Динамика процесса резания

Учебный элемент 2.4 Динамика процесса резания Цель изучения: научиться правильно составлять схемы действия сил резания Рассмотрим систему сил при точении, при свободном резании. На переднюю поверхность резца давит стружка с силой Rп, которая является равнодействующей нормальной силы Nп и силы трения стружки о переднюю поверхность Fп. На заднюю поверхность резца вблизи режущей кромки действует нормальная сила упругого противодействия обрабатываемого материала Nз, и сила трения о заднюю поверхность инструмента Fз. Они дают результирующую силу Rз. Для осуществления процесса резания к резцу извне должна быть приложена сила, равная по величине и противопо­ложная по направлению силе R. При несвободном резании: Р – сила резания, равнодействующая сил, действующих на режущей инструмент при обработке резанием; Рz – тангенциальная или касательная составляющая силы резания, совпадающая по направлению со скоростью главного движения реза­ния в вершине лезвия; Ру – радиальная составляющая силы резания, направленная по радиусу главного вращательного движения резания в вершине лезвия; Рх – осевая составляющая силы резания, параллельная оси главного вращательного движения резания. Система сил при точении: – свободное резание; R = Rп + Rз – несвободное резание Измерение сил резания Величины составляющих силы резания могут быть определены экспериментально, т. е. путем непосредственного измерения с помощью динамометра. Принцип работы механических динамометров основан на том, что под действием сил резания на резец 9 резцедержатель 8 вследствие деформации упругих стенок 1 корпуса 6 перемещается. Эти перемещения через сухари 2 и ножки 4, 7 фиксируются индикаторами 3 и 5. Механические динамометры просты по конструкции, но имеют малую чувствительность. Схема механического динамометра 1 – упругие стенки корпуса 6; 2 – сухари; 3,5 – индикаторы; 4,7 – ножки; 8 – резцедержатель; 9 – резец. Электрические динамометры являются наиболее чувствительными приборами, так как они мало инерционны и позволяют с помощью осциллографа производить запись быстропротекающих процессов за тысячные и стотысячные доли секунды. Они преобразуют механическое воздействие сил резания в легко измеряемые электрические величины. Силы резания при точении Составляющие силы резания могут быть определены теоретически. При определении мощности резания, при проектировании коробки скоростей, учитывают силу Рz. По силе Ру определяют прогиб детали. Силу Рх учитывают при проверке на прочность механизма продольной подачи. , Н Ср – коэффициент, учитывающий условия проведения опыта; х, у и п – показатели степени влияния соответственно глубины резания, подачи и скорости резания; Kp – коэффициент, учитывающий отличие реальных условий от опытных Влияние условий обработки на составляющие силы резания Влияние обрабатываемого материала обычно выражают посредством одной наиболее типичной характеристики. Для вязких материалов (сталей) такой характеристикой является предел прочности на разрыв в, а для хрупких материалов (чугунов) – твердость НВ. С1 и С2 – коэффициенты, выражающие искомую силу резания при в и НВ, равных единице Скорость резания влияет на коэффициент усадки стружки , изменения которого приводят к соответствующему изменению сил резания. Зависимость характеризуется наличием максимума силы резания в зоне невысоких скоростей резания и паде­нием силы резания при дальнейшем увеличении скорости резания. Чем больше глубина резания и подача, тем больше площадь поперечного сечения среза, следовательно, больше сопротивление металла стружкообразованию, и процесс резания будет протекать с большими силами Pz, Py и Px. Чем меньше передний угол или чем больше угол резания , тем тяжелее резцу врезаться в обраба-тываемую заготовку, больше деформация срезаемого слоя при превращении его в стружку, тем больше, следовательно, и сила Pz. Применение СОЖ влияет на уменьшение трения, облегчение процесса стружкообразования, а следо-вательно, и на снижение сил резания. Силы резания и мощность при сверлении В процессе резания сверло испытывает сопротивление со стороны обрабатываемого материала. На каждую точку режущей кромки действуют силы сопротивления. Сила сопротивления Рх направлена вдоль оси сверла. В этом же направлении действует сила Рк на поперечную кромку, сила трения Рл ленточки о поверхность отверстия. Ро – осевая сила, которую должен передать механизм подачи на шпиндель станка. Значение максимальной осевой силы, допускаемой механизмом подачи станка, приводится в его паспорте. Рz – создает момент сопротивления резанию Мкр на главных режущих кромках, который преодолевается механизмом главного движения. Радиальные силы Ру, равные по величине, но противоположно направленные, уравновешиваются. , Н Величину крутящего момента Мкр определяют по формуле, полученной эмпирическим путем. , Н·м Величину крутящего момента Мкр необходимо знать при расчете мощности. кВт Силы резания при фрезеровании Для прямозубой цилиндрической фрезы равнодействующую силу сопротивления срезаемого