Физические основы процесса резания

Сущность токарной обработки металлов

Токарная обработка является наиболее распространенным мето­дом обработки резанием и применя­ется при изготовлении деталей типа тел вращения (валов, дисков, осей, пальцев, цапф, фланцев, колец, вту­лок, гаек, муфт и др.).

В машиностроении большинство деталей получают окончательные формы и размеры в результате ме­ханической обработки заготовки ре­занием, которое осуществляется пу­тем последовательного удаления режущим инструментом (например, резцом) тонких слоев материала (в виде стружки) с поверхностей заго­товки.

Основным элементом режущего инструмента, отделяющего стружку от заготовки, является заостренный клин.

Процесс резания на токарных станках осуществляется при враща­тельном главном движении, сообщаемом обрабатываемой заго­товке, и при прямолинейном (по­ступательном) движении по­дачи, сообщаемом резцу. Различа­ют также вспомогательные движения, которые обеспечивают транспор­тирование и закрепление заготовки на станке, включение станка, изме­нение частоты вращения заго­товки и др.

Обрабатываемость материалов характеризуется сопротивлением ре­занию и качеством обрабатываемой поверхности. Обрабатываемость ме­талла зависит от его химического состава, структуры, механических и физических свойств. При черновой обработке основным критерием об­рабатываемости является стойкость инструмента при соответствующей скорости и силе резания, а при чисто­вой обработке основными критерия­ми обрабатываемости являются ше­роховатость поверхности, точность обработки и стойкость инструмента.

Методы определения обрабаты­ваемости металлов основаны на оп­ределении изменения стойкости ре­жущего инструмента.

Наиболее часто применяют так называемый «классический метод», при котором режущий инструмент испытывают на разных скоростях резания, доводят до определенного затупления и получают соответствующий период Т стойкое) и резца (в мин). При этом глубина резания и подача могут изменяться. Клас­сический метод дает достаточно точ­ные результаты, но требует значи­тельных затрат времени и металла. Более экономичными являются ус­коренные методы: точение по торцу, тепловой, радиационный и другие, однако их недостатком является меньшая точность. Токарной обра­ботке подвергают чугуны, стали, цветные металлы и сплавы, пласт­массы.

Чугуном называется сплав железа, углерода, кремния, марганца и других веществ, причем содержа­ние углерода составляет 2,14 4,5%. Различают серый, высокопрочный и ковкий чугун.

Серый чугун маркируют бук­вами СЧ, обозначающими его на­звание, и двумя цифрами, обозна­чающими предел прочности при рас­тяжении. Например, СЧ 18 — серый чугун, предел прочности при растя­жении 180 МПа.

По механическим свойствам се­рые чугуны делят на чугуны малой (СЧ 00—СЧ 18) и повышенной (СЧ 20—СЧ 45) прочности. Для изготовления деталей машин чаще применяют чугун марок СЧ 15, СЧ 20, СЧ 30 и реже — чугун марок СЧ 35, СЧ 40. Твердость серого чугуна НВ 163—269.

Высокопрочный чугун по­лучают введением в жидкий серый чугун магния (0,3—1%) или его сплава с никелем, медью, алюми­нием или кремнием. Высокопрочный чугун маркируют буквами 'ВЧ, обо­значающими его название, и двумя группами цифр, из которых первая обозначает предел прочности при растяжении, а вторая — относитель­ное удлинение. Например, ВЧ 45-5 — высокопрочный чугун, предел проч­ности при растяжении 450 МПа, относительное удлинение 5%. Твер­дость высокопрочного чугуна НВ 156-269.

Ковкий чугун отличается высокой вязкостью и маркируется буквами КЧ, обозначающими его название, и двумя группами цифр, из которых первая обозначает предел прочности при растяжении, а вто­рая относительное удлинение. На­пример, КЧ 50-4 - ковкий чугун, предел прочности при растяжении 500 МПа, относительное удлине­ние 4%.

Большое влияние на обрабаты­ваемость резанием литых заготовок из серого чугуна оказывает поверх­ностный слой металла — литейная корка, толщина которой 0,15—0,5 мм, а твердость НВ 285—321. По мере удаления от поверхности твердость чугуна снижается до НВ 187—229. Скорость резания в зоне литейной корки на 20—30% меньше по срав­нению со скоростью резания внутрен­них слоев металла. 'Высокотемпера­турный отжиг чугунных отливок позволяет увеличить скорость реза­ния в 1,5- 2 раза.

