусственного создания в поверхностном слое обрабатываемых деталей остаточных напряжений сжатия или растяжения. Причем, эти "искусственные" напряжения должны иметь обратный знак по отношению к напряжениям, возникающим при работе детали в изделии. Например, накатываются для увеличения наклепа и, следовательно, создания сжимающих напряжений поверхности коленчатых валов, работающие в условиях растягивающих нагрузок, что повышает усталостную прочность вала на 30%-40%.
2.3. Тепловые явления. Способы измерения температуры в зоне резания
При резании почти вся механическая энергия, затрачиваемая на деформирование, разрушение и трение, переходит в тепловую. Исследования процессов теплообразования при резании позволили определить направление и интенсивность тепловых потоков, градиенты температур в контактных областях и характеристики температурного поля в зоне резания, деталью и окружающей средой, а также получить качественное и количественное представление о тепловом балансе при резании различных материалов. Знание этих закономерностей имеет большое значение для рационального конструирования и эксплуатации режущих инструментов, применения эффективных методов смазки и охлаждения, повышения точности и качества поверхности обработанных деталей.
Уравнение теплового баланса можно представить следующим образом(рис.6);
Q1+Q2+Q3=q1+q2+q3+q4 (1)
где Q1 - количество тепла, эквивалентное энергии, затраченной на деформирование и разрушение при стружкообразовании и формировании поверхностного слоя;
Q2 - количество тепла, эквивалентное работе сил трения при контакте передней поверхности клина и деформированного материала;
Q3 - количество тепла, эквивалентное работе сил трения на задней поверхности клина при переходе деформированного материала в поверхностный слой детали;
q1 - количество тепла, уходящее в стружку;
q2 - количество тепла, идущее в деталь;
q3 - количество тепла, переходящего в режущий инструмент;
q4 - количество тепла, передающееся окружающей среде.
Рис.6. Схема распространения тепловых потоков
Количественное выражение уравнения теплового баланса зависит от физико-химических свойств материалов заготовки и инструмента, геометрических параметров режущего инструмента, режимов резания и условий обработки. Например, при резании различных конструкционных материалов и сплавов наибольшее количество тепла уходит со стружкой, а в процессе шлифования - в деталь. При резании жаропрочных и титановых сплавов, имеющих плохую теплопроводность и низкие коэффициенты температуропроводности, значительное количество тепла концентрируется в контактной зоне или переходит в режущий инструмент.
Исследования тепловых явлений при механической обработке металлов сложно из-за высоких контактных (инструмент-стружка) давлений и температур в зоне резания. Поэтому используемые электрические и математические методы определения температур дают только относительные представления о температурных явлениях при резании.
Наиболее распространенными являются методы, позволяющие измерять температуру отдельных участков зоны резания и режущего инструмента. К ним относятся: методы термопар (рис.7) и рентгено-структурного анализа, радиационно-оптический метод. Измерение температур в узких областях зоны резания с помощью термопар впервые предложено Я.Г.Усачевым в 1912 году. В случае применения "искусственной термопары" в режущей части инструмента просверливается отверстие, в которое вставляется термопара с изолированными проводниками диаметром 0,3-0,5 мм. Место спайки термопары располагают, как можно ближе к нагретым поверхностям инструмента. Температуру оценивают по изменению величины термоэлектродвижущей силы.
Рис.7. Схемы термопар:
а - искусственная; b - полуискусственная; c - естественная.
В другом варианте термопары, получившем название "полуискусственная", один изолированный проводник выводится на заднюю или переднюю поверхности инструмента и расклепывается. Вторым проводником является тело инструмента, что значительно упрощает схему измерения. Идеи Я.Г.Усачева нашли дальнейшее применение и развитие в исследованиях отечественных и зарубежных ученых (созданы конструкции привариваемых, прижимных, защемленных, подвижных, бегущих и других видов термопар). Значительное распространение получила так называемая "естественная термопара". Здесь проводниками являются инструмент и деталь, а спаем термопары - область контакта задней и передней поверхности режущего клина с металлом заготовки.
Вопросы теоретического расчета температурного поля при резании представляют значительный научный интерес. Под термином "температурное поле" в зоне резания подразумевается совокупность различных значений температур во всех точках деформированного объема материала в данный момент времени.
Первые попытки расчета поля температур сводились к использованию решений классических задач теории теплообмена в твердых телах. Температура резания определялась решением общего уравнения теплопроводности:
(2)
где: a =l /(c r ) - коэффициент температуропроводности;
λ - коэффициент теплопроводности;
c - теплоемкость;
ρ - удельный вес материала;
Для решения этого уравнения необходимо задаться определенными граничными условиями, связанными с характеристиками реального процесса резания. Математическое описание условий теплообмена на граничных поверхностях зоны деформации представляет значительные трудности. Поэтому многие исследователи вводили целый ряд допущений и упрощений, значительно снижая ценность решения задачи. Конечные формулы отличались громоздкостью, содержали большое количество трудноопределяемых коэффициентов и были неудобны для практического использования.
Наиболее плодотворным методом интегрирования уравнения теплопроводности является метод источников тепла. Линеаризация уравнения (2) производится путем осреднения теплофизических коэффициентов в узком интервале температур, выражение мощности источников через линейную функцию температуры и принятия постоянной скорости перемещения источника. При этом не учитываются тепловые эффекты фазовых и структурных превращений. Метод источников тепла дает возможность путем несложных преобразований представить температуру поля в виде определенного интеграла или сходящегося ряда и таким образом количественно описать процессы распространения тепла при резании линейных, плоских и пространственных задач. Источники тепла рассматриваются как местные, сосредоточенные или распределенные, неподвижные и подвижные, мгновенные н длительного действия.
Распространение тепла от подвижного сосредоточенного источника рассматривается, как совокупность наложенных друг на друга процессов выравнивания теплоты мгновенных элементарных источников. При этом координаты точек температурного поля x , у, z перемещаются вместе с подвижным источником (рис. 8).
Тепло Q, внесенное в точечный элемент (R = 0) неограниченного теплопроводного тела в момент времени t = 0, выравнивается по экспоненциальному закону
(3)
где R 2 = x 2 + y 2 + z 2 - радиус-вектор, т.е. расстояние элемента поля (точка А) от источника (точка В). Уравнение (3) является главным решением метода источников.
