Кінематичні і геометричні параметри процесу різання 
Фізичні і хімічні процеси на поверхнях контактуючих тіл дуже різноманітні і складні. Особливо складні процеси при різанні матеріалів, тут проходить деформація і руйнування поверхневих шарів ріжучого клина, на передній поверхні утворюються наліпи, нарости, які значно впливають на процес стружкоутворення, погіршують якість обробленої поверхні. В контактній області виникає цілий ряд явищ, таких як адсорбція, адгезія, дифузія, ерозія, окислення, охрупчення… Ці явища значно впливають на процес деформування і руйнування оброблюваного матеріалу, вібрації, виділення і розповсюдження теплоти в зоні різання, структурні і фазові перетворення в поверхневих шарах деталі.
Найбільш складним є процес тертя. Розрізняють тертя зовнішнє і внутрішнє. У випадку внутрішнього тертя, що виникає при деформуванні матеріалу, розміщеного навколо ріжучого леза і пружної післядії в поверхневих шарах заготовки, проходить передача кількості руху від шару до шару і перетворення механічної енергії в теплову у всьому об'ємі. При цьому поверхні дотикання неперервні і їх розміри не залежать від навантаження.
При зовнішньому терті має місце контакт двох тіл в окремих точках, а це значить що контакт дискретний і його площа залежить від величини прикладеного навантаження. Тут деформування і руйнування матеріалу і теплота, що при цьому виділяється, локалізовані у тонкому поверхневому шарі. Явища зовнішнього тертя найкраще пояснює молекулярно-механічна теорія.
В залежності від кінематичних ознак розрізняють тертя ковзання, кочення і вертіння.
В залежності від стану поверхонь тертя розрізняють: 1- чисте тертя (при відсутності окисних плівок, яке супроводжується адгезією і холодним зварюванням); 2- сухе тертя окислених поверхонь без змащування і забруднень; 3-граничне тертя при наявності тонкого шару мастила, який має шарову будову в пограничній зоні; 4-рідинне тертя з повним розділенням поверхонь шаром мастила; 5- напівсухе і напіврідинне тертя (змішане тертя). Особливе значення тут мають коефіцієнти тертя =, тут сила тертя F=Fдеф+Fадг, ; N-нормальне навантаження. Fдеф -сила необхідна для здійснення пластичної деформації матеріалу; Fадг-сила необхідна для переборювання адгезійних зв'язків.
Коефіцієнт тертя залежить від фізико-механічних властивостей оброб-люваного матеріалу, стану поверхонь, температури і швидкості тертя, розприділння навантажень на поверхні контакту, характеру і виду тертя і інших факторів.
Тертя при різанні має свою специфіку: мають місце різні види тертя (граничне і рідинне рідко); особливу роль відіграє чисте тертя, що призводить до інтенсивного руйнування інструменту; інструмент контактує з матеріалом лише один раз; тертя проходить при дуже великих тисках (1-3 ГПа) і температурах, що досягають температури плавлення; має місце складне роз приділення нормальних і дотичних навантажень; великі і непостійні значення коефіцієнта тертя; складний взаємний вплив вібрацій і характеру тертя; жорсткий режим тертя, що призводить до появи наростів і інтенсивного руйнування поверхневих шарів інструменту.
Наростоутворення. При деяких умовах різання пластичних матеріалів на передній поверхні інструменту біля головної різальної кромки утворюється сильно деформована маса дрібних частинок оброблюваного матеріалу, міцно зчеплених з передньою поверхнею (рис.10 ). Ця маса має клиноподібну форму і називається наростом. Утворення наросту пояснюється тим, що в наслідок великого тиску з боку стружки на передню поверхню інструменту і високої температури пластично деформованого матеріалу, а також через шорсткість передньої поверхні відбувається адгезія між інструментом і стружкою, що сходить. В результаті на передній поверхні інструменту утворюється тонкий загальмований шар, який називається наростом.
Рис. 10. Наростоутворення
Рух стружки відбувається вздовж загальмованого шару з подоланням сил внутрішнього тертя. Твердість наросту в 2,5-3,5 рази перевищує вихідну твердість оброблюваного матеріалу і тому сам наріст може брати участь у різанні, запобігаючи спрацюванню різальної кромки. Будучи продовженням різальної частини, наріст змінює геометрію інструменту, що істотно впливає на деформацію зрізуваного шару, сили різання, якість обробленої поверхні.
