Сопротивление резанию

На основании измерений разных значений усилий резания при низких скоростях резания и прямого наблюдения за процессом резания (высокоскоростные съемки) можно следующим образом представить в основных чертах образование стружки.

Режущая кромка инструмента деформирует прежде всего поверхность обрабатываемого изделия. При определенном давлении возникают напряжения, приводящие к разрушению материала; отдельные частицы начинают скалываться в виде отдельных элементов стружки вдоль передней грани. Частицы материала стружки подвергаются при этом напряжению на срез, так что в известных плоскостях сдвига полностью или частично разрушается связность стружки. Отдельные фазы этого периодически повторяющегося процесса сопровождаются изменениями давления резания, которые могут быть прослежены экспериментально при применении малых скоростей резания. При высоких скоростях резания эти изменения следуют одно за другим столь быстро, что измерить их уже невозможно. Они проявляются, однако, в более или менее сильной вибрации в процессе снятия стружки.

У разных материалов, в зависимости от их сопротивления разрыву, твердости и пластичности, срезание отдельных частиц стружки происходит различно. У хрупких материалов ( чугун) стружка полностью отламывается; в результате образуется прерывистая, «сыпучая» стружка. У вязких материалов (сталь) чаще всего образуется сливная, длинная стружка, но и здесь наблюдается деформация, которая совершенно ясно сказывается в изменении поперечного сечения стружки. Резцом с отрицательным передним углом можно и у мягких и вязких материалов получить короткую стружку. У вязких материалов можно добиться образования более короткой стружки также путем особого выполнения режущей кромки (уступ-стружколом).

Кроме материала, на форму стружки оказывает влияние также ряд факторов, в особенности углы резца, глубина резания, подача, скорость резания и др.

Форма стружки имеет большое значение в практике производства, так как, например, удаление из цеха больших количеств запутанной (вьющейся) длинной стружки затруднительно; такая стружка, кроме того, подвергает опасности рабочих.

Деформация стружки требует известной затраты работы, тем большей, чем сильнее эта деформация. Образование короткой стружки у вязких материалов обусловливает поэтому более сильную нагрузку инструмента, требуются, следовательно, большие усилия резания и большая затрата энергии при резании.

Между деформацией стружки и качеством поверхности обработанного материала существует тесная связь. При малых скоростях резания стружка деформируется значительно сильнее, так как в этом случае деформируются и отрываются отдельные кристаллиты материала, что приводит к образованию шероховатой чешуйчатой поверхности обрабатываемого изделия. При высокой скорости резания твердыми сплавами материал отделяется так быстро, что отдельные кристаллиты отделяются от материала заготовки без предварительной их деформации. Поверхность резания и обработанная поверхность изделия весьма гладки, что свидетельствует о правильности применения в этих случаях твердого сплава.

При обработке снятием стружки, особенно при обработке стали, наблюдается характерный наклеп обрабатываемого изделия и стружки. Согласно измерениям микротвердости, твердость поверхности обработанного изделия превышает первоначальную твердость в 1,5—2,5 раза. Твердость стружки повышается даже в 3 раза.

Хрупкие материалы (чугун) не обнаруживают наклепа.

Трение стружки и обрабатываемого изделия об инструмент также влияет на усилие резания.

Таким образом, при резании необходимо преодолеть: сопротивление отрыву отдельных частиц обрабатываемого материала, сопротивление деформации, т. е. сопротивление изменению формы (упругая и пластическая деформация изделия и стружки), и сопротивление трения, обусловленное трением стружки и обрабатываемого изделия об инструмент. Большая часть работы резания приходится на преодоление деформации (при резании чугуна 50%, при резании стали 75% всей работы). На сопротивление отрыву тратится при резании чугуна 35%, стали — только 15%. Остальные 10—15% расходуются на преодоление сопротивления трению.



При обработке резанием мягких и вязких материалов частицы обрабатываемого материала часто привариваются к режущей кромке инструмента. Нарост (рис. 212) в процессе работы увеличивается и затем отрывается стружкой. При этом иногда вместе с наростом вырываются также частички режущей кромки. Этот постоянно повторяющийся процесс, отдельные фазы которого длятся только доли секунды, приводит к постепенному износу режущей кромки и ее выкрошиванию. В этой связи следует указать на характерное явление, наблюдающееся на передней грани резца при обработке стали, так называемое лункообразование, объясняемое процессами износа.

Тейлор объяснял образование нароста на режущей кромке скоплением мельчайших частиц материала, которые свариваются на резце в процессе резания под влиянием давления и высокой температуры. Давиль экспериментально доказал правильность этого предположения. Пластинки из обрабатываемого и режущего материала (BK и TK твердые сплавы), поверхность которых была тщательно отшлифована и отполирована, в течение некоторого времени спрессовывались под определенным

давлением при возрастающей температуре. При этом определяли ту минимальную температуру, при которой происходило оцепление испытываемых объектов, так называемую температуру приваривания. В табл. 153 приведена температура приваривания разных исследованных пар материалов. Далее была определена прочность соединения сваренных при возрастающей температуре пар материалов (табл. 154 и рис. 213).