слоя Р можно разложить на: касательную Рz и радиальную Ру или горизонтальную РН и вертикальную Рv. Сила Рz создает момент сопротивления резанию, по ней рассчитывается механизм главного движения станка и мощность резания. Радиальная сила Ру оказывает давление на подшипники шпинделя станка и изгибает оправку. По горизонтальной силе производиться расчет механизма подачи станка, силы закрепления заготовки и деталей приспособления. Сила Рv прижимает фрезу к заготовке и учитывается при проектировании приспособлений. , Н , Н·м При фрезеровании фрезой с винтовым зубом, кроме сил Рz, Ру, РН и Рv, будет действовать еще осевая сила Ро, направление которой зависит от направления винтовой канавки фрезы, имеющей угол наклона . При расчете мощности учитывается сила Рz. , кВт Обучающий блок 3. Тепловые процессы при резании металла Учебный элемент 3.1 Технологическая система: образование и распределение теплоты Цель изучения: ознакомиться со структурой технологической системы и изучить составляющие уравнения теплового баланса. Эффективность производства и уровень качества изделий в значительной мере определяются совершенством технологических систем, применяемых при изготовлении тех или иных машин. Технологическая система (ТС) в соответствии с ГОСТ 27.004 – 85 – это совокупность функционально взаимосвязанных средств оснащения, предметов производства и исполнителей, предназначенная для выполнения в регламентированных условиях производства заданных технологических процессов и операций. Вид технологической системы определяется предметом производства (автомобиль, штангенциркуль или какой-либо другой объект). Все технологические системы обладают общими признаками, связанными с тепловыми процессами: а) каждая из систем функционирует только тогда, когда к ней подведен один или несколько видов энергии; б) технологическая система может быть разделена на подсистемы, функционирующие параллельно или последовательно. Технологическая подсистема первого уровня ТП1 имеет целью получение на заготовке (детали) отдельных поверхностей или изменение свойств обрабатываемого материала. Например, ТП1 при механической обработке может быть предназначена для получения наружной поверхности детали, отверстий и т. д. При термической обработке целью ТП1 могут быть повышение твердости (цементация, закалка), улучшение структуры и др. изменения свойств материала. Если ряд ТП1 объединить в одну или несколько операций (технологическую линию), получим подсистему второго уровня ТП2, результатом функционирования которой будет деталь машины. Например, деталь получается в результате объединения в подсистему второго уровня технологических подсистем ТП1.1–ТП1.5. Объединение нескольких подсистем второго уровня при той или иной организации процессов сборки, сварки или других способов объединения деталей создает подсистему третьего уровня ТП3, результатом функционирования которой является узел машины. Объединяя несколько ТП3 с помощью тех или иных процессов и устройств при соответствующих организации, контроле и управлении – получаем технологическую систему результатом функционирования является изделие или машина. Виды энергии, подводимые к технологическим системам Технологическая система (как и подсистема любого уровня) функционирует только тогда, когда к ней подведена энергия. В последнее время в дополнение к традиционно используемым видам энергии (механической, электрической, тепловой, химической) в технологических системах все большее применение находят энергия плазмы, лазера, заряженных частиц. Источники теплоты в технологических системах Источники теплоты по отношению к технологической системе могут быть внутренними или внешними. Внутренние источники возни­кают в самой подсистеме. Они являются результатом рабочего процесса или процессов, происходящих в оборудовании. Например, теплота, выделяющаяся при деформировании обрабатываемого материала, при трении между ним и инструментом, при трении в зубчатых передачах станков и т. д. Источники и стоки теплоты Внешние источники или стоки теплоты подводятся в подсистему независимо от внутренних. Примерами могут служить дополнительный подогрев обрабатываемого материала (источник теплоты), охлаждение материала или инструмента (стоки теплоты) и т. д. Распределение теплоты в системе резания В зоне стружкообразования можно выделить источники, в которых происходит генерирование теплоты: Q1 – количество теплоты, выделяющееся от работы деформирования и разрушения при стружкообразовании и формировании поверхностного слоя; Q2 – количество теплоты от работы сил трения при контакте сходящей стружки с передней поверхностью лезвия; Q3 – количество теплоты от работы сил трения задней поверхности лезвия о поверхность резания и обработанную поверхность; Q4 – количество теплоты от работы затраченной на пластическую деформацию металла перед плоскостью скалывания. Так как процесс резания обычно является достаточно продолжительным и устойчивым, то непрерывно выделяющаяся за время работы теплота также непрерывно отводится из зоны резания. Источники