Кінематичні і геометричні параметри процесу різання

Кінематичні і геометричні параметри процесу різання

КУРСОВА РОБОТА

Кінематичні і геометричні параметри процесу різання

1 Кінематика процесу різання

Обробка різанням - це частина технологічного процесу виготовлення деталей, яка полягає в утворенні нових поверхонь шляхом відділення поверхневих шарів металу з утворенням стружки. Різання проходить шляхом проникнення в оброблювану заготовку клиноподібного твердого тіла - різальної частини інструмента, рух якого здійснюється під дією приводу верстата. Для здійснення процесу різання необхідно забезпечити відносний рух інструмента і заготовки. Сукупність відносних рухів інструмента і заготовки для утворення заданої поверхні називають кінематичною схемою обробки.

Більшість принципових схем обробки різанням ґрунтуються на суміщенні двох елементарних рухів - обертового і прямолінійного. Прямолінійний або круговий рух інструменту чи заготовки, який забезпечує найбільшу швидкість відносного переміщення, називають головним рухом-швидкістю різання V м/хв. Якщо головний рух обертовий, то швидкість різання визначається за формулою V=рDn/1000 м/хв, тут D- діаметр оброблюваної заготовки (при точінні), або діаметр інструменту (фрезерування, свердління, шліфування), n - частота обер-тання інструменту, або заготовки хв-1. Якщо головний рух зворотно поступовий, (стругання, довбання) то швидкість різання визначається за формулою

V= м/хв,

тут L - довжина робочого ходу інструменту, або стола (мм), n- число подвійних ходів за хвилину, к- коефіцієнт, що характеризує відношення швидкості робочого ходу до швидкості холостого ходу к =Vрх/Vхх.

Подача s - це відносне переміщення, пройдене певною точкою інструменту чи заготовки в напрямку руху подачі за певний цикл головного руху (оберт, подвійний хід…). Вона вимірюється в мм/оберт, мм/подвійний хід.

Процес різання проводиться в конкретних умовах, які характеризуються певними режимними параметрами. В процесі різання на оброблюваній заготовці розрізняють три поверхні : 1- оброблена поверхня; 2- поверхня різання; 3-оброблювана поверхня. При точінні схема розміщення цих поверхонь показана на рис.1. Поперечний перетин знятого за один оберт заготовки шару в багатьох випадках різання має форму паралелограма.

Рис 1. Рис.2

На цьому рисунку s- подача на 1 оберт заготовки, t -глибина різання. Вона визначається як віддаль між оброблюваною і обробленою поверхнями, виміряна по перпендикуляру до останньої t= мм, а- товщина зрізуваного шару (мм), в- ширина зрізуваного шару (мм). а=ssinц, b=t/sinц. Площа зрізуваного шару стружки f=ab=st.

Режим різання характеризується наступними величинами v, s, t, a і основ-ним часом на протязі якого здійснюється процес різання to. При обробці на токарних верстатах to=, тут l -довжина поверхні, яка обробляється різанням, і- число робочих проходів; і=д/t, де д - припуск на обробку. Тоді to=lд/nst (хв).

2 Геометричні параметри різця

Одним з найбільш розповсюджених і простих різальних інструментів є токарний прохідний прямий різець. Він складається з двох частин: робочої (різальної) частини і корпуса. Різальна частина різця обмежена рядом поверхонь, перетин яких утворює різальні кромки і вершину (рис.2). 1-передня поверхня - поверхня по якій сходить стружка, 3- головна задня поверхня (повернута до поверхні різання), 4-допоміжна задня поверхня (повернута до обробленої поверхні). Лінія перетину передньої поверхні і головної задньої поверхні - головна різальна кромка - 2. Лінія перетину передньої поверхні і допоміжної задньої поверхні - допоміжна різальна кромка - 5. Точка перетину різальних кромок - вершина різця - 6.

