Обработка металлов резанием. Кинематические и геометрические параметры процесса резания

Лекция 3. ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ РЕЗАНИЕМ . КИНЕМАТИЧЕСКИЕ И ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ 1.1. Общие понятия и определения Обработка резанием – технологический процесс изготовления деталей, заключающийся в образовании новых поверхностей отделением поверхностных слоев материала с образованием стружки. Для осуществления процесса резания необходимо относительное движение между заготовкой и режущим инструментом. Совокупность относительных движений инструмента и заготовки, необходимых для получения заданной поверхности, называют кинематической схемой обработки. Движения резания – это движения, обеспечивающие снятие слоя металла со всей обрабатываемой поверхности. Движение, происходящее с наибольшей скоростью и определяющее скорость снятия стружки (прямолинейное или вращательное движение инструмента или заготовки), называют главным движением резания – Dv. Скорость главного движения обозначают буквой V. Движение (прямолинейное поступательное или вращательное) инструмента или заготовки, скорость которого меньше скорости главного движения резания, обеспечивающее непрерывность снятия стружки со всей обрабатываемой поверхности, называют движением подачи – Ds. Скорость движения подачи обозначают буквой S. Примеры схем обработки различных поверхностей (рис. 1.1). На обрабатываемой заготовке различают три поверхности: обработанную (3), полученную на заготовке в результате обработки; обрабатываемую (1), подлежащую обработке, и поверхность резания (2), образуемую режущей кромкой инструмента (рис. 1, а – г). Рис. 1.1 Схемы обработки заготовок: а) точением. б) фрезерованием, в) строганием, г) сверлением (рассверливанием) 1.2. Элементы режима резания Процесс обработки задаётся режимом резания. Элементами режима резания являются скорость резания, подача и глубина резания. Совокупность этих значений принято называть режимом резания. Режим резания выбирается в следующей последовательности: • глубина резания – t, • подача – S, • скорость резания – V. Глубина резания – определяется как расстояние между обрабатываемой и обработанной поверхностями заготовки, измеренное по нормали. Глубина резания измеряется в мм (рис. 1.1). t = (D – d) /2 (а и г – при точении и рассверливании); t = d /2 (при сверлении); t = H – h (б и в) при фрезеровании и строгании) Глубина резания зависит от следующих факторов: – величины припуска а (слой металла, подлежащий удалению в процессе обработки), – вида обработки (черновая или чистовая), – мощности станка. Глубина резания может быть равна припуску t = а, или t = а / i, если припуск снимается за несколько проходов (i – количество ходов, за которое снимется весь припуск при данной глубине резания). Глубина резания определяется за 1 проход. Подача (S) – это перемещение заготовки или инструмента в направлении движения подачи за цикл движения резания. При точении и сверлении подача задается в миллиметрах за 1 оборот (мм/об), при фрезеровании подача может быть задана в миллиметрах на зуб (мм/зуб), в миллиметрах в минуту (мм/мин), при строгании – в миллиметрах за двойной ход стола (мм / дв. х). Величина подачи зависит от требований к обработанной поверхности: шероховатости и точности поверхности – чем выше точность и чистота обработки, тем меньше величина подачи. Скорость резания (V) – скорость перемещения точки режущей кромки инструмента относительно заготовки. Скорость резания измеряют в метрах в минуту при всех видах обработки резанием, кроме шлифования и полирования (метры в секунду). Если главное движение резания является вращательным, то скорость резания определяется по формуле V = π D n /1000, где D – диаметр заготовки или инструмента, мм; n – частота вращения заготовки или инструмента, об/мин. При возвратно-поступательном движении скорость резания определяется по формуле V = 2L n (k + 1) /1000, где L – длина хода инструмента или детали при обработке данной поверхности, мм; n – число двойных ходов в минуту (n = 500∙ V / L∙(k + 1)); k – коэффициент отношения скорости рабочего хода к скорости холостого хода (k = VРХ/VХ.