Обработка металла

Токарная обработка

Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

12.1. Вклад отечественной науки в исследование процессов резания металлов

В начале XVIII в. русский механик и изобретатель А. К- Нартов создал самоходный суппорт для токарного станка и ряд других станков оригинальной конструкции. В середине XVIII в. гениальный русский ученый М. В.Ломоносов изобрел сферотокарный станок для обработки металлических зеркал, построил лоботокарные и шлифовальные станки.

Основоположником учения о резании металлов является профессор И. А. Тиме, впервые сформулировавший основные законы резания. В 1870 г. был опубликован доклад И. А. Тиме «Сопротивление металлов и дерева резанию», где подробно описан процесс образования стружки и произведена ее классификация, дана формула расчета силы резания.

Начало научного исследования микрогеометрии обработанной поверхности положено профессором В. Л. Чернышевым, при содействии которого в 1893 г. на Тульском оружейном заводе проводились измерения размеров и шероховатости обработанных поверхностей. В то же время профессор К. А. Зворыкин изложил оригинальную теорию процесса резания, впервые применил гидравлический динамометр для определения сил резания. В 1912 г. Я- Г. Усачев более подробно исследовал явления, происходящие при резании металлов. Его особой заслугой является применение металлографии для исследования процессов резания и разработка метода определения температуры рабочей части резца с помощью термопары.

В настоящее время советские ученые и инженеры разработали и внедрили в производство процессы резания с большими скоростями и подачами, усовершенствованные конструкции режущего инструмента, обеспечивающие производительность и точность обработки деталей с высокой эффективностью.

Важную роль в развитии теории резания металлов играет тесная связь науки с производством. Часто открытие или изобретение, сделанное рабочим, получает теоретическое обоснование, дальнейшее развитие и широкое распространение в промышленности.

12.2. Образование стружки и сопровождающие его явления

Процесс резания (стружкообразова-ния) — сложный физический процесс, сопровождающийся большим тепловыделением, деформацией металла, изнашиванием режущего инструмента и наростообра-зованием на резце. Знание закономерностей процесса резания и сопровождающих его явлений позволяет рационально управлять этим процессом и обрабатывать детали более качественно, производительно и экономично.

При   резании   различных   материалов могут образовываться  следующие основные   виды  стружек:   сливные   (непрерывные), скалывания (элементные)  и надлома (12.1).

Сливная стружка (12.1, а) образуется при резании вязких и мягких металлов (например, мягкой стали, латуни) с высокой скоростью. Чем больше скорость резания и вязкость обрабатываемого металла, а также меньше угол резания и толщина среза и выше качество смазочно-охлаждающей жидкости, тем стружка ближе к сливной.

Стружка надлома (12.1. в) образуется при резании хрупких металлов, например бронзы, чугуна. Такая стружка состоит из отдельных, почти не связанных между собой элементов. Обработанная поверхность при образовании такой стружки получается шероховатой, с большими впадинами и выступами. В определенных условиях, например

при обработке чугунов средней твердости, стружка надлома может получиться в виде колец. Сходство ее со сливной стружкой только внешнее, так как достаточно сжать такую стружку в руке и она легко разрушится на отдельные элементы.

Стружка скалывания (12.1, б) занимает промежуточное положение между сливной стружкой и стружкой надлома и образуется при обработке некоторых сортов латуни и твердых сталей с большими подачами и относительно малыми скоростями резания. С изменением условий резания стружка скалывания может перейти в сливную, и наоборот.

Под действием режущего инструмента срезаемый слой металла подвергается сжатию. Процессы сжатия (как и процессы растяжения) сопровождаются упругими и пластическими деформациями. Режущий инструмент деформирует не только срезаемый слой, но и поверхностный слой обрабатываемого материала. Глубина деформации поверхностного слоя зависит от различных факторов и может достигать от сотых долей до нескольких миллиметров.

Под действием деформации поверхностный слой упрочняется, увеличивается его твердость и уменьшается пластичность, происходит так называемый н а-клеп обрабатываемой поверхности. Чем мягче и пластичнее обрабатываемый металл, тем большему наклепу он подвергается. Чугуны обладают значительно меньшей способностью к упрочнению, чем стали. Степень упрочнения и глубина наклепа увеличиваются с увеличением подачи и глубины резания и умень-

шаются с увеличением скорости резания. Глубина наклепа примерно в 2—3 раза больше при работе затупленным режущим инструментом, чем при работе острозато-ченным. Смазочно-охлаждающие жидкости при резании уменьшают глубину и степень упрочнения поверхностного слоя.

При некоторых условиях резания на переднюю поверхность режущей кромки налипает обрабатываемый металл, образуя нарост. Он имеет клиновидную форму, по твердости превышает в 2—3 раза твердость обрабатываемого металла. Являясь как бы продолжением резца, нарост (12.2) изменяет его геометрические параметры (6i<6); участвует в резании металла, влияет на результаты обработки, изнашивание резца и силы, действующие на резец. При обработке нарост периодически разрушается (скалывается) и вноаь образуется. Часть его уходит со стружкой, а часть остается вдавленной в обработанную поверхность. Отрыв частиц нароста происходит не равномерно по длине режущего лезвия, что приводит к мгновенному изменению глубины резания. Эти явления, повторяющиеся периодически, ухудшают качество обработанной поверхности, так как вся она оказывается усеянной неровностями. С увеличением пластичности обрабатываемого металла размеры нароста возрастают. При обработке хрупких металлов, например чугуна, нарост может и не образоваться.