Рис.3. Відрізний різець

Відрізний різець (рис.3) має одну передню поверхню (1), головну задню поверхню (2), дві допоміжні задні поверхні (3), головну різальну кромку (4), дві допоміжні різальні кромки (5) і дві вершини (6).

Для того, щоб визначити кутові параметри різця необхідно його ув'язати з системою площин: 1. Основна площина проходить паралельно до напрямків поздовжньої і поперечної подач токарного верстата, як правило вона співпадає з опорною поверхнею різця. 2.Площина різання проходить через головну різальну кромку дотична до поверхні різання (перпендикулярно до основної площини) в стані спокою (без подачі). 3. Головна січна площина проходить через певну точку головної різальної кромки перпендикулярно до проекції головної різальної кромки на основну площину її слід А-А, (рис.4). 4.Допоміжна січна площина проходить через точку допоміжної різальної кромки перпендикулярно до проекції допоміжної різальної кромки на основну площину (слід Б-Б).

Рис.4. Геометрія різця

В головній січній площині розглядають такі кути, що характеризують процес різання: 1. Головний задній кут б - це кут між площиною різання і головною задньою поверхнею різця, заміряний в головній січній площині. 2.Кут загострення в - це кут між головною задньою і передньою гранями, заміряний в головній січній площині. 3. Головний передній кут г - це кут між передньою поверхнею і перпендикуляром до площини різання. 4. Кут різання д- це кут між площиною різання і головною передньою поверхнею д=б+в = 90-г. . В допоміжній січній площині лежать допоміжний задній кут б1, допоміжний передній кут г1, допоміжний кут загострення в1 і допоміжний кут різання д1.

Кут нахилу головної різальної кромки л- це кут, що знаходиться в площині різання, що проходить через головну різальну кромку перпендикулярно до основної площини і лежить між різальною кромкою і лінією, що проходить через вершину різця паралельно до основної площини (рис.7). Цей кут впливає на напрям сходу стружки. При л+ стружка іде в сторону обробленої поверхні, при л- в сторону необробленої поверхні, а при л=0 - завивається в архімедову спіраль.

Кут між проекцією головної різальної кромки на основну площину і напрямком подачі називається головним кутом в плані . Кут між проекцією допоміжної різальної кромки на основну площину і напрямком подачі називається допоміжним кутом в плані 1. Кут між проекціями головної і допоміжної різальних кромок на основну площину називається кутом при вершині ;11800. Кути і1 визначають положення різця по відношенню до заготовки.

3 Залежність кутових параметрів процесу різання від умов

Всі розміри кутових параметрів різця будуть зберігатись в процесі різання лише в тому випадку, коли вершина різця встановлена на висоті обертання заготовки, геометрична вісь різця строго перпендикулярна до вісі обертання заготовки і вектор швидкості подачі направлений вздовж вісі обертання заготовки (перпендикулярно до вісі різця). Любі відхилення від цих положень (випадкові чи спеціальні) ведуть до зміни значень одного або декількох кутових геометричних параметрів. На рис.5 показано вплив повертання різця навколо вертикальної вісі на деякий кут . При цьому міняються значення кутів і 1. Всі інші кутові параметри не міняються.

Рис. 5

Вплив зміщення вершини у вертикальному напрямку показано на рис.8. Встановлення вершини різця вище (рис.6), або нижче осі обертання автоматично веде до зміни всіх кутових параметрів процесу різання (,,,,1). При встановленні різця вище центру заготовки на деяку величину Н призводить до зміни фактичних значень переднього і заднього кутів на деяку величину , =, тоді ф= і ф=. При встановленні різця на величину Н нижче центра заготовки фактичні значення цих кутів будуть мати такі значення: ф= і ф=-. Приведені залежності справедливі для кутів, заміряних в площині, що проходить через вершину різця перпендикулярно до осі заготовки. В площині різання зміна цих кутів визначаються по більш складних залежностях.

