Лекція 20 інтенсифікація процесів оброблення різанням

20.1 Надшвидкісне різання

По мірі зростання швидкостей різання, які використовуються при обробленні сьогодні, теплові умови зносу інструменту безперервно погіршуються. Тому припустимі значення швидкості різання визначає температура червоностійкості інструментального матеріалу. Це пояснюється тим, що по мірі збільшення швидкості різання і відповідно швидкості деформації, яку вона визначає, робота пластичної деформації зменшується і, як наслідок, зменшується кількість тепла, що виділяється на одиниці шляху руху різання. Однак, завдяки підвищенню швидкості руху, кількість теплоти, яка виділяється в одиницю часу і визначає стійкість інструмента, збільшується.

Ідея надшвидкісного різання полягає в переході на оброблення різанням з особливо високими швидкостями. В цьому випадку починаючи з деякого критичного значення V_кр, температура починає зменшуватись (рис. 20.1), тобто температурні умови роботи інструмента стають аналогічними тим, в яких інструмент працює при звичайних швидкостях різання.

Рисунок 20.1 – Зміна температури в зоні різання в залежності

від швидкості різання

Це пояснюється тим, що, починаючи з критичних швидкостей різання та відповідних ним швидкостей деформації, характер протікання процесу утворення стружки якісно змінюється – відокремлення матеріалу зрізуваного шару проходить не внаслідок пластичного деформування, а крихкого руйнування. Як відомо, енергія, що необхідна для крихкого руйнування, значно менша енергії, яка необхідна для пластичного руйнування. Тому крихке руйнування характеризується значно меншим тепловиділенням і визначає можливість практичної реалізації надшвидкісного різання, яке забезпечує корінне підвищення продуктивності оброблення. Окрім того, при різанні з високими швидкостями деформування звільнюється накопичена в процесі деформування потенційна енергія, що зменшує опір деформуванню внаслідок внутрішнього розігрівання металу. В цьому випадку також спостерігається локалізація пластичної деформації в малих об’ємах, а також інтенсивне розігрівання контактних шарів, яке призводить до зменшення сил тертя. Все це призводить до того, що при надвисоких швидкостях різання V_над (див. рис 20.1, точка 2) температури в зоні різання будуть такими ж, як і при звичайних швидкостях різання (див. рис.20.1, точка 1).

Надшвидкісне різання виконується на дуже високих швидкостях; наприклад, для надшвидкісного різання чавуну інструментом із швидкорізальної сталі необхідна швидкість різання складає 750 м/с. Для переводу відпаленої сталі в крихкий стан необхідна швидкість деформування 3000 м/с. Підвищення температури червоностійкості інструментальних матеріалів, тобто підвищення допустимих температур в зоні різання, звужує розміри зони катастрофічного теплового зносу інструмента V_об – V_над, отже підвищує допустимі швидкості різання при звичайному різанні і зменшує граничні швидкості надшвидкісного різання.

В якості енергії для виконання надшвидкісного різання використовують вибухові речовини, стиснений газ, потужний іскровий розряд, спалювані гази, магнітні поля високої щільності, а також звичайні електричні двигуни.

Більшість кінематичних схем надшвидкісного різання побудовані на використанні поступального руху різання. Забезпечити необхідні швидкості на звичайних верстатах з обертальним рухом різання поки що не завжди можливо із-за необхідності в кропіткому балансуванні деталей, що обертаються. Сьогодні промисловість виготовляє верстати, які забезпечують частоту обертання шпинделя 10000 – 15000 об/хв.

20.2 Ротаційне точіння

Ротаційні методи оброблення відрізняються від звичайних тим, що крім двох основних рухів, необхідних для виконання процесу різання – швидкості різання V і подачі зі швидкістю V ₁ – при ротаційних методах оброблення передбачається переміщення різальної кромки в додатковому, третьому, русі із швидкістю V ₂. Таке переміщення на практиці реалізується шляхом додаткового обертання робочої частини інструменту навколо своєї осі симетрії.

