Лекции на тему «Обработка материалов резанием»по дисциплине материаловедение

Лекция 1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О РЕЗАНИИ МЕТАЛЛОВ

1. Режущий инструмент и процесс резания

Процесс резания — это обработка металлов путем снятия стружки. Стружку снимают режущими инстру­ментами. Основным элементом всякого режущего инструмента является режущий клин, который при относи­тельном движении врезается в обрабатываемую деталь и удаляет слой металла в виде стружки.

Чтобы выяснить роль основных элементов режущего инструмента, рассмотрим простейший случай работы резца.

Предположим, что в суппорте поперечно-строгального станка закреплен прямоугольный термически обра­ботанный брусок А (рис. 1), а на столе станка в тисках закреплена заготовка Б.

При перемещении суппорта с закрепленным в нем бруском Л по направлению стрел­ки и с заготовки
Б
будет удален слой металла глуби­ной t.

Рис. 1. Схема работы резца.

Таким образом, термически обработанный бру­сок Л будет резать более мягкий металл заготовки Б.

Но резать в таких условиях будет тяжело, так как ниж­няя плоскость бруска будет сильно тереться о поверх­ность заготовки, а металл перед бруском А сильно де­формироваться.

Если нижнюю плоскость бруска А сошлифовать под углом a, а переднюю направить под углом g, то резание облегчится. Следовательно, изменив форму бруска, мы можем значительно уменьшить как трение его о поверх­ность резания, так и деформацию металла при образо­вании стружки.

Из рис. 5 видно, что с увеличением углов a и g про­цесс резания будет протекать легче, так как чем острее клин, т. е. чем меньше угол, образованный передней и задней плоскостями, тем меньше усилия требуется для его врезания в металл. Угол, образованный передней и задней плоскостями, называется углом заострения и обо­значается греческой буквой b. Таким образом, величина приложенного усилия будет зависеть от величины угла заострения: чем меньше угол