теплоты (Q) и расход теплоты (q) Расход теплоты: • q1 – количество теплоты, уходя­щее в стружку; • q2 – количество теплоты, уходя­щее в режущий инструмент; • q3 – количество теплоты, уходя­щее в деталь; • q4 – количество теплоты, выде­ляющееся в окружающую среду; • q5 – накопленная часть теплоты вызывает повышение температуры на режущем лезвии. Баланс теплоты при резании Под тепловым балансом резания понимается равенство теплоты, выделяющейся в зоне резания, и теплоты, удаляемой из нее за тот же промежуток времени. = Изменение условий резания приводит к изменению соотношения составляющих приходной и расходной частей уравнения теплового баланса. Возможны следующие варианты: 1) суммарное отводимое количество теплоты  q равно суммарному количеству выделяющейся теплоты всех источников теплообразования  Q; 2) количество отводимой теплоты меньше суммарного количества генерируемой теплоты; 3) количество отводимой теплоты больше суммарного количества выделяющейся теплоты, так как тепло­вой поток q2 постепенно прогревает резец. Т. е. улучшаются условия эвакуации теплоты, в результате температура на лезвии резца снижается. Первая ситуация: = q5 = 0 Вторая ситуация: < q5 Третья ситуация: > q5 Основные виды теплообмена в технологических системах Теплота, внесенная внешними или внутренними источниками, распределяется между всеми компонентами технологической подсистемы. При этом теплообмен может осуществляться одним из трех способов: теплопроводностью, конвекцией или тепловым излучением. Возможны разные комбинации этих способов. Теплопроводность (Т) – это процесс передачи тепловой энергии микрочастицами вещества. Конвекция (K) – это перенос тепловой энергии путем перемещения некоторых объемов жидкости (Kж) или газа (Kв). Совместный процесс конвекции и теплопроводности называется конвективным теплообменом. Тепловое излучение (И) – это процесс распространения теплоты электромагнитными волнами. 1 – заготовка, 2 – резец с пластиной 3, 4 – стружка, 5 – СОЖ Учебный элемент 3.2 Температурное поле в твердом теле Цель изучения: ознакомиться с основными видами температурных полей и изучить дифференциальное уравнение теплопроводности. Температурное поле представляет собой совокупность значений температур в различных точках тела в данный момент времени. Математическое описание трехмерного температурного поля: Различают трехмерное, двумерное и одномерное температурные поля. Частным случаем трехмерного поля является осесимметричное. Пусть, внутренняя поверхность втулки обрабатывается дорном. Кольцевые ленточки зубьев дорна при перемещении под действием силы Р упруго пластически деформируют поверхностные слои металла в отверстии, источники тепловыделения имеют форму колец, расположенных концентрично продольной оси Z. Т. е. в любом сечении А–А, проведенном перпендикулярно к этой оси, температура во всех точках металла, лежащих на любой окружности диаметром 2r (В) будет одинаковой. Осесимметричное трехмерное поле: При зацеплении двух цилиндриче­ских прямозубых колес на поверхности контакта зубьев совершается работа трения. Возникает температурное поле. Пусть оба колеса имеют одинаковую ширину В, зубья одинаково хорошо прилегают друг к другу, а влияние теплоотдачи с торцов колес пренебрежимо мало. Тогда температура разных точек по ширине зуба (по оси ОZ) будет одинаковой. Поэтому температурное поле в плоскости I – I будет таким же, как в плоскости II – II или в любой другой, перпендикулярной к оси OZ. Двумерное поле Когда изменение температуры по одной из осей координат, например по оси Z, незначительно, то им можно пренебречь и анализировать плоское, двумерное температурное поле. Двумерное температурное поле: Если можно пренебречь изменением температуры вдоль двух осей координат (например, OZ и ОY) по сравнению с изменением температуры по третьей координатной оси, тогда получаем одномерное температурное поле. Одномерное температурное поле: Виды температурных полей с учетом временного фактора Нестационарным называют температурное поле при неустановившемся тепловом режиме. Нестационарное трехмерное поле: Температурное поле при устано­вившемся тепловом режиме называют стационарным. Стационарное трехмерное поле: Температурное поле, формирующееся движущимся источником теплоты, называют квазистационарным. Рассмотрим температуру М в точке М, в неподвижной системе координат XOY, связанной с нагреваемым телом. При движении источника J над точкой М ее температура будет возрастать и в положении II достигнет максимума. В положении III температура М будет уменьшаться. Т. е. в системе координат XOY температура в точке М является функцией времени, процесс является нестационарным. Рассмотрим температуру М1 в точке М1, в подвижной системе координат X1O1Y1. При движения источника различные точки тела (N, М, K, S) будут иметь одну и ту же температуру М1, т. е. температурное поле оказывается якобы стационарным, квазистационарным. Квазистационарное поле: XOY: X1O1Y1: J – источник теплоты, движущийся по поверхности массивного тела со скоростью v Изотермические