Результаты этих испытаний показывают, что температура приваривания твердого сплава и стали выше, чем быстрорежущей и обычной стали. TK твердые сплавы привариваются к стали при более высокой температуре, чем сплавы BK. Температура приваривания возрастает с повышением" твердости стали. Увеличение содержания в твердом сплаве кобальта сверх 5% не оказывает существенного влияния на температуру приваривания. TK твердые сплавы дают со сталью при высоких температурах сварное соединение такой же прочности, какое сплавы BK имеют при гораздо более низких температурах.

Эти наблюдения убедительно объясняют превосходство TK твердых сплавов по сравнению со сплавами BK при обработке резанием стали по крайней мере в отношении износа твердо сплавной пластинки вследствие образования нароста.

Для образования на режущей кромке нароста при резании некоторых материалов характерно то, что он образуется только в известном диапазоне скоростей резания (большей частью при низких скоростях) и исчезает при достижении некоторой предельной скорости. При высоких скоростях резания трение между передней гранью резца и стружкой уменьшается; структура стружки изменяется вследствие наклепа и рекристаллизации, а в определенных случаях происходит также некоторое поверхностное окисление. С повышением скорости резания время соприкосновения стружки с резцом также уменьшается. Все эти явления в какой-то мере препятствуют образованию нароста. Стружка действует на резец как твердое тело и изнашивает его, образуя на передней грани углубление (лунку).

Прежде считали, что нарост оказывает благоприятное влияние на продолжительность работы резца, предохраняя режущую кромку от износа под влиянием трения и температуры. Исследования, особенно на твердых сплавах, показали, однако, обратное. Нарост оказывает неблагоприятное влияние на весь процесс резания; значительно ухудшается качество поверхности изделия вследствие неспокойной работы инструмента, возникает неравномерная подача и, в первую очередь, преждевременное повреждение режущей кромки. При обработке твердым сплавом наросты чаще всего образуются из-за неправильного выбора скорости резания — слишком низкой для соответствующего материала и соответствующей стружки. При этом срок службы режущей кромки сокращается, так как она в результате отрыва наростов выкрошивается.



Сопротивление, оказываемое обрабатываемым материалом отделению и деформированию стружки, включая трение, называется сопротивлением резанию. Оно выражается в действующей на резце силе Р, которая при нормальной продольной обточке может быть разложена на три составляющие. Главное усилие резания Ph действует в направлении главного движения резания по линии пересечения первой и второй главных плоскостей. Усилие подачи Pv — осевая сила в горизонтальной плоскости — действует по линии пересечения первой и третьей главных плоскостей. Радиальная составляющая усилия резания Ps действует в горизонтальной плоскости радиально по линии пересечения второй и третьей главных плоскостей.

Соотношения между составляющими Pн и Pv и Ps непостоянны, зависят от формы и положения режущей кромки, поперечного сечения стружки и направления движения резания. Знание соотношения составляющих усилия резания важно потому, что они определяют нагрузку отдельных узлов станка, следовательно, влияют на его конструкцию.

Равнодействующее усилие резания P изменяется во время образования стружки, и это может вести к неблагоприятной для обработки вибрации. Если станок не перегружен, а инструмент и обрабатываемое изделие достаточно жестки и хорошо зажаты, то при более или менее высоких скоростях и правильных углах резания колебания, конечно, незначительны.

Величины равнодействующей P и ее составляющих зависят от обрабатываемого материала и режима резания. Каждый материал в соответствии с его свойствами оказывает при резании oпределенное давление на режущую кромку — давление резания (усилие резания). При неизменных условиях резания каждому материалу соответствует определенное, характерное для него, давление резания; отнесенное к 1 мм2 площади поперечного сечения стружки, оно дает удельное давление резания кs. Решающим является главное (вертикальное) усилие резания; усилие подачи (осевая составляющая) — Pv и радиальная составляющая усилия резания Ps оказывают лишь незначительное влияние (примерно до Vio) на суммарное усилие резания и практически могут быть оставлены без внимания. Поэтому главное усилие резания часто приравнивают к суммарному усилию резания, т. е. Pн = Р. Для стружки с площадью поперечного сечения F общее усилие резания P (кг) = F (мм2) * кs(кг/мм2).

Однако удельное давление резания кs не является для данного материала постоянной величиной, так как оно зависит от применяемого режима резания, в особенности от характера стружки, формы ее поперечного сечения, углов резания, смазки, температуры и др. Даже в тех случаях, когда эти величины не изменяются и на этом основании вычисляют так называемые «коэффициенты резания», остается еще зависимость от скорости резания и состояния режущей кромки.

