Понятие о процессе образования стружки

План занятия №38

По дисциплине «Материаловедение».                  
Тема занятия: «Основы учения о резании металлов. Понятия о режимах резания»

Тип занятия: комбинированное.

использованием метода проблемного обучения.

Цели:

\Образовательные:

- познакомить учащихся с основными узлами токарных станков, их назначением и техническим заданием;

- систематизировать знания по теме «классификация металлорежущих станков»;

Развивающие:

- создать условия для развития логического мышления и анализа данных;

- способствовать развитию умения обобщать данные и правильно принимать решения.

Воспитательные:

– формирование у учащихся интереса к данной теме занятия;

– воспитание навыков взаимопонимания и взаимопомощи, эффективного группового общения и командной работы.

Межпредметные связи: слесарное дело, метрология.

Литература: Никифоров В«М. Технология металлов и конструкционные материалы. – Л., Машиностроение, 1987-З6Зс.

Кузьмин Б.А. и др. Технология металлов и конструкционные материалы- М., Машиностроение,1989-4960.

Основные элементы режима резания.

Процесс резания характеризуется 

§ скоростью резания, 

§ подачей, 

§ глубиной резания, 

§ поперечным сечением среза,

§ штучным и машинным временем.

Скоростью резания называют перемещение в единицу времени обрабатываемой поверхности заготовки относительно режущей кромки инструмента. 

Скорость резания определяют по формуле

 

где D — диаметр обрабатываемой поверхности заготовки, мм; n — число оборотов заготовки в минуту.

 

Рис. 1. Элементы режима резания

 

Подача s — поступательное перемещение режущей кромки резца за один оборот обрабатываемой заготовки (мм/об).

Глубиной резания t называют расстояние между обрабатываемой и обработанной поверхностями, полученное за один проход резца (см. рис. 156). При наружном продольном точении глубина резания

 

где D — диаметр заготовки до прохода, мм. d — диаметр заготовки после прохода, мм.

 

Поперечное сечение среза f, представляющее собой площадь срезаемого слоя, равно произведению подачи s на глубину резания t, т. е.

 

Время, затрачиваемое на изготовление одной детали, называют штучным.  

Оно состоит из машинного (основного) и вспомогательного времени.

Машинным называют время, затрачиваемое непосредственно на процесс резания металла резцом. 

Машинное время Гм, необходимое для обработки точением одной детали за несколько проходов, определяют по формуле

                 

где L — расчетная длина хода резца, мм i — число проходов.

Расчетная длина хода резца L состоит из длины обрабатываемой детали

и

сбега

резца

, величин врезания резца                                  , т. е.

 

Величина врезания резца зависит от глубины резания, главного угла резца в плане φ и определяется по формуле

 

Величина сбега резца, необходимая для предотвращения образования заусенцев на обработанной детали, зависит от диаметра I детали и принимается равной 1—3 мм.

Вспомогательным называют время,   затрачиваемое рабочим на подготовительные операции (установку, снятие детали и резца, пуск и остановку станка, уборку стружки и т. д.).

Штучное время, потребное на обработку одной детали, определяют по формуле:

, где

Т_м - машинное время, мин

Т_в - вспомогательное время, затрачиваемое на установи и снятие обрабатываемой детали, смену режущего инструмента, измерение детали, управление станка, мин

Т_обс - время на организационное и техническое обслуживание рабочего места и станка (получение инструмента, смазка станка, уборка рабочего места и т. д.), мин; 

Т_отд - время перерывов на отдых, мин, Зная штучное время, можно определить производительности станка (число деталей, изготовляемых в единицу времени). Часовую производительность станка можно определить по формуле:

 

Из приведенной формулы видно, что производительность станка может быть увеличена за счет уменьшения машинного и вспомогательного времени, а также времени на обслуживание рабочего места и станка.

