Элементы режима резания и срезаемого слоя при точении

Солоненко В.Г.

С 60 Резание металлов и режущие инструменты: Учеб. пособие для вузов/В.Г. Солоненко, А.А. Рьгжкин.— 2-е изд., стер. — ML: Высш. шк., 2008. — 414 с: ил.

ISBN 978-5-06-005349-4

В пособии рассмотрены элементы процесса резания металлов, инструмен­тальные материалы, явления, сопровождающие процесс резания металлов, виды смазочно-охлаждающих жидкостей, режимы резания при точении, осо­бенности отдельных видов лезвийной обработки, конструкции режущих инст­рументов, шлифование, инструментальное обеспечение автоматизированного производства. Даны элементы теории проектирования режущих инструментов, освещены вопросы моделирования и надежности режущих инструментов и процесса резания.

Для студентов вузов, обучающихся по направлению «Конструкторско-техно­логическое обеспечение машиностроительных производств».

УДК 621.9 ББК 34.5

© ОАО «Издательство «Высшая школа», 2008

ISBM'»7K 5-06-005349-4

ПРЕДИСЛОВИЕ

В основу учебного пособия положены материалы, сформировав­шиеся в результате многолетнего преподавания авторами таких дис­циплин, как «Резание материалов», «Процессы формообразования и инструменты», «Режущий инструмент», «Проектирование инстру­ментов», «Проектирование и производство режущих инструментов», «Теория проектирования инструментов», «Математическое модели­рование процесса резания и режущих инструментов», «Физико-хи­мические основы обработки материалов», «Надежность станочных и инструментальных систем» и др. Базовыми при подготовке лекцион­ных курсов и, соответственно, настоящего учебного пособия явились книги известных советских и русских ученых и педагогов А.А. Авакова, В.Ф. Боброва, A.M. Вульфа, А.Д. Макарова, П.Р. Родина, И.И. Семенченко, В.М. Матюшина, Г.Н. Сахарова, В.К. Старкова, П.И. Ящерицина, М.Л. Еременко, Н.И. Жигалко и др. В некоторых разделах приведены результаты собственных исследований авторов.

В учебном пособии даны разделы, посвященные изучению явле­ний, сопровождающих резание металлов; дана информация о совре­менных инструментальных материалах, о конструкциях режущих ин­струментов; изложены вопросы, связанные с их проектированием.

Авторы уверены, что инженеры-механики специальностей 151001,151002и 151013должны знать основу современного и будуще­го производств — обработку металлов резанием и металлорежущие инструменты.

Можно надеяться, что научный уровень и последовательность из­ложения будут способствовать успешному усвоению учебного мате­риала студентами высших учебных заведений указанных и других технических специальностей для решения тех задач, которые будут возникать перед ними в их инженерной деятельности.

Авторы

ВВЕДЕНИЕ

С тех пор как человечество научилось применять для своих нужд металлы и сплавы, возникли вопросы, связанные с их обработкой для придания заготовкам из них соответствующих форм деталей. Основ­ным способом получения деталей является способ удаления (скобле­нием, опиловкой, резанием) слоя металла в виде стружки с заготовки. Первые объяснения процессов, происходящих при этом, появились во второй половине XIX века и в начале XX столетия, когда зародилась наука о резании металлов (И.А. Тиме, К.А. Зворыкин, А.А. Брике, Я.Г. Усачев).

За прошедшие 100 с лишним лет проблемы, связанные с обработ­кой металлов резанием, не потеряли актуальности, а скорее — воз­росли. Это связано прежде всего с глобальным направлением челове­ческой деятельности — изготовлением всевозможных машин и агре­гатов, которые бьг снизили затраты живого труда. При этом в целом какой-либо серьезной альернативы сегодняшним металлическим конструкциям, несмотря на достаточно широкое применение, на­пример, пластмасс, нет и не предвидится ее в обозримом будущем. Больше того, проблема не снижается в условиях широкого использо­вания безотходных технологий получения деталей машин (высоко­точных литья и ковки, порошковой металлургии) и методов, осно­ванных на лазерных технологиях. Во всех случаях как минимум чис­товая обработка путем снятия стружки (лезвийными или абразивны­ми инструментами) нужна.

Необходимо также иметь в виду следующее. Машиностроение и важнейшая подотрасль его — станкостроение являются базами для изготовления любых изделий, которые люди применяют в своей дея­тельности и жизни. Для получения наибольшей отдачи от отрасли и подотрасли необходимо совершенствование с выведением их на ка­чественно новый уровень максимальной автоматизации. Эта задача не может быть решена без внедрения в производство прогрессивных конструкций режущих инструментов на основе изучения физических процессов, сопровождающих резание металлов. Такое изучение не­обходимо как продолжение столетнего исследования в связи с ис-

пользованием новых конструкционных материалов, обладающих не­известными свойствами с точки зрения их обрабатываемости резани­ем; в связи с появлением перспективных инструментальных материа­лов, не содержащих, в частности, дефицитных вольфрама и кобальта (появление новых инструментальных материалов, позволяющих ра­ботать на повышенных скоростях резания по сравнению с традици­онными режущими материалами, всегда приводило к модернизации существующих станков или замене их парка — требовались более мощные приводы, повышенные жесткость, точность и т. д.), и, глав­ное, со стремлением повысить производительность металлообра­ботки.

Международные данные говорят о том, что незапланированные остановки автоматизированного и автоматического оборудования из-за несвоевременного вывода из строя режущих инструментов и других проблем обработки резанием составляют до 50 % всех отказов такого оборудования. Это еще раз подчеркивает значимость металло­обработки резанием, которая согласно тем же международным дан­ным будет превалировать при изготовлении деталей машин в обозри­мом будущем.

В учебном пособии даны десять разделов, включающих вопросы элементов процесса резания, инструментальных материалов, явле­ний, сопровождающих процесс резания металлов, смазочно-охлаж-дающих жидкостей, особенностей отдельных видов лезвийной обра­ботки с конструкциями режущих инструментов, шлифования, эле­ментов теории проектирования, моделирования и надежности режу­щих инструментов. Авторы надеются, что книга поможет студентам машиностроительных вузов глубже изучить особенности процесса обработки металлов резанием и использовать полученные знания в своей дальнейшей практической деятельности.

1. ЭЛЕМЕНТЫ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ МЕТАЛЛОВ

Сущность технологии изготовления деталей машин состоит в по­следовательном использовании различных технологических спосо­бов воздействия на обрабатываемую заготовку для придания ей за­данных формы и размеров. Одним из таких способов является меха­ническая обработка резанием, которая осуществляется режущими инструментами (РИ) на металлорежущих станках. Обработка резани­ем заключается в срезании с обрабатываемой заготовки некоторой части металла, оставленной на обработку и названной припуском. Он может удаляться одновременно с нескольких поверхностей заготовки или последовательно друг за другом с каждой обрабатываемой по­верхности. Иногда припуск может быть настолько большим, что его срезают не сразу, а за несколько проходов. После срезания всего при­пуска заготовка превращается в готовую деталь.

Металл, удаляемый в процессе резания с заготовки, подвергается пластическому деформированию и разрушению, в результате чего, отделившись от заготовки, приобретает характерную форму; в таком виде его называют стружкой. Срезаемая с заготовки стружка являет­ся отходом обработки металлов резанием. Пластическое деформиро­вание и разрушение материала с превращением его в стружку прохо­дит в специфических условиях. Это определяет и специфические ус­ловия процесса, справедливые только для резания металлов. Таким образом, все виды и способы получения деталей машин, основанные на срезании припуска и превращения его в стружку, определяются сочетанием «резание металлов» [18; 66].

При всем многообразии вопросов, касающихся обработки метал­лов резанием, необходимо начать с элементарных понятий, опреде­лившись с поверхностями, имеющими место при резании металлов. При этом следует ориентироваться на самый простой способ обра­ботки резанием — точение.

1.1. ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ТОЧЕНИИ

Технология изготовления большинства деталей механизмов и ма­шин включает операции механической обработки снятием струж­ки — для обеспечения формы, размеров и шероховатости поверхно-

Рис. 1.1. Поверхности при точении / — поверхность заготовки; 2 — поверхность резания, по кото­рой снимается стружка; 3 — поверхность детали

сти, заданных чертежом. При точении (рис. 1.1) заготовка получает вращательное дви­жение, а инструмент (резец) — движение подачи.

1.2. КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ТОКАРНОГО РЕЗЦА

Державка //резца (рис 1.2) представляет собой стержень прямо­угольного, квадратного или другого сечения и служит для закрепле­ния его в резцедержателе станка.

Головка резца (рабочая часть) /участвует непосредственно в сня-i ми стружки; ограничивается она передней 6, главной задней /, вспо­могательной задней 5, нижней и боковой поверхностями. Пересече­ние передней и главной задней поверхностей образует главную режу­щую кромку 2, а пересечение передней и вспомогательной задней — шпомогательную режущую кромку 4. Пересечение главной и вспо­могательной режущих кромок образует вершину 3 резца.