На рис.9 приведены температурные поля, полученные разными исследователями экспериментальным путем (радиационно-оптическим методом) и рассчитанные по методу источников при свободном резании (точении) стали в одинаковых условиях. Характер распределения температур в зоне резания хорошо согласуется с современными представлениями о поле деформаций, а наибольшие температуры возникают в области максимальных деформаций и на контактных площадках.
2.4. Физические явления в зоне контакта инструмента и обрабатываемого материала
Физические и химические процессы на поверхностях контактирующих тел весьма многообразны и сложны. На передней поверхности инструмента образуются налипы и наросты, изменяющие характер стружкообразования, ухудшающие качество обработанной поверхности и разрушающие режущую кромку. В контактной области возникает целый ряд поверхностных явлений: адгезия, коррозия, диспергирование, упрочнение и разупрочнение поверхностных слоев, диффузия, адгезия, эрозия, окисление и другие физико-химические явления. Даже такое беглое перечисление подчеркивает высокую сложность процессов трения при срезании металла режущим инструментом.
Трение при обработке резанием имеет свои специфические особенности, которые в основном сводятся к следующим:
возникают различные виды трения (граничное и жидкостное встречаются редко);
особую роль играет чистое трение, приводящее к интенсивному разрушению режущего клина;
взаимное соприкосновение трущихся поверхностей заготовки и режущего инструмента происходит только один раз и носит сложный характер; причем физический микро- и субмикрорельеф не имеют ничего общего с технологическим микрорельефом обработанной поверхности, образующимся при различных видах обработки (точении, сверлении, фрезеровании и др.);
трение происходит при очень больших давлениях, высоких температурах, доходящих до температур плавления, и значительных истинных площадях контакта;
сложное распределение нормальных и касательных нагрузок по контактным поверхностям инструмента (рис.10).
большие переменные значения коэффициента трения ( m ³ 1), объясняющиеся интенсивной адгезией и диффузией. Величина среднего коэффициента трения в основном зависит от скорости резания (скорости нагружения), толщины среза и величины переднего угла режущего клина;
сложное взаимное влияние вибраций и вида трения;
жесткий режим трения, приводящий к появлению наростов и интенсивному разрушению поверхностных слоев режущего клина.
Рис.10. Схема распределения контактных нагрузок на передней и задней поверхностях инструмента s N – нормальные нагрузки;
t пп – касательные нагрузки на передней поверхности;
t зп – касательные нагрузки на задней поверхности;
l пл – длина пластического контакта;
l упр – длина упругого контакта;
C - точка, в которой t = 0.
2.4.1. Наростообразование
При некоторых условиях резания на передней поверхности инструмента появляется слоистое металлическое образование, называемое наростом. Существует много различных гипотез о причинах возникновения наростов, что свидетельствует о малой изученности природы наростообразования. Наростообразование находится в тесной взаимосвязи с условиями трения, высокими контактными температурами и давлениями. Наиболее вероятной причиной наростообразования можно считать возникновение несимметричной клинообразной застойной зоны упрочненного материала впереди режущего клина, а также торможение (схватывание) тонких контактных слоев стружки на шероховатой передней поверхности инструмента (рис.11) вследствие наличия чистого трения, высоких коэффициентов трения и значительной реальной площади контакта.
Нарост обладает особыми свойствами:
а) имеет неоднородную слоистую структуру, существенно отличающуюся от структуры обрабатываемого материала и материала режущего инструмента;
б) нарост обладает высокой твердостью и значительной вязкостью. Однако большие силы трения (резания) и высокая температура в зоне контакта приводит периодичности образования нароста.
Рис.11. Схема наростообразования и влияние нароста на размер детали: L н - длина нароста; h н - высота нароста; b н и d н - соответственно углы заострения и резания при наличии нароста; b и d - соответственно углы заострения и резания инструмента; D и D н -соответствующие диаметры детали
Частота срывов нароста увеличивается (до нескольких сотен раз в минуту) с возрастанием скорости резания, уменьшением переднего угла и увеличением толщины срезаемого слоя.
Hаростообразование зависит от физико-механических свойств обрабатываемых материалов и материалов режущих инструментов. Hарост может появляться при резании твердосплавным, быстрорежущим, минерало-керамическим и алмазным инструментами различных материалов (в том числе и при обработке чугуна, титановых, жаропрочных и других сплавов). Hаибольшей величины наросты достигают при резании пластичных металлов с образованием сливной стружки и инструментами, изготовленными из углеродистых и быстрорежущих сталей.
Hарост образуется в основном тогда, когда температура инструмента больше температуры стружки и контактные слои стружки тверже ее внутренних слоев. При этом сила трения на контактной поверхности больше сил сцепления частиц в стружке, а скорость их перемещения по мере удаления от поверхности контакта возрастает и доходит до величины скорости стружки.
Pазмеры нароста с увеличением скорости резания вначале увеличиваются, а затем уменьшаются. Причем сначала уменьшается длина, а при более высоких скоростях - высота нароста. При увеличении переднего угла размеры нароста (в основном высота) уменьшаются.
Hарост обладает высокой твердостью и значительной вязкостью. Твердость нароста в 2-3 раза выше твердости исходного материала и резко снижается с повышением температуры резания. Объясняется это тем, что с увеличением температуры резания происходит рекристаллизация материала нароста, контактные слои стружки теряют свою твердость, градиент твердости слоев нароста выравнивается, твердость нароста монотонно уменьшается. Вследствие этого прекращается увеличение размеров нароста и он срывается.
Периодические срывы нароста находятся в тесной связи с рекристаллизацией и фазовыми превращениями, при которых и происходит понижение твердости и прочности (разупрочнение) материала наростов. Hарост теряет свою режущую способность, раздавливается и уносится стружкой или вдавливается в обработанную поверхность. Частота срывов нароста увеличивается с возрастанием скорости резания, подачи и уменьшением переднего угла.
Hаличие на передней поверхности инструмента упрочняющей фаски с передним углом, равным нулю или отрицательным, делает нарост более устойчивым.
Изменение величины коэффициента усадки стружки и силы резания с увеличением скорости резания носит сложный характер. При небольших скоростях резания происходит интенсивное наростообразование, нарост уменьшает угол резания и тем самым сопротивление резанию. При увеличении скорости нарост срывается и угол резания принимает исходное значение. Сопротивление резанию увеличивается. При скоростях V = 60-100 м/мин. нарост не образуется.