При обработке с у<5 м/мин нарост не образуется, наибольшая величина нароста соответствует u = 10-f-20 м/мин для инструмента из быстрорежущей стали и v > 90 м/мин для твердосплавного инструмента. Этот диапазон скоростей является неблагоприятным для чистовой обработки. При дальнейшем увеличении скорости резания в зависимости от прочности металла температура в зоне резания возрастает и нарост, размягчаясь, постепенно исчезает.

Нарост увеличивается с увеличением подачи, поэтому для чистовой обработки рекомендуются подачи в пределах 0,1 — 0,2 мм/об. Глубина резания существенного влияния на размеры нароста не оказывает.

Для уменьшения нароста рекомендуется уменьшать шероховатость передней поверхности   режущего   инструмента   и   по

возможности увеличивать передний угол у (например, при у = 45° нарост почти не образуется), а также применять смазочно-охлаждающие жидкости.

Образование нароста улучшает условия резания при выполнении черновой обработки.

12.3. Тепловые явления при резании металлов

При резании металлов затрачивается работа на пластические и упругие деформации в срезаемом слое и в слое, прилегающем к обработанной поверхности и поверхности резания, а также на преодоление трения по передней и задней поверхностям резца. Работа, затрачиваемая на пластические деформации, составляет около 80 % всей работы резания, а работа трения — около 20 %. Примерно 85—90 % всей работы резания превращается в тепловую энергию, которая поглощается стружкой — 50—86 %, резцом — 10— 40%, обрабатываемой деталью — 3— 9 %, около 1 % теплоты излучается в окружающее пространство,

Температура в зоне резания зависит от физико-механических свойств обрабатываемого материала, режимов резания, геометрических параметров режущего инструмента и применяемой смазочно-ох-лаждающей жидкости. При обработке стали выделяется больше теплоты, чем при обработке чугуна. Чем выше прочность и твердость обрабатываемого материала, тем выше температура в зоне контакта инструмента, которая при тяжелых условиях работы может достигать 1000— 1100"С.

При увеличении подачи температура в зоне резания повышается, но менее интенсивно, чем при увеличении скорости резания. Еще меньше влияет на температуру глубина резания.

С увеличением угла резания б и главного угла в плане ср температура в зоне резания возрастает, а с увеличением радиуса скругления резца г уменьшается. Применение смазочно-охлаждающей жидкости существенно уменьшает температуру в зоне резания.

Температура в зоне резания оказывает непосредственное влияние на  износостойкость инструмента, состояние обрабатываемого материала, качество обработанной поверхности и производительность резания.

12.4. Изнашивание режущих инструментов

Изнашивание режущего инструмента при резании металлов значительно отличается от изнашивания деталей машин. Зона резания характеризуется высокой химической чистотой трущихся поверхностей, высокими температурой и давлением в зоне контакта.

Механизм изнашивания инструмента при резании металлов очень сложен. Здесь имеют место абразивное, адгезионное и диффузионное изнашивания. Удельное влияние каждого из них зависит от свойств контактирующих материалов инструмента и детали, условий обработки (прежде всего от скорости резания).

Абразивное изнашивание инструмента заключается во внедрении материала стружки в рабочую поверхность инструмента. При этом съем металла с рабочей поверхности инструмента происходит микроцарапанием.

Адгезионное изнашивание инструмента происходит в результате схватывания или прилипания трущихся поверхностей и последующего отрыва мельчайших частиц материала инструмента.

Результатом этого вида изнашивания, происходящего при температурах ниже 900 °С, являются кратеры на рабочих поверхностях инструмента, при слиянии которых образуются лунки. При этом действие адгезионного изнашивания усиливается в зоне низких и средних скоростей резания. Уменьшить адгезионное изнашивание можно повышением твердости инструмента.

Диффузионное изнашивание инструмента происходит в результате взаимного растворения металла детали и материала инструмента. На активность процесса растворения оказывает влияние высокая температура (900—1200 °С) контактного слоя, возникающая при высокой скорости резания. Это приводит к изменению химического состава и физико-химических свойств поверхностных слоев инструмента, снижает его износостойкость. Поэтому диффузионное изнашивание можно рассматривать как разновидность химического изнашивания.

Чем выше механические свойства обрабатываемого материала и содержание в нем углерода, хрома, вольфрама, титана, молибдена, тем интенсивнее изнашивание инструмента. Наибольшее влияние на интенсивность изнашивания оказывает скорость резания, меньшее — подача и глубина резания.

Как правило, инструменты изнашиваются  по задней и  передней  поверхности.

За критерий изнашивания обычно принимают допустимый износ hi по задней поверхности инструмента (12.3, а — г). Например, для твердосплавных резцов при черновой обработке износ /г., составляет 1,0—1,4 мм для стали, 0,8—1,0 мм для чугуна, а при чистовой обработке 0,4— 0,6 мм для стали, 0,6—0,8 мм для чугуна.

