Тепловые явления процесса резания

Процесс резания сопровождается образованием теплоты. Количество теплоты Q, выделяющейся в единицу времени, Дж/мин:

Q=P_z×V,

где P_z – вертикальная составляющая силы резания, Н; V – скорость резания, м/мин.

Теплота образуется в результате упругопластического деформирования в зоне стружкообразования, трения стружки о переднюю поверхность инструмента, трения задних поверхностей инструмента о поверхность резания и обработанную поверхность заготовки.

Тепловой баланс процесса резания можно представить следующим тождеством:

Q = Q_д+Q_п.п +Q_з.п = Q_с+ Q_заг+ Q_и+ Q_л,

где Q_д – количество теплоты, выделяемой при упругопластической деформации обрабатываемого материала, Дж; Q_п.п – количество теплоты, выделяемой при трении стружки о переднюю поверхность инструмента, Дж; Q_з.п – количество теплоты, выделяемой при трении задних поверхностей инструмента о заготовку, Дж; Q_с – количество теплоты, отводимой стружкой, Дж; Q_заг – количество теплоты, отводимой заготовкой, Дж; Q_и – количество теплоты, отводимой режущим инструментом, Дж; Q_л – количество теплоты, отводимой в окружающую среду (теплота лучеиспускания), Дж.

В зависимости от технологического метода и условий обработки стружкой отводится 25 – 85 % всей выделившейся теплоты; заготовкой 10 – 50 %; инструментом 2 – 8 %. Количественное распределение теплоты главным образом зависит от скорости резания .

Теплообразование отрицательно влияет на процесс резания. Нагрев инструмента до высоких температур (800 – 1000 ⁰С) вызывает структурные превращения в металле, из которого он изготовлен, снижение твердости инструмента и потерю режущих свойств. Нагрев, инструмента вызывает изменение его геометрических размеров, что влияет на точность размеров и геометрическую форму обработанных поверхностей. Например, при обтачивании цилиндрической поверхности на токарном станке удлинение резца при повышении его температуры изменяет глубину резания, и обработанная поверхность получается конусообразной. Нагрев заготовки вызывает изменение ее геометрических размеров. Вследствие жесткого закрепления на станке заготовка деформируется. Температурные деформации инструмента, приспособления, заготовки и станка снижают качество обработки.

Погрешность формы обработанных поверхностей возрастает из-за непостоянства температурного поля по объему заготовки в процессе обработки, и после охлаждения обработанной заготовки возникают дополнительные погрешности обработанной поверхности . Температурные погрешности следует учитывать при наладке станков. Для определения погрешностей необходимо знать температуру инструмента и заготовки или количество теплоты, переходящей в них .

Вопрос 53.Охлаждение и смазка при обработке. Смазочно-охлаждающие вещества. Подвод охлаждающей среды в зону резания.

для уменьшения отрицательного влияния теплоты на процесс резания обработку ведут в условиях применения смазочно-охлаждающих сред. В зависимости от технологического метода обработки, физико-механических свойств материалов обрабатываемой заготовки и режущего инструмента, а также режима резания применяют различные смазочно-охлаждающие среды.

Жидкости: водные растворы минеральных электролитов, эмульсии, растворы мыл; минеральные, животные и растительные масла; минеральные масла с добавлением фосфора, серы, хлора (сульфофрезолы), керосин и растворы поверхностно-активных веществ в керосине; масла и эмульсии с добавлением смазывающих веществ (графита, парафина, воска).

Газы и газообразные вещества: газы СО₂, ССl₄, N₂; пары поверхностно-активных веществ; распыленные жидкости (туман) и пены.

Твердые вещества: порошки воска, парафина, петролатума, битума; мыльные порошки.

Чаще всего при обработке резанием применяют смазочно-охлаждающие жидкости. Обладая смазывающими свойствами, жидкости снижают трение стружки о переднюю поверхность инструмента и задних поверхностей инструмента о заготовку. Одновременно снижается работа деформирования. Общее количество теплоты, выделяющейся при резании, уменьшается. Смазочно-охлаждающие среды отводят теплоту во внешнюю среду от мест ее образования, охлаждая режущий инструмент, деформируемый слой и обработанную поверхность заготовки. Смазывающее действие сред препятствует образованию налипов металла на поверхностях инструмента, в результате чего снижается шероховатость обработанных поверхностей заготовки. Применение смазочно-охлаждающих сред приводит к тому, что эффективная мощность резания уменьшается на 10 – 15 %; стойкость режущего инструмента возрастает, обработанные поверхности заготовок имеют меньшую шероховатость и большую точность, чем при обработке без применения смазочно-охлаждающих сред.

При черновой и получистовой обработке, когда требуется сильное охлаждающее действие среды, применяют водные эмульсии. Количество эмульсии, используемой в процессе резания, зависит от технологического метода обработки и режима резания и колеблется от 5 до 150 л/мин. Увеличивать количество подаваемой жидкости рекомендуют при работе инструментов, армированных пластинками твердого сплава, что способствует их равномерному охлаждению и предохраняет от растрескивания. При чистовой обработке, когда требуется получить высокое качество обработанной поверхности, используют масла. Для активизации смазочных материалов к ним добавляют активные вещества – фосфор, серу, хлор. Под влиянием высоких температур и давлений эти вещества образуют с металлом контактирующих поверхностей соединения, снижающие трение – фосфиды, хлориды, сульфиды. При обработке заготовок из хрупких металлов, когда образуется стружка надлома, в качестве охлаждающей среды применяют сжатый воздух, углекислоту.

