книги / Резание материалов
..pdfВлияние скорости резания. Непосредственное влияние скорости резания на процесс стружкообразования выражается в изменении угла сдвига. Угол сдвига растет при увеличении скорости резания, что связано с запаздыванием процесса пластической деформации. При малой скорости резания зона первичной деформации ОАВ (см. рис. 67, а) имеет относительно большие размеры. При большой скорости резания срезаемый слой столь быстро проходит через поле напряжений, что пластические деформации не успевают произойти на нижней границе ОА зоны деформации, а осуществляются правее от нее, там, где действуют значительно большие напряжения. В результате этого нижняя граница ОА смещается в положение ОА'.
Косвенное влияние скорости резания на процесс стружкообразования проявляется в ее влиянии на угол действия за счет изменения среднего коэффициента трения, а если материал обрабатываемой детали склонен к наростообразованию, то и за счет изменения фактического переднего угла. Изменение среднего коэффициента трения при изменении скорости резания связано как с влиянием ее на средние нормальные контактные напряжения, так и с изменением температуры на передней поверхности, влияющей на сопротивление сдвигу в контактном слое стружки. При резании материалов, не склонных к наростообразованию, увеличение скорости резания непрерывно улучшает процесс стружкообразования, уменьшая относительный сдвиг и удельную работу стружкообразования. При резании материалов, склонных к наростообразованию, влияние скорости резания усложняется. Только при скоростях резания, при которых температура резания становится больше 600 °С, увеличение скорости резания непрерывно улучшает все показатели стружкообразования.
Влияние механических свойств материала обрабатывае-
мой детали. Непосредственно влияет на процесс стружкообразования увеличение угла сдвига и повышение сопротивления сдвигу материала в зоне стружкообразования при постоянных переднем угле и угле действия. В результате уменьшается степень деформации срезаемого слоя.
101
Если нарост при резании отсутствует, то косвенное влияние на процесс стружкообразования оказывает изменение угла действия вследствие изменения среднего коэффициента трения. При постоянной температуре на передней поверхности средний коэффициент трения для различных обрабатываемых материалов изменяется сравнительно мало, так как при увеличении сопротивления материала пластической деформации одновременно возрастают как касательные, так и нормальные контактные напряжения. При постоянной скорости резания с увеличением сопротивления материала пластическим деформациям средний коэффициент трения уменьшается, что уменьшает коэффициент усадки стружки и относительный сдвиг.
При наличии нароста косвенное влияние свойств обрабатываемого материала на процесс стружкообразования дополняется их влиянием через изменение фактического переднего угла.
Влияние толщины срезаемого слоя. Толщина срезаемого слоя на процесс стружкообразования влияет только косвенно. Если нарост отсутствует, то влияние толщины срезаемого слоя связано с изменением среднего коэффициента трения, который из-за увеличения средних нормальных контактных напряжений на передней поверхности падает при увеличении толщины срезаемого слоя. Поэтому чем толще срезаемый слой, тем меньше относительный сдвиг и удельная работа стружкообразования. При наличии нароста толщина срезаемого слоя дополнительно влияет при изменении фактического переднего угла инструмента.
Между процессами в зоне первичной деформации и на передней поверхности инструмента существует тесная и взаимообусловленная связь. Любое изменение условий трения в пределах площадки контакта влияет на деформационные процессы и характер стружкообразования. Наоборот, изменение условий стружкообразования, вследствие изменения температуры и скорости стружки, влияет на контактные процессы на передней поверхности. Таким образом, всякое изменение напряженного состояния в одной из зон вызывает соответствующее изменение напряженного состояния в другой зоне.
102
Если по каким-либо причинам изменится средний коэффициент трения на передней поверхности, то из-за изменения напряженного состояния в зоне контакта стружки изменится величина силы стружкообразования R и момента М (рис. 68), с которыми инструмент действует на стружку. Для сохранения равновесия стружки должна измениться ве-
личина силы Рс и момента Mс, с которыми срезаемый слой действует на стружку, но это изменит напряженное и деформированное состояние в зоне первичной деформации со всеми вытекающими последствиями. Изменение деформированного состояния в зоне I вызовет изменение температуры и контактных напряжений в зоне трения
и, как следствие, изменение напряженного состояния и т.д. (см. рис. 68). В процессе резания за счет саморегулирования в зонах I и II устанавливаются такие напряженные состояния, при которых соблюдается условие равновесия стружки.
2.2.4. Изменение размеров и формы стружки по сравнению со срезаемым слоем.
Понятие об усадке стружки
При превращении срезаемого слоя в стружку размеры стружки по длине, толщине и ширине (рис. 69) отличаются от размеров срезаемого слоя, из которого стружка образовалась. При длине срезаемого слоя L, толщине а и ширине b длина стружки равна Lс,
толщина – aс, а ширина – bс, причем Lс < L; ас > а; bс > b. Таким образом, по сравнению с размерами срезаемого слоя стружка ко-
роче, толще и шире. Степень изменения размеров стружки по сравнению со срезаемым слоем характеризуют тремя коэффициентами изменения формы: коэффициентом усадки (или укорочения) Kl, коэффициентом утолщения Ka и коэффициентом уширения Kb. Причем
103
Kl |
L |
; Ka |
ac |
; Kb |
b |
|
|
c . |
|||||
a |
||||||
Lc |
||||||
|
|
|
b |
Коэффициенты показывают, во сколько раз размеры стружки по длине, толщине и ширине меньше или больше соответствующих размеров срезаемого слоя.