поверхности Если соединить точки, имеющие одинаковую температуру, то получим семейство изотермических поверхностей. Сечение этих поверхностей плоскостью позволяет получить семейство линий равных температур (изотерм). На изотерме может быть указана фактическая температура или избыточная температура, отсчитываемая от некоторого условного нуля. За начало отсчета принимают температуру окружающей среды 0 = 20º С . Температурное поле в резце и заготовке Дифференциальное уравнение теплопроводности для однородных изотропных тел Математическое описание температурных полей в компонентах технологических систем выполняется с помощью дифференциального уравнения теплопроводности, которое описывает температурное поле, возникающее в твердом теле под действием внешних и внутренних источников теплоты. Дифференциальное уравнение теплопроводности: с – массовая теплоемкость, Дж/(кг·ºС);  – плотность вещества, кг/м3; qв – объемная плотность тепловыделения внутренних источников, Вт/м3 Рассмотрим некоторые частные случаи: 1) нагрев твердого тела осуще­ствляется только внешними источни­ками теплоты; 2) коэффициент теплопроводности не зависит от температуры. – это коэффициент температуропроводности, который является физической характеристикой материала. Частные случаи: 1) 2) Пусть Температурные деформации станка Все источники по отношению к станку подразделяются на внешние и внутренние. Внешние источники теплоты оказывают значительное влияние на температурные деформации станков. Одним из наиболее эффективных способов уменьшения этого влияния является установка оборудования в термоконстантных помещениях. Внутренние источники теплоты. От них теплота передается к узлам станка конвективно или через сопряжение деталей и вызывает их температурные деформации. Особенно большое влияние на надежность станка оказывают те источники теплоты, которые находятся в работающем станке, в его наиболее ответственных узлах, например в шпиндельной бабке, подшипниках быстроходных валов. Температурная деформация стойки 1 плоскошлифовального станка, вызванная тепловым потоком плотностью q1 из шпиндельной бабки 2 и потоком плотностью q2 из ста­нины 3. Температурные деформации заготовок Первоначальный период характеризуется сравнительно небольшим нагревом заготовки, так как слой металла перед резцом холодный. Второй период: впереди резца идет опережающая тепловая волна, температурные деформации возрастают до определенного уровня и остаются постоянными на большей части длины заготовки. Третий период: повышение температуры необработанного участка заготовки. Температурное поле обтачиваемой заготовки и ее форма после обработки: Температурные деформации режущего инструмента Даже при установившемся тепловом режиме температурное поле инструмента и температура в отдельных его точках не остаются постоянными за период резания. Это вызывает удлинение инструмента, который рассматривают как консольную закрепленную балку. В начале резания наблюдается быстрый подъем температуры, а затем ее рост замедляется и через некоторое время наступает состояние теплового равновесия. В перерывах процесса резания инструмент охлаждается. Если работа происходит ритмично, перерывы в процессе резания по продолжительности одинаковы, а температурные деформации постоянны для всех обрабатываемых деталей. В противном случае рассеивание размеров деталей значительнее. Зависимость теплового удлинения резца (L) от продолжительности резания (): Изменение длины резца (L) при обработке партии деталей: Учебный элемент 3.3. Методы измерения температур в технологических системах Цель изучения: ознакомиться с основными целями и методами измерения температур. Методы теплофизических измерений зависят от цели, поставленной перед экспериментом: • определить мощность источников тепловыделения, законы распределения плотности тепловых потоков или общее количество теплоты; • измерить локальную температуру, т. е. температуру на небольшом участке твердого тела (условно в точке); • определить среднюю температуру на поверхности твердого тела, в том числе и на участках, где происходит его соприкосновение с другими телами или жидкостью; • изучить закон распределения температур на той или иной части поверхности твердого тела, в том числе и на контактных площадках; • определить температурное поле внутри твердого тела. Среди методов измерения температуры резания можно выделить две группы. К первой группе относятся методы, с помощью которых измеряется средняя температура стружки, а также определенных участков изделия или резца: − калориметрический метод; − метод цветов побежалости; − метод термокрасок Ко второй группе относятся методы, которыми измеряют температуру узкоограниченных участков зоны резания или резца, например: − метод термопар; − радиационно-оптический метод; − фотоэлектрический метод; − метод микроструктурного анализа. Искусственные термопары Метод искусственной термопары впервые был предложен Я. Г. Усачевым в 1912 г. Изолированная искусственная термопара вставляется в просверленное в инструменте отверстие малого