Х). К элементам процесса резания относится также основное технологическое время Тo, затрачиваемое непосредственно на обработку резанием данной поверхности (изменение формы и размеров заготовки). Основное время определяется по формуле: TO = L∙i / S∙n, где L = l + l1 + l2, l – длина обрабатываемой поверхности, l1 – величина врезания инструмента, l2 – величина перебега инструмента. Рис. 1.2. Схема к расчёту То при обработке цилиндрической поверхности 1.3. Геометрические параметры режущего клина Геометрические параметры клина режущего инструмента рассмотрим на примере токарного проходного резца. Резец состоит из двух частей: режущей А и крепежной В. Крепежная часть служит для закрепления резца в приспособлении. Режущая часть осуществляет резание и состоит из следующих элементов: 1 – передняя поверхность (по ней сходит стружка). 2 – главная задняя поверхность (обращена к поверхности резания заготовки), 3 – вспомогательная задняя поверхность (обращена к обработанной поверхности заготовки), 4 – главная режущая кромка, 5 – вспомогательная режущая кромка, 6 – вершина резца (рис. 1.3). Рис. 1.3. Элементы токарного резца Углы резца рассматриваются в сечении и в плане. Для определения углов в сечении через режущую кромку перпендикулярно главной режущей кромке проводят секущую плоскость. В сечении получаем режущий клин (рис. 1.4). Рис. 1.4. Основные углы резца Углы резца в сечении: γ – главный передний угол, α – главный задний угол резца, β – угол заострения резца, δ – угол резания. Углы в плане: φ – главный угол в плане – между главной режущей кромкой и направлением движения подачи, φ' – вспомогательный угол в плане – между вспомогательной режущей кромкой и направлением движения подачи, ε – угол при вершине резца. Передний угол γ оказывает большое влияние на процесс резания. С увеличением переднего угла уменьшается работа, затрачиваемая на процесс резания, улучшаются условия схода стружки, и повышается качество обработанной поверхности. Вместе с тем, увеличение переднего угла приводит к снижению прочности режущего лезвия. Поэтому при обработке закаленных сталей, а также при прерывистом резании для увеличения прочности лезвия назначают отрицательные углы γ. В зависимости от механических свойств обрабатываемого и инструментального материала углы γ назначают от – 10°до + 20° (для обработки обычных конструкционных сталей γ = 0 … 10о). Задний угол α служит для уменьшения трения между задней поверхностью лезвия и поверхностью резания заготовки. При обработке вязких материалов применяют резцы с большими углами α. При обработке твердых и хрупких материалов, а также при большом сечении срезаемого слоя выбирают меньшие углы. Для различных условий угол α назначают в пределах от 6 до 12°. Главный угол в плане φ существенно влияет на стойкость режущего инструмента и на шероховатость обработанной поверхности (см. рис. 1.5). С уменьшением угла φ уменьшается шероховатость обработанной поверхности. Рис. 1.5. Влияние углов φ и φ' на шероховатость обработанной поверхности Одновременно с уменьшением φ увеличивается длина активной части режущей кромки и уменьшается толщина срезаемого слоя, что приводит к снижению тепловой и силовой нагрузки на единицу длины режущей кромки. Следовательно, к уменьшению износа инструмента. Однако при малых углах φ резко возрастает составляющая силы резания, перпендикулярная оси заготовки, что приводит к ее прогибу. Угол φ назначают в зависимости от вида обработки и типа резца в пределах от 30 до 90°. При обработке заготовок малой жёсткости угол φ берут близким или равным 90°. Вспомогательный угол в плане φ' служит для уменьшения трения вспомогательной задней поверхности об обработанную поверхность. С уменьшением угла φ' уменьшается шероховатость обработанной поверхности, увеличивается прочность вершины лезвия для проходных резцов, обрабатывающие жесткие заготовки φ' = 5 … 10°; при обработке заготовок малой жесткости φ' = 30 … 45°. Угол наклона главной режущей кромки λ определяет направление схода стружки: при λ = 0 стружка сходит