Рис. 69. Размеры срезаемого слоя и стружки
Как указывалось выше, по коэффициенту усадки стружки можно определить величину угла сдвига . Зависимость получена при предположении, что уширение стружки отсутствует, т.е. что коэффициенты Kl и Ka равны. С учетом уширения стружки определение угла сдвига или относительного сдвига по формулам необходимо вести не по коэффициенту усадки стружки Kl, найденному экспериментально по длине стружки, а по расчетному коэффициенту усадки Kl:
K |
|
|
Kl |
K |
|
b |
. |
|
|
|
|
||||||
|
l |
|
K |
b |
|
l b |
||
|
|
|
|
|
|
c |
||
Ранее отмечалось, что даже при свободном резании уширение стружки невелико и составляет 5…15 % от ширины срезаемого слоя, в то время как укорочение и утолщение стружки оцениваются в 250…600 % и более.
104
В связи с этим уширением стружки можно пренебречь и считать, что Kl = Kа. Все сказанное справедливо только в том случае, если сливная стружка сохраняет свою сплошность. Если же на свободной стороне сливной стружки наблюдаются достаточно большие выступы и впадины (рис. 70) или стружка имеет суставчатую форму, то в формулу необходимо ввести поправку. Принимая впадину стружки за треугольник, на основании рис. 70, имеем
Kl = KaKb(1 – 1/2 ),
где – относительный коэффициент; = h/ac.
Выражение (1 – 1/2 ) можно назвать коэффициентом сплошности стружки. Обозначив его через K и считая, что Kb = 1, получим
Kl = KaK .
Поскольку коэффициент сплошности стружки всегда меньше единицы, то при пилообразной стружке коэффициент Kl меньше коэффициента Ka, а иногда может быть даже меньше единицы. Резание некоторых материалов это подтверждает. Например, при обработке высокопрочных титановых сплавов (например, сплава ВТ3) с определенными скоростями резания и подачами образуется суставчатая пилообразная стружка. При этом наблюдается явление, названное «отрицательной усадкой» стружки, когда длина стружки за счет пустот на свободной стороне становится больше длины срезаемого слоя. Коэффициент усадки, найденный по длине стружки, становитсяменьше единицы, достигаязначений0,75…0,9.
В основе вывода формулы лежало положение о сплошности стружки и равенстве в связи с этим коэффициентов Kl и Ka. При ярко выраженной пилообразности сливной стружки или образовании суставчатой стружки расчет угла сдвига, очевидно, нужно
105
вести не по коэффициенту усадки стружки Kl, найденному измерением длины стружки, а по расчетному коэффициенту усадки: Kl = Kl/K . То же самое нужно сказать и об определении относительного сдвига ε по формуле (3).
Коэффициент усадки стружки можно определить двумя методами: измерением длины стружки и взвешиванием стружки. При использовании первого метода длину стружки ограничивают разделением слоя на отдельные части. Например, в опытах при точении на заготовке делают один или несколько пазов и фиксируют расстояние между ними. При прохождении лезвия инструмента через паз процесс резания прерывается. Стружку собирают и измеряют ее длину по контактной стороне.
Коэффициент усадки стружки не может служить количественным показателем степени деформированности срезаемого слоя. Хотя с увеличением коэффициента усадки в пределах его значений, встречающихся при применяемых режимах резания, относительный сдвиг при постоянном переднем угле возрастает, но при различных передних углах одному и тому же коэффициенту усадки соответствует различная величина относительного сдвига. Если для оценки степени деформации срезаемого слоя пользоваться коэффициентом усадки стружки, то при Kl = 1 можно прийти к выводу, что деформация при резании отсутствует, хотя срезаемый слой и превратился в стружку. Это противоречит элементарным законам механики, согласно которым при Kl = 1 относительный сдвиг не равен нулю, имея тем большую величину, чем меньше передний угол инструмента. Таким образом, коэффициент усадки стружки может являться лишь внешним и только качественным показателем тех деформационных процессов, которые происходят в срезаемом слое.
На коэффициент усадки стружки основное влияние оказывают тип и механические свойства материалов обрабатываемой детали, передний угол инструмента, толщина срезаемого слоя, скорость резания и применяемая смазочно-охлаждающая жидкость. При резании пластичных материалов коэффициент усадки больше, чем при резании материалов хрупких (рис. 71). Например, Kl при реза-
106
нии углеродистых сталей колеблется в пределах 2…6, а при резании чугуна – в пределах 1,5…2,5. Чем прочнее и тверже материал обрабатываемой детали, тем меньше коэффициент усадки.