Явление наростообразования имеет большое значение в практике обработки резанием(рис.12):
1) нарост изменяет величину угла резания, а следовательно,изменяет сопротивление резанию и условия трения;
2) нарост ухудшает шероховатость обработанной поверхности;
3) нарост защищает заднюю поверхность инструмента от разрушения и изменяет размеры детали;
4)периодические срывы нароста приводят к возникновению вибраций, ухудшающих качество обработки;
5) нарост не допустим при чистовой обработке;
6) наросты могут образовываться при резании твердосплавными, быстрорежущими, минералокерамическими и алмазными инструментами различных материалов. Но наибольшей величины наросты достигают при резании пластичных металлов.
Управление процессом наростообразования обеспечивается правильным выбором режимов резания,геометрией инструмента, применением смазочно-охлаждающих веществ и т.п.
Рис.12. Влияние высоты нароста на величину шероховатости R z , угол резания d н, силу резания Р z и коэффициент трения m при резании стали 40Х на различных скоростях резания V
1. Образование стружки. Как указывалось ранее режущей части резца придается форма несимметричного клнна, который с некоторой силой Р вдавливается в обрабатываемый материал. Под действием этой силы происходит сжатие срезаемого слоя, который деформируется не по всей длине, а только на небольшом участке, расположенном близко к передней поверхности резца.
Известно, что разрушению металла под действием приложенной силы предшествует постепенно изменяющийся характер деформации, Так, в пластичных металлах вначале возникают упругие (обратимые) деформации, вследствие которых зерна металла сжимаются или вытягиваются. Затем металл начинает пластически (необратимо) деформироваться. Зерна при этом сдвигаются друг от- 1 относительно друга. И, наконец, при некотором значении внешней силы, соответствующей прочности обрабатываемого материала, де
формированный участок скалывается и отделяется от основной массы, образуя элемент стружки. Такие явления последовательно повторяются в течение всего процесса резания.
Хрупкие металлы разрушаются почти без пластического деформирования при достижении предела упругости. Поэтому на их резание затрачивается значительно меньше работы, чем на пластичные металлы.
Скалывание элементов стружки происходит вдоль определенной плоскости АВ, которую еще И. А. Тиме в своих работах назвал плоскостью скалывания. Эта плоскость при резании Пластичных металлов имеет примерно постоянное расположение к направлению резания и составляет с ним угол Л-145- 150е, Этот угол называют углом скалываний.
В более поздних исследованиях Я. Г, Усачева было установлено, что направление сдвига зерен металла происходит по плоскостям сдвига АС, угол плоскости скалывания для более плас- до 30°, а для менее пластичных приближается к нулю.
Схема резания позволяет геометрически установить наиболее целесообразную величину переднего угла резцов для обработки пластичных металлов из следующих рассуждений. Каждый элемент стружки, продвигаясь вдоль плоскости скалывания, одновременно перемещается перпендикулярно к этой плоскости вверх. Следовательно, для уменьшения деформаций элементов стружки И трения их о переднюю поверхность резца последняя не должна препятствовать такому движению. Для этого переднюю поверхность резца целесообразно расположить перпендикулярно к плоскости скалывания. В этом случае углы у и 0] становятся равными между собой как углы с взаимно перпендикулярными сторонами. Используя значение угла скалывания Д, можно сделать заключение, что рациональная величина переднего угла должна составлять 30-35°.^ Практически для повышения прочности режущего клииа передние углы резцов выполняются значительно меньшими (примерно в 1,5- 2 раза) в зависимости от механических свойств обрабатываемого материала и материала инструмента.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
1. Процесс резания и явления, сопровождающие его
2. Характеристика детали
3. Характеристика станка
4. Режущий инструмент для токарной обработки
5. Способы обработки конических поверхностей
6. Выбор рациональных режимов резания
7. Контрольно-измерительные инструменты, применяемые при токарной обработке
8. Организация рабочего места токаря
9. Правила безопасности труда при работе на токарном станке
1. Процесс резания и явления, сопровождающие его
Процесс резания (стружкообразования) является сложным физическим процессом, сопровождающимся большим тепловыделением, деформацией металла при образовании стружки, износом режущего инструмента и наростообразованием на резце. Знание закономерностей процесса резания и сопровождающих его явлений позволяет рационально управлять этим процессом и обрабатывать детали более качественно, производительно и экономично.
В процессе резания различных материалов могут образовываться следующие основные виды стружек: сливные, скалывания и надлома.
Рис 1. Типы стружек: а -- сливная, б -- скалывания, в -- надлома
Сливная стружка (рис. 1 а) образуется при резании вязких и мягких материалов, например мягкой стали, латуни. Резание протекает обычно при высокой скорости. Чем больше скорость резания и вязкость обрабатываемого металла, меньше угол резания и толщина среза, выше качество смазочно-охлаждающей жидкости, тем стружка ближе к сливной.
Стружка надлома (рис. 1 в) образуется при резании хрупких металлов, например серых чугунов. Такая стружка состоит из отдельных, почти не связанных между собой элементов. Обработанная поверхность при образовании такой стружки получается шероховатой, с большими впадинами и выступами. В определенных условиях, например при обработке чугунов средней твердости, стружка надлома может получиться в виде колец. Сходство со сливной стружкой здесь только внешнее, так как достаточно слегка сжать такую стружку в руке и она легко разрушится на отдельные элементы.
Стружка скалывания (рис. 1 б) занимает промежуточное положение между сливной стружкой и стружкой надлома и образуется при обработке некоторых сортов латуни и твердых сталей с большими подачами и относительно малыми скоростями резания. С изменением условий резания стружка скалывания может перейти в сливную и наоборот.
Под действием режущего инструмента срезаемый слой металла подвергается сжатию. Процессы сжатия (как и процессы растяжения) сопровождаются упругими и пластическими деформациями.
При обработке режущий инструмент деформирует не только срезаемый слой, но и поверхностный слой материала обрабатываемой детали. Глубина деформации поверхностного слоя металла зависит от различных факторов и может достигать от сотых долей до нескольких миллиметров.