в направлении главной секущей плоскости перпендикулярно главной режущей кромки (см. рис. 1.6, в). При положительном λ стружка сходит к обработанной поверхности, при отрицательном λ стружка сходит к обрабатываемой поверхности. Положительный угол λ служит также для упрочнения режущей кромки, так как в момент врезания ударная сила приходится не на вершину лезвия, а на более прочное место режущего лезвия. Рис. 1.6. Углы наклона главной режущей кромки 1.4. Материалы для изготовления режущих инструментов. Требования, предъявляемые к инструментальным материалам Режущие лезвия инструмента в процессе работы находятся под действием больших давлений, трения и высоких температур, что приводит к изнашиванию режущего инструмента. Поэтому инструментальные материалы должны обладать особыми физико-механическими свойствами и отвечать определенным требованиям, связанным с условиями протекания процесса резания, технологическими особенностями каждого вида обработки, свойствами и состоянием обрабатываемого материала, а именно: • высокие механические свойства (прочность на изгиб и твердость); • высокая износостойкость, заключающаяся в способности инструментальных материалов сопротивляться разрушению при работе; • высокая теплостойкость – свойство инструментальных материалов сохранять свою твёрдость, а, следовательно, и режущие свойства при нагреве; • инструментальные материалы должны обладать определенной технологичностью, к которой относят: обрабатываемость резанием, свариваемость, шлифуемость, закаливаемость и т. д.; • экономичностью, т.е. режущие инструменты не следует целиком изготавливать из дорогих и дефицитных материалов. Краткая характеристика инструментальных материалов приведена в табл.1.1. Таблица 1.1 Инструментальные материалы Инструментальный материал Хим. состав Марка материала Твердость HRC Теплостойкость, °С Vmax, м /мин Область применения 1 2 3 4 5 6 7 Инструментальные стали углеродистые (0,7-1,3%).С У7, У13, У12А 60 – 62 200 –250 5…15 Слесарный инструмент (нож. полотна метчики, плашки и т. д.) Легированные стали низколегированные C + Cr +V+W+ + Si и т. д. Х,В2Ф,13Х 62 – 64 250 –350 15…25 Слесарный инструмент (нож. полотна метчики, плашки и т. д.) высоколегированные ХВГ, 9ХС, ХВСГ Развертки, сверла, протяжки, метчики, плашки и т. д.) Быстрорежущие 8,5 – 19%W, 3,8 – 4,4%Cr 2 – 10% Со,V Р9, Р12, Р6М5, Р9Ф5, Р18К5Ф2 Р9,Р18, Р6М5 Р9К5, Р18Ф2 62 – 64 до 650 80 – 100 Резцы, фрезы зенкеры (Р9, Р18) Для труднообраб. сталей (Р18К5Ф2, Р9К5) Для чистовой обраб. ( Р9Ф5, Р14Ф4) Черновая обработка (Р9М4, Р6М3) Протяжки, долбяки, фрезы, сверла Продолжение табл. 1.1 1 2 3 4 5 6 7 Твердые сплавы вольфрамовые (однокарбидные) WC ВК2, ВК3, ВК6, ВК8 HRA 74 – 86 800 – 900 до 800 Для обработки хрупких материалов, пластмасс, чугуна титановольфрамовые (двухкарбидные), TiC +WC Т5К10,Т14К8, Т15К6 Пластичные и вязкие материалы титанотанталовольфрамовые (трехкарбидные) TiC+WC, ТТ7К12,ТТ7К15, ТТ8К6 Для повышенной износостойкости сложного инструмента Минералокерамика ЦМ – 332, ВО – 13 HRA 91 – 93 1200 1500 Для чистовых операций (сталь, чугун), для труднообрабатываемых сталей Абразивы Al2O3 + + SiC + CrO + 15А,53С – 1800 – – 2000 15 – 100 м /с Шлиф. круги, бруски и т. д. Окончательная обработка Стружкообразование при резании 1.5. Физические основы резания Резание является сложным физическим процессом, при котором возникают упругие и пластические деформации. Процесс сопровождается трением, тепловыделением, наростообразованием, усадкой стружки, наклепом обработанной поверхности и изнашиванием инструмента. Знание физической сущности резания и закономерности явлений, которыми он сопровождается, позволяет рационально управлять этим процессом и качеством обработанной поверхности. В начальный момент, когда движущийся резец под действием силы Р соприкасается с металлом (рис. 1.7, а), в материале возникают упругие деформации. При дальнейшем движении резец своей кромкой вдавливается в металл, вызывая его пластическое деформирование (рис. 1.7, б). Рис. 1.7. Последовательность образования элементов стружки По мере перемещения резца объем