Розглянемо схему ротаційного точіння круглим обертовим різцем (рис. 20.2).Круглий обертовий різець може здобути додаткове обертання із швидкістю V ₂ або природнім шляхом, тобто внаслідок дії сил тертя між деталлю, стружкою та різцем, або примусово від того чи іншого приводу, який буде забезпечувати обертання робочої частини. Для того щоб забезпечити самообертання робочої частини різця, її необхідно встановити під деяким кутом відносно напрямку подачі D_s. Якщо кут m < 90º, то такий напрямок обертання називають прямим, якщо m > 90º - зворотнім. При m = 90º самообертання робочої частини різця не буде, тому необхідне примусове обертання різця.

Рисунок 20.2 – Схема ротаційного оброблення круглим обертовим різцем

Кут установки m і пов’язаний з ним кут нахилу головної різальної кромки l ₀ не тільки забезпечує самообертання робочої частини, але в сукупності з вихідними значеннями переднього кута g ₀ і заднього кута a ₀ визначають фактичні кути g_ф і a_ф в різних точках активної ділянки різальної кромки.

Ротаційне переміщення робочої частини інструменту суттєво впливає на теплофізичний стан в зоні різання. Зміни, які вносяться в інтенсивність теплових потоків і температурне поле в зоні оброблення при переході від інструменту, в якому робоча частина не обертається, до ротаційного, є результатом дії декількох факторів. Насамперед, в зв’язку з обертанням робочої частини, кожна із ділянок її контактної поверхні піддається тепловій дії не безперервно, а періодично, з чергуванням нагрівання та охолодження. Періодизація процесу призводить до зниження температури на поверхнях інструменту.

З іншого боку, при ротаційних методах оброблення умови тертя на контактних поверхнях відрізняються від умов тертя при роботі інструментами з нерухомими робочими частинами: тертя ковзання між поверхнями інструменту та оброблюваним матеріалом може частково замінюватись тертям кочення, що зменшує інтенсивність тепловиділення. При ротаційному обробленні лезовим інструментом зменшується робота деформації, а отже, і теплота деформування, змінюється форма та розміри контактних поверхонь, довжина активної частини кромок і, в зв’язку з цим, зменшується інтенсивність тепловиділення та розподіл теплоти між інструментом і оброблюваною заготовкою. Доля теплоти при ротаційному обробленні може перевищувати в декілька разів відносну кількість теплоти, що переходить в різець з нерухомою робочою частиною. По мірі збільшення часу безперервної роботи ротаційного інструменту в ньому накопичується теплота і температура збільшується. Щоб запобігти значного зростання температури в зоні різання, бажано охолоджувати робочу частину потоком рідини або повітря.

Ротаційне переміщення робочої частини інструмента забезпечує таке зменшення температури контактних поверхонь, якого неможливо досягти штучним шляхом. Регулювання термічного режиму оброблення за рахунок ротаційних методів оброблення створюють умови для підвищення стійкості інструменту в десятки разів, суттєвого підвищення продуктивності праці та якості виробів.

20.3 Особливості тонкого (фінішного) точіння

При тонкому точінні, коли оброблення виконується з дуже малими глибинами і подачами, шорсткість обробленої поверхні спочатку різко зменшується із збільшенням радіусу округлення від 0,1 до 0,3 мм, а при подальшому збільшенні r практично не змінюється. В зв’язку з цим при тонкому точінні не використовуються різці з великими радіусами закруглення вершини.