Под действием деформации поверхностный слой металла упрочняется, увеличивается твердость и уменьшается пластичность, происходит так называемый наклеп обрабатываемой поверхности.
Чем мягче и пластичнее обрабатываемый металл, тем большему наклепу он подвергается. Чугуны обладают значительно меньшей способностью к упрочнению, чем стали. Величина и глубина наклепа увеличиваются с увеличением подачи и глубины резания и уменьшаются с увеличением скорости резания. Глубина наклепа увеличивается примерно в 2--3 раза при работе тупым режущим инструментом, чем при работе острым. Смазочно-охлаждающие жидкости уменьшают глубину и степень упрочнения.
При некоторых условиях резания на передней поверхности режущей кромки резца налипает обрабатываемый материал, образуя так называемый нарост . Он имеет клиновидную форму, по твердости превышает в 2--3 раза твердость обрабатываемого материала. Являясь как бы продолжением резца, нарост изменяет его геометрические параметры (д 1 <д), участвует в резании металла, влияет на результаты обработки, износ резца и силы, действующие на резец.
Усадка стружки является важным параметром, определяющим ход протекания процесса резания. Так, изменение усадки стружки влечет за собой изменение сил резания, качества обработанной поверхности, стойкости режущего инструмента и т. п. Коэффициент усадки стружки определяется отношением длины обработанной поверхности к длине стружки и может быть в пределах от 1,1 до 10. Чем больше коэффициент усадки стружки, тем ниже твердость материала, выше пластичность, а обрабатываемость резанием - лучше.
На коэффициент усадки стружки влияют различные параметры резания, например, при увеличении переднего угла резца коэффициент усадки уменьшается, а при увеличении радиуса закругления вершины резца - увеличивается, при увеличении толщины среза коэффициент усадки уменьшается.
2. Характеристика детали
Данная деталь относится к ступенчатым валам. Вал имеет конический участок длиной 160 мм, большим диаметром 40и конусностью 1:10. Также имеется цилиндрический участок диаметром 30 и длиной 35 мм. С другой стороны вала расположен участок с резьбой М18-8h. Для выхода резьбового и проходного упорного резцов предусмотрены канавки шириной 5мм.
Конический участок выполняется по способу поворота верхних салазок. Для этого необходимо рассчитать угол поворота верхних салазок, который равен углу конуса и определяется по формуле:
tgб = K/2, где К - конусность
tgб= 1/10/2 =0,5.
Зная тангенс угла, по таблице находим численное значение угла. Угол равен 26 30.
Под нарезание резьбы определяем диаметр стержня по формуле:
dст. = d р. - 0,2 = 18 - 0,2 = 17,8 мм
Резьба нарезается резцом за четыре черновых и два чистовых прохода.
Вал изготавливается из материала Сталь 35. Это сталь качественная, углеродистая, конструкционная, которая содержит 0,35% углерода.
Эта сталь обладает достаточно высокой твердостью, прочностью и износостойкостью. Она хорошо обрабатывается резанием, хорошо сваривается и паяется. Повысить твердость можно с помощью закалки.
Стали качественные применяются для изготовления валов, осей, зубчатых колес, звездочек и других деталей.
При маркировке этих сталей записывается полностью слово «Сталь» и двухзначное число, которое указывает содержание углерода в сотых долях.
3. Характеристика станка
Токарно-винторезный станок 16К20 является универсальным оборудованием для точной обработки металлических изделий в полном соответствии с международными стандартами качества. К объективным преимуществам станков данного типа можно отнести удобное управление, широкие функциональные возможности и превосходные эксплуатационные показатели, которые гарантируют высокие результаты и максимальную эффективность при правильном использовании на ремонтных, производственных и других металлообрабатывающих предприятиях. Как правило, станки токарные винторезные применяются для выполнения технологических операций различной сложности с наружными и внутренними поверхностями деталей, включая тела вращения, имеющих разнообразный профиль оси. Помимо этого, станок токарный 16К20 очень часто используется для быстрой и удобной нарезки левой и правой резьбы (метрической, дюймовой, модульной и питчевой), полностью обеспечивая нужды предприятий всех отраслей современной промышленности. Станок токарно-винторезный 16К20 имеет расширенную комплектацию, которая включает в себя все необходимое оборудование для обеспечения успешной работы:
· коробку передач;
· электрический шкаф;
· коробку подач;
· переднюю бабку;
· ограждение патрона;
· станину;
· каретку и суппорт;
· фартук;
· ограждение суппорта;
· заднюю бабку.
Технические характеристики
|
Высота центров |
||
|
Наибольший диаметр обрабатываемой заготовки, мм |
||
|
над станиной |
||
|
над суппортом |
||
|
Диаметр цилиндрического отверстия шпинделя, мм |
||
|
Количество скоростей шпинделя |
||
|
Диапазон оборотов шпинделя, об/мин Мощность, кВт |
||
|
Габаритные размеры, мм 400 |
||
|
Масса, кг, не более |
4. Режущий инструмент для токарной обработки
При работе на токарных станках применяют различные режущие инструменты: резцы, сверла, зенкеры, развертки, метчики, плашки, резьбонарезные головки, фасонный инструмент и др.
Токарные резцы являются наиболее распространенным инструментом и применяются для обработки плоскостей, цилиндрических и фасонных поверхностей, нарезания резьбы и т.д. (Рис 1.2).
На рисунке изображены токарные резцы для различных видов обработки: а -- наружное обтачивание проходным отогнутым резцом; б -- наружное обтачивание прямым проходным резцом; в -- обтачивание с подрезанием уступа под прямым углом; г -- прорезание канавки; д -- обтачивание радиусной галтели; е -- растачивание отверстия; ж и з -- нарезание резьбы наружной и внутренней соответственно
Сверление является одним из распространенных методов обработки на токарных станках и осуществляется для предварительной обработки отверстий. Предварительно обработать резанием отверстие в сплошном материале можно только с помощью сверла. В зависимости от конструкции и назначения различают сверла: спиральные, перовые, для глубокого сверления, центровочные, эжекторные и др. Наибольшее распространение при токарной обработке получили спиральные сверла.
Развертки
Для обработки данной детали применяются следующие инструменты:
1. Резец проходной отогнутый. Материал режущей части - Т15К6. Применяется для подрезки торца и снятия фаски.