Смазочно-охлаждающие среды по-разному подаются в зону резания. Наиболее распространена подача жидкости в зону резания через узкое сопло на переднюю поверхность инструмента под давлением 0,05 – 0,2 МПа. Более эффективно высоконапорное охлаждение. В этом случае жидкость подают тонкой струёй под давлением 1,5 – 2 МПа со стороны задних поверхностей инструмента: Весьма эффективным является охлаждение распыленными жидкостями – туманом, который подают со стороны задних поверхностей инструмента. В тех случаях, когда охлаждение режущего инструмента затруднено, используют подвод жидкости непосредственно в зону резания через полый режущий инструмент.

Вопрос 54. Материалы для изготовления режущих инструментов ( инструментальные стали. Твердые сплавы. Менралокерамика. Абразивные материалы. Алмазы).

Для изготовления режущих инструментов применяют различные материалы: инструментальные углеродистые, легированные и быстрорежущие стали, твердые сплавы, минералокерамические материалы и алмазы.

Быстрорежущим и называют стали, содержащие от 8,5 до 19% вольфрама и от 3,8 до 4,4% хрома, а также кобальт и ванадий.

После термической обработки, включающей закалку и многократный (двух- или трехкратный) отпуск при температуре 550 - 600° С, инструмент из быстрорежущих сталей может иметь твердость HRC 63 -- 65, и характеризуется повышенным сопротивлением износу и теплостойкостью до 600° С.

В настоящее время в СССР выпускают следующие марки быстрорежущей стали: Р9, Р18, Р9Ф5, Р18Ф2 - стали нормальной производительности; Р9К5, Р14Ф4, Р9К10, Р18К5Ф2 и Р10К5Ф5 - стали повышенной производительности. Буква Р обозначает, что сталь относится к группе быстрорежущих; цифра, стоящая после буквы Р, показывает среднее содержание вольфрама в процентах; цифра после буквы K - среднее содержание кобальта; цифра после буквы Ф - среднее содержание ванадия.

Резцы из быстрорежущей стали рекомендуется применять там, где нет быстроходных и мощных станков и, следовательно, не могут быть эффективно использованы резцы с пластинками из твердого сплава, либо при работе с ударами, когда твердо- сплавные резцы недостаточно прочны.

Быстрорежущую сталь марки Р18 применяют для изготовления особенно ответственного режущего инструмента и фасонных резцов.

Быстрорежущие стали марок Р9К5, Р9К10, Р18К5Ф2 и Р10К5Ф5 - стали повышенной производительности -- имеют более высокую твердость, красностойкость и повышенную износостойкость по сравнению с быстрорежущей сталью Р18, рекомендуется применять при обработке труднообрабатываемых легированных сталей, высокопрочных нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов.

При обработке чугуна быстрорежущую сталь применять не рекомендуется.

Твердые сплавы -- наиболее производительные из всех существующих инструментальных материалов. Твердые сплавы, изготовляемые в СССР, делятся на три группы:

вольфрамовая (однокарбидные);

титано-вольфрамовая (двухкарбидные);

титано-тантало-вольфрамовая (трехкарбидные).

Однокарбидные твердые сплавы условно обозначаются буквами ВК и цифрой, указывающей процент содержания кобальта. Например, в сплаве ВК8 содержится 92% карбида вольфрама и 8% кобальта. К этой же группе относятся марки ВК2, ВКЗМ, ВК4 и ВК8.

Двухкарбидяые твердые сплавы обозначаются буквами ТК и цифрами, стоящими пооле каждой из этих букв, которые указывают соответственно процент содержания карбида титана и кобальта. Например, твердый сплав Т15К6 содержит 15% карбида титана, 6% -- кобальта, остальные 79% составляет карбид вольфрама.

К группе двухкарбидных твердых сплавов относятся марки Т5К10, Т14К8, Т15К6, ТЗОК4 и Т5К12В.

Трехкирбыдные твердые сплавы условно обозначаются буквами ТТК и цифрами, стоящими после букв ТТ и К, которые указывают соответственно процент содержания карбида титана, карбида тантала и кобальта. Например, твердый сплав ТТ7К12 содержит 7% карбида титана и карбида тантала (из них 4% ТаС и 3% TiC), 12% кобальта, остальные 81% составляет карбид вольфрама.

Твердые сплавы изготовляют в виде пластинок, которые припаивают или механически прикрепляют к стержню резца.

Основное преимущество твердых сплавов заключается в их исключительно высокой твердости (HRA 87 -- 91), хорошей сопротивляемости истиранию сходящей стружкой и высокой температурнои стойкости (800 - 900°С). Благодаря этим ценным свопствам, резцы с пластинками из твердого сплава пригодны для обработки самых твердых металлов и неметаллических материалов (стекла, фарфора, пластмасс) со скоростями резания, превышающими в 3 - 4 раза и более скорости, допускаемые быстрорежущими резцами. Недостатком твердых сплавов является их хрупкость.

Вопрос 55. Характеристика метода точения. Виды работ. Инструмент, оборудование и приспособление. Основные представители станков токарной группы.