В меншій мірі впливають на параметри шорсткості обробленої поверхні задній кут a і передній кут g. Передній кут, який, як відомо, вимірюється в головній січній площині, не характеризує фактичний передній кут біля вершини різця, яка формує оброблену поверхню. Звичайно вершина різця закруглена, тому площина, яка нормальна до цієї кривої, в різних точках змінює своє направлення і, відповідно, змінюється направлення деформування стружки, що відбивається і на шорсткості обробленої поверхні. До того ж в відповідних точках кути в плані зменшуються по мірі наближення до вершини різця. Таким чином передній кут буде змінюватись згідно до формули

tg g = cos j ·tg g_y + sin j ·tg g_x,

де g_y, g_x – передній та задній кути, відповідно, в поздовжньому і поперечному напрямках відносно державки.

В крайньому випадку, коли біля самої вершини j = 0, маємо g = g_y.

Згідно даним А.М.Вульфа, шорсткість обробленої поверхні зменшується при обробленні різцями із значенням кута g_y = 0º - (– 15º) при точінні сталі 0ХН4М і g_y = 0º – при обробленні чавунів (НВ 170-200). При обробленні сталі кут g = 0º - 5º виявився оптимальним з точки зору поверхневого зміцнення виготовленої деталі; він забезпечив більшу втомленісну міцність.

При тонкому точінні сталі із зменшенням заднього кута a параметри шорсткості обробленої поверхні декілька поліпшуються. Тому рекомендується вздовж різальної кромки заточувати вузеньку фаску під невеликим кутом a. В цьому випадку зменшується шорсткість самої різальної кромки, що сприяє зменшенню параметрів шорсткості. Того ж самого можна досягти, збільшуючи радіус закруглення різальної кромки r. Поверхня з малими параметрами шорсткості утворюється при вторинній пластичній деформації внаслідок її контактування з закругленою різальною кромкою, величина радіусу закруглення якої змінює об’єм і положення застійної зони спереду різця.

При фінішному точінні часто використовують різці з широкою різальною кромкою, яка розташовується паралельно твірній оброблюваної деталі, тобто під кутом j = 0. При цьому видаляється дуже тонкий шар, який вимірюється сотими долями міліметра, але з великими подачами, величина яких досягає 10-20 мм/об. Але незважаючи на високу продуктивність, широкі різці знаходять обмежене використання. Це обумовлено великими значеннями складової сили різання R_y, що потребує великої жорсткості системи ВПІД. Крім того, необхідна дуже точне встановлення різальної кромки, яка повинна бути паралельна твірній виробу. Цього можливо запобігти, якщо розташувати різальну кромку під деяким кутом відносно лінії центрів в вертикальній площині.

Важливим є також те, що в умовах тонкого точіння глибина різання t практично не впливає на шорсткість при обробленні з різними подачами.

На параметри шорсткості сильно впливає стан різальної кромки і матеріал, із якого виготовлена різальна частина різця. Так, при однакових умовах оброблення різець з робочою частиною з мінералокераміки має більш рівну різальну кромку порівняно з твердосплавним із сплаву Т15К6. При цьому після затуплення лезо мінералокерамічного різця залишається більш якісним і забезпечує менші параметри шорсткості обробленої поверхні, хоча радіус закруглення цього різця r значно більший. Це обумовлене однорідністю структури мінералокераміки, її більшою твердістю і меншою хімічною спорідненістю із оброблюваним матеріалом, що сприяє зменшенню коефіцієнту тертя. Але при обробленні деяких кольорових металів, наприклад, алюмінієвих сплавів, бронз, які споріднені з мінералокерамікою, може бути зворотна закономірність – твердосплавні різці забезпечують кращі параметри шорсткості обробленої поверхні.

Для покращення якості обробленої поверхні рекомендується використовувати алмазні різці, які мають велику зносостійкість, твердість і найменший коефіцієнт тертя. Їх використання особливо корисне там, де оброблюються в масовій кількості з високою точністю вироби із матеріалів, які мають велику абразивну здатність(фібри, резини, ізоляційних матеріалів), а також бронзи, латуні, алюмінію і легких сплавів. Внаслідок крихкості алмазу та його схильності до дифузійного зношування не рекомендується оброблювати ним тверді сталі та чавун.