диаметра, не доходящее до какой-либо точки передней или задней поверхности примерно на 0,2...0,5 мм. Температура в точке соприкосновения термопары и инструмента регистрируется включенным в цепь гальванометром. Метод искусственной термопары дает возможность определять температуру различных точек на передней и задней поверхностях инструмента и на поверхности стружки, т. е. находить температурное поле. Схема измерения температуры резца с помощью искусственной термопары 1 − спай термопары; 2 − резец; 3 − константановый проводник; 4 − гальванометр; 5 − медный проводник Æ 0,3...0,5 мм; 6 − деталь. Полуискусственные термопары В полуискусственной термопаре один из ее элементов (инструмент или деталь) участвует в механической обработке, второй не участвует в этом процессе, а вводится в зону обработки с целью измерения температуры. Метод полуискусственной термопары дает более точные результаты, чем метод искусственной, но, обеспечивая измерение температур в данных точках поверхности, не позволяет изучить закономерности влияния элементов режима резания на наивысшую температуру процесса резания. Схема измерения температуры резца с помощью полуискусственной термопары 1 − спай термопары; 2 − резец; 3 − гальванометр; 4 − константановый проводник; 5 − деталь. Естественные термопары Элементами термопары служат деталь и инструмент, которые, будучи изготовлены из разнородных металлов, в процессе резания имеют сильно нагретый контакт, являющийся спаем этой термопары. Достоинство метода: нет необходимости разрушать тела, температуру которых изучают, с целью установки проводников или заменять моделями (образцами). Метод используют для определения средней температуры на контактных поверхностях тел, независимо от того, какую форму они имеют или в каких условиях эксплуатации находятся. Схема измерения температуры резца с помощью естественной термопары: 1 − изоляция; 2 − спай термопары (место контакта); 3 − деталь; 4 − резец; 5 − потенциометр. Учебный элемент 3.4. Применение смазочно-охлаждающих технологических сред Цель изучения: ознакомиться с основными видами смазочно-охлаждающих технологических сред и их действием. Применение при обработке резанием смазочно-охлаждающих технологических сред (СОТС) повышает период стойкости режущего инструмента (РИ), уменьшает силы резания, улучшает качество обработанной по­верхности детали, а следовательно, и ее эксплуатационные характеристики. Действие технологических сред в процессе резания Смазочное действие технологической среды – это способность образовывать защитные пленки на контактных поверхностях резания, уменьшающих схватывание, фрикционный нагрев и силы трения. При охлаждающем действии изменяется температурное поле инструмента, заготовки, стружки. Снижение температуры резания обеспечивается за счет активного теплоотвода с не занятых стружкой рабочих поверхностей инструмента и в меньшей степени с самой стружки. Моющее действие определяется степенью очистки обрабатываемой детали и инструмента в зоне резания от шлама, который удерживается на поверхности твердых тел электроста- тическими, электромагнитными и механическими силами. «Режущие» действие СОТС – способность облегчать разрыв связей в обрабатываемом материале при внедрении инструмента. Пластифицирующее действие – способность облегчать пластическое деформирование металла за счет локализации деформации в тонких поверхностных слоях, которые играют роль смазочного материала, препятствуют налипанию обрабатываемого металла на инструмент и уменьшают трение на контактных площадках. Эпюра расклинивающих напряжений Защитное и упрочняющее действие СОТС способствует повышению эксплуатационных характеристик деталей. Высоким защитным действием обладают, в частности, инертные газы. При использовании некоторых СОТС обеспечивается упрочнение поверхностного слоя детали в результате измельчения внутризеренной структуры его кристаллической решетки в поверхностно-активной среде. Методы подвода технологических сред в зону резания 1. Свободно падающей струей (под давлением 0,02...0,03 МПа), что объясняется простотой реализации способа. Жидкость должна подводиться непрерывной струей с первого момента резания. Направление и форма струи должны быть отрегулированы в соответствии с проводимой обработкой. Минусы: большой расход жидкости; сильное разбрызгивание. Подвод свободно падающей струей 2. Струйно-напорный способ (под давлением 0,1...2 МПа). Тонкую струю СОЖ направляют в зону контакта инструмента с заготовкой со стороны задней поверхности лезвия. Этот способ сложнее и дороже, т. к. требуется тщательная очистка СОЖ. Струйно-напорный подвод 3. В распыленном состоянии. В этом случае СОЖ с помощью сжатого воздуха распыляется на мельчайшие капельки и вместе с воздухом в виде тумана с большой скоростью (до 200...300 м/с) подается в зону резания. Расход жидкости очень мал. Кроме того, охлаждение распыленной жидкостью более удобно, так как не требует точного направления струи. Распыление туманом 4. Внутренний подвод (под давлением через каналы в теле инструмента с выходом