Рис. 6

4 Фізичні основи процесу різання

Різання є складним фізичним процесом в ході якого виникають пружні і пла-стичні деформації. Цей процес супроводжується тертям, тепловиділенням, усадкою стружки, наростоутворенням, наклепом обробленої поверхні і зношуванням інструменту. Більшість твердих тіл (метали, діелектрики, напівпровідники),що піддаються обробці різанням мають кристалічну будову, що характеризується трьохмірною періодичністю розміщення атомів. Ідеальні кристали характеризуються безмежною сукупністю атомів, періодично розміщених в просторі.

Усі реальні кристали мають певні недосконалості будови: точкові, лінійні, просторові і об'ємні дефекти. Точкові дефекти -вакансії і атоми між вузлами. Лінійні дефекти, що порушують правильність чергування атомних площин у кристалічних ґратках (в границях однієї, або декількох міжатомних віддалей) називаються дислокаціями. В процесі обробки металу (затвердівання…) завжди утворюються дислокації різних видів.

Рух і розмноження дислокацій завжди приводить до елементів пластичної деформації, а їх взаємодія, в основному, визначає сукупність механічних властивостей металу. Якщо пластична деформація проходить шляхом ковзання то одна частина кристалу переміщається відносно другої вздовж певної щільноупаковоної площини ковзання. На 1 мм2 площини ковзання знаходиться біля 1012 атомів. В процесі деформування при різанні реальних кристалів число дислокацій (щільність), що перетинає 1 см2 площі доходить до 108-1012, а щільність вакансій зміцненого металу доходить до 109-1020 в см3.

При різанні полікристалічних матеріалів одночасно з внутрішньою деформацією проходить міжкристалічна деформація (відносне зміщення (проковзування) і повертання зерен…).При підвищенні температури міжкристалічні зв'язки послаблюються і руйнування матеріалу буде проходити не тільки в нутрі зерен, але і по їх границях.

Вивчення механічних деформації показує, що для реальних полікристалічних матеріалів дуже трудно створити прості формули “напруження - деформація - температура”. Тому при вивченні процесу різання матеріал заготовки розглядають як ізотропне тіло з середніми фізико-механічними властивостями.

5 Процеси деформації і руйнування матеріалів при різанні

Першу спробу дати опис процесу відділення зруйнованого шару (стружки) від заготовки зробив І.А.Тіме в своїй праці “Опір металів і дерева різанню” (1870р.) Запропонована ним елементарна схема стружкоутворення ґрунтувалась на простому спостереженні за процесом різання. І.А. Тіме вважав, що різання -це процес послідовного сколювання окремих елементів стружки по єдиній “площинці сколювання”, нахиленій до площини різання під кутом 1 (рис.7).

Різальний інструмент, переміщаючись під дією сил різання, деформує (стискає) матеріал, що лежить на його шляху. В момент найбільших напружень, допустимих для даного матеріалу, він сколюється по площині -, утворюючи елемент стружки. Цю площину називають площиною сколювання, або зсуву. В процесі утворення елемента стружки сили різання зростає, а в момент сколювання зменшується, що призводить до коливання сили, що діє на інструмент з боку заготовки, отже процес різання періодичний. Кут дії =+=180-1 коливається в границях 1450-1500. З збільшенням кута різання кут зростає, але не у великих границях.

Рис. 7

Металографічними дослідженнями встановлено, що шар металу, який знімається в процесі обробки, до перетворення в стружку піддається деформації на певній дільниці (зоні). Ширина цієї зони стружкоутворення залежить від властивостей оброблюваного матеріалу і режимів обробки. Найбільший вплив на ширину зони стружкоутворення має швидкість різання. З збільшенням швидкості різання вона може звузитись до десятих і навіть сотих долів мм. Тому з деяким спрощенням можна вважати, що зсув іде по площині ковзання, яка розміщена під кутом зсуву1.