Використовуються наступні типи алмазних і ельборових різців:

· з однією різальною кромкою;

· з круглою різальною кромкою;

· з декількома різальними кромками.

Звичайно алмазними різцями працюють з глибинами різання t = 0,1 – 0,25 мм і подачами s = 0,03 – 0,08 мм.

Ельборові різці також використовуються для тонкого точіння та розточування, але ельборовими різцями на відміну від алмазних можна оброблювати загартовані сталі та сплави.

20.4 Фізичні та технологічні особливості комбінованих методів

оброблення із використанням додаткових джерел енергії

20.4.1 Лезове оброблення з попереднім пластичним деформуванням

При механічному обробленні пластичних матеріалів відділенню матеріалу зрізуваного шару від основної маси заготовки передує дуже інтенсивне його пластичне деформування. Тому процес різання таких матеріалів розглядається як процес локального пластичного деформування, що доводиться до руйнування. Отже, в цьому випадку основна частка роботи різання витрачається на пластичне деформування металу, який видаляється.

Основою способу оброблення з попереднім пластичним деформуванням є зменшення роботи, яка витрачається на пластичну деформацію.

Розглянемо спосіб оброблення точінням з попереднім пластичним деформуванням матеріалу зрізуваного шару по поверхні різання (рис. 20.3).

Рисунок 20.3 – Схема точіння з попереднім пластичним деформуванням

Сутність способу полягає в суміщенні двох операцій: попереднього пластичного деформування та різання. Пластичне деформування, яке призводить до зміцнення поверхневого шару на поверхні різання, виконується в процесі оброблення на глибину a_деф за допомогою додаткового пристрою, внаслідок чого різальною кромкою видаляється матеріал товщиною a, який здобув попередньо певну пластичну деформацію. Таким чином, до моменту початку дії різальної кромки на матеріал зрізуваного шару, частка роботи, яка витрачається на пластичне деформування в процесі стружкоутворення при звичайному різанні, вже попередньо виконана додатковим пристроєм в вигляді ролика для накатування, що притискається з силою P до поверхні різання. Як наслідок, різальною кромкою виконується не вся робота, а тільки її частина. Це забезпечує зменшення сили різання, температури, а також підвищення стійкості та продуктивності оброблення.

Використання при точінні з попереднім пластичним деформуванням роликів з двома фасками, одна із яких виконує попередню пластичну деформацію поверхні різання а друга – пластичну деформацію обробленої поверхні, дозволяє не тільки підвищити продуктивність точіння, але й покращити експлуатаційні характеристики деталей, які виготовляються. Останнє обумовлене збільшенням твердості та міцності поверхневих шарів внаслідок наклепу та стискуючих залишкових внутрішніх напружень, які при цьому утворюються.

20.4.2 Додатковий підігрів зони оброблення

Одним із сучасних способів підвищення ефективності технологічних процесів при виготовленні деталей із важкооброблюваних матеріалів, головним чином при різанні лезовими інструментами, є підігрівання зони оброблення за допомогою електричної або теплової енергії. Найбільше розповсюдження здобув електроконтактний спосіб та підігрівання оброблюваного матеріалу за допомогою струменю плазми. Обидва методи дозволяють забезпечити на контактних поверхнях температури, які є оптимальними для даного оброблюваного та інструментального матеріалів.

При електроконтактному підігріванні (рис. 20.4) за допомогою джерела технологічного струму (ДТС) в доповнення до джерел теплоти деформації, тертя по передній та задній поверхням інструменту, які виникають природно, додаються джерела, які являють собою тепловиділення, що пов’язане з проходженням електричного струму через площадки контакту, відповідно, на передній та задній поверхнях інструменту.

