Образование шероховатости в процессе обработки поверхности

На шероховатость поверхности, обработанной резанием, влияет большое число факторов: метод и режим обработки; условия охлаждения и смазки инструмента; хим. состав и микроструктура обрабатываемого материала; конструкция, геометрия и стойкость инструмента; тип и состояние используемого оборудования; состояние приспособлений для установки заготовок и режущих инструментов. Все эти факторы можно объединить в три основные группы:

· факторы, связанные с геометрией резания,

· факторы, обуславливающие упругую и пластическую деформацию обрабатываемого материала,

· факторы, обуславливающие или способствующие возникновению вибраций режущего инструмента относительно обрабатываемой поверхности.

Возникновение неровностей по геометрическим причинам рассматривается как копирование на обрабатываемой поверхности траектории движения и формы режущих лезвий инструмента. Форма и взаимное расположение неровностей с этой точки зрения определяются формой и состоянием режущих лезвий и теми элементами режима резания, которые влияют на изменение траектории движения режущих лезвий относительно обрабатываемой поверхности. Однако пластические и упругие деформации обрабатываемого материала и вибрации искажают геометрическую картину, нарушают закономерное распределение неровностей на поверхности и значительно увеличивают их высоту.

Рассмотрим процесс формирования шероховатости при точении – самом простом методе обработки резанием. В других методах обработки многолезвийными инструментами, по существу, картина повторяется, иногда с некоторыми особенностями.

Геометрические причины образования шероховатости. Влияние этих причин иллюстрируется схемами на рис. 9.3. За один оборот заготовки при точении резец перемещается на величину подачи S₁ (мм/об) и переходит из положения 1 в положение 2 (рис. 9.3а). При этом на обработанной поверхности остается несрезанная резцом некоторая часть металла, которая образует остаточный гребешок m высотой R_z. Величина и форма этих гребешков определяется подачей и формой режущей части инструмента. При подачи до значения S₂ высота R_z неровностей снижается до (рис. 9.3б). Изменения углов в плане φ и φ₁ оказывает влияние не только на высоту, но и на форму неровностей поверхности (рис. 9.3в). Если резец имеет закругленную вершину радиусом r₁, форма неровностей также становится закругленной (рис. 9.3г). Увеличение радиуса закругления вершины резца до r₂ уменьшает высоту R_z шероховатостей (рис. 9.3д). Исходя из этих геометрических соображений проф. Л.В. Чебышев предложил формулу для определения высоты неровностей:

(9.7)

Рис. 9.3. Геометрические причины образования шероховатости

при точении

При изготовлении режущего инструмента и при его износе и затуплении на режущем лезвии образуются неровности и зазубрины, которые увеличивают шероховатость обработанной поверхности. По практическим данным, которые приводит А.А. Маталин [5], при затупленнии инструмента и появлении на нем зазубрин шероховатость обработанной поверхности возрастает: при точении на 50 – 60%, при фрезеровании цилиндрическими фрезами – на 100 – 115%, фрезеровании торцовыми фрезами – на 35 – 45%, при сверлении – на 30 – 40%, при развертывании – на 20 – 30%. Приведенное увеличение шероховатости обработанной поверхности при затуплении режущего инструмента вызвано не только геометрическим влиянием зазубрин, но и возрастанием радиуса закругления лезвия, которое способствует повышению степени пластической деформации. Для снижения и даже устранения влияния зазубрин и затупления режущего лезвия необходимо своевременно перетачивать инструменты и выполнять тщательную доводку рабочих граней.

Влияние упругой и пластической деформации металла в поверхностном слое на шероховатость поверхности. При обработке резанием пластичных материалов поверхностный слой претерпевает пластическую деформацию, что значительно изменяет форму и размеры неровностей. Шероховатость при этом, как правило, увеличивается. При обработке хрупких материалов, например, чугунов, наблюдается вырывание отдельных частиц, что ведет к увеличению высоты и изменению формы неровностей.

Скорость резания существенно влияет на развитие пластических деформаций при точении и, как следствие, на шероховатость обработанной поверхности. Это влияние описывается графиком на рис. 9.4, построенным на основании экспериментальных данных. Шероховатость обработанной поверхности в значительной степени связана с процессами образования стружки и с явлениями нароста на резце.

Рис. 9.4. Влияние скорости резания на образование нароста и шероховатость обработанной поверхности при точении стали 45 (П.Е. Дьяченко)

Малые скорости резания углеродистых конструкционных сталей порядка V= 1 м/мин приводят к незначительному повышению температуры, что способствует образованию элементной стружки. Отделение стружки проходит достаточно легко и без заметных деформаций поверхностного слоя обработанной поверхности. С увеличением скорости резания до 40 м/мин образование стружки сопровождается выделением большого количества теплоты, которая пластическому течению отделяемого металла вдоль передней поверхности резца. В некоторый момент под действием усилий, прижимающих слои металла к передней поверхности резца, и высокой температуры слои металла привариваются к передней (и отчасти задней) поверхности, образуя нарост. При скорости резания 20 – 40 м/мин нарост наиболее велик и устойчив.

При дальнейшем повышении скорости резания количество теплоты,выделяемой в процессе стружкообразования, увеличивается. Нарост нагревается быстрее остальной части зоны деформации, частично разупрочняется, и силы сцепления его с материалом резца не оказывают достаточного сопротивления силам трения стекающей стружки, в результате чего частицы металла застойной зоны уносятся вместе со стружкой. Нарост уменьшается и в интервале скоростей 60 – 70 м/мин полностью исчезает. При дальнейшем увеличении скорости резания наросты на резце не образуются.