пластически деформированного металла возрастает, и внутренние напряжения достигают значений, превышающих временное сопротивление металла. В этот момент весь пластически деформированный металл под действием сил сдвигается резцом в виде окончательно сформированного элемента стружки (рис. 1.7, в). Далее процесс повторяется. Рис. 1.8. Схема пластически деформированной зоны при резании. Срезаемый слой подвергается дополнительному деформированию вследствие трения стружки о переднюю поверхность инструмента. Окончательная структура формируется в виде вытянутых зерен (рис. 1.8). Характер деформирования зависит от физико-механических свойств обрабатываемого материала, геометрических параметров инструмента, режимов резания и условий обработки. По действующей классификации профессора и. А. Тиме при обработке различных материалов могут образовываться следующие виды стружек: сливная, скалывания и надлома. Вид стружки в основном определяется физико-механическими свойствами обрабатываемого материала, режимом резания и геометрическими параметрами инструмента. Рис. 1.9. Типы стружек: а) сливная, б) скалывания, в) надлома Сливная стружка (рис. 1.9, а) представляет собой сплошную ленту с гладкой блестящей наружной (прирезцовой) стороной. Внутренняя сторона стружки матовая со слабо выраженными пилообразными зазубринами. Она образуется при резании пластических материалов с большими скоростями резания большими скоростями резания, с малой толщиной срезаемого слоя и с большими передними углами инструмента. Стружка скалывания (рис. 1.9, б) с наружной стороны гладкая, а на внутренней имеет ярко выраженные зазубрины – отдельные элементы соединенные между собой в ленту. Такая стружка характерна для обработки материалов средней твердости, при малых скоростях резания, с большой толщиной срезаемого слоя и небольшими передними углами. Стружка надлома (рис. 1.9, в) образуется при обработке хрупких материалов. Под действием силы, приложенной к инструменту, происходит надлом и разрушение материала. Образуются мелкие разнообразных форм и размеров кусочки, не связанные или слабо связанные между собой. Обработанная поверхность при образовании такой стружки получается шероховатой с зазубринами и вырывами. Изменяя условия и режим резания, можно получить различные виды стружки. По мере увеличения скорости резания большинства углеродистых и легированных конструкционных сталей стружка скалывания превращается в сливную. Повышение скорости резания при обработке хрупких материалов также приводит к упрочнению связей между отдельными элементами. Однако это сцепление легко нарушается и стружка, имеющая вид сливной, рассыпается на отдельные кусочки. Образующаяся при обработке большинства сталей сливная стружка сходит в виде длинных полос или спирали. Она наматывается на механизмы станка, на инструмент и обрабатываемую заготовку, может травмировать рабочего, повредить обработанную поверхность. Кроме того, такая стружка загромождает цех, так как занимает большой объем. Оптимальной стружкой в массовом производстве считают спираль в виде отрезков длиной 30 – 80 мм, диаметром до 15 мм. Разработан ряд способов дробления стружки: регулирование режимов резания и геометрических параметров режущего инструмента; искусственное дробление с помощью различных приспособлений. 1.5.1. Усадка стружки В результате пластического деформирования обрабатываемого материала в зоне резания длина стружки Lс (рис. 1.10) получается меньше длины срезаемого слоя L. Изменение размеров срезаемого слоя называется усадкой стружки: k = L / Lс Рис. 1.10. Усадка стружки Усадка стружки характеризуется коэффициентом усадки стружки. Коэффициент усадки стружки является обратной величиной усадки: kl = Lс / L= В тех случаях, когда длину стружки измерить трудно, kl определяют по соотношению площадей сечений стружки и срезаемого слоя. Усадка стружки является внешним выражением пластического деформирования и характеризует условия протекания резания: чем меньше усадка стружки, тем меньше пластическая деформация, более благоприятные условия для стружкообразования и меньше расход мощности на