Рис. 71. Схема влияния скорости V резания на высоту нароста H (кривая 3) и коэффициент усадки стружки Kl при резании материалов, не склонных к наростообразованию (кривая 1) и склонных к наростообразованию (кривая 2)
Принципиальное влияние скорости резания на коэффициент усадки стружки показано на рис. 71. Кривая 1 соответствует резанию материалов, не склонных к наростообразованию. В этом случае по мере увеличения скорости резания коэффициент усадки стружки вначале быстро, а затем более медленно уменьшается. Указанное влияние скорости резания на Kl объясняется уменьшением коэффициента трения между стружкой и передней поверхностью при увеличении температуры на передней поверхности вследствие возрастания скорости резания. При резании материалов, склонных к наростообразованию (кривая 2), скорость резания на Kl влияет немонотонно. Вначале при увеличении скорости резания коэффициент усадки уменьшается, достигает минимальной величины при определенном значении скорости резания, а затем вновь возрастает. При достижении скоростью резания значения V3 возрастание коэффициента Kl прекращается,
ипри скоростях резания V > V3 кривая 2 ведет себя так же, как
икривая 1. Немонотонное изменение коэффициента Kl при уве-
107
личении скорости резания связано с действием на процесс стружкообразования нароста. Кривая 3 показывает изменение высоты нароста в интервале скоростей резания от V1 до V2.
Возрастание скорости резания от V1 до V2 сопровождается увеличением переднего угла инструмента, вследствие чего степень деформации срезаемого слоя уменьшается. При скорости резания V2 фактический передний угол имеет максимальную величину и коэффициент Kl достигает минимума. При возрастании скорости резания от V2 до V3 высота нароста уменьшается так же, как и величина фактического переднего угла, стремящегося к величине переднего угла заточки. Это вызывает увеличение коэффициента усадки стружки. При скоростях резания V > V3 нарост отсутствует и скорость резания влияет на коэффициент Kl только вследствие изменения коэффициента трения.
Влияние переднего угла на коэффициент Kl представлено на рис. 72. По мере увеличения угла коэффициент усадки стружки уменьшается, а горбы на кривых Kl = f(V) сглаживаются. Кроме того, чем больше величина переднего угла, тем при большем значении скорости резания кривая Kl достигает вторичного максимума. Последнее вполне естественно, так как при увеличении переднего угла исчезновение нароста происходит при больших скоростях резания. При углах > 30° скорость резания практически не влияет на коэффициент усадки стружки.
На рис. 73 показано влияние толщины срезаемого слоя на коэффициент усадки стружки. Кривые Kl = f(V) имеют горбообразный вид, причем для меньших толщин срезаемого слоя вершины горбов сдвинуты в область более высоких скоростей резания. На рисунке видно, что при постоянном переднем угле инструмента максимальные значения коэффициента усадки стружки не зависят от толщины срезаемого слоя, но Kl достигает максимальной величины при различных скоростях резания.
Смазочно-охлаждающие технологические средства снижают величину коэффициента трения, уменьшают коэффициент усадки стружки, причем эффект от влияния жидкости тем сильнее, чем меньше толщина срезаемого слоя и скорость резания.
108
Рис. 72. Влияние переднего угла на коэффициент усадки стружки Kl при различных скоростях резания (сталь 20Х; = 45°; а = 0,31 мм;
b = 1,45 мм): 1 – = 9°; 2 – = 15°; 3 – = 30°; 4 – = 45°
Рис. 73. Влияние толщины срезаемого слоя на коэффициент усадки струж-
ки Kl при |
различных скоростях резания (сталь 20Х; |
= 0°; ( = 45°; |
t = 1 мм): |
1 – а= 0,31 мм; 2 – а= 0,15 мм; 3 – а= 0,08 мм; |
4 – а= 0,04 мм |
а(S) |
|
φ |
|
δ, R |
Рис. 74. Влияние толщины среза а, главного угла в плане , угла
резания и радиуса при вершине резца R на коэффициент продольной усадки стружки Kl
109
Влияние на коэффициент усадки стружки толщины среза или подачи, углов в плане, угла резания и радиуса при вершине резца показано на рис. 74.
2.2.5. Методы завивания и дробления сливной стружки
Образование сливной стружки часто сопровождается нежелательными и опасными последствиями. Выход стружки в виде ленты из-под резца может привести к травме рабочего (порезу на теле или руках). Образование клубка запутанной сливной стружки на станке с ЧПУ без вмешательства рабочего может привести к заклиниванию резца, заготовки, поломке режущего инструмента и приспособлений. В практике обработки резанием применяют различные методы борьбы с этими явлениями.
1.Образование радиусных поверхностей на передней поверх-
ности резца. В результате стружка завивается в виде спирали и под действием собственного веса опускается в корыто станка или обламывается на отдельные спиральные отрезки. Радиусные поверхности образуются в процессе изготовления при спекании неперетачиваемыхпластинокилипризаточке назаточных станках.
2.Установка стружколомов на передней поверхности резца. В результате сливная стружка резко изгибается поверхностью стружколома и ломается на отдельные кусочки, которые ссыпаются в корыто станка (рис. 75). Подача должна быть равна ширине фаски или больше для правильной работы стружколома и надежного процесса резания.
Рис. 75. Схемы работы стружколомов в зависимости от фаски и выступа стружколома
110