2. Резец проходной упорный. Материал режущей части - Т15К6. Применяется для точения наружных поверхностей.
3. Сверло центровочное. Материал режущей части - Р18. Применяется для центрования заготовки.
4. Резец отрезной (канавочный). Материал режущей части - ВК8. Применяется для создания узких канавок на внешних цилиндрических поверхностях.
5. Резец резьбовой. Материал режущей части - Т15К6. Применяется для нарезания наружной резьбы.
5. Способы обработки конических поверхностей
Обработку конусов на токарно-винторезных станках осуществляют несколькими способами.
Обработка конуса с помощью конусной линейки (Рис 2)позволяет получать точные конусы с углом б до 18°, длина которых не превышает длины линейки. На кронштейнах 4, привернутых сзади к станине, укрепляют линейку 2, которую устанавливают под требуемым углом б к линии центров станка. По линейке перемещается ползун 1, связанный с поперечным суппортом 5, который предварительно отсоединен от нижней каретки. При включении продольной механической подачи резец получит два перемещения: продольное - от каретки, поперечное - от ползуна. Результирующая перемещения направлена параллельно оси линейки.
Величину смещения линейки m измеряют по шкале 3 и определяют по формуле m = A tg б.
Обработку конусов широким резцом (рис. 3, а) применяют для конических поверхностей длиной не более 15-20 мм, при больших углах наклона и невысоких требованиях к точности обработки.
Добавить
Точение конусов поворотом верхних салазок суппорта (рис.3, б) применяют при обработке точных внутренних и наружных конусов небольшой длины, так как ход резцовых салазок ограничен. Резцовые салазки поворачивают на угол а, равный половине угла при вершине конуса, и сообщают им чаще ручную, реже механическую подачу.
Точение конуса смещением центра задней бабки применяют для обработки длинных деталей с небольшой конусностью (рис. 3, в).
6. Выбор рациональных режимов резания
Режим резания, который обеспечивает наиболее полное использование режущих свойств инструмента и возможностей станка при условии получения необходимого качества обработки, называется рациональным. Кроме этого, такой режим должен соответствовать экономической стойкости инструмента. Для повышения производительности следует стремиться работать с возможно большими режимами резания. Однако их увеличение ограничивается стойкостью инструмента, жесткостью и прочностью обрабатываемой детали, узлов станка и его мощностью.
Рассматривая влияние элементов режима резания на стойкость резцов, мы установили, что выгоднее в первую очередь вести обработку с наибольшей глубиной резания, затем выбирать максимально допустимую подачу и только после этого принимать допустимую скорость резания. Это основное правило резания металлов также соответствует условию наиболее производительной работы. Всегда выгодно при возможности срезать весь припуск за один проход. В этом случае уменьшаются потери времени на возвращение резца в исходное положение и установку его на размер обрабатываемой поверхности. Чем больше подача, тем выше скорость движения суппорта и, следовательно, короче время обработки детали.
Увеличение скорости резания также способствует росту производительности обработки и, кроме того, повышению чистоты обрабатываемой поверхности.
Скорость резания, наиболее сильно влияющая на износ и стойкость инструмента, выбирается в зависимости от всех условий резания: свойств материалов обрабатываемой детали и резца, глубины резания, подачи, геометрии резца, качества и способа смазки и охлаждения. Так, скорость резания при обработке чугуна, сопровождающейся сильным абразивным износом инструмента, принимается в 1,5--2 раза меньшей, чем при обработке конструкционных сталей. Еще более низкие скорости следует принимать при резании труднообрабатываемых нержавеющих и жаропрочных сталей. Для твердосплавных резцов скорость резания можно увеличить в 4--5 раз по сравнению с ее значением для быстрорежущих резцов. С увеличением глубины резания и подачи скорость резания следует уменьшать. Для резцов с малыми углами в плане и большим радиусом закругления вершины скорость резания может быть принята большей.
Применение смазывающе-охлаждающих жидкостей и интенсивных способов охлаждения позволяет увеличить скорость резания. При назначении режимов резания руководствуются нормативными таблицами и исходными данными: чертежом детали, родом и размерами заготовки, типом, материалом и геометрией инструмента, паспортными сведениями о станке. Используя эти данные, назначают элементы режима резания в следующем порядке: вал токарный обработка инструмент
1. Глубину резания принимают в зависимости от величины припуска, жесткости детали и точности обработки. Если условия позволяют, весь припуск следует срезать за один проход инструмента. Точные поверхности обрабатывают вначале предварительно, затем окончательно. Чистовой проход в этом случае выполняют с небольшой глубиной резания -- 0,5--1 мм.
2. Подачу выбирают из нормативных таблиц. При черновой обработке ее величина ограничивается жесткостью детали, инструмента и допустимым усилием предохранительного механизма подачи станка. Подача для чистовой обработки определяется главным образом чистотой обрабатываемой поверхности. Для получения более высокого класса чистоты подачу следует принимать меньшую. На величину подачи при чистовом точении влияют также радиус закругления вершины резца и углы в плане. Чем больше радиус при вершине и меньше углы в плане, тем большую подачу можно применять. Окончательно подачу корректируют по станку и принимают ближайшую из имеющихся.
3. Скорость резания, соответствующую экономической стойкости инструмента, назначают из нормативных таблиц в зависимости от принятых значений глубины резания, подачи. Такие таблицы составлены для определенных условий работы. Поэтому, если действительные условия резания отличаются от нормативных, выбранную скорость надо умножить на поправочные коэффициенты, прилагаемые к таблицам.
4. Зная скорость резания, определяют частоту вращения шпинделя из формулы:
n= 320 v/D об/мин
и подбирают ближайшее меньшее значение или большее (если оно не превышает 5% расчетного) по станку.
5. По принятому числу оборотов подсчитывается действительная скорость резания
V= Dn/320 м/мин.
7. Контрольно-измерительные инструменты, применяемые при токарной обработке
Средства измерений -- технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические свойства. Средства измерений делят на меры и измерительные приборы.
Мера -- средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера, например концевая мера длины, гиря -- мера массы. Однозначная мера воспроизводит физическую величину одного размера, а многозначная мера -- ряд одноименных величин различного размера. Специально подобранный комплект мер, применяемых не только в отдельности, но и в различных сочетаниях с целью воспроизведения ряда одноименных величин различного размера, называется набором мер .