Преобладающее изнашивание задней поверхности обычно наблюдается при обработке сталей с малой толщиной среза (не более 0,15 мм) и низкими скоростями резания, а также при обработке чугуна. Объясняется это следующим: при малых толщинах среза радиус скругления режущей кромки соизмерим с толщиной среза; при тонкой стружке возрастает относительное значение упругой деформации поверхностного слоя; путь трения металла по задней поверхности больше, чем по передней поверхности из-за усадки стружки. Преобладающее изнашивание по передней поверхности наблюдается при большом удельном давлении и высокой температуре в зоне резания. Такие условия возникают при обработке стали без охлаждения с высокими скоростями резания и большими толщинами среза (более 0,5 мм). Изнашивание резцов по передней поверхности характеризуется образованием лунки, ширина и глубина которой непрерывно увеличиваются. При этом непрерывно уменьшается ширина перемычки между режущей кромкой и лункой, когда перемычка исчезает, образуется полный или катастрофический износ инструмента. На практике наблюдается одновременное изнашивание инструмента по задней и передней поверхности с увеличением радиуса скругления режущей кромки. Преобладание изнашивания по этим поверхностям зависит от режимов обработки детали.

Износ сверл из быстрорежущей стали наблюдается по передней А,, и задней /г:, поверхностям, а также по ленточкам /г.., и уголкам Лу (12.4). При увеличенной длине перемычки и неправильной заточке сверла наблюдается износ по лезвию перемычки

Износ по задней поверхности у периферийной части режущей кромки спиральных сверл является наиболее распространенным и возникает вследствие увеличения температуры в зоне резания. Износ перемычки сверла чаще возникает при сверлении твердых материалов или при высокой скорости резания. Износ по передней поверхности режущей части сверла редко служит критерием стойкости, но может иметь значительную величину при длительном сверлении глубоких отверстий с СОЖ-- Износ участка ленточки, примыкающего к режущей части сверла, зависит от деформаций, увода сверла и др.

Допустимый износ зенкеров из инструментальной стали не должен превышать /i3 = 0,5-f- 1,2 мм при обработке стали, /гу = = 0,8-^-1,5 мм при обработке чугуна, а зенкеров, оснащенных твердым сплавом, /;3= 1,0-9- 1,6 мм при обработке незакаленных сталей и чугуна и /г, = 0,7 мм — закаленной стали.

При чистовой обработке деталей за критерий оценки изнашивания инструмента принимают конструктивно-технологические требования к качеству деталей. Они предусматривают допустимый износ, при превышении которого точность получаемых размеров и шероховатость обработанной поверхности перестают удовлетворять заданным техническим требованиям. Так, технологическим критерием оценки изнашивания мерных инструментов для обработки отверстий (например, разверток) является износ инструмента по задней поверхности, при котором получаемое отверстие начинает выходить за пределы допуска на размер или не отвечает заданному качеству поверхности.

Стойкость инструмента характеризуется его способностью без переточки возможно длительное время обрабатывать заготовки в соответствии с техническими требованиями. Стойкость определяется временем непосредственной работы (исключая время перерывов) инструмента от переточки до переточки на заданном режиме резания до наступления принятого критерия затупления. Это время называют периодом   с т о й к о с т и   или   стойкостью  инструмента,  его обозначают буквой Т и измеряют в минутах.

Скорость резания оказывает существенное влияние на стойкость инструмента. Возрастание скорости резания на 50 % снижает стойкость примерно на 75 %, в то же время аналогичное увеличение подачи — лишь на 60 %. Наоборот, снижение скорости резания на 30 % может в определенном интервале режимов обработки увеличить стойкость инструмента в 2,5 раза, а уменьшение подачи — всего в 1,4 раза.

12.5. Влияние смазочно-охлаждающей жидкости на процесс резания

Смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ) благоприятно воздействуют на процесс резания металлов, значительно уменьшают износ режущего инструмента, повышают качество обработанной поверхности и снижают затраты энергии, а также препятствуют образованию нароста у режущей кромки инструмента и способствуют удалению стружки и абразивных частиц из зоны резания.

При обработке чугуна и других хрупких материалов СОЖ. не применяют, так как эффект от их действия незначителен. При работе твердосплавным инструментом на высоких скоростях необходимо подавать обильную и непрерывную струю жидкости, так как при прерывистом охлаждении могут образоваться трещины в режущих пластинках из твердого сплава.

Наиболее эффективны смазочно-охлаждающие жидкости при резании вязких, пластичных и сильно упрочняющихся при деформации металлов. При этом с увеличением толщины среза и скорости резания положительный эффект на стружкообразование от действия СОЖ уменьшается.

СОЖ должны обладать высокими охлаждающими, смазывающими, антикоррозионными свойствами и быть безвредными для работающего. Все применяемые жидкости можно разбить на две основные группы — охлаждающие и смазочные. К первой группе относят водные растворы и эмульсии, обладающие большой теплоемкостью и теплопроводностью. Широко распространены  водные эмульсии   (цвета от молочно-белого до коричневого), в состав которых входят 2—20 % масла и 0,3—2 % мыла и поверхностно-активные вещества. Водные эмульсии применяют при обдирочных работах, когда к шероховатости поверхности не предъявляют высоких требований. Ко второй группе относят СОЖ, обладающие высокой маслянистостью; минеральные масла, керосин, а также растворы в масле или керосине поверхностно-активных веществ. Жидкости этой группы применяют при чистовых и отделочных работах. Применяют также осерненные масла, так называемые суль-фофрезолы, содержащие в качестве активированной добавки серу.