Определение усилий резания в зависимости от разных факторов, подробный анализ которых будет дан ниже, имеет при применении твердых сплавов особое значение, так как в этом случае речь идет о таких скоростях и усилиях резания, которые приводят к предельной нагрузке станков.

При конструировании станков и инструментов для твердого сплава знание величины отдельных составляющих усилия резания безусловно необходимо.

Для экспериментального определения усилия резания разработаны многочисленные механические, гидравлические, пневматические и электрические приборы, из которых особенно распространен прибор Шаллброха и Шауманна, принцип действия которого базируется на изменениях индуктивности датчиков.



Прочность обрабатываемого материала. Из описания процессов образования стружки легко понять, что удельное давление резания тесно связано с прочностью при растяжении или, соответственно, твердостью обрабатываемого материала. Тем не менее, весьма трудно на основе данных о прочности установить ее влияние на усилие резания аналитическим путем. Из эмпирических формул следует назвать формулы Кроненберга для чугуна и стали, могущие служить для ориентировочных расчетов.

Углы резания. Углы резания, в особенности a, у и н, оказывают большое влияние на величину усилия резания. Однако формы инструментов, у которых усилия резания достигают минимума, не всегда являются наилучшими (см. сказанное об отрицательном переднем угле).

Увеличение заднего угла а ведет к уменьшению усилия резания, но у твердого сплава этот угол ограничен определенной величиной, чтобы не подвергнуть опасности режущую кромку. Благоприятное влияние на усилие резания оказывает также увеличение переднего угла у. Так как увеличение а и у означает уменьшение угла заострения резца в, что увеличивает опасность выкрошивания вершины режущей кромки, то у твердосплавных резцов следует выбирать по возможности большой угол в; в особенно трудных случаях следует даже сделать этот угол больше 90°, т. е. необходимо применять отрицательные передние углы. Усилия резания при этом сильно увеличиваются (рис. 214), что связано со значительным повышением расхода мощности станков и большим теплообразованием на режущей кромке. Ho это ни в коем случае нельзя считать недостатком для твердосплавного резца, обладающего высокой жаропрочностью, так как при отрицательном переднем угле режущая кромка большей частью подвергается напряжению на сжатие, что повышает стойкость резца.

С увеличением главного угла в плане давление резания понижается до определенного минимума и затем снова поднимается. Для стали наиболее благоприятный главный угол в плане равен примерно 45°, для чугуна 60°. Изогнутые режущие кромки или большие радиусы закругления вершины со сравнительно большой длиной главной режущей кромки обусловливают большую деформацию стружки и, следовательно, более высокое удельное давление резания.

Поперечное сечение стружки. Суммарное усилие резания при соблюдении равных углов резца и практически одинаковом соотношении между длиной и толщиной стружки возрастает с увеличением поперечного сечения стружки. Удельное давление резания сильно увеличивается с уменьшением поперечного сечения стружки, так как при меньшем поперечном сечении необходимо производить относительно большую работу по отделению стружки. В логарифмической системе координат зависимость удельного давления резания от поперечного сечения стружки для разных материалов представлена на рис. 215.

Удельное давление резания зависит также от формы поперечного сечения стружки. С увеличением толщины стружки h оно уменьшается (но медленнее), а с увеличением ширины стружки b увеличивается (приблизительно пропорционально). Таким образом удельное давление резания не зависит от глубины резания; с увеличением .подачи оно уменьшается.

Скорость резания. При тех скоростях резания, которые применяют для быстрорежущей стали, скорость резания не влияет на удельное давление резания. При повышении скорости резания примерно до 100 м/мин, что вполне возможно при твердосплавных резцах, усилие резания в зависимости от обрабатываемого материала уменьшается в большей или меньшей степени, но остается неизменным при дальнейшем повышении скорости резания.

Смазка. Применяя подходящие смазочные вещества, можно снизить усилие резания. Так, например, эмульгированные минеральные масла позволяют снизить давление резания на 5—10%, растительные масла — до 20%.

Температура. При обработке резанием нагретых заготовок, при которой изделие подвергают сильному индукционному, дуговому или автогенному нагреву, на преодоление сопротивления отрыву и деформации требуется меньше энергии, так как с повышением температуры значительно падает прочность и твердость всех материалов. Кроме того, в этих условиях отсутствует наклеп. Как показали новейшие исследования, усилие резания при этом сильно падает (конечно, при условии, что режущая кромка выдерживает высокие температуры без потери своих режущих свойств). Твердые сплавы обладают высокой красностойкостью, в связи с чем для обработки резанием нагретых заготовок открываются большие перспективы. По той же причине интерес представляет резание нагретых заготовок керамическими инструментами (из спеченного глинозема).