Автоматизация и механизация процесса обработки, применение рациональных приспособлений, обучение рабочих передовым методам труда — все это увеличивает производительность станка

Понятие о процессе образования стружки

Детали машин изготовляют из заготовок. Слой металла, который срезают с заготовки во время обработки, называют припуском. Заготовка — предмет производства, из которого изменением формы, размеров, шероховатости поверхности и свойств материала изготовляют деталь.

Процесс резания сопровождается сложными физическими явлениями (пластическими и упругими деформациями заготовки, тепловыделением, образованием нароста на режущей части инструмента), которые оказывают большое влияние на работу режущего инструмента, производительность труда и качество обработки. Для осуществления процесса резания на токарном станке необходимы два движения: главное движение /и движение подачи Я (рис. 4, я, 5). Главным движением является вращательное движение заготовки; на него расходуется большая часть мощности станка. Если подвести к вращающейся заготовке резец, то он проточит кольцевую канавку, а чтобы обработать заготовку по всей цилиндрической поверхности, необходимо перемещение резца вдоль ее оси.

Движение подачи — это поступательное движение резца, обеспечивающее непрерывное врезание его в новые слои металла.

 На обрабатываемой заготовке различают следующие поверхности: 

§ обрабатываемая — поверхность, с которой должен быть срезан слой металла;

§ обработанная — поверхность, полученная на заготовке после срезания слоя металла (стружки);

§ поверхность резания — образуемая на обрабатываемой заготовке непосредственно режущей кромкой (см. рис. 4). Поверхность резания может быть конической, цилиндрической, плоской (торцовой) и фасонной, в зависимости от формы режущей кромки резца и расположения ее относительно детали (см. рис. 2).

В машиностроении применяют различные режущие инструменты, но принцип их работы в основном сходен. Наиболее простой режущий инструмент — резец. Его режущая часть представляет собой тело клиновидной формы, которое под действием силы Р, передаваемой рабочим механизмом станка, врезается в поверхностный слой заготовки, сжимая его (рис. 5). В этом сжатом слое возникают внутренние напряжения. Когда при дальнейшем углублении резца внутренние напряжения превысят силы сцепления между молекулами металла, сжатый элемент 2 скалывается и сдвигается вверх по рабочей поверхности резца. Последующее движение резца сжимает, скалывает и сдвигает очередные элементы металла, образуя стружку.    

а- При наружном точении, б - при подрезании и отрезании;

1 —обрабатываемая поверхность, 2 поверхность резания, 3 — обработанная поверхность; главное движение,

движение подачи

 

 

 

ПРОЦЕСС ОБРАЗОВАНИЯ СТРУЖКИ:

1— заготовка, 2 — элементы стружки. 3 — резец

 

В зависимости от условий обработки и обрабатываемого материала образуется стружка различной формы.

Элементная стружка (стружка, скалывания) образуется при обработке твердых и маловязких материалов с низкой скоростью резания (например, при обработке твердых сталей). Отдельные элементы такой стружки слабо связаны между собой или совсем не связаны (рис. а).

 

Если закрепить заготовку на станке, а резец 2 установить на некоторую глубину резания и перемещать под действием силы Р (рис. а), то по прикосновения с заготовкой резец передней поверхностью постепенно будет вдавливаться в металл. При этом поверхностный слой металла упруго деформироваться. 

Если продолжать вдавливание резца в металл, то наступит момент, когда возникшее напряжение превысит сначала предел упругости, а затем предел прочности этого металла. Это приведет к сдвигу по плоскости скалывания N и отделению от основной массы металла первого элемента стружки, затем второго, третьего и в   результате образуется стружка.  

При этом угол скалывания Δ остается постоянным. Установлено, что угол скалывания для различных металлом находится в пределах 145— 155⁰

Стружка, образующая, процессе резания металла пластически деформируются — укорачивается и укорачивается по сечению. Это явление называют усадкой

В общем случае усадка стружки зависит от механических свойств обрабатываемого металла, переднего угла резца, скорости резания, подачи и охлаждения. 

С увеличением переднего угла резца, скорости резания и при применении смазочно-охлаждающих жидкостей усадка стружки уменьшается. Виды стружек.