12.6. Жесткость и вибрации системы

станок — приспособление —

инструмент — деталь

Возникающие при резании металла нагрузки воспринимаются инструментом и приспособлением для его крепления, а также деталью и приспособлением для ее установки и крепления. Возникающие нагрузки передаются через приспособления на узлы и механизмы станка. Образуется замкнутая технологическая система: станок — приспособление — инструмент — деталь.

В процессе обработки сила резания не остается постоянной из-за изменения сечений срезаемой стружки, припуска на обработку, неравномерности механических свойств материала и распределения силы резания. Изменение силы резания вызывает затупление и износ режущего инструмента, наростообразование и ряд других факторов, влияющих на процесс резания. Под действием изменяющихся сил резания элементы системы станок — приспособление — инструмент — деталь деформируются, изменяя тем самым условия резания, трения и работы привода станка. Характер изменения условий обработки зависит от жесткости указанной системы, т. е. способности препятствовать перемещению ее элементов при воздействии на них нагрузок. Жесткость является одним из основных критериев работоспособности станка и его точности работы под нагрузкой.

 Характер изменения колебаний во времени называют вибрация м и. Колебания при резании разделяют на вынужденные, когда причиной колебаний являются периодически действующие возмущающие силы, и автоколебания, которые не зависят от действия периодически возмущающих сил. Источниками возмущающих сил вынужденных колебаний являются неуравновешенные части станка (шкивы, зубчатые колеса, валы); дефекты в передаточных звеньях; неуравновешенность обрабатываемой заготовки; неравномерный припуск на обработку и другие факторы.

Основными источниками возникновения автоколебаний являются изменение сил резания из-за неоднородности механических свойств обрабатываемого материала; появление переменной силы резания за счет срыва нароста; изменение сил трения на поверхностях инструмента вследствие изменения скорости резания в процессе обработки; следы вибраций от предыдущего рабочего хода, вызывающие изменение сил резания и упругие деформации обрабатываемой детали и резца и др. На интенсивность автоколебаний оказывают влияние физико-механические свойства обрабатываемого материала, параметры режима резания, геометрические параметры инструмента, жесткость отдельных элементов и всей системы станок — приспособление — инструмент — деталь, зазоры в отдельных звеньях этой системы.

С увеличением скорости резания вибрации сначала возрастают, а затем уменьшаются. При увеличении глубины резания амплитуда колебаний возрастает, а с увеличением подачи уменьшается. С увеличением главного утла в плане ср амплитуда колебаний уменьшается, а при увеличении радиуса г скругления резца возрастает. Износ резца по задней поверхности усиливает вибрации. Чем больше вылет резца и меньше размеры его державки в поперечном сечении, тем меньше его жесткость и, следовательно, больше возникающие вибрации, причем с повышением скорости резания влияние вылета резца на увеличение вибраций возрастает.

Зная причины возникновения вибраций, можно найти способы их уменьшения.

Однако эти пути не всегда являются рациональными. Например, увеличение главного угла в плане, хотя и уменьшает вибрации, но вместе с тем увеличивает интенсивность изнашивания режущего инструмента и т. д. Поэтому необходимо применять такие способы уменьшения вибрации, которые не снижали бы производительности и качества обработки.

12.7. Основные факторы, влияющие на силу резания

Образование стружки в процессе резания происходит под действием силы резания Р, преодолевающей сопротивление металла. Силу резания Р при обработке точением можно разложить на три составляющие (12.5): тангенциальную Pi, направленную вертикально вниз и определяющую мощность, потребляемую приводом главного движения; радиальную Ру, направленную вдоль поперечной подачи, которая отжимает резец и учитывается при расчете прочности инструмента и механизма поперечной подачи станка; осевую Р.х, направленную вдоль продольной подачи, которая стремится отжать резец в сторону суппорта и учитывается при определении допустимой нагрузки на резец и механизмы станка при продольной подаче.

Между тремя составляющими силы резания существует примерно следующее соотношение: Р>- = (0,254-0,5) Pz; Px = (0,1 -f-4-0,25) Pz- Сила резания Р в большинстве случаев примерно на 10 % больше составляющей Pz- Это позволяет многие практические расчеты производить не по силе Р, а по составляющей Pz-

В процессе резания на силы Pz, Ру и Рх влияют обрабатываемый металл, глубина резания, подача, передний угол резца, главный угол резца в плане, радиус скругления при вершине резца, смазочно-охлаждающие жидкости, скорость резания и износ резца.

Физико-механические свойства обрабатываемого металла оказывают большое влияние на силы резания. Чем больше предел прочности при растяжении ав и твердость обрабатываемого металла, тем больше силы Pz, Ру и Рх. Увеличение

глубины резания и подачи приводит к увеличению силы резания, затрачиваемой на образование стружки, причем глубина резания больше влияет на силу резания, чем подача.

Чем меньше передний угол у или чем больше угол резания б = 90°— у, тем больше сила резания. При увеличении главного угла в плане ср сила Ру резко уменьшается, а сила Рх увеличивается. Для твердосплавных резцов при увеличении ф от 60 до 90° сила Pz практически остается постоянной. При увеличении радиуса скругления г режущих кромок при вершине резца силы Pz и Ру возрастают, а Рх уменьшается.

Смазочно-охлаждающие жидкости уменьшают силу Pz при тонких срезах, при увеличении толщины среза и скорости резания эффект от применения СОЖ уменьшается.