Рисунок 20.4 – Схема точіння з підігріванням зони оброблення

електроконтактним способом

Теплота двояко впливає на температуру в зоні різання. Безпосередній вплив полягає в підвищенні температури заготовки, інструменту та стружки нагріванням теплотою, яка визначається за законом Джоуля-Ленца. Побічний вплив полягає в зміні міцності приконтактних шарів оброблюваного матеріалу, зміні коефіцієнтів тертя, а разом з ними і інтенсивностей теплоутворюючих джерел, які обумовлені перетворенням робіт – деформування, тертя по передній поверхні, тертя по задній поверхні – в теплоту. Основний ефект від введення струму в зону різання полягає в зміні температури передньої поверхні різця. Джоулева теплота впливає головним чином на температуру прирізцевих шарів стружки і деталі, не оказуючи дії на область, в якій проходить основне деформування оброблюваного матеріалу. З цієї причини при електроконтактному нагріванні зменшення сили різання в порівнянні з силою різання при обробленні без струму, як правило, невелике.

Максимальна температура на передній поверхні при введенні в зону різання додаткової енергії збільшується (рис. 20.5). Вона стає тим більшою, чим більшої сили струм підводиться в ланцюг “заготовка-інструмент”. Разом з цим точка з максимумом температури нагрівання при збільшенні сили струму віддаляється від різальної кромки. В зв’язку з цим місце лунки зношування із збільшенням сили струму також віддаляється від кромки, що є однією із причин підвищення стійкості інструменту при точінні з електроконтактним підігріванням.

Рисунок 20.5 – Вплив величини струму на температуру

передньої поверхні різця

Розглянемо оброблення з підігріванням плазмою (рис. 20.6).

Рисунок 20.6 – Схема оброблення з підігріванням плазмою

Заготовка 1 є катодом, а електрод 2, який розташований в корпусі плазмотрона 3 з форсункою 4, анодом. В установку подається газ, наприклад, аргон, який під дією електричної дуги, що виникає між електродом і заготовкою, сильно іонізується, утворюючи плазму. Струмінь плазми 5, який являє собою висококонцентроване джерело теплоти, нагріває поверхневий шар заготовки, який потім підводиться в зону різання до інструменту 6. Форсунка 4 через резистор 7 і автоматичний вимикач 8 включена в ланцюг струму, що дозволяє створювати додаткову дугу. Остання необхідна для підтримання процесу в випадку згасання або виключення основної дуги між заготовкою і електродом. Спрямовуючи струмінь плазми на оброблювану поверхню або поверхню різання та розташовуючи пляму нагрівання на різній відстані від кромки інструменту L, можна регулювати температуру, з якою оброблюваний матеріал потрапляє в зону різання.

Порівнюючи електроконтактний спосіб та спосіб підігрівання плазмою звернемо увагу на деякі розбіжності між ними.

Ці способи відрізняються наступним. В першому випадку підвищується температура прирізцевих шарів металу, а на область, яка межує з площиною зсуву, це нагрівання практично не впливає. При нагріванні плазмою шар, що видаляється, прогрівається на всю товщину до того, як він поступить в зону стружкоутворення. Тому нагрівання плазмою сильніше впливає на зміну механічних властивостей оброблюваного матеріалу, сили різання та процес утворення стружки, чим електроконтактний спосіб нагрівання.

20.4.3 Оброблення різанням з вібраціями

В розділі “Динаміка процесу різання” були розглянуті причини виникнення коливань, відзначений їх негативний влив на показники оброблення та способи боротьби з вібраціями.

Разом з цим існує і інший напрямок, пов’язаний з використанням позитивних дій вібрацій на процес оброблення.