Измерительные приборы -- средства измерений, предназначенные для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. По характеру показаний измерительные приборы делят на аналоговые, цифровые, показывающие, регистрирующие, самопишущие и печатающие, а по принципу действия -- на приборы прямого действия, приборы сравнения, интегрирующие и суммирующие приборы.
По назначению измерительные приборы делят на универсальные - предназначенные для измерения одноименных физических величин различных изделий, и специализированные - служащие для измерения отдельных видов изделий (например, размеров зубчатых колес) или отдельных параметров изделий (например, шероховатости, отклонений формы поверхностей).
По конструкции универсальные приборы для линейных измерений делят на:
1. Штриховые приборы, снабженные нониусом (штанген-инструменты);
2. Приборы, основанные на применении микрометрических /винтовых пар (микрометрические инструменты);
3. Рычажно-механические приборы, которые по типу механизма подразделяют на рычажные (миниметры), зубчатые (индикаторы часового типа), рычажно-зубчатые (индикаторы или микромеры), пружинные; (микрокаторы и микаторы) и рычажно-пружинные (миникаторы); 4) оптико-механические (оптиметры, оптикаторы, контактные интерферометры, длиномеры, измерительные машины, измерительные микроскопы, проекторы).
По установившейся терминологии простейшие измерительные приборы -- штангенциркули, микрометры называют измерительным инструментом.
Для выполнения операций контроля в машиностроении широко используются калибры , которые представляют собой тела или устройства, предназначенные для проверки соответствия размеров изделий или их конфигурации установленным допускам. К ним относятся гладкие предельные калибры (пробки и скобы), резьбовые калибры, шаблоны и т.д.
Рассмотрим подробнее следующие измерительные приборы:
1) Штангенциркули предназначены для измерения наружных и внутренних размеров изделий. Они выпускаются четырех типов: ШЦ--I (рис.4, а);
ШЦТ--I (ШЦ--1 без верхних губок и с нижними губками, оснащенными твердым сплавом); ШЦ--II (рис.4, б) и ШЦ--111 (ШЦ--П без верхних губок). Основные части штангенциркулей: штанга 1, измерительные губки 2, рамка 3, зажим рамки 4, нониус 5, глубомерная линейка 6 и микрометрическая подача 7 для установки на точный размер. При измерениях наружной стороной губок штангенциркулей ШЦ--II размер Ь = 10 мм прибавляется к отчету.
2) Микрометры гладкие типа МК предназначены для измерения наружных размеров изделий. Основные узлы микрометра: скоба, пятка и микрометрическая головка -- отсчетное устройство, основанное на применении винтовой пары, которая преобразует вращательное движение микровинта в поступательное движение подвижной измерительной пятки. Пределы измерений микрометров зависят от размера скобы и составляют 0--25; 25--50; 275--300, 300--400; 400--500 и 500--600 мм.
Микрометры для размеров более 300 мм оснащены сменными (рис. 26) или переставными пятками, обеспечивающими диапазон измерений 100 мм. Переставные пятки крепятся в требуемом положении фиксатором, а сменные пятки -- гайками 6.
3) Измерительные головки - относятся к рычажно-механическим приборам применяются для измерения размеров, а также отклонений от заданной геометрической формы.
4) Оптико-механические приборы (Рис.4) (оптиметры, оптикаторы, контактные интерферометры, длиномеры, измерительные машины, микроскопы и проекторы) предназначены для высокоточных измерений размеров и отклонений геометрической формы изделий дифференциальным методом. Конструктивно они представляют собой измерительные трубки (головки), устанавливаемые на стойках. В измерительном механизме трубок оптиметров и оптикаторов сочетаются механический и оптический рычаги, поэтому такие приборы иногда называют рычажно-оптическими.
5) Линейки поверочные изготовляются следующих типов: ЛД -- лекальные с двухсторонним скосом; ЛТ -- лекальные трехгранные; ЛЧ--лекальные четырехгранные; ШП -- с широкой рабочей поверхностью прямоугольного сечения; ШД -- с широкой рабочей поверхностью двухтаврового сечения; ШМ -- с широкой рабочей поверхностью, мостики; УТ -- угловые трехгранные.
8. ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОЧЕГО МЕСТА ТОКАРЯ
Планировка рабочего места предусматривает рациональное расположение оборудования и оснастки, наиболее эффективное использование производственных площадей, создание удобных и безопасных условий труда, а также продуманное расположение инструментов, заготовок и деталей на рабочем месте.
Все предметы и инструменты располагают на рабочем месте в пределах досягаемости вытянутых рук, чтобы не делать лишних движений-наклонов, поворотов, приседаний и др., вызывающих дополнительные затраты времени и ускоряющих утомляемость рабочего. Все, что приходится брать левой рукой, располагают слева; то, что берут правой, располагают справа. Материалы и инструменты, которые берут обеими руками, располагают с той стороны станка, где во время работы находится токарь.
Планировка рабочего места должна обеспечивать условия для выработки привычных движений Если предметы труда располагать в строго определенном порядке и всегда на одних и тех же местах то у рабочих появится навык и даже автоматизм движений, что ведет к снижению напряжения и утомляемости.
В механических цехах единичного и мелкосерийного производства на рабочем месте токаря хранится много инструментов и приспособлений.
Для хранения используется организационно-техническая оснастка, в которую входят инструментальная тумбочка с планшетом, прикрепленным с задней стороны тумбочки и служащим для вывешивания документации (чертежей, карт технологического процесса, инструкций по технике безопасности); приемный столик, на верхней полке которого устанавливают тару с заготовками, а на нижней хранят приспособления и принадлежности.
При односменной работе на рабочем месте устанавливается тумбочка с одним отделением, при работе в две смены -- с двумя отделениями, при трехсменной работе -- две инструментальные тумбочки: одна с двумя отделениями, другая с одним.
Рабочее место токаря должно соответствовать принципам рациональной организации труда и типовым схемам планировки рабочих мест. Это -- основа обеспечения наивысшей производительности при токарных работах.
Правильное размещение оборудования является основным звеном в организации безопасной работы производственного участка и цеха. При размещении оборудования необходимо соблюдать установленные минимальные разрывы между станками, между станками и отдельными элементами здания, правильно определять ширину проходов и проездов. Невыполнение правил и норм размещения оборудования приводит к загромождению помещений и травматизму.