в зону резания). Обеспечивается надежный подвод СОЖ к контактным площадкам и удаление стружки из этой зоны. Внутренний подвод (эжекторное сверло) Требования к смазочно-охлаждающим технологическим средам Любой вид СОТС не должен оказывать вредного воздействия на человека. Не должны воспламеняться при температурах, возникающих в зоне резания. Должны быть устойчивы при хранении и транспортировке. Не должны вызывать коррозию металла. Разновидности технологических сред и области их применения Твердыми смазочными материалами (ТСМ) обмазывают лезвия сложного фасонного режущего инструмента, например протяжек, червячных фрез, метчиков. Из твердых смазочных материалов широкое распространение получил дисульфид молибдена, но можно использовать и другие вещества, например, графит, йодиды, сульфиды и селениды металлов, нитрид бора. Смазочное действие в этом случае обеспечивается за счет своеобразной структуры этих материалов. Газообразные технологические среды применяются, когда по условиям технологического процесса не допускаются к применению жидкие среды. При высоких скоростях резания газы обладают значительно большей проникающей способностью, чем жидкости. Они оказывают влияние на процессы, происходящие на контактных площадках, особенно при резании труднообрабатываемых материалов. Газовые среды могут обладать защитным или смазочным действием. Жидкие среды используются при всех видах лезвийной и абразивной обработки, снижая интенсивность изнашивания, уровень сил резания, повышая качество обработанной поверхности. К жидким технологическим средам относятся растворы эмульсолов, образующих в воде грубые дисперсии или микроэмульсии. А также водные растворы, масла быстроиспаряющиеся жидкости. Расплавы легкоплавких металлов позволяют обрабатывать высокопрочные материалы, не поддающиеся резанию с другими СОТС, или материалы с низкой обрабатываемостью. Расплавы способствуют уменьшению сил резания и интенсивности изнашивания инструментов. Эффективность действия расплавов с ростом скорости резания снижается. Пластичные смазочные вещества состоят из жидкой основы (масел различных видов), загустителя, а также различных присадок и наполнителей (например, графит, порошкообразные металлы), которые повышают смазочные и другие свойства паст. Используются при работе на малых скоростях резания, при которых достаточно периодического смазывания инструмента (нарезание резьбы, протягивание, развертывание, полирование и т. д.) 2. Теория процессов абразивной обработки Учебный элемент 2.1. Процесс абразивной обработки Цель: ознакомиться с процессом абразивной обработки, характеристикой абразивного инструмента. Абразивные методы обработки, основанные на использовании абразивных инструментов, применяются в литейных, сварочных и заготовительных цехах – для отрезки литников, очистки отливок, зачистки сварных швов, разрезки очень твердых материалов; при заточке лезвийных режущих инструментов; в механических цехах – для чистовой и отделочной обработки – шлифования, хонингования, суперфиниширования, притирки, полирования. Абразивная обработка (шлифование) – механическая обработка металлов, керамики стекла, дерева и других материалов при помощи абразивных зерен. Механизм образования стружки при шлифовании имеет свои особенности, вызванные большими скоростями деформирования, большими отрицательными передними углами, малыми толщинами срезов и малой длительностью контактов вершин зерен и заготовки. Эти особенности вносят коррективы в процесс, изменяя динамическую и тепловую стороны шлифования. Толщина стружек, срезаемых зернами, мала (10~2...10~4 мм), а в единицу времени снимается огромное количество стружек (несколько тыс/мин). Процесс резания при шлифовании состоит из врезания, установившейся обработки и доводки (выхаживания) – обработки при отсутствии поперечной подачи. Схема образования стружки Режущая способность абразивных инструментов определяется их характеристикой. Характеристика абразивных инструментов включает материал зерен и их величину, вид связки, твердость, структуру, форму и размеры инструмента. Абразивы – частицы материала в виде монокристалла, поликристалла или их осколков, которые имеют острые грани, обладают высокой твердостью и способностью резания (царапания). Абразивные материалы делятся на искусственные (синтетические) и естественные (природные). Для изготовления абразивных инструментов используют главным образом искусственные абразивные материалы: электрокорунд, карбид кремния, карбид бора, синтетические алмазы, кубический нитрид бора (эльбор). Электрокорунд. Более 70 % абразивного инструмента изготовляется из электрокорунда, который получают путем плавки глинозема в электрических печах. Основная составляющая электрокорунда – кристаллический оксид алюминия А12О3. В зависимости от содержания А12О3 и примесей, электрокорунд имеет различные цвет, структуру и свойства. Электрокорунд tk = 1250...1800 °С • нормальный: 12А…16А (89...95 % А12О3); • белый: 22А, 24А, 25А (95...98 % А12О3); • монокорунд: 43А…45А (до 99 % А12О3); • хромистый