Процес вібраційного різання полягає в тому, що на звичайну кінематичну схему оброблення на даній операції накладається додатковий вібраційний рух інструменту або заготовки. Загальними фізичними особливостями різання з вібраціями є:

· короткочасне періодичне збільшення швидкості різання;

· перемінне циклічне навантаження на матеріал, що пластично деформується, яке обумовлене перемінними швидкостями та кутами різання;

· зменшення сил тертя на поверхнях контактування інструменту зі стружкою та оброблюваною заготовкою;

· підвищення ефективності використання МОР;

Ці особливості різання призводять до поліпшення умов роботи різального інструменту внаслідок зменшення сили різання та температур, які діють на них, періодичного відпочинку різальної кромки інструменту, обумовленого короткочасним зменшенням або повним зняттям навантаження на лезо інструмента; відсутністю на лезі уступів або лунок для подрібнення стружки, заточування яких призводить до виникнення додаткових внутрішніх напружень і мікротріщин, що послаблюють різальну кромку.

Вплив цих позитивних факторів при оптимальних умовах оброблення може превалювати над негативними факторами вібрацій, які полягають в перемінних значеннях навантаження на різальну кромку інструменту, погіршенні параметрів шорсткості обробленої поверхні, в зменшенні довговічності окремих вузлів і верстата в цілому.

Використання вібрацій при різанні може змінювати: характер процесу різання, перетворюючи його із безперервного в переривчастий, який супроводжується періодичним виходом леза інструменту із оброблюваного матеріалу; фізичну картину перетворення окремих елементів зрізуваного шару в стружку при тому ж характері оброблення (безперервному чи переривчастому), тобто впливати на процес утворення стружки. Ці зміни можуть відноситись або безпосередньо основних фізичних процесів (утворення стружки, пластичне деформування, руйнування оброблюваного матеріалу, тертя на контактних поверхнях), або тільки механіки деформування окремих елементів стружки. Інколи наявність вібрацій не змінює процесу утворення стружки відносно звичайного різання, а призводить до того, що формування окремих елементів стружки по її довжині проходить при декілька відмінних швидкостях і робочих кутах різання. В цьому випадку істотних змін ні в характері процесу різання, ні в механіці формування окремих елементів стружки, тобто в цілому в процесі різання, не відбувається.

Різання з вібраціями різко збільшує ефективність дії МОР, особливо коли накладення вібрацій змінює характер різання з безперервного в переривчастий. Це пояснюється насамперед надійним періодичним обмиванням леза інструменту, яке відбувається під час виходу інструмента із оброблюваного матеріалу.

Основними технологічними умовами раціонального використання вібраційного різання є:

· правильний вибір напрямку вібрацій

· визначення параметрів вібрацій, які забезпечать найбільшу ефективність процесу для даних умов оброблення.

Класифікація типових кінематичних схем зображена на рис. 20.7, з якого видно, що на звичайну схему механічного оброблення можливо накласти осьові вібрації по осі О - x; радіальні по осі О - y та тангенціальні по осі О - z, а також в напрямку, який не співпадає ні з однією з цих осей, наприклад, в напрямку вектора швидкості різання при звичайному різанні.

Рисунок 20.7 – Можливі варіанти накладення вібрацій при точінні

При різанні з радіальними коливаннями різко погіршуються параметри шорсткості обробленої поверхні, а також спостерігається підвищене зношування і викришування твердосплавних кромок. Тому ця кінематична схема рекомендується при використанні вібрацій ультразвукових частот.

Різання з осьовими коливаннями використовується для подрібнення стружки. Воно забезпечує задовільні параметри обробленої поверхні, зберігаючи точність оброблення і стійкість інструменту такими ж, як і при звичайнім різанні з цими ж умовами. Основними особливостями вібраційного різання з осьовими коливаннями є велика зміна товщини зрізу за один цикл коливань інструменту, а також суттєва зміна робочих кутів різання. Зміна швидкості різання при обробленні за цією схемою дуже мала, але результуючий вектор швидкості різання та подачі змінює свій напрямок з частотою, яка дорівнює частоті коливань.

Вібраційне різання з тангенціальними коливаннями використовують для суттєвого збільшення продуктивності оброблення і стійкості інструменту при різанні важкооброблюваних матеріалів.

Вібраційне різання ефективно використовується на операціях точіння, свердління, фрезерування і таке інше.

Дата добавления: 2014-01-07