обработку данной заготовки. На усадку стружки основное влияние оказывают механические свойства обрабатываемого материала, передний угол инструмента γ, толщина срезаемого слоя (подача), скорость резания и применяемая смазочно-охлаждающая жидкость (СОЖ). При резании пластичных материалов усадка стружки больше, чем при резании хрупких материалов. Например, при резании чугуна k = 1,5 … 2,5, а при резании стали k = 2 … 6. С уменьшением угла γ усадка стружки увеличивается. Чем больше γ, тем меньше деформируется срезаемый слой. Уменьшение усадки с увеличением скорости резания объясняется снижением коэффициента трения между стружкой и передней поверхностью резца. Увеличение толщины срезаемого слоя (подачи) ведет к уменьшению усадки стружки. Чем тоньше срезаемый слой, тем больше его деформация и больше kl. Применение СОЖ снижает коэффициент трения, уменьшает коэффициент усадки стружки. Эффект от влияния СОЖ увеличивается с уменьшением срезаемого слоя. 1.5.2. Силы резания при точении В процессе резания, в результате сопротивления деформированию, возникает сила сопротивления резанию Р. Для практических целей обычно рассматривается не сама сила Р, а ее составляющие Рх, Ру, Рz (рис. 1.11). рис. 1.11. Разложение силы резания на составляющие. Главная (касательная) составляющая силы резания Рz совпадает по направлению со скоростью резания в вершине лезвия. С учетом силы Рz рассчитывают на прочность детали и узлы коробки скоростей станка, определяют потребляемую мощность. Радиальная составляющая силы резания Ру направлена по радиусу (перпендикулярно оси заготовки). Эта составляющая определяет силу отжима резца и прогиб заготовки, влияющие на точность обработки. По силе Ру рассчитывают на прочность механизм поперечной подачи. Осевая составляющая силы резания Рх действует вдоль оси главного вращательного движения резания. По этой силе рассчитывают механизм продольной подачи станка и изгибающий момент, действующий на тело резца. силу Рz называют главной составляющей силы резания и на практике мощность, расходуемая на резание, рассчитывается только по силе Рz Nе = Рz ∙ V, где V – скорость резания, м/мин. С учетом коэффициента полезного действия станка η можно подсчитать необходимую мощность электродвигателя: Nэ.д.= Nе / η , где η = 0,75 – 0,80. Так как влияние различных факторов на силы резания весьма сложно, для определения сил резания приняты упрощенные эмпирические формулы: где х, у, z – показатели степеней, учитывающие влияние элементов режима резания (t, S, V) на величину силы резания; Ср – коэффициенты учитывающие физико-механические свойства обрабатываемого материала; kр – обобщенные поправочные коэффициенты, численно равные произведению коэффициентов, учитывающие условия обработки. 1.5.3. наклеп при резании В процессе резания инструмент получает скругление режущей кромки, в стружку переходит часть срезаемого металла равная аф (рис. 1.12). Слой металла, равный (аt – аф) и соизмеримый с радиусом режущего клина ρ упругопластически деформируется и проходит под резцом. После прохождения клина резца относительно обработанной поверхности происходит упругое восстановление поверхностного деформированного слоя на величину hy – упругое восстановление. В результате сил трения и сил давления, возникающих между задней поверхность резца и обработанной поверхностью происходит дополнительная упругопластическая деформация поверхностного слоя, сопровождающаяся изменением физических свойств материала (временное сопротивление σв, предел текучести σт,, твердость НВ). Совокупность изменения указанных свойств материала называют наклепом. Наклеп характеризуется глубиной hн и степенью наклепа iн = HVпов / HVисх, где HVпов и HVисх – микротвердость поверхностного и исходного материала. Глубина и степень наклепа зависят от физико-механических свойств обрабатываемого материала, геометрических параметров инструмента, радиуса кривизны вершины лезвия, режима резания – hн составляет несколько миллиметров при черновой обработке и тысячные доли миллиметров при чистовой. Чем мягче и пластичнее обрабатываемый материал, тем больше наклеп. Глубина наклепанного слоя возрастает с увеличением сечения срезаемого слоя, радиуса режущего клина ρ и уменьшением переднего угла γ. Увеличение скорости резания также снижает величину наклепа hн. рис. 1.12. Образование наклепа Упрочнение обработанной поверхности полезно при чистовой обработке. Однако повышение твердости поверхностного слоя в результате черновой обработки затрудняет чистовую обработку, так как повышается износ инструмента и увеличивается шероховатость поверхности. Уменьшить глубину и степень наклепа можно применением СОЖ, увеличением скорости резания и термообработкой. 