Увеличение скорости резания от 50 до 400—500 м/мин приводит к эффективному уменьшению силы Pz, при скорости v> >500 м/мин уменьшение Pz незначительно. Возрастание износа по задней поверхности незначительно увеличивает Pv и P.v.

Сила резания зависит от материала режущей части резца. При обработке твердосплавными резцами силы резания несколько меньше, чем резцами из быстрорежущей стали.

Шероховатость. На поверхностях деталей после обработки режущим инструментом на металлорежущих станках всегда остаются неровности. Совокупность микронеровностей, образующихся на поверхности детали, называют шероховатостью поверхности. Шероховатость поверхности оказывает непосредственное влияние на качество неподвижных и подвижных соединений в машинах. Например, детали с грубой поверхностью не обеспечивают в неподвижных соединениях требуемой точности и качества сборки, а в подвижных соеди-

нениях быстро изнашиваются и не выдерживают первоначальных зазоров.

На поверхности, обработанной токарным резцом, образуются микронеровности в виде винтовых выступов и винтовых канавок (12.6, а, б). Микронеровности, расположенные в направлении подачи 5, образуют поперечную шероховатость, а микронеровности, расположенные в направлении скорости резания v,— продольную шероховатость.

Высота Н и характер микронеровностей зависят от обрабатываемого материала, режимов резания, геометрии режущих кромок инструмента и др. Микронеровности на поверхности деталей в большинстве случаев являются следами режущих кромок инструмента, расположение которых зависит от подачи (12.7). Изменяя геометрические параметры режущего инструмента и режимы резания, можно существенно менять характеристики шероховатости поверхности при обработке одинаковых по физико-механическим свойствам материалов.

Шероховатость обработанной поверхности повышается (до /?а = 6,3-Ь -=-12,5мкм), когда обработку ведут на скоростях резания, способствующих наростообразованию. При обработке на высоких скоростях резания (150— 300 м/мин) шероховатость обработанной поверхности снижается (до Ra=l,&-^--=-0,8 мкм). По мере увеличения скорости резания глубина наклепа возрастает.

При высоких скоростях резания (200—600 м/мин) возникает явление разупрочнения, которое уменьшает глубину наклепа. При обработке легированных и высокопрочных сталей, имеющих низкие пластичные свойства, остаточные напряжения сжатия образуются при скоростях резания около 400—600 м/мин. При обработке конструкционных сталей марок 20 и 45 остаточные напряжения сжатия возникают при скоростях резания 500— 800 м/мин.

С увеличением скорости резания и уменьшением шероховатости до оптимальной износостойкость и коррозионная стойкость увеличиваются. Усталостная прочность повышается с увеличением степени и глубины наклепа, а также с повышением остаточных напряжений сжатия.

При увеличении подачи шероховатость обработанной поверхности повышается, глубина наклепа возрастает. Увеличение подачи способствует также увеличению остаточных напряжений и уменьшению износостойкости и коррозионной стойкости. Усталостная прочность в этом случае повышается.

Применение инструментов с отрицательными передними углами у от —15 до — 45° способствует образованию в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия и повышению усталостной прочности. Увеличение зоны соприкосновения инструмента с обработанной поверхностью детали приводит к повышению трения и увеличению шероховатости обработанной поверхности (до /?а»6,3-мкм).

При увеличении заднего угла а в пределах 3-г 15° глубина наклепа уменьшается. На износостойкость материала задний угол не оказывает существенного влияния, при углах в пределах от 3 до 15° усталостная прочность может незначительно снижаться.

При увеличении главного угла ср в плане от 30 до 60° шероховатость обработанной поверхности возрастает, при черновой обработке значительно, а при отделочной— до Ra= l,6-j-.3,2 мкм. Уменьшение главного угла ф в плане от 90 до 45° вызывает уменьшение глубины наклепа и снижение усталостной прочности. При увеличении вспомогательного угла ЦЦ в плане шероховатость поверхности увеличивается, при черновой обработке до Raw «16 мкм, а при отделочной — до Raw «1,6ч-3,2 мкм. При неблагоприятном угле X наклона режущей кромки могут возникнуть царапины обработанной поверхности сходящей стружкой. Увеличение радиуса г закругления резца в пределах от 0,5 до 4 мм снижает шероховатость обработанной поверхности; износостойкость повышается в пределах оптимальной шероховатости, усталостная прочность увеличивается.

Шероховатость обработанной поверхности возрастает (до Ra = Q,3-r-12,5 мкм) по мере затупления инструмента. Применение тщательно доведенного инструмента способствует уменьшению глубины наклепа. Износостойкость и усталостная прочность изменяются до установленных оп-

тимальных значений шероховатости и наклепа. Увеличение радиуса г закругления режущей кромки способствует увеличению глубины наклепа и остаточных напряжений. С увеличением глубины наклепа и остаточных напряжений усталостная прочность повышается.

Явление слипаемости материала заготовки с передней поверхностью инструмента приводит к увеличению высоты микронеровностей и, наоборот, при использовании твердосплавных и керамических резцов шероховатость снижается.

С повышением твердости обрабатываемого материала уменьшается объем металла, подвергаемый пластической деформации, а усталостная прочность повышается. При обработке малоуглеродистой стали мелкозернистой структуры на малых скоростях образуется менее шероховатая поверхность. При обработке на высоких скоростях шероховатость поверхности снижается.