Сталью называется сплав же­леза с углеродом. Большое влияние на обрабатываемость сталей оказы­вает их химический состав. С увели­чением содержания углерода повы­шается механическая прочность ста­ли и, как следствие, возрастает ее сопротивление резанию. При обра­ботке сталей с малым содержа­нием углерода (0,1—0,25%) по­лучают большую шероховатость по­верхности.

Углеродистые стали обыкновенного качества обозначаются буквами Ст и числами от 0 до 6 (например, сталь СтЗ). Чем больше число в обозначении марки стали, тем выше содержание углерода. Качественные углеродис­тые стали обозначают числами 08; 10; 15; 20; 25 и т. д., которые пока­зывают среднее содержание углеро­да в стали в сотых долях процента. Например, содержание углерода в стали 15 около 0,15%. Предел проч­ности (временное сопротивление разрыву) для углеродистых сталей σ_в = = 300/700 МПа, он возрастает с увеличением содержания. углерода; твердость не превышает HB230.

Автоматные конструкци­онные стали обозначаются А12, А20, АЗО и А40г. Предел прочности этих сталей σ_в = 600/800 МПа (для холоднотянутой стали) и σ_в = = 400/700 МПа (для горячеката­ной стали); твердость НВ 160—207. Автоматные стали отличаются повы­шенным содержанием серы, поэтому они обрабатываются лучше, чем уг­леродистые стали как обыкновенного качества, так и качественные.

Легированные стали обо­значают цифрами и буквами (на­пример, 20Х, 40ХН, ЗОХГН, 20ХНЗА и т. д.). Цифры показывают среднее содержание в стали углерода в сотых долях процента, буквы — наличие легирующего элемента, цифры после букв — содержание легирующего элемента в %, буква А в конце обо­значает, что сталь высококачествен­ная. Предел прочности легирован­ных сталей σ_в = 700/1300 МПа (в зависимости от марки). Повышение содержания некоторых легирующих элементов, таких, как хром (Сr), молибден (Мо), ванадий (V), воль­фрам (W), никель (Ni), увеличивает прочность и ухудшает теплопровод­ность сталей, что приводит к ухуд­шению их обрабатываемости. Крем­ний (Si) ухудшает обрабатываемость стали из-за образования силикатных абразивных включений. Стали с крупнозернистой структурой обраба­тываются режущим инструментом лучше, чем стали с мелкозернистой структурой.

В ряде случаев для улучшения обрабатываемости стальные заго­товки подвергают предварительной термической обработке. Твердость после отжига НВ 180—270, а после термической обработки HRC 42—55.

К сплавам цветных ме­таллов, наиболее часто обрабаты­ваемым на токарных станках, отно­сятся бронза, латунь и дюралюми­ний.

Бронза — сплав меди с оловом, алюминием, марганцем, кремнием и другими элементами. Бронзы обозна­чают буквами Бр, затем — началь­ными буквами основных элементов, вошедших в сплав, и цифрами, ука­зывающими среднее содержание этих элементов в процентах. Например, сплав БрОЦСЗ-12-5 содержит в сред­нем 3% олова, 12% цинка, 5% свин­ца и остальное — медь. Для лучшей обрабатываемости и улучшения ан­тифрикционных свойств в состав бронз вводят свинец.

Латунь — сплав меди с цин­ком. Латунь обозначают буквой Л и двузначным числом, показываю­щим среднее содержание меди в про­центах. Например, латунь Л62 содер­жит 62% меди и 38% цинка. Для лучшей обрабатываемости в латунь вводят 1—2% свинца (автоматная латунь), а для повышения прочно­сти — алюминий, никель и другие элементы. Например, латунь ЛЖМц 59-1-1 содержит 59% меди, 1% же­леза, 1% марганца и 39% цинка.

Дюралюминий— сплав алю­миния с медью (4—5%), магнием (0,5%), марганцем, кремнием и же­лезом. Дюралюминий бывает следую­щих марок: Д.1, Д6, Д16 и т. д. Обозначение дюралюминия не свя­зано с его химическим составом.

Большинство пластмасс (тек­столит, волокнит, аминопласт, поли­стирол и др.) обладает низкой тепло­стойкостью и теплопроводностью, которые в 200—300 раз меньше ана­логичных параметров стали и чугуна. "В состав пластмасс входят соедине­ния, обладающие абразивными свой­ствами, что вызывает интенсивный износ резцов по задней поверхности и затупление режущих кромок.

При обработке пластмасс приме­няют резцы, аналогичные по форме и геометрическим размерам резцам для обработки металлов. Хорошо противостоят абразивному воздей­ствию пластмасс резцы, оснащенные пластинами из твердых сплавов.