электрокорунд: 33А, 34А; • титанистый электрокорунд: 37А; • хромо-титанистый электрокорунд: 91А...97А; • циркониевый электрокорунд: 38А. Карбид кремния SiС – химическое соединение кремния с углеродом, получается при плавке кварцевого песка и кокса. Зерна SiС имеют более высокую твердость, чем электрокорунд. Применяются две разновидности карбида кремния: черный и зеленый. Недостаток – высокая хрупкость и малая прочность. Его применяют при обработке хрупких материалов – чугунов, бронзы, титановых и тугоплавких сплавов, заточке твердосплавных инструментов. Карбид кремния tk = 1300...1400 °С • черный: 53С, 54С содержание SiC 89...95 %; • зеленый: 62С, 63С, 64С содержание SiC до 99 %. Карбид бора В4С – химическое соединение бора с углеродом, получают плавлением борного ангидрида В2О3 с нефтяным коксом. Материал имеет высокую твердость, большую хрупкость и применяется в виде порошков для доводочных процессов и при ультразвуковой обработке. Синтетические алмазы (АС) получают в виде мелких кристаллов размером обычно не более 1 мм. Синтез алмазов происходит при воздействии на графит высоких давлений и высоких температур. Синтетические алмазы • порошки – алмазный слой на круге; • монокристаллы – для лезвийного инструмента. Кубический нитрид бора (КНБ), или эльбор, состоящий из 44 % бора и 56 % азота – абразивный материал, твердость которого близка к алмазу, а теплостойкость в 2 раза выше, превосходит по износостойкости все известные абразивные материалы. Эльбор бывает обычной (ЛО) и повышенной прочности (ЛП). Его получают в результате синтеза гексагонального нитрида бора при высоких давлениях и температурах. Зернистость абразивов – размер абразивных зерен. По размеру абразивные зерна делятся на четыре группы: шлифзерна – от № 200 до № 16 (размер зерен основной фракции от 2000 до 160 мкм); шлифпорошки – от № 12 до № 3 (зерна от 125 до 28 мкм); микропорошки – от М63 до М14 (зерна от 63 до 14 мкм); тонкие микропорошки – от М10 до М1. Связующие вещества (связки) служат для скрепления отдельных абразивных зерен в единое тело. Применяют связки трех типов: неорганические, органические и металлические. К неорганическим связкам относятся керамическая (К), магнезиальная (М), силикатная (С). Наиболее распространена керамическая связка: из нее изготовляется около 60 % всего абразивного инструмента. Инструменты, изготовленные на керамической связке, теплостойки, прочны, обладают химической стойкостью и не боятся влаги. Их недостаток – хрупкость. К органическим связкам относятся бакелитовая (Б), глифталевая (Г), поропластовая (П) и вулканитовая (В). Металлические связки применяются для алмазных кругов. Под твердостью круга понимается способность связки удерживать абразивные зерна от вырывания их с поверхности круга. Круги на керамической и бакелитовой связках по твердости делятся на семь классов: М – мягкие (М1, М2, М3), СМ – среднемягкие (СМ1, СМ2), С – средние (С1, С2), СТ – среднетвердые (СТ1, СТ2, СТ3), Т – твердые (Т1, Т2), ВТ – весьма твердые , ЧТ – чрезвычайно твердые. Круги на вулканитовой связке различаются по твердости: среднемягкая (СМ), средняя (С), среднетвердая (СТ) и твердая (Т). Классы твердости: • ЧТ – чрезвычайно твердые; • ВТ – весьма твердые; • СТ – среднетвердые; • Т – твердые; • С – средние; • М – мягкие; • СМ – среднемягкие. Структура абразивного инструмента определяет соотношение объемов шлифовального материала Vз, связки Vс и пор Vп. Различают четыре группы структур: Группы структур: • плотные структуры (№ 1...4). Содержание зерен 60…54 %. • плотные • средние (№ 5...8). Содержание зерен 52…46 %. • средние • открытые (№ 9...12). Содержание зерен 44…38 %. • открытые • высокопористые (№ 13...18). Высокая пористость придает инструментам лучшие условия охлаждения зерен и отвода стружки. • высокопористые Учебный элемент 1.1. 2.2. Разновидность абразивных инструментов Цель: ознакомиться с основными видами абразивного инструмента, научиться выбирать инструмент в зависимости от типа обработки. Форма, размеры и геометрические параметры абразивных инструментов определяются формой и размерами обрабатываемых поверхностей, оборудованием, на котором они будут использованы. Цельные и составные абразивные инструменты на жесткой основе в зависимости от формы делятся на шлифовальные круги, головки, сегменты, бруски. Круги шлифовальные применяются при круглом наружном и внутреннем шлифовании, при бесцентровом шлифовании, при плоском шлифовании, для заточки инструмента, при резьбо-, шлице- и зубошлифовании. Круги: • плоской формы • с выточкой • тарельчатые • чашечные Головки шлифовальные предназначены для обработки внутренних поверхностей различных форм и размеров. Головки: • абразивные • алмазные Бруски шлифовальные предназначены для суперфиниширования, хонингования, правки кругов или ручной обработки. Бруски: • абразивные • алмазные Сегменты шлифовальные используются в конструкциях сборных абразивных кругов, которые имеют прерывистую рабочую поверхность, поэтому работают с меньшей зоной контакта, а значит меньше нагревают шлифуемую деталь. Применяются сборные абразивные круги для плоского торцевого шлифования. Сегменты: • прямоугольные • выпукло-вогнутые • трапециевидные Инструмент на гибкой основе включает в себя шлифовальную шкурку и изделия из нее, эластичные полировальные круги из тканевых материалов и корда, ленты. Шлифовальные шкурки предназначены для машинной и ручной работы. Из абразивной шкурки изготавливают шлифовальные лепестковые круги, диски, листы. Ленты шлифовальные предназначены для машинной или ручной обработки с применением или без применения СОЖ. Ленты: Учебный элемент 1.2. 