Основний недолік наросту в тому, що він не постійний, наростає з “0” до деякого значення, обривається і виноситься з зони різання разом з стружкою. Періодичні зриви наросту призводять до коливань кута різання і зміни глибини різання, до виникнення вібрацій, що знижує точність і збільшує шорсткість обробленої поверхні. Тому при чистовій обробці наріст недопустимий.
Основними факторами, що впливають на утворення наросту є властивості оброблюваного матеріалу, геометрія різального інструменту, елементи режиму різання, шорсткість передньої поверхні інструменту. Найінтенсивніше наріст утворюється при обробці пластичних матеріалів (маловуглецева сталь, дюралюміній, в'язка латунь…) З елементів режиму різання найбільш істотно впливає швидкість різання. При V<5 м/хв і V>60 м\хв наріст не утворюється. Це пояснюється тим, що при V<5м\хв температура в зоні різання невисока і недостатня для утворення наросту. Якщо V>60м/хв то висока температура в зоні різання робить стружку більш пластичною, отже зменшується коефіцієнт тертя і наріст не утворюється.
Збільшення переднього кута, доводка передньої поверхні інструменту, застосування мастильно охолоджуючих речовин і збільшення твердості оброблюваного матеріалу приводить до зменшення наростоутворення.
7 Усадка стружки
В результаті пластичних деформацій, що виникають під час різання, довжина стружки L виявляється меншою ніж L0 шлях пройдений різцем, а товщина стружки а1 більшою ніж товщина зрізуваного шару а . Зменшення довжини стружки називається усадкою, яка характеризується коефіцієнтом усадки К=L0/L Так як L0>L то К>1. На величину усадки впливає пластичність оброблюваного матеріалу (чим більша пластичність тим більше К), передній кут ( з ростом переднього кута зменшується К, так як при цьому зменшується деформація зрізуваного шару матеріалу і полегшується робота різця, зменшується потужність різання). Тому бажано працювати з більшим переднім кутом, якщо це допускає міцність різальної частини.
Усадка стружки зменшується із збільшенням товщини стружки. Отже для зменшення питомої витрати потужності на різання бажано мати по можливості більшу подачу, при якій утворюється товстіша стружка.
На величину усадки впливає швидкість різання V. Чим вища швидкість різання, тим менше часу припадає на деформацію кожного елемента стружки. При високій швидкості кожен елемент не встигає деформуватись так повно, як при малій. Пластична деформація відбувається не по всьому елементу стружки, а тільки у порівняно малих його ділянках. Проміжки заповнені майже недеформованими частинками металу і загальна усадка менша.
Зменшення сили тертя між стружкою і передньою гранню різця також сприяє зменшенню усадки стружки, отже і роботи, яка витрачається на різання.
8 Теплові явища при різанні матеріалів
При різанні матеріалів майже вся механічна енергія, що затрачається на деформування, руйнування і тертя переходить в теплову. Невелика частина енергії (0,5-3%) іде на внутрікристалічні перетворення, роботу диспергування (подрібнення) і пружні деформації. Робота різання складається з наступних частин: А= Апр+Адисп+Астр.змін+Апл.деф.+Азсув+Атертя
Найбільша частина роботи витрачається на пластичні деформації, її доля становить при різанні сталі 60-65%, а при різанні чавуну 40-65%. Робота зсуву становить 10-19% для сталі і 20-25% для чавуну, а на роботу тертя витрачається по 10-15% від повної роботи А. Ці три найбільші складові перетворюються в процесі різання в тепло.
Тепловий баланс процесу різання записується рівнянням:
Q=Qдеф+Qтп+Qтз=Qc+Qобз+Qі+Qyc
В цьому рівнянні Qдеф- кількість теплоти, що виділяється при пластичному деформуванні матеріалу; Qтп - кількість теплоти, що виділяється при терті стружки по передній поверхні інструменту; Qтз - кількість теплоти, що виділилась при терті заготовки по задній поверхні інструменту; Qс - кількість теплоти, що іде в стружку; Qобз - кількість теплоти, що іде в оброблювану заготовку; Qі - кількість теплоти, що іде в інструмент; Qнс - кількість теплоти, що розсіюється в навколишнє середовище.