1.5.4. Наростообразование При некоторых условиях резания под влиянием высоких давлений и температур ( > 200°С) частицы обрабатываемого материала задерживаются на передней поверхности режущего клина, прочно сцепляются с ней, образуя нарост. Вследствие значительных деформаций частиц присоединившихся к передней поверхности клина, твердость нароста в 2 – 3 раза больше твердости обрабатываемого материала и нарост сам начинает резать обрабатываемый материал. Рис. 1.13. Схема наростообразования и влияние нароста на размер детали (γ, γн – передние углы соответственно без нароста и с наростом, D и DH – соответственно диаметры детали) D и DH При наличии нароста изменяется форма передней поверхности резца, увеличивается передний угол γ (рис. 1.13). Это облегчает стружкообразование, уменьшает нагрев режущего лезвия, защищает его от износа. Образование нароста явление нестабильное. В процессе обработки нарост, постепенно формируясь, достигает максимального значения. Затем за счет сил трения он может быть унесен со стружкой или вдавлен в обработанную поверхность. Нестабильность нароста приводит к существенному увеличению шероховатости обработанной поверхности и изменяет её размер. Нарост является положительным явлением при черновой обработке и отрицательным – при чистовой. Наростообразование зависит от физико-механических свойств обрабатываемого материала, режима резания, геометрических параметров инструмента, применения СОЖ. Наиболее интенсивно нарост образуется при обработке пластичных материалов. Зависимость высоты нароста hн от скорости резания дана на рис. 1.14. С увеличением подачи размеры нароста увеличиваются. Глубина резания существенного влияния на размеры нароста не оказывает. С уменьшением переднего угла γ увеличивается зона деформированного материала и, следовательно, увеличивается нарост. Применение СОЖ уменьшает нарост. рис. 1.14. Зависимость величины нароста от скорости резания для стали 40Х 1.5.6. Тепловые явления при резании Теплота – один из основных факторов, влияющих на резание. Теплообразование оказывает двойное воздействие на процесс резания. С одной стороны интенсивное тепловыделение облегчает деформирование материала срезаемого слоя. С другой стороны, тепловое воздействие на режущее лезвие инструмента приводит к снижение твердости. Кроме того, с повышением температуры инструмента увеличиваются его размеры, что вызывает снижение точности обработки. Почти вся механическая энергия, затрачиваемая на деформирование, разрушение и трение, переходит в тепловую. Поэтому количество Q выделяющейся теплоты в единицу времени (Дж/с) можно подсчитать по формуле Q = Рz V, где Рz – сила резания, Н, V – скорость резания, м/мин. Источниками теплоты при резании являются пластическое деформирование в зоне стружкообразования Qз, трение стружки о переднюю поверхность инструмента Qт.п. и трение поверхности резания о заднюю поверхность лезвия инструмента Qт.з. (рис. 1.15). рис. 1.15. Источники образования и распределение теплоты при резании. Уравнение теплового баланса можно представить следующим образом: Qд + Qт.п. + Qт.з. = Qстр + Qз + Qи + Qокр, где Qд – количество теплоты, выделяющееся при пластическом деформировании обрабатываемого материала; Qт.п. – количество теплоты, выделяющееся при трении стружки о переднюю поверхность инструмента; Qт.