Расположение оборудования на площади цеха или участка определяется в основном технологическим процессом и местными условиями.
При автоматизированном производстве (комплексные автоматические заводы или цеха, автоматические линии, поточное производство) оборудование размещается по ходу технологического процесса в единую цепочку с соблюдением расстояний между оборудованием и конструктивными элементами здания. На автоматических и поточных линиях большой протяженности для перехода с одной стороны линии на другую устраивают переходные мостики.
При многостаночном обслуживании оборудование располагают с учетом максимально возможного сокращения расстояний между рабочими местами. Если по условиям технологического процесса необходимо предусмотреть стеллажи или столы для заготовок и готовых изделий, то для этого отводится дополнительная площадь в соответствии с особенностями производства.
9. Правила безопасности труда при работе на токарном станке
При работе на токарных станках из-за несоблюдения правил безопасности могут произойти несчастные случаи вследствие ранения стружкой, при прикосновении к вращающимся патронам, планшайбам и зажимным приспособлениям на них, а также к обрабатываемым деталям.
Большое значение для безопасной работы токаря имеет установка режущего инструмента. Устанавливать резец можно только в исправном суппорте с применением подкладки, равной по длине и ширине опорной поверхности резца. Токарю необходимо иметь набор подкладок разной толщины, длины и ширины. Это позволит выбрать нужные подкладки соответственно закрепляемому в суппорте резцу. Резец должен устанавливаться на высоте центров. Более двух подкладок под резец не устанавливается, и зажиматься он должен не менее чем тремя болтами.
Во избежание поломок резец зажимают с минимально возможным вылетом; подводят резец к обрабатываемой детали медленно и осторожно. Не следует устанавливать сразу большую глубину резания. Быстрое врезание на большую глубину может привести к поломке резца, выкрашиванию режущей кромки или вылету плохо напаянных на резец режущих пластин из быстрорежущей стали или твердых сплавов.
Уборка стружки непосредственно руками связана с опасностью их травмирования и не должна допускаться. Поэтому при уборке стружки вручную необходимо применять специальные крючки и металлические щетки, а также стальные совки, вилы и лопаты.
Во время работы станка производить с него уборку стружки не допускается. Намотавшаяся стружка удаляется с инструмента, патрона или планшайбы, а также с обрабатываемой детали только после полного останова станка.Для дробления стружки и ее безопасного удаления из рабочей зоны применяют специальные резцы, обеспечивающие стружколомание и стружкозавивание, а также специальные стружкоотводчики.
Зона обработки на токарных станках должна ограждаться защитным устройством (экраном). При этом экранируется зона обработки не только со стороны рабочего места, но также и со стороны, противоположной рабочему месту. Должны иметь ограждения также зажимные патроны универсальных токарных и токарно-револьверных станков. Ограждения должны быть подвижными и легко отводиться при установке и снятии заготовок, не ограничивая технологических возможностей станков.
Деталь следует надежно закреплять в кулачковом патроне или на планшайбе. Недопустимо, чтобы после закрепления детали кулачки выступали из патрона или планшайбы за пределы их наружного диаметра. Если же кулачки выступают, следует заменить патрон или установить специальное ограждение. При установке (навинчивании) патрона или планшайбы на шпиндель рекомендуется подкладывать под них на станок деревянные подставки с выемкой по форме патрона (планшайбы). Устанавливать тяжелые патроны и планшайбы на станок и снимать их со станка надо при помощи подъемного устройства и специального захватного приспособления. Не разрешается свинчивать патрон (планшайбу) резким торможением шпинделя.
В кулачковом патроне можно закреплять только короткие, длиной не более двух диаметров, уравновешенные детали. При установке более длинных деталей для подпора следует пользоваться задней бабкой. При обработке очень длинных деталей в центрах (длиной, равной 12 диаметрам и более), а также при скоростном и силовом резании деталей длиной, равной 8 диаметрам и более, следует применять дополнительные опоры (люнеты), а также безопасные поводковые патроны или хомутики. Нельзя пользоваться зажимными патронами, если в них изношены рабочие плоскости крепежных кулачков. Деталь следует захватывать в патроне кулачками на наибольшую возможную глубину, чтобы избежать выброса ее во время работы.
Перед установкой детали в центрах проверяют исправность центров и их совпадение по центровой линии. Нужно периодически смазывать центровые отверстия. Не следует применять центры с изношенными или забиты конусами. Размеры токарных центров должны соответствовать центровым отверстиям обрабатываемой детали. Нельзя туго затягивать задний центр. Заднюю бабку и пиноль надо надежно закреплять, чтобы деталь опиралась на центр всей конусной частью центрового отверстия, при этом не допускать упора центра в дно центрового отверстия детали.
При зачистке или полировке напильником детали, обрабатываемой на токарном станке, необходимо отвести суппорт с резцом на безопасное расстояние. Ручку напильника следует держать левой рукой, а его конец правой. При зачистке деталей наждачной бумагой пользуются специальными прижимными колодками (при зачистке наружных поверхностей) или круглой оправкой (при зачистке внутренних поверхностей).
Нельзя поддерживать деталь руками, в частности, при отрезании детали, закрепленной в центрах или в патроне. В этом случае необходимо пользоваться специальными деревянными подкладками для поддержки детали.
Недопустимо во время работы станка измерять детали, проверять рукой чистоту наружной или внутренней поверхностей обрабатываемой детали, устанавливать или сменять резцы, чистить и смазывать станок, передавать через станок детали, инструмент, техническую документацию и пр. После окончания обработки детали суппорт с резцом необходимо отвести в сторону, станок и двигатель отключить. Для ускорения остановки выключенного станка нельзя тормозить рукой патрон или планшайбу.
Список использованной литературы
1. Бергер И.И. Справочник молодого токаря - 365, с. ил. 17 см 2-е изд., перераб. и доп. Минск Вышэйш. шк. 1987 г.
2. Бруштейн Б.Б., Дементьев В.И. Токарное дело. Учебник для проф.-техн. училищ. Изд. 6-е,1967 г.
3. Фещенко В.Н. Токарная обработка. Издательство: М. «Высшая школа», 2005 г.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Анализ технологичности конструкции ступенчатого вала, его служебное назначение. Определение типа производства и его характеристика. Выбор маршрута механической обработки заготовки, подбор инструментов, расчет режимов резания и наладки станков с ЧПУ.