При врізанні реального різця, який завжди має деякий радіус заокруглення, R заготовку навколо різця виникає область деформованого матеріалу. Розміри цієї області, характеристика процесу стружкоутворення і стан поверхневого шару деталі залежать від властивостей оброблюваного матеріалу і умов різання. При обтіканні леза частина деформованого матеріалу переміщається по передній поверхні різця і перетворюється в стружку, а друга частина, що знаходиться нижче лінії зрізу, рухається по задній поверхні різця і утворює поверхневий шар деталі. Умовно весь об'єм пластично деформованого матеріалу можна розділити на 4 зони (рис.8)

1 зона - найбільш віддалена від різальної частини інструменту. Це зона пружних і малих пластичних деформацій. Тут зерна злегка витягуються і повертаються. Виникає складний напружений стан, напруження можуть досягнути границі текучості.

2 зона -найбільш інтенсивна деформація. Зерна металу тут при переміщенні максимально видовжуються, стискаються і повертаються. В контактній області матеріла з інструментом проходить додаткова деформація матеріалу через його гальмування тертям по передній і задній поверхнях інструменту.

Рис. 8

В цьому випадку, коли контактні температури доходять до величин близьких до температури плавлення, на контактних поверхнях металу утворюється тонкий сильно деформований і оплавлений шар. Тут виникають значні пластичні деформації (200-300% і більше).

Біля різальної кромки матеріал сильно зміцнюється, щільність дислокацій доходить до 1012 на см2, виникає сітка мікро тріщин, які розділяючись і зливаючись утворюють мікро тріщини критичних розмірів. Проходить розрив витягнутих волокон біля вершини ріжучого клина і товщина мікро тріщини становить ся спів мірною з товщиною зрізуваного шару. Дальший розвиток тріщини проходить по нестабільній траєкторії, напрям якої визначається властивостями оброблюваного матеріалу, величиною зерна, станом границь зерен і умовами різання. В тому випадку, коли при різанні пластичних матеріалів тріщина виходить на зовнішню поверхню другої зони, проходить розділення матеріалу.

При різанні твердих матеріалів має місце крихке руйнування і тріщина, розповсюджуючись з великою швидкістю (близькою до швидкості звуку), повністю відділяє готовий елемент стружки від основного матеріалу. Розповсюдження тріщин нижче лінії зрізу призводить (навіть при утворенні зливних стружок) до появи на оброблюваній поверхні виривів, виступів, зазубрин.

3 зона - це деформований матеріал, що утворив стружку. Приріст деформації тут не проходить, швидкість деформації рівна нулю, величини деформацій досягають максимальних значень.

4 зона - поверхневий шар обробленої заготовки. Напружено деформований стан в поверхневому шарі виникає через перетікання деформованого матеріалу з першої зони до додаткового зминання матеріалу округленою різальною кромкою і деформацією його задньою поверхнею інструмента. Після проходу інструмента, коли матеріал перестає контактувати з задньою поверхнею, матеріал заготовки пружно відновлюється (пружна післядія), особливо при різанні пружних полімерних і неметалічних матеріалів. Цей шар має специфічні фізико-механічні властивості і шорсткість.

Від деформацій, які протікають в зоні різання і фізико-механічних властивостей оброблюваного матеріалу залежить, в основному, вид стружки, яка утворюється в процесі різання матеріалу. Розрізняють такі види стружки: зливна, сколювання і надлому (рис.9). В деякій літературі розрізняють зливну стружку, стружку сколювання (суставчасту), елементну і надлому .

Рис.9. Видит стружки: а- зливна, б-сколювання, в- надлому

Зливна стружка утворюється при обробці пластичних матеріалів (конструктивної сталі, дюралюміну…) з великою швидкістю різання, коли знімається шар незначної товщини інструментом з відносно великим переднім. На ній не помітні площини зсуву.