п – количество теплоты, выделяющееся при трении задней поверхности лезвия о заготовку; Qстр – количество теплоты, уходящей в стружку; Qз – количество теплоты, уходящей в заготовку; Qи – количество теплоты, уходящей в инструмент; Qокр. – количество теплоты, передаваемое окружающей среде. Количественное выражение составляющих уравнения теплового баланса зависит от вида операции, физико-механических свойств материала заготовки и инструмента, режима резания и геометрических параметров инструмента, условий обработки. Например, при точении конструкционных материалов наибольшее количество теплоты уходит в стружку, а при сверлении – в обрабатываемую заготовку. При обработке сталей со скоростями резания до 50 м/мин количество теплоты, выделяющееся при пластическом деформировании Qд = 0,75 Q, при V = 200 м/мин – Qд = 0,25 Q. Следовательно, при скоростном резании основным источником теплоты является трение. С уменьшением переднего угла γ увеличивается сила резания и, следовательно, температура резания. С уменьшением угла в плане φ удлиняется активная часть режущей кромки, увеличивается угол при вершине ε – за счет этого улучшается теплоотвод. 1.5.7. Изнашивание и стойкость инструмента Одной из основных характеристик работоспособности режущего инструмента является его способность сопротивляться изнашиванию. При изнашивании имеют место абразивный, адгезионный, диффузионный и окислительный процессы. Абразивное изнашивание происходит в результате царапания и истирания отдельных участков поверхностей инструмента твердыми включениями, находящимися в обрабатываемом материале. Адгезионное изнашивание происходит в результате действия сил молекулярного сцепления – адгезии, выражающейся в схватывании поверхностных слоев режущего инструмента с обрабатываемым материалом. Частицы материала вырываются с поверхности инструмента и уносятся со стружкой. Диффузионное изнашивание – происходит в результате растворения инструментального материала в обрабатываемом. Взаимному диффузионному растворению способствует высокая температура, большие пластические деформации и схватывание в контакте. При этом происходит диффузия не молекул химического соединения, а отдельных элементов этого соединения, например углерода, кобальта, титана, вольфрама, входящих в состав инструментального материала. Наиболее подвержены диффузионному изнашиванию твердые сплавы, работающие при высоких скоростях резания, когда температура контактных слоев более 900 – 950°С. Окислительное изнашивание происходит в связи с коррозией металлов в условиях активного охлаждения зоны резания и газонасыщения; происходит разрушение поверхностного слоя путем образования оксидов и растравливания зерен в сочетании с царапанием и истиранием. При обработке резанием в условиях сухого и полусухого трения преобладающим является абразивное изнашивание. В результате изнашивания на передней поверхности появляется лунка длиной lл и глубиной δл, а на задней поверхности – площадка высотой hз (рис. 1.16). В зависимости от условий обработки и свойств обрабатываемого материала может преобладать износ по той или иной поверхности. Рис. 1.16. Виды износа инструмента. Износ по задней поверхности преобладает при обработке твердых хрупких материалов и при обработке пластичных материалов с малой глубиной резания(t ≤ 0,1) и низких скоростях. Износ по передней поверхности преобладает при обработке пластичных материалов с глубиной резания более 0,5мм и высоких скоростях резания без охлаждения. По мере изнашивания резца длина лунки lл увеличивается, ширина перемычки уменьшается. Для восстановления геометрической формы инструмент затачивается. Время резания новым или вновь заточенным инструментом от начала резания до отказа (затупления) называется периодом стойкости инструмента. Критерий отказа инструмента определяется в зависимости от требований к обработке при выполнении конкретной технологической операции. Например, при предварительной обработке с невысокими требованиями к шероховатости поверхности и точности размеров, за критерий отказа могут быть приняты значения износа инструмента по задней поверхности лезвия (высота площадки износа по задней поверхности hз). На рис. 1.17 показана зависимость hз от продолжительности работы инструмента. Кривую изнашивания можно разделить на три периода: I – период приработки, в который происходит истирание выступающих частиц поверхности инструмента; II – период нормального изнашивания: III – период катастрофического изнашивания. Величину hз, соответствующую точке перегиба на кривой износа, называют оптимальным износом. При чистовой обработке установлен так называемый технологический критерий затупления. Инструмент считается изношенным, когда шероховатость обработанной поверхности и точность ее размеров перестают отвечать заданным техническим условиям. Наибольшее влияние на интенсивность изнашивания оказывает скорость резания. Чем выше скорость резания, тем быстрее начинается катастрофическое изнашивание (рис. 1.17), что вызвано возрастанием температуры в зоне резания. Рис. 1.17. Зависимость величины износа резца от времени его работы. Чем выше скорость резания, тем меньше стойкость инструмента из инструментальных сталей. Для твердосплавного инструмента эта зависимость имеет более сложный характер (рис. 1.18), что объясняется преобладанием разных видов износа на разных скоростях резания. Зоной рационального использования твердого сплава является участок, расположенный вправо от максимальной стойкости. Рис. 1.18. Зависимость стойкости резца от скорости резания V. 1.5.8. Охлаждение и смазывание при резании Смазочно-охлаждающие технологические средства (СОТС) при обработке резанием значительно уменьшают изнашивание режущего инструмента и силы резания, улучшают качество обработанной поверхности, повышают эксплуатационные характеристики деталей. Применение СОТС является одним из основных способов улучшения резания труднообрабатываемых материалов. СОТС всех видов должны отвечать следующим требованиям: не вызывать коррозию материала заготовки и оборудования; не оказывать вредного физиологического влияния на рабочего (раздражение кожи и слизистых оболочек, запах); быть устойчивыми при эксплуатации и хранении; не воспламеняться при температурах, сопровождающих процесс резания. В зависимости от технологического метода обработки, физико-механических свойств обрабатываемого и инструментального материалов, режима резания применяют различные смазочно-охлаждаю-щие средства: твердые, жидкие, пластичные и газообразные. К твердым смазочно-охлаждающим средствам относятся: неорганические материалы со сложной структурой (тальк слюда, графит, бура, нитрид бора, дисульфиды молибдена» вольфрама и титана, сульфат серебра и др.); твердые органические соединения (мыло, воск, твердые жиры); полимерные пленки и ткани (нейлон, полиамид, полиэтилен и др.); металлические пленочные покрытия (медь, латунь, свинец, олово, барий, цинк); лед и перешедшие при низких температурах в твердое состояние жидкости и газы. К смазочно-охлаждающим жидкостям (СОЖ) относятся: водные растворы минеральных электролитов, эмульсии; минеральные, животные и растительные масла; минеральные масла с добавками фосфора, серы и хлора (сульфофрезолы); керосин и растворы поверхностно-активных веществ в керосине; масла и эмульсии с добавками твердых смазывающих веществ; расплавы металла и др. Смазочно-охлаждающие жидкости получили наибольшее применение при обработке резанием. К пластичным смазочным веществам относятся густые мазеобразные продукты, занимающие по консистенции промежуточное положение между твердыми и жидкими смазочными веществами. Их получают загущением минеральных и синтетических масел. Применяют в основном четыре вида загустителей: мыльные, углеводородные, неорганические и органические. К газообразным смазочным веществам относятся воздух, азот, двуокись углерода, кислород, пары поверхностно-активных веществ, распыленные жидкости. Улучшение обрабатываемости материалов при использовании в процессе резания СОТС является результатом их физико-химических воздействий на обрабатываемый материал, основными из которых являются: смазывающее, охлаждающее, режущее, защитное и упрочняющее. Выбор СОТС определяется физико-механическими свойствами обрабатываемого и инструментального материалов и технологического метода обработки. Для каж­дого конкретного случая подбирают определенное, наиболее эффективное СОТС.