При резании различных металлов получают три вида стружек: 

                                           сливную, скалывания и надлома. (а - элементная, б - ступенчатая, в - сливная спиральная, г - сливная ленточная, д - надлома

Ступенчатая стружка образуется при обработке стали средней твердости, алюминия и его сплавов со средней скоростью резания. Она представляет собой ленту, гладкую со стороны резца и зазубренную с внешней стороны (рис. б). Обработанная поверхность имеет ровный вид.

Сливная стружка получается при обработке мягкой стали, меди, свинца, олова, некоторых пластмасс при высокой скорости резания. Эта стружка имеет вид спирали (рис. в) или длинной (часто путанной) ленты

(рис. г). 

Стружка надлома образуется при резании малопластичных материалов (чугуна, бронзы) и состоит из отдельных кусочков металла неправильной формы. На

поверхности детали остаются следы обработки.

 

В процессе обработки резанием резец и деталь испытывают некоторую упругую деформацию, что приводит к частичному отжатию (перемещению) их в направлении действия сил и является одной из причин неточности обработки. 

§ Так, сила резания Р_Л отжимает резец книзу и резец под действием этой силы стремится изогнуть деталь вверх; 

§ сила Рх отжимает резец в направлении, противоположном продольной подаче и стремится уменьшит величину подачи; 

§ сила Pv отталкивает резец от обрабатываемой детали и стремится уменьшить глубину резания.

Для получения большей точности обработки, учитывая действие этих сил, при чистовых проходах обычно уменьшают сечение снимаемой стружки. 

Правильный выбор углов резца и применение смазочно-охлаждающих жидкостей также способствует улучшению качества и точности обработки резанием.

Мощность, затрачиваемая на резание металлов. Эффективную мощность или мощность резания Np можно определить по формуле

где 

P_z — сила резания, н

 — скорость резания, м/мин.

Мощность двигателя определяют с учетом коэффициента по* лезного

действия станка (к. п. д.)

 , где η - к. п. д. станка.

Для различных типов станков установлены следующие средние значения к. п. д.: 

§ 0,80—0,90 — для токарных и фрезерных станков; 

§ 0,85—0,90 — для сверлильных;  0,65—0,75—для строгальных;  0,80—0,85 — для шлифовальных.

Стойкость резцов и скорость резания Стойкость резцов.

В процессе снятия стружки механическая работа резания полностью переходит в тепло, которое нагревает обрабатываемую деталь, стружку и резец; незначительная часть тепла излучается в окружающую среду. Стойкость и износ резцов зависят от температуры резания.

Стойкость резца определяется временем его непрерывной работы при заданном режиме резания до момента затупления.

На стойкость резца влияет в основном скорость резания. С повышением скорости резания стойкость инструмента снижается. Эту зависимость можно выразить формулой

 где 

- скорость резания;

А — постоянная, зависящая от свойств обрабатываемого металла, режима резания, материала режущей части резца, геометрии резца (определяется по таблицам); 

Т — время работы резца до затупления (стойкость резца); 

m — показатель степени, зависящий от свойств обрабатываемого металла,

материала режущей части резца и характера обработки.

§ При обработке стали резцами из быстрорежущей стали т=0,125; 

§ при обработке чугуна т=0,1; 

§ для резцов, оснащенных твердосплавными пластинками' т=0,15—0,20,  а минералокерамическими т=0,5.

 

В процессе резания, вследствие трения стружки о переднюю поверхность резца и трения задней поверхности резца о деталь, резец затупляется и изнашивается. 

Износ резца зависит от свойств его материала и обрабатываемой детали, скорости и температуры резания, а также от ряда других факторов.

 

Скорость резания.

 Важнейший показатель режима резания — скорость резания. Она влияет на усилие резания, количество выделяющегося при этом тепла, стойкость и износ режущего инструмента и др.