2.3. Виды износа кругов и способы правки Цель: изучить виды износа и способы правки шлифовальных кругов. В процессе шлифования режущая поверхность абразивных кругов изменяет свою форму и размеры в результате износа. Затупление (износ) круга происходит в результате обламывания «невыгодно» расположенных шлифующих зерен, последовательного их расщепления и образования площадок износа, когда зерна теряют свои режущие свойства. Самозатачивание круга заключается в в том, что по мере затупления шлифующих зерен возросшее сопротивление резанию вырывает их из связки, которая выкраши- вается; при этом в работу вступают новые зерна. Правка шлифовальных кругов производится для восстановления режущих способностей его зерен, либо с целью восстановления профиля. Правка может быть алмазной и безалмазной. Алмазная правка производится алмазом в виде одного зерна, закрепленного в оправке, или с помощью алмазных карандашей. Безалмазная правка осуществляется с помощью: дисков, состоящих из зерен твердого сплава ВК3-М или ВК6-М, сцементированных латунью; металлических дисков и звездочек из закаленных сталей ШХ15 или 20Х; абразивных дисков из карбида кремния черного. Алмазная правка (точение) Безалмазная правка а б а – обкат; б – шлифование. Учебный элемент 1.3. 2.4. Виды шлифования Цель: ознакомиться с основными видами шлифования и областью их применения. Шлифование – это процесс обработки металлов и неметаллических материалов абразивным инструментом. Может быть выполнена обработка наружных и внутренних поверхностей. Шлифование применяется чаще всего как отделочная операция и позволяет обеспечить высокую точность размеров (до 6-го квалитета при обработке тел вращения) и шероховатость Rа 0,63…0,04 мкм. В некоторых случаях шлифование применяется при обдирке отливок и поковок, при зачистке сварных швов, т. е. как подготовительная или черновая операция. В настоящее время применяется глубинное шлифование для съема больших припусков. В зависимости от вида обработки, формы и расположения обрабатываемых поверхностей различают наружное круглое в центрах и бесцентровое, круглое внутреннее, плоское и профильное шлифование, отрезку и прорезку. При обработке наружных и внутренних поверхностей различают предварительное, чистовое и тонкое точение. Шлифование в центрах применяется для обработки наружных цилиндрических, конических и фасонных поверхностей. Существует три разновидности наружного круглого шлифования в центрах: • методом продольной подачи Наружное круглое шлифование в центрах: Методом продольной подачи • глубинное шлифование Глубинное шлифование • врезное шлифование • деталей с прямолинейной образующей; Врезное шлифование: • с прямолинейной образующей • деталей с криволинейной образующей. • с криволинейной образующей При бесцентровом наружном круглом шлифовании заготовка 1 располагается между шлифующим 3 и ведущим кругами 4, а снизу поддерживается упором (ножом) 2. Для обеспечения продольного перемещения заготовки ось ведущего круга установлена под небольшим углом γ к оси шлифующего круга. Бесцентровое наружное шлифование Внутреннее круглое шлифование имеет две разновидности: Внутреннее круглое шлифование • шлифование в патроне применяют при обработке небольших заготовок – тел вращения; Шлифование в патроне • планетарное шлифование применяют при обработке тяжелых и громоздких корпусных заготовок. Планетарное шлифование Существует внутреннее бесцентровое шлифование, при котором заготовка 1 установлена между ведущим роликом 2, опорным 3 и прижимным роликом 4. Ведущий ролик вращается от своего привода и силами трения вращает заготовку. Последняя, в свою очередь, вращает опорный и прижимной ролики. В осевом направлении заготовка фиксируется опорной втулкой. Шлифовальный круг 5 имеет индивидуальный привод. Этот вид применяется для шлифования коротких колец, имеющих точную наружную поверхность. Внутреннее бесцентровое шлифование При плоском шлифовании обрабатываются обычно плоские поверхности деталей 1, закрепленных на столе 2. Этот процесс может быть осуществлен как периферией, так и торцом шлифовального круга. Шлифование периферией круга используют для более точных работ. Плоское шлифование: переферией торцем Ленточное шлифование обеспечивается движущейся с большой скоростью (30...50 м/с) абразивной лентой 2, расположенной между ведущим 1, натяжным 3 и ведомым 4 дисками. Ленточное шлифование обеспечивает высокое качество поверхности и точность обработки деталей 5. Ленточное шлифование