В производственных условиях шероховатость обработанных поверхностей оценивают методом сравнения с образцом. Для этого обработанную деталь аттестуют по качеству поверхности в лабораторных условиях, а затем она служит эталоном при контроле качества обработки аналогичных деталей.

Погрешности обработки. Размеры и другие параметры детали должны иметь минимальные отклонения от указанных, на чертеже. Их разность определяет погрешность обработки и не должна превышать предельных значений размеров и допусков, указанных в чертеже.

Погрешности подразделяют на систематические и случайные. К систематическим относят погрешности, которые определяют точность обрабатываемой детали. Основными причинами систематических погрешностей являются:

неточность станка, например непрямолинейность направляющих станины и суппортов, непараллельность или неперпендикулярность направляющих к оси шпинделя, неточности изготовления шпинделя и его опор; деформация узлов и деталей станка под действием сил резания и нагрева в процессе работы;

неточность изготовления режущих инструментов и приспособлений и их износ;

деформация инструментов и приспособлений под действием сил резания и нагрева в процессе обработки; неточность установки и базирования заготовки на станке;

деформация обрабатываемой заготовки под действием сил резания, зажима и нагрева в процессе обработки, а также при возникновении внутренних напряжений; неточность установки и настройки инструмента на размер; неточность измерения деталей, вызванная неточностью измерительных инструментов и приборов, а также ошибками рабочего при оценке показаний измерительных устройств. Причины возникновения систематических погрешностей можно установить и устранить.

К с л у ч а й н ы м относят погрешности, возникающие в результате случайных упругих деформаций заготовки, станка, приспособления и режущего инструмента, например, из-за неоднородности обрабатываемого материала.

12.9. Паспорт токарного станка

Паспорт является основным техническим документом, в котором содержатся основные технические данные и характеристики станка: наибольшие размеры об-рабатызаемых заготовок деталей, пределы частот вращения шпинделя, пределы подач; наибольшее усилие, допускаемое механизмом подач; мощность электродвигателя главного привода; габаритные размеры и масса станка. В паспорте приводятся основные параметры суппортов, шпинделя, резцовой головки, задней бабки и других основных частей станка, а также сведения по механике главного привода и подач: частота прямого и обратного вращения шпинделя или планшайбы, наибольший допустимый крутящий момент, соответствующий частоте вращения шпинделя или планшайбы; ступени рабочих подач суппортов и скорости установочных перемещений, эскизы важнейших деталей станка с указанием рабочего пространства и крайних положений перемещения узлов и т. п.

В паспорте приводятся комплект приспособлений и принадлежностей, поставляемых заказчику со станком, сменные и запасные зубчатые колеса, инструмент

для обслуживания станка, ремни для главного привода, патроны, оправки, люнеты, центры упорные и вращающиеся, шкивы, вспомогательный инструмент и др. В паспорте приводятся результаты испытания токарного станка на соответствие его нормам точности и жесткости, которые показывают допускаемые и фактические значения точности перемещений основных частей станка, а также точность, обработки и качество обработанной поверхности образцов деталей. Паспорт станка необходим в процессе ремонта и эксплуатации станка, для выбора типа станка при разработке технологического процесса, назначения режимов обработки, проектирования оснастки и т. д.

12.10. Испытание и проверка станка на геометрическую точность

Требуемая точность и долговечность работы станка обеспечиваются правильной его установкой и креплением на фундаменте. Тип фундамента зависит от массы станка и сил инерции, действующих во время его работы. Фундаменты под металлорежущие станки бывают двух типов: первый — является только основанием для станка, второй — жестко связан со станком и придает ему дополнительную устойчивость и жесткость.

Токарные станки устанавливают, как правило, на фундаментах второго типа согласно установочному чертежу, который приводится в руководстве по эксплуатации. В чертеже на установку указывают необходимые размеры для изготовления фундамента, а также расположение станка в помещении с учетом свободного пространства для его выступающих и движущихся частей. При установке станка на бетонное основание размечают гнезда по размерам, соответствующим отверстиям крепления станины станка, а затем вырубают гнезда под фундаментные болты. После установки и выверки станка по уровню фундаментные болты заливают цементным раствором. Установку станка в горизонтальной плоскости выверяют по уровню, который устанавливают в средней части суппорта параллельно или перпендикулярно оси центров. Измерения производят в трех положениях рабочего хода

суппорта на направляющих станка. Наибольшая алгебраическая разность показаний уровня не должна превышать 0,04 мм на 1000 мм. Если фундаментные болты были предварительно залиты, то выверку производят при незатянутых фундаментных болтах.

После установки и выверки станка на фундаменте должен быть произведен его внешний осмотр и испытание на холостом ходу, под нагрузкой в процессе работы на точность и жесткость.

После внешнего осмотра приступают к испытанию станка на холостом ходу. Проверку привода главного движения производят последовательно на всех ступенях частот вращения. Проверяют взаимодействие всех механизмов станка, их безотказность и своевременность включения и выключения от различных управляющих устройств, органов управления и др. Проверяют исправность действия систем смазывания, подачи СОЖ, гидро-и пневмооборудования станка.