Скорость резания определяют по формуле

где    

 

— коэффициент, характеризующий отдельную группу обрабатываемого металла и условия обработки (определяется по таблицам);

k — поправочный коэффициент, учитывающий влияние свойств обрабатываемого металла, материала инструмента, главного угла в плане, охлаждения (определяется по таблицам); х_v и у_v ~ показатели степеней, зависящие от условий обработки

(определяются по таблицам).

 

На скорость резания влияют: 

§ механические свойства обрабатываемого металла, 

§ свойства материала режущей части резца; 

§ стойкость режущего инструмента, 

§ подача, 

§ глубина резания,  углы резца, 

§ охлаждение и т. д.

При повышении предела прочности и твердости металла скорость резания при постоянной стойкости резца приходится снижать во избежание быстрого износа инструмента.

Влияние материала режущей части резца на скорость резания учитывают поправочным коэффициентом k.  

Для обработки чугуна и стали резцом из твердых сплавов ВК2 и ВКЗ коэффициент k =1, резцом из углеродистой и низколегированной стали k =0,120,15, резцом из твердых сплавов ТЗОК4 и Т60К6 коэффициент k= 1,3-1,8. 

Резцы из углеродистой, низколегированной и быстрорежущей сталей целесообразно применять при малых скоростях резания, когда их стойкость больше, чем при повышенных скоростях. 

Зависимость стойкости режущего инструмента от скорости резания также учитывается соответствующим поправочным коэффициентом. 

Стойкость резца Т, равная 30 мин, при данной скорости резания принята за единицу. 

При увеличении скорости резания стойкость резца получается меньше единицы, а при уменьшении—больше единицы. Эта зависимость обусловлена количеством тепла, выделяющегося в единицу времени. При больших скоростях резания тепла выделяется больше, что снижает режущие свойства инструмента.

При данной стойкости резца увеличение подачи и глубины резания требует уменьшения скорости резания.

На скорость резания влияют углы резца: φ, γ и ά  

При постоянном режиме резания с увеличением угла φ увеличивается толщина среза и уменьшается его ширина, что приводит к сокращению длины активной части главной режущей кромки резца, повышению тепловой нагрузки на нее, а следовательно, к снижению стойкости резца. 

Уменьшение угла φ повышает стойкость резца. Так, уменьшение угла φ с 90 до 30° при данной стойкости резца позволяет увеличить скорость резания стали почти в два раза.

При обработке мягких металлов увеличение угла γ до известных пределов повышает стойкость резца, так как уменьшает деформацию срезаемого слоя и силу резания. 

Металлы высокой твердости обрабатывают резцами с пластинками из твердых сплавов, имеющими отрицательный передний угол γ, что изменяет силовые условия работы резца и повышает его стойкость. При положительном значении угла γ режущая пластинка работает на изгиб, при отрицательном — на сжатие.

Оптимальная величина главного заднего угла ά, позволяющего при данной стойкости резца иметь максимальную скорость резания, для различных материалов находится в пределах 6—12°.

В процессе обработки резец и изделие охлаждают для понижения температуры резания. Это повышает стойкость инструмента, а следовательно, позволяет повысить скорость резания. 

Так, при черновой обработке охлаждение с интенсивностью (8-12) х 10^-3 м³/мин позволяет увеличить скорость резания на 15—25%, при чистовой — на 5—8%.

В качестве охлаждающих жидкостей при обработке резанием применяют содовые и мыльные водные растворы, эмульсии, растительные и минеральные масла (льняное, сурепное, веретенное, соляровое, а также сульфофрезолы — масла, содержащие активированную добавку в виде серы).

Труднообрабатываемые стали (жаропрочные и др.) охлаждают высоконапорной струей. Охлаждающую жидкость под большим давлением (2—3 Мн/м²) подводят через узкую щель шланга к режущей кромке резца снизу. Это обеспечивает более интенсивный отвод тепла и уменьшает трение задней поверхности резца о поверхность резания.

Охлаждение высоконапорной струей при обработке резанием повышает стойкость резца в 5—7 раз по сравнению с обычным способом охлаждения, а следовательно, значительно повышает скорость резания.