Рис. 1.3. Процесс снятия стружки

. 1.2. Конструктивные эле­менты токарного резца

11о передней поверхности 2, воспринимающей давление срезае­мого слоя, сходит стружка 7 (рис. 1.3). Главная задняя поверхность обращена к поверхности 2 (см. рис. 1.1), с которой снимается стружка II которая называется поверхностью резания. Вспомогательная зад-ИЯ поверхность обращена к обработанной поверхности 3, т. е. к по-||1 рхпоста, полученной после снятия припуска [78].

1.3. ДВИЖЕНИЯ ПРИ ТОЧЕНИИ

При обработке на токарных станках различают два движения: главное — вращательное движение v заготовки и движение подачи S резца (рис. 1.4) [78].

Рис. 1.4. Схемы главного движения и движения подачи при точении: а — продольном; б— поперечном

1.4. СИСТЕМЫ КООРДИНАТ И КООРДИНАТНЫЕ ПЛОСКОСТИ (НА ПРИМЕРЕ ТОЧЕНИЯ)

Согласно ГОСТ 25762—83 [8] различают следующие системы ко­ординат и координатные плоскости.

Инструментальная система координат — прямоугольная система координат с началом в вершине лезвия, ориентированная относи­тельно геометрических элементов режущего инструмента, принятых за базу. Инструментальная система координат применяется для изго­товления и контроля инструмента.

Статическая система координат — прямоугольная система коор­динат с началом в рассматриваемой точке режущей кромки, ориенти­рованная относительно направления скорости главного движения резания. Статическая система координат применяется для прибли­женных расчетов углов лезвия в процессе резания и для учета измене­ния этих углов после установки инструмента на станке.

Кинематическая система координат — прямоугольная система ко­ординат с началом в рассматриваемой точке режущей кромки, ориен­тированная относительно направления скорости результирующего движения резания.

Основная плоскость — координатная плоскость, проведенная че­рез рассматриваемую точку режущей кромки перпендикулярно на­правлению скорости главного или результирующего движения реза­ния в этой точке.

Инструментальная основная плоскость — основная плоскость ин­струментальной системы координат.

Статическая основная плоскость — основная плоскость статиче­ской системы координат.

Кинематическая основная плоскость — основная плоскость кине­матической системы координат.

Плоскость резания — координатная плоскость, касательная к ре­жущей кромке в рассматриваемой точке, перпендикулярная основ­ной плоскости.

Инструментальная плоскость резания — координатная плоскость, касательная к режущей кромке в рассматриваемой точке и перпенди­кулярная инструментальной основной плоскости.

Статическая плоскость резания — координатная плоскость, каса­тельная к режущей кромке в рассматриваемой точке и перпендику­лярная статической основной плоскости.

Кинематическая плоскость резания — координатная плоскость, касательная к режущей кромке в рассматриваемой точке и перпенди­кулярная кинематической основной плоскости.

Главная секущая плоскость — координатная плоскость, перпен­дикулярная линии пересечения основной плоскости и плоскости ре­зания.

Инструментальная главная секущая плоскость — координатная плоскость, перпендикулярная линии пересечения инструментальной основной плоскости и плоскости резания.

Статическая главная секущая плоскость — координатная плос­кость, перпендикулярная линии пересече­ния статических основной плоскости и плоскости резания.

Кинематическая главная секущая плос­кость — координатная плоскость, перпен­дикулярная линии пересечения статиче­ских основной плоскости и плоскости реза­ния.

Рис. 1.5. Плоскости при точении

Кинематическая главная секущая плос­кость — координатная плоскость, перпен­дикулярная линии пересечения кинемати­ческих основной плоскости и плоскости ре­зания.

Нормальная секущая плоскость — плоскость, перпендикулярная режущей кромке в рассматриваемой точке.

Секущая плоскость схода стружки — плоскость, проходящая через направления схода стружки и скорости резания в рассматриваемой точке режущей кромки.

На рис. 1.5 показано взаимное положение плоскости резания 1 и основной плоскости 2.

1.5. ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ТОКАРНОГО РЕЗЦА

Обработка резанием производится различными РИ: резцами, сверлами, фрезами, протяжками и т. д. В каждом из них можно выде­лить режущий клин, определяющий возможности срезания некото­рого слоя металла (припуска). Форма режущего клина бывает различ­ной и определяется наиболее простым и удобным видом инструмента для изучения геометрических параметров его режущей части. На ос­новании понятий и определений геометрических параметров токар­ного резца, имеющего в своем сечении режущий клин, изучают гео­метрию более сложных РИ.

На рис. 1.6 даны геометрические параметры токарного резца.

Передний угол у — угол между следом касательной к передней по­верхности в рассматриваемой точке и нормалью в той же точке к сле­ду плоскости резания. Назначение переднего угла — обеспечить бес­препятственный сход стружки по передней поверхности РИ. Он мо­жет быть положительным, направленным в тело резца (см. рис. 1.6), нулевым и отрицательным. Зависит величина переднего угла от свойств обрабатываемого материала: для материалов, дающих слив­ную стружку, он положительный; для материалов, дающих стружку скалывания, он нулевой или отрицательный. Кроме того, нулевой пе­редний угол применяют у фасонных режущих инструментов (в част­ности, резцов) с целью сохранения профиля при переточках таких инструментов по передним поверхностям.

Главный задний угол а — угол между следом касательной к главной задней поверхности в рассматриваемой точке и следом плоскости ре­зания. Назначение заднего угла — обеспечить свободное перемеще­ние задней поверхности резца относительно поверхности резания. Он может быть положительным, направленным в тело резца (см. рис. 1.6). В исключительных случаях он может быть нулевым; в этом слу­чае след задней поверхности совпадает со следом плоскости резания. Главный задний угол не может быть отрицательным, поскольку в 10

Рис. 1.6. Геометрические параметры прямого проходного резца

этом случае режущий клин не сможет врезаться в металл. Реальные значения главных задних углов для токарных резцов + (6... 12)°.

Угол заострения р — угол между касательными к следам передней и главной задней поверхностей резца, проведенными через рассмат­риваемую точку режущей кромки. С точки зрения условий резания величина его должна быть минимальной, предопределяемой прочно­стью режущего лезвия.

Угол резания 5 заключен между следом касательной к передней по­верхности резца в рассматриваемой точке и следом плоскости реза­ния. Его назначение, как и переднего угла, обеспечить беспрепятст­венный сход стружки по передней поверхности; кроме того, он опре­деляет угол заострения.

Между указанными углами существует следующее соотношение: 5 + у = 90° и а + р + у = 90°, если угол у — положительный. Если угол у отрицательный, то 5 + (—у) = 90°. Углы у, а, р и б задаются и из­меряются в главной секущей плоскости N— N.

Во вспомогательной секущей плоскости измеряют угол щ, заключенный между следом касательной к вспомогательной задней

И

поверхности резца, проведенной через рассматриваемую точку, и следом плоскости, проведенной через вспомогательное режущее лез­вие перпендикулярно основной плоскости. Значения вспомогатель­ных задних углов для токарных резцов (2...4)°, что обеспечивает бес­препятственное перемещение вспомогательной задней поверхности относительно обработанной. Во вспомогательной же секущей плос­кости иногда рассматривают вспомогательный передний угол уь Углы резца в плане ф, <pi и е измеряются в основной плоскости. Главный угол в плане ср заключен между проекцией главной режущей кромки на основную плоскость и направлением подачи S. Величина этого угла для различных токарных резцов изменяется в пределах (15...95)°.

Вспомогательный угол в плане (pi заключен между проекцией вспомогательной режущей кромки на основную плоскость и направ­лением, обратным направлению подачи. Значения его изменяются от 15 до 45°.

Угол при вершине е заключен между проекциями главной и вспомо­гательной режущих кромок на основную плоскость; е = 180° — (ф + Ф1).

Угол X наклона главной режущей кромки — угол между главной режущей кромкой и прямой, проходящей через вершину резца парал­лельно основной плоскости (рис. 1.6, 1.7), если принять, что основ­ная плоскость проходит через основание резца. Измеряется он в плоскости резания и может иметь нулевое, отрицательное и положи­тельное значения. Угол X определяет направление схода стружки.

Рис. 1.7. Углы наклона главной режущей кромки: 1—2 — главная режущая кромка; 3 — плоскость резания; 4 — основная плоскость

При X = 0° стружка сходит в направлении, перпендикулярном главной режущей кромке, при +Х — в направлении обработанной по­верхности, при —X — в сторону поверхности заготовки. Если главная режущая кромка параллельна основной плоскости, угол X равен

нулю; если вершина резца является наивысшей точкой главного ре­жущего лезвия, угол X отрицательный; если вершина резца является низшей точкой главного режущего лезвия, угол X положительный.

Величины указанных углов резца соответствуют данным определе­ниям при соблюдении следующих условий: а) вершина резца установ­лена на высоте оси вращения детали; б) геометрическая ось стержня резца расположена перпендикулярно оси вращения детали. Наруше­ние этих условий приводит к изменению величины углов [78].

ЭЛЕМЕНТЫ РЕЖИМА РЕЗАНИЯ И СРЕЗАЕМОГО СЛОЯ ПРИ ТОЧЕНИИ

Для совершения процесса обработки заготовки резанием и полу­чения готового изделия или детали заготовка и РИ должны совершать определенные движения. При обработке на токарном станке главное движение (вращательное) совершает заготовка, а движение подачи (поступательное) получает РИ. Главное движение обеспечивает про­цесс резания (процесс образования стружки), а движение подачи дает возможность нести этот процесс по всему участку обрабатываемой поверхности [3].

Рис. 1.8. Элементы режима резания и срезаемого слоя при точении

Скорость резания, подача и глубина резания (рис. 1.8). Окружная скорость заготовки относительно режущей кромки РИ называется скоростью резания v (м/мин); она определяется по формуле

(1.1)

(1.6)

где D — диаметр заготовки, мм; п — частота вращения заготовки. Из этой формулы можно определить частоту вращения

(1.2)

В расчетах скорости резания принимается ее максимальное зна­чение, соответствующее диаметру D заготовки [78].

Величина перемещения режущей кромки РИ относительно заго­товки в течение определенного времени называется подачей. При то­карной обработке обычно принимают подачу S за один оборот заго­товки (мм/об). Иногда подача выражается перемещением РИ за одну минуту (мм/мин). Между этими подачами существует зависимость:

(1.3)

Глубиной резания t (мм) называется расстояние между обрабаты­ваемой и обработанной поверхностями, измеренное в направлении, перпендикулярном последней (см. рис. 1.8). Глубина резания / (мм) всегда перпендикулярна направлению подачи. Таким образом, при наружном продольном точении глубина резания представляет собой полуразность между диаметрами заготовки D и обработанной поверх­ности Д, [78]:

Кроме скорости резания, подачи и глубины резания, к элементам режима резания относятся толщина а и ширина b среза. Величины а и Ъ представляют собой не толщину и ширину срезанной стружки, а размеры срезаемого слоя до образования стружки [78].

Толщина среза а измеряется в направлении, перпендикулярном главной режущей кромке, ширина среза b — вдоль нее (мм). Как меж­ду толщиной среза и подачей, так и между глубиной резания и шири­ной среза существуют определенные соотношения. Из прямоуголь­ного треугольника KLN (см. рис. 1.8) следует

(1.5)

из прямоугольного треугольника ОКМ

Из формул и рис. 1.9 видно, что при постоянных подаче Su глуби­не резания t с увеличением главного угла в плане ср толщина среза уве­личивается, а ширина среза уменьшается.

Рис. 1.9. Формы поперечного сечения срезаемого слоя при обработке резцами с различными значениями угла ф

Глубина резания и подача характеризуют процесс резания в ос­новном с технологической, или производственной, стороны. Поэто­му их называют технологическими элементами режима резания. Тол­щина и ширина среза более точно, чем глубина резания и подача, ха­рактеризуют и объясняют физическую сторону процесса резания, по­этому их называют физическими элементами режима резания [3,78].

Площадь поперечного сечения среза PLKM (см. рис. 1.8) опреде­ляется из выражения

F=ab=tS. (1.7)

Объем стружки, снимаемый за одну минуту работы,

Q = v t S. (1.8)

1.7. СВОБОДНОЕ И НЕСВОБОДНОЕ РЕЗАНИЕ

При свободном резании в работе принимает участие только глав­ная режущая кромка. В этом случае все участки режущей кромки на­ходятся в одинаковых условиях, а направления перемещения всех частиц стружки практически одинаковы. Если режущая кромка пер­пендикулярна направлению подачи, резание является прямоуголь-

а б

Рис. 1.10. Примеры свободного резания

ным свободным (рис. 1.10, б), а если не перпендикулярно — косо­угольным свободным (рис. 1.10, а). Основные законы процесса реза­ния обычно изучают сначала в условиях свободного прямоугольного резания, так как в этом случае процесс освобождается от ряда наслое­ний, усложняющих наблюдение явлений.

В производственных условиях приходится иметь дело в основном с процессом несвободного резания (см. рис. 1.8), при котором вспо­могательная режущая кромка в зависимости от радиуса закругления при вершине резца, вспомогательного угла в плане и подачи прини­мает большее или меньшее участие. Она создает так называемое по­бочное резание в дополнение к главному резанию, осуществляемому главной режущей кромкой. При этом процесс образования стружки является весьма сложным, так как здесь отдельные элементы стружки стремятся передвигаться по передней поверхности резца в различных направлениях [77, 78].

1.8. ПЕРЕДНИЙ И ЗАДНИЙ УГЛЫ ТОКАРНОГО РЕЗЦА