Значення доданків рівняння теплового балансу залежить від фізико-механічних властивостей оброблюваного матеріалу, режиму різання та умов обробки. Так при різанні сталі в середньому Qс =46-62%; Qобз =33-38%; Qі=5-15%; Qнс =1-6%.
Теплоутворення , в основному, негативно впливає на процес різання. З ростом температури в зоні різання підвищується температура інструменту, змінюються його фізико-механічні властивості, зменшується його твердість, він швидше спрацьовується; змінюються розміри інструменту, що призводить до втрати точності обробки. Нагрівання заготовки також веде до зміни її геометричних розмірів. При жорсткому закріплені заготовки на верстаті вона починає деформуватись. Все це негативно впливає на якість обробки.
З другої сторони інтенсивне тепловиділення полегшує деформування матеріалу поверхневого шару, сприяє утворенню пограничного шару на контактних поверхнях стружки і заготовки в результаті чого зменшується спрацювання інструменту і покращується якість обробки.
Тепловими явищами при різанні треба керувати так, щоб теплота, яка виділяється, полегшувала процес різання і не знижувала стійкості інструменту і точності обробки, а похибки обробки заготовки, що виникають внаслідок тепловиділення, необхідно враховувати при налагодженні верстатів, особливо автоматів і напівавтоматів, а для цього необхідно знати температуру в зоні різання.
На температуру в зоні різання впливають такі фактори:
1.Оброблюваний матеріал. При обробці чавуну температура нижча ніж при обробці сталі в 1,5 рази. Чим вища границя міцності і твердість заготовки тим більші сили опору треба подолати при стружкоутворенні і тим більше виділиться теплоти і вища буде температура в зоні різання. Чим вища теплопровідність матеріалу заготовки тим інтенсивніше від водиться тепло в стружку і заготовку, отже тим менша буде температура поверхневих шарів різального інструменту. Від теплоємкості оброблюваного матеріалу залежить кількість теплоти, що сприймається стружкою і заготовкою, отже залежить температура різального інструменту.
2.Елементи режиму різання. Найбільше на температуру в зоні різання впливає швидкість різання. Подача впливає більше ніж глибина різання. Це пояснюється тим, що із збільшенням глибини різання тепло від водиться краще, ніж при збільшенні подачі.
3.Геометричні елементи різальної частини. Найбільше впливають передній кут, головний кут в плані і радіус заокруглення різця r. При збільшенні зменшуються деформації, а отже і тепловиділення. Збільшення веде до зменшення довжини активної частини різальної кромки інструменту, а отже до гіршого відведення тепла. Збільшення r веде до збільшення активної частини різальної кромки, до кращого відведення тепла і зниження температури в зоні різання.
Температуру в зоні різання можна вичислити на основі емпіричних залежностей. При роботі різців з твердого сплаву Т15К6 можна скористатись залежністю Q=CoVzsytx оС. Показники степенів приводяться у довідниковій літературі.
9 Методи визначення температури в зоні різання
Температуру в зоні різання можна визначити калориметричним методом, штучною напівштучною і природною термопарами, оптичним методом, мікро структурним аналізом, за зміною кольорів стружки, або спеціальних фарб.
Калориметричний метод ґрунтується на використанні калориметричної установки для визначення загальної кількості теплоти, яка виділилась в процесі різання за певний проміжок часу.
Метод штучної термопари(рис.11а) полягає в тому, що в робочій частині різця просвердлюється отвір діаметром біля 1,5 мм, який не доходить до поверхні на 0,5 мм. В отвір вставляють ізольовану термопару (мідь-константан). Спай якої торкається дна отвору. Теплота, яка переходить на передню поверхню різця, нагріває спай, внаслідок чого в колі термопари виникає термоелектрорушійна сила, що регіструється гальванометром. Для визначення температури в дослід-жуваному різці в різних точках одночасно може бути встановлено декілька термопар. Метод складний і не дозволяє виміряти температуру безпосередньо в зоні різання.
При використанні методу напівштучної термопари (рис.11б) одним елементом термопари є різальний інструмент, а другим - дріт з високим електричним опором. Дріт через отвір, просвердлений в різальному інструменті виводять на передню, або задню поверхню (в то місце, де хочуть виміряти температуру) де і розклепують. Місце розклепування - це спай. Інструмент і кінець дроту підєднують до паказуючого приладу. Цей метод забезпечує більш достовірні результати.