курсовая работа , добавлен 23.09.2011
Конструкция и назначение детали "Вал". Способ получения заготовки и расчет ее себестоимости. Определение технологических базовых поверхностей. Выбор приспособлений, режущего и мерительного инструментов. Расчет режимов резания и нормирование операций.
дипломная работа , добавлен 19.05.2011
Анализ детали на технологичность. Проектирование токарных операций. Расчет глубины резания, выбор станка. Режимы резания при фрезеровании. Выбор режущего инструмента при проектировании операции протягивания. Параметры резьбы и материала, отделка.
курсовая работа , добавлен 04.02.2012
Динамический расчет вертикально-фрезерного станка 675 П. Расчет обработки вала ступенчатого. Динамическая модель основных характеристик токарно-винторезного станка 16Б16А. Определение прогиба вала, параметров резца, режимов резания и фрезерования.
практическая работа , добавлен 31.01.2011
Выбор станка и инструментального обеспечения. Габарит рабочего пространства, технические характеристики и электрооборудование фрезерного станка с ЧПУ 6Р13Ф3. Расчет режимов резания для операции фрезерования. Скрины этапов обработки. Описание NC-110.
курсовая работа , добавлен 08.04.2015
Выбор глубин резания, определение размеров заготовки детали. Выбор оборудования для токарной и шлифовальной операций. Расчет режимов резания. Нормирование операций технологического процесса. Выбор вспомогательного оборудования и разработка планировки.
курсовая работа , добавлен 14.06.2011
Выбор станка, типа резца и его характеристик для обработки заданной поверхности. Влияние параметров режима резания на протекание процесса точения. Расчёт режимов резания при черновом и чистовом точении. Уравнения кинематического баланса токарного станка.
курсовая работа , добавлен 18.12.2013
Расчет параметров режимов резания при сверлении отверстия в заготовке и при шлифовании вала на круглошлифовальном станке. Сравнительный анализ эффективности обработки плоских поверхностей с заданной точностью при процессах строгания и фрезерования.
контрольная работа , добавлен 19.11.2014
Полный аналитический расчет режимов резания. Выбор геометрических параметров резца. Определение подач, допускаемых прочностью пластинки, шероховатостью обработки поверхности. Расчет скорости, глубины, силы резания, мощности и крутящего момента станка.
курсовая работа , добавлен 21.10.2014
Служебное назначение и технические требования детали. Технологический контроль чертежа и анализ технологичности конструкции. Выбор способа получения заготовки. Проектирование маршрутной технологии обработки детали. Расчет режимов резания и норм времени.
Физические явления, возникающие
В процессе резания
В процессе резания происходит деформирование и разрушение материала заготовки, сопровождающееся рядом физико-химических явлений :
1) в деформированном объеме заготовки возникает сложнонапряженное состояние материала, имеют место упругие и пластические деформации, происходит хрупкое и вязкое разрушение. На обработанной поверхности образуется шероховатость, а в поверхностном слое заготовки происходит изменение текстуры, структуры и всех теплофизических и электрофизических свойств;
2) в зоне резания возникает неоднородное температурное
поле. Имеет место сложная схема распространения тепловых потоков и создаются особые условия теплопередачи между инструментом, стружкой и поверхностным слоем детали;
3) трение в области контакта инструмента и материала заготовки происходит при больших давлениях и температурах. Иногда возникает особый вид трения неокисленных поверхностей – чистое трение;
4) при определенных условиях резания на передней поверхности клина возникает слоистое металлическое образование, называемое наростом. Нарост изменяет геометрию клина и влияет на условия обработки;
5) происходят различные виды разрушения (износа) клина, возникающие под действием истирания, царапания, адгезии, диффузии и других явлений;
6) применение СОЖ сопровождается физико-химическими явлениями, возникающими при соприкосновении смазочно-охлаждающих веществ с нагретыми поверхностями инструмента и заготовки;
7) в системе станок – приспособление – инструмент – деталь (СПИД) могут возникать вынужденные колебания и автоколебания, ухудшающие процесс резания.
Стружкообразование
При обтекании режущего лезвия инструмента часть деформированного материала перемещается по его передней поверхности, превращаясь в стружку, а другая часть, находящаяся ниже линии среза, движется по его задней поверхности и образует поверхностный слой детали.
Стружкообразование и формирование поверхностного слоя детали являются единым процессом деформирования и разрушения материала при резании.
Типы стружек
В зависимости от условий резания заготовок образуются различные виды стружки. Под условиями резания материалов следует понимать: режим резания, схему резания, геометрию режущего инструмента, свойства инструментального и обрабатываемого материалов и смазывающе-охлаждающее технологическое средство (СОТС).
Впервые классификацию стружек дал в 1870 г. русский ученый И.А. Тиме в своей монографии «Сопротивление материалов и дерева резанию». Все возникающие при резании стружки можно разделить на четыре типа: сливную, элементную суставчатую, элементную скалывания и надлома.
Сливная стружка.
Сливная стружка имеет вид непрерывной ленты, у которой на верхней и боковых сторонах четко выражены следы пластической деформации в виде мелких заостренных выступов (рис. 14). Обработанная поверхность заготовки при образовании стружки данного типа имеет гладкий и блестящий вид. Сливная стружка образуется при резании вязких и пластичных материалов с большими скоростями резания 
, средними и малыми 
подачами при больших положительных передних углах 
инструмента.
Стружка элементная суставчатая.
Элементная суставчатая стружка имеет вид отдельных, четко выраженных элементов, прочно связанных друг с другом (рис. 15). Обработанная поверхность заготовки при образовании такой стружки содержит небольшое количество надрывов. Элементная суставчатая стружка образуется при обработке пластичных материалов с большими 
и средними скоростями резания, средними подачами и с большими и средними 
передними углами.
Стружка элементная скалывания. Стружка имеет вид отдельных, относительно правильной формы элементов, несвязанных
друг с другом (рис. 16). После формообразования обработанная поверхность заготовки получается шероховатой с надрывами. Этот вид стружки образуется при обработке материалов средней пластичности при средних и низких 
скоростях резания, средних и больших 
подачах и малых передних углах 
.