При испытании на холостом ходу станок должен работать на всех режимах устойчиво, без стука и сотрясений, вызывающих вибрацию. Перемещение рабочих органов механическим или гидравлическим приводом должно происходить плавно без скачков и заеданий. При испытании на холостом ходу проверяют и паспортные данные станка (частоту вращения шпинделя, подачу, перемещение кареток суппорта и др.). Фактические данные должны соответствовать значениям, указанным в паспорте.

После проверки станка на холостом ходу приступают к испытанию станка под нагрузкой в условиях, близких к производственным. Испытание проводят обработкой образцов на таких режимах, при которых нагрузка не превышает номинальной мощности привода в течение основного времени испытания. При этом допускается кратковременная перегрузка станка по мощности, но не более 25 %. Время испытания станка под нагрузкой должно быть не менее 0,5 ч. Все механизмы и рабочие органы станка должны работать исправно; температура подшипников скольжения и качения не должна превышать 70— 80 °С, механизмов подач — 50°С, масла в резервуаре — 60 °С.

Новые станки, а также станки после ремонта проверяют на геометрическую точность в ненагруженном состоянии, на точность обработки и качество обработанной поверхности. Требования к точности станка изложены в руководстве по эксплуатации.

При контроле станка на точность проверяют радиальное биение наружной центрирующей и торцовое биение опорной поверхностей шпинделя; совпадение осей отверстий под инструменты в револьверной головке с осью шпинделя в вертикальной и горизонтальной плоскостях; перпендикулярность торцовой поверхности и параллельность перемещения револьверной головки к оси шпинделя и ряд других параметров.

Радиальное биение наружной центрирующей поверхности шпинделя проверяют индикатором 1, установленным на неподвижной части станка (12.8, а). Наконечник индикатора должен быть установлен перпендикулярно центрирующей поверхности шпинделя в точке касания. Радиальное биение, измеренное в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, не должно превышать 8 мкм.

Торцовое биение опорной поверхности шпинделя проверяют индикатором 1, установленным на неподвижной части станка (12.8, б). Наконечник индикатора должен быть установлен перпендикулярно к опорной торцовой поверхности 2 шпинделя в точке касания. Торцовое биение вращающегося шпинделя, изморенное в двух диаметрально противоположных точках, не должно превышать 10 мкм.

Осевое биение шпинделя измеряют индикатором, установленным на неподвижной части' станка так, чтобы его измерительный наконечник касался шарика 3, вставленного в центровое отверстие короткой оправки 4, или торца короткой оправки 5, установленной в калиброванном отверстии шпинделя. Осевое биение вращающегося шпинделя не должно превышать 8 мкм  (12.8, в).

Параллельность оси шпинделя направлению перемещения суппорта в вертикальной и горизонтальной плоскостях измеряют индикатором 1 (12.8, г), установленным в револьверной головке так, чтобы его измерительный  наконечник был  пер-

пендикулярен в точке касания к цилиндрической поверхности оправки 5, закрепленной в шпинделе. Револьверный суппорт перемещают на длину 300 мм. Измерение производят в вертикальной и горизонтальной плоскостях по двум диаметрально противоположным образующим оправки 5 (поворотом шпинделя на 180°). В вертикальной плоскости свободный конец оправки может отклоняться только вверх, а в горизонтальной — только вперед в сторону инструмента. Отклонение от параллельности определяют как среднее арифметическое значение результатов измерений в одной плоскости, которое не должно превышать 12 мкм.

Перпендикулярность направления перемещения револьверной головки к оси шпинделя при круговой подаче проверяют индикатором/ (12.8, д\, закрепленным в револьверной головке так, чтобы его измерительный наконечник был перпенди-

кулярен в точке касания к торцовой поверхности контрольной линейки или контрольного диска 6, закрепленного в шпинделе. Наконечник индикатора перемещают поворотом револьверной головки от периферии диска к центру так, чтобы расстояние от точки начала отсчета до центра равнялось 100 мм. Отклонение от перпендикулярности определяют как среднее арифметическое значение результатов двух измерений при повороте шпинделя на 180°, которое не должно превышать 8 мкм. Точность работы станков проверяют также при обработке образцов по наружной цилиндрической поверхности. После чистовой обработки образца на станке определяют постоянство диаметра его обработанной поверхности в поперечном и в нескольких (не менее трех) поперечных сечениях в пределах длины образца. Отклонение от цилиндричности определяют как наибольшую разность диаметров,

которая для детали диаметром 40 мм не должна превышать 8 мкм в одном сечении и 12 мкм — в трех.

Прямолинейность торцовой поверхности образца после чистовой обточки резцами, закрепленными в револьверной головке, определяют с помощью линейки и концевых мер или щупа, а также индикатором, установленным в револьверной головке. Отклонение от прямолинейности определяют как половину разности показаний индикатора, которая для образца диаметром 200 мм, установленного в кулачках патрона, не должна превышать 16 мкм.

12.11. Основные сведения о фрезеровании

Фрезерование отличается от точения тем, что обработку поверхности заготовки осуществляют вращающимся многозубым инструментом — фрезой.

Различают два основных вида фрезерования: тангенциальное, когда ось вращения фрезы располагается параллельно обрабатываемой поверхности, и радиальное, при котором ось вращения фрезы перпендикулярна обрабатываемой поверхности.

Площадь поперечного сечения стружки, снимаемой зубом фрезы, непостоянна и изменяется от минимального до максимального значения атах (12.9, а) при направлении вращения фрезы навстречу подаче (встречное фрезерование) или от максимального до минимального значения (12.9, б)  при направлении вращения

фрезы, совпадающем с направлением подачи  (попутное фрезерование).