Рис. 11
Метод природної термопари (рисю11в). Елементами термопари є різальний інструмент і оброблювана заготовка. Спаєм є контактні поверхні з стружкою і заготовкою. Заготовка і різець ізолюються вів корпуса верстата і провідниками з'єднуються з показуючим приладом (гальванометром). Складність викори-стання цього методу в трудності переведення показів гальванометра в значення температури (градуси). Необхідно для кожного оброблюваного матеріалу і матеріалу інструменту проводити тарування.
Оптичний метод (рис11г) ґрунтується на принципі фокусування інфрачервоного випромінювання, що виділяється в зоні різання, за допомогою скляних лінз через діафрагму на приймач (спеціальний давач), де воно перетворюється в електричний сигнал, підсилюється і подається на регіструючий прилад. Цей метод вимагає складної апаратури і складного її настроювання.
Метод мікроструктурного аналізу ґрунтується на аналізі зміни мікро-структури, яка відбулася в поверхневих шарах різальної частини інструменту під впливом теплоти, що утворилась в процесі різання. Порівнюючи вихідну і кінцеву структури різця, визначають температуру нагрівання його в різних точках. Метод точний, але складний.
Метод мінливості кольорів простий, але не точний і суб'єктивний. Температуру визначають за зміною кольору стружки, або спеціальної фарби, нанесеної в різні місця інструменту.
10 Охолодження і змащування при обробці різанням
Теплота, що виділяється при обробці різанням призводить до зменшення стійкості інструменту, сприяє його видовженню (температурній деформації), сприяє температурній деформації деталей верстата і заготовки, все це разом викликає певні похибки, які знижують точність обробки і якість де6талей. Тому дуже важливо зменшити кількість теплоти, або відвести її в навколишнє середовище. Це досягається використанням мастильно-охолоджуючих речовин (МОР) в процесі обробки металів різанням.
В залежності від дії всі МОР поділяються на три групи: 1-мають тільки охолоджуючі властивості; 2- мають охолоджуючі і частково мастильні властивості; 3- мають мастильні і частково охолоджуючі властивості. В залежності від агрегатного стану МОР поділяються також на 3 групи: рідини, газоподібні і тверді.
До всіх МОР ставляться наступні вимоги: не викликати корозії матеріалу заготовки, інструменту і обладнання; не бути шкідливими для робітників; бути стійкими в експлуатації і зберіганні; бути відносно дешевими і недефіцитними. До твердих МОР відносяться неорганічні матеріали з складною структурою (тальк, слюда, графіт, бура, нітрид бору, дисульфіт молібдену…), тверді орга-нічні з єднання (мило, віск, тверді жири), полімерні плівки і тканини (нейлон, поліаміди, поліетилен), металічні плівкові покриття (Gu,Zn,Pb,Sn,Ba, латунь).
Найбільш широкого розповсюдження набули мастильно-охолоджуючі рідини. Сюди відносяться водні розчини мінеральних електролітів, емульсії, мінеральні, тваринні і рослинні масла; мінеральні масла з домішками фосфору, сірки, хлору (сульфофрезоли); гас, розчини поверхнево активних речовин в гасі; маса і емульсії з домішками твердих мастильних речовин.
До газоподібних МОР відносяться повітря, азот, вуглекислий газ, кисень, випари поверхнево активних речовин, розпилені рідини.
Застосування того чи іншого виду МОР залежить виду і призначення обробки. При чорновій і напівчистовій обробці, коли потрібна сильна охолоджуюча дія, застосовують водні розчини електролітів, поверхнево активних речовин, масляні е6мульсії.
При чистовій обробці, коли необхідно одержати високу якість поверхні МОР повинні забезпечити якісне змащування зони різання. В цих випадках застосовують чисті активовані мінеральні масла і сульфофрезоли. При чистовій обробці з висок5ими швидкостями різання рекомендується застосовувати емульсії з 5-10% розчином емульсола.
При чорновій обробці чавунів, бронзи, коли утворюється стружка надлому, а також при переривистій обробці заготовок твердосплавними інструментами використовують стиснене повітря, вуглекислоту. Газ охолоджує зону різання і одночасно виносить стружку у спеціальні стружкозбірники.
Страницы: 1, 2, 3
|