Как видно на графике рис. 9.4, в зоне малых скоростей V= 2÷5 м/мин, при которых нарост не образуется, высота неровностей на обработанной поверхности незначительна. С увеличением скорости размеры неровностей поверхности возрастают, достигая при 20 – 40 м/мин наибольших значений, во много раз превосходящих расчетную по геометрическим причинам величину.

Дальнейшее повышение скорости резания уменьшает нарост и понижает высоту шероховатости обработанной поверхности. В зоне скоростей, при которых нарост не образуется (V > 70 м,мин) шероховатость поверхности оказывается минимальной.

При чистовой обработке, когда состояние и точность обработанной поверхности имеют решающее значение, необходимо вести обработку в зоне скоростей, при которых нароста на инструменте не образуется, а шероховатость поверхности получается наименьшей.

Так как лезвие инструмента и его вершина практически всегда имеет некоторый радиус округления ρ (см. рис. 9.5), часть металла ниже точки В не срезается, а подминается округленной частью лезвия и подвергается упругой и пластической деформации. Несрезанный слой металла стремится упруго восстановиться, что вызывает трение по задней поверхности резца и увеличивает шероховатость. Очевидно, что при глубине резания, равной или меньшей t_min, невозможно резание. Величина t_min зависит от радиуса округления режущего лезвия, свойств обрабатываемого материала и скорости резания. Практика показывает, что t_min уменьшается с уменьшением радиуса округления ρ и с увеличением скорости резания. В многочисленных исследованиях установлено, что при уменьшении глубины резания до 0,02 мм нормальное резания прекращается, и резец начинает скользить по обрабатываемой поверхности, периодически врезаясь в нее и вырывая отдельные участки. Шероховатость при этом резко возрастает. Поэтому при чистовом и тонком точении обычными резцами глубину резания (припуск) не рекомендуется назначать слишком малой.

Рис. 9.5. Схема отделения стружки резцом

с радиусом округления лезвия ρ

Аналогичная картина наблюдается и в направлении подачи при взаимодействии главной режущей кромки и обрабатываемого материала, что приводит к пониманию того, что в результате округления режущего лезвия существует и минимальная подача S_min, при которой начинается резание, т.е. отделение стружки от основного материала, и при меньшей подаче резание прекращается и заменяется пластическим и упругим смятием материала. Экспериментальные исследования показали, что при подаче S< 0,12 мм/об шероховатость обработанной поверхности не снижалась по закону параболы в соответствии с формулой (9.7), а либо уменьшалась незначительно или даже возрастала. В этих случаях при снижении подачи резко (в несколько раз) увеличивается удельная сила резания, повышается степень пластической деформации металла в поверхностном слое обрабатываемой поверхности и стружки, усадка стружки, нарост на вершине резца и, как следствие, растет высота шероховатости. Шероховатость обработанной поверхности в значительной степени определяется пластическими деформациями обрабатываемого материала.

В связи с этим для обеспечения наименьшей шероховатости обработанной поверхности и высокой производительности обработки чистовое точение углеродистых конструкционных сталей рекомендуется проводить при подачах S= 0,05÷0,12 мм/об.

На характер и высоту неровностей оказывает влияние обрабатываемый материал и его структура. При обработке резанием более вязких и пластичных материалов, склонных к пластической деформации, получаются более грубые и шероховатые поверхности. Стали с ферритной основой имеют склонность к образованию большей шероховатости. Шероховатость обработанной поверхности уменьшается при переходе от структуры ферроперлита к трооститу и мартенситу.

Снижение вязкости обрабатываемого материала за счет наклепа поверхностного слоя способствует уменьшению шероховатости обработанной поверхности. Например, на практике при развертывании отверстий после зенкерования, если припуск на развертывание меньше глубины наклепанного зенкерованием более хрупкого поверхностного слоя, то получается поверхность с минимальными неровностями.

Применение смазочно-охлаждающих жидкостей способствует снижению высоты неровностей поверхностей за счет предотвращения схватывания, уменьшения трения и облегчения процесса стружкообразования.

Влияние на шероховатость вибраций технологической системы. Удвоенная амплитуда колебания лезвия инструмента относительно обрабатываемой поверхности превращается в высоту остаточной неровности. Поэтому вибрация технологической системы является дополнительным источником увеличения шероховатости обработанной поверхности.

Большое влияние на вибрации и шероховатость обработанной поверхности оказывает влияние состояние станка. Поэтому регулярное обслуживание, ремонты и регулировки станков, установка их на виброопоры для защиты от вибраций другого оборудования обеспечивают снижение шероховатости обработанной поверхности. Важно обеспечить также высокую жесткость приспособлений для установки как заготовок, так и режущих инструментов.

Неравномерность припуска обуславливает колебания сил резания и является одной из причин вибраций технологической системы. Особенно заметно влияние неравномерности припуска на шероховатость поверхности при тонком точении или растачивании.

Формирование шероховатости поверхности при различных методах обработки (фрезеровании, сверлении, шлифовании и т.д.) подчиняется тем же закономерностям, что и при точении. Характер этих закономерностей несколько изменяется в зависимости от изменения соотношения геометрических причин, пластических деформаций и вибраций, связанных с особенностями отдельных методов обработки.