Соответственно изменению поперечного сечения стружки происходит изменение нагрузки на фрезу и обрабатываемую деталь, что вызывает появление вибраций в системе станок — приспособление инструмент — деталь. Это явление может привести к разрушению режущих лезвий фрезы, расстроить наладку станка на заданный размер и т. п. Чем больше зубьев фрезы находится в работе, тем более спокойно протекает процесс фрезерования, так как суммарная площадь поперечного сечения среза становится почти постоянной в течение всего времени обработки.

В процессе обработки зубья фрезы изнашиваются по передней и задней поверхностям. Значение допустимого износа может быть установлено только практическим путем в зависимости от конкретных условий, так как нормативов нет. Время, в течение которого фреза может работать без переточки, связано с понятием стойкости.

При фрезеровании задают следующие параметры:

скорость резания v (м/мин) — окружную скорость точек лезвия фрезы, наиболее удаленных от оси вращения. Ее определяют по формуле v=nDn/\000, где D — диаметр фрезы, мм; п — частота вращения, об/мин;

подачу S — путь, пройденный заготовкой относительно фрезы. Различают три вида подач: на зуб (So, мм/зуб), на оборот фрезы (52, мм/об) и минутную (SKm, мм/мин); SMHH = S;-z-n=Son;

глубину фрезерования t (мм) — слой обрабатываемого материала, снимаемого фрезой за один рабочий ход;

ширину фрезерования В (мм) — ширину обрабатываемой поверхности за один рабочий ход, измеренную перпендикулярно направлению подачи.

При выборе режимов резания придерживаются такой последовательности:

1.         Если возможно, деталь фрезеруют

за один  рабочий ход   (/=1).  При  повы

шенных требованиях к точности и шерохо

ватости   поверхности   иногда   назначают

два   рабочих   хода    (первый — черновой,

второй — чистовой).

2.         Значения максимально допустимых

подач ограничивают: при черновой обра

ботке — учетом прочности и жесткости об

рабатываемой детали, инструмента и стан

ка; при чистовой обработке — требовани

ями к точности размеров и шероховатости

обработанной поверхности.

3.         При выборе скорости резания учи

тывают   допустимую   мощность   резания

при выбранном режиме.  В  случае пере

грузки электродвигателя, когда мощность

станка недостаточна, понижают скорость

резания, а не глубину или подачу, так как

при   одинаковом   увеличении   машинного

времени   обеспечивается   более   высокая

стойкость инструмента.

12.12. Основные сведения об абразивной обработке

Абразивный инструмент (шлифовальный круг) в отличие от лезвийного имеет на рабочей поверхности многочисленные режущие кромки абразивных зерен, геометрические параметры которых могут принимать любые произвольные значения. Размеры режущих кромок зависят в основном от величины абразивных зерен.

Перед началом работы производят правку шлифовального круга, причем с его рабочей поверхности снимают слой материала, придавая ей форму цилиндра (при обработке наружных и внутренних цилиндрических поверхностей) или форму фасонной поверхности, которую надо обработать.

Правкой восстанавливают режущую способность, геометрическую форму и структуру рабочей  поверхности  круга.

Правка может выполняться обтачиванием, обкатыванием и шлифованием.

При правке обтачиванием роль резца выполняет инструмент (карандаши, гребенки), режущей частью которого служат природные алмазы и сверхтвердые материалы (синтетические алмазы). Скорость правки равна скорости вращения шлифовального круга.

При правке обкатыванием рабочую поверхность круга восстанавливают дисками (абразивными, металлическими), которые вращаются при контакте с поверхностью шлифовального круга.

При правке шлифованием правящий инструмент с износостойкой поверхностью (алмазный ролик) имеет принудительное вращение, не зависящее от вращения шлифовального круга.

Режущая способность шлифовального круга в сочетании с режимами шлифования определяет интенсивность съема металла, т. е. объем металла QK (мм3/мин), снимаемый в единицу времени.

Шлифовальные круги работают с окружной скоростью VK, равной 35, 50 и 60 м/с. Подача может быть непрерывной или периодической на глубину i; различают подачу на один оборот детали (t0, мм/об) на ход при шлифовании с продольной  подачей   (tx,  мм/.х)   и  минутную

Рабочий цикл шлифования обычно выполняют в три этапа. На первом этапе с обрабатываемой поверхностью производят съем припуска с подачей (черновой), которая ограничивается жесткостью системы станок — приспособление — инструмент — деталь и режущей способностью круга. На втором этапе интенсивность съема снижают уменьшением подачи (чистовой) и обеспечивают размер обрабатываемой поверхности, близкий к заданному. На третьем этапе подачу выключают и за счет остаточных деформаций производят шлифование с малыми съемами металла до получения окончательного размера и заданной шероховатости (выхаживание).

С увеличение интенсивности съема QM увеличивается количество теплоты, выделяющейся в зоне резания. Наличие высоких температур в зоне резания может привести  к изменению структуры  поверхно-

стного слоя шлифуемой заготовки, при-жогам и трещинам, тепловым деформациям и т. п. Чтобы обеспечить высокую производительность шлифования при заданном качестве поверхностного слоя, следует применять смазочно-охлаждающие жидкости, уменьшать твердость и применять более крупнозернистые круги.