Стружка сколювання складається з пластично деформованих і взаємно зсунутих елементів, які досить міцно з'єднані на площинах зсуву (сколювання). Утворюється стружка сколювання при обробці сталей з пониженою пластичністю при значних товщинах зрізуваного шару і відносно невеликих швидкостях різання і передніх кутах. В тому випадку, коли при різанні пластичних матеріалів виникає інтенсивне тріщиноутворення, проходить повний поділ стружки на слабозвязані елементи, утворюється елементна стружка.

При обробці крихких матеріалів (чавун, бронза, вольфрам, керамічні матеріали…) проходить крихке руйнування і тріщина, розповсюджуючись з швидкістю близькою до швидкості звуку, відділяє елемент стружки від основного матеріалу. Так як пластична деформація майже не проходить, то елементи стружки, що утворюються не мають правильної форми. Оброблена поверхня деталі шорстка з зазубринами і виривами. Таку стружку називають стружкою надлому.

6 Наріст і його вплив на процес різання

Фізичні і хімічні процеси на поверхнях контактуючих тіл дуже різноманітні і складні. Особливо складні процеси при різанні матеріалів, тут проходить деформація і руйнування поверхневих шарів ріжучого клина, на передній поверхні утворюються наліпи, нарости, які значно впливають на процес стружкоутворення, погіршують якість обробленої поверхні. В контактній області виникає цілий ряд явищ, таких як адсорбція, адгезія, дифузія, ерозія, окислення, охрупчення… Ці явища значно впливають на процес деформування і руйнування оброблюваного матеріалу, вібрації, виділення і розповсюдження теплоти в зоні різання, структурні і фазові перетворення в поверхневих шарах деталі.

Найбільш складним є процес тертя. Розрізняють тертя зовнішнє і внутрішнє. У випадку внутрішнього тертя, що виникає при деформуванні матеріалу, розміщеного навколо ріжучого леза і пружної післядії в поверхневих шарах заготовки, проходить передача кількості руху від шару до шару і перетворення механічної енергії в теплову у всьому об'ємі. При цьому поверхні дотикання неперервні і їх розміри не залежать від навантаження.

При зовнішньому терті має місце контакт двох тіл в окремих точках, а це значить що контакт дискретний і його площа залежить від величини прикладеного навантаження. Тут деформування і руйнування матеріалу і теплота, що при цьому виділяється, локалізовані у тонкому поверхневому шарі. Явища зовнішнього тертя найкраще пояснює молекулярно-механічна теорія.

В залежності від кінематичних ознак розрізняють тертя ковзання, кочення і вертіння.

В залежності від стану поверхонь тертя розрізняють: 1- чисте тертя (при відсутності окисних плівок, яке супроводжується адгезією і холодним зварюванням); 2- сухе тертя окислених поверхонь без змащування і забруднень; 3-граничне тертя при наявності тонкого шару мастила, який має шарову будову в пограничній зоні; 4-рідинне тертя з повним розділенням поверхонь шаром мастила; 5- напівсухе і напіврідинне тертя (змішане тертя). Особливе значення тут мають коефіцієнти тертя =, тут сила тертя F=Fдеф+Fадг, ; N-нормальне навантаження. Fдеф -сила необхідна для здійснення пластичної деформації матеріалу; Fадг-сила необхідна для переборювання адгезійних зв'язків.

Коефіцієнт тертя залежить від фізико-механічних властивостей оброб-люваного матеріалу, стану поверхонь, температури і швидкості тертя, розприділння навантажень на поверхні контакту, характеру і виду тертя і інших факторів.

Тертя при різанні має свою специфіку: мають місце різні види тертя (граничне і рідинне рідко); особливу роль відіграє чисте тертя, що призводить до інтенсивного руйнування інструменту; інструмент контактує з матеріалом лише один раз; тертя проходить при дуже великих тисках (1-3 ГПа) і температурах, що досягають температури плавлення; має місце складне роз приділення нормальних і дотичних навантажень; великі і непостійні значення коефіцієнта тертя; складний взаємний вплив вібрацій і характеру тертя; жорсткий режим тертя, що призводить до появи наростів і інтенсивного руйнування поверхневих шарів інструменту.

Наростоутворення. При деяких умовах різання пластичних матеріалів на передній поверхні інструменту біля головної різальної кромки утворюється сильно деформована маса дрібних частинок оброблюваного матеріалу, міцно зчеплених з передньою поверхнею (рис.10 ). Ця маса має клиноподібну форму і називається наростом. Утворення наросту пояснюється тим, що в наслідок великого тиску з боку стружки на передню поверхню інструменту і високої температури пластично деформованого матеріалу, а також через шорсткість передньої поверхні відбувається адгезія між інструментом і стружкою, що сходить. В результаті на передній поверхні інструменту утворюється тонкий загальмований шар, який називається наростом.

Рис. 10. Наростоутворення

Рух стружки відбувається вздовж загальмованого шару з подоланням сил внутрішнього тертя. Твердість наросту в 2,5-3,5 рази перевищує вихідну твердість оброблюваного матеріалу і тому сам наріст може брати участь у різанні, запобігаючи спрацюванню різальної кромки. Будучи продовженням різальної частини, наріст змінює геометрію інструменту, що істотно впливає на деформацію зрізуваного шару, сили різання, якість обробленої поверхні.

Основний недолік наросту в тому, що він не постійний, наростає з “0” до деякого значення, обривається і виноситься з зони різання разом з стружкою. Періодичні зриви наросту призводять до коливань кута різання і зміни глибини різання, до виникнення вібрацій, що знижує точність і збільшує шорсткість обробленої поверхні. Тому при чистовій обробці наріст недопустимий.

Основними факторами, що впливають на утворення наросту є властивості оброблюваного матеріалу, геометрія різального інструменту, елементи режиму різання, шорсткість передньої поверхні інструменту. Найінтенсивніше наріст утворюється при обробці пластичних матеріалів (маловуглецева сталь, дюралюміній, в'язка латунь…) З елементів режиму різання найбільш істотно впливає швидкість різання. При V<5 м/хв і V>60 м\хв наріст не утворюється. Це пояснюється тим, що при V<5м\хв температура в зоні різання невисока і недостатня для утворення наросту. Якщо V>60м/хв то висока температура в зоні різання робить стружку більш пластичною, отже зменшується коефіцієнт тертя і наріст не утворюється.

Збільшення переднього кута, доводка передньої поверхні інструменту, застосування мастильно охолоджуючих речовин і збільшення твердості оброблюваного матеріалу приводить до зменшення наростоутворення.

7 Усадка стружки

В результаті пластичних деформацій, що виникають під час різання, довжина стружки L виявляється меншою ніж L0 шлях пройдений різцем, а товщина стружки а1 більшою ніж товщина зрізуваного шару а . Зменшення довжини стружки називається усадкою, яка характеризується коефіцієнтом усадки К=L0/L Так як L0>L то К>1. На величину усадки впливає пластичність оброблюваного матеріалу (чим більша пластичність тим більше К), передній кут ( з ростом переднього кута зменшується К, так як при цьому зменшується деформація зрізуваного шару матеріалу і полегшується робота різця, зменшується потужність різання). Тому бажано працювати з більшим переднім кутом, якщо це допускає міцність різальної частини.

Усадка стружки зменшується із збільшенням товщини стружки. Отже для зменшення питомої витрати потужності на різання бажано мати по можливості більшу подачу, при якій утворюється товстіша стружка.

На величину усадки впливає швидкість різання V. Чим вища швидкість різання, тим менше часу припадає на деформацію кожного елемента стружки. При високій швидкості кожен елемент не встигає деформуватись так повно, як при малій. Пластична деформація відбувається не по всьому елементу стружки, а тільки у порівняно малих його ділянках. Проміжки заповнені майже недеформованими частинками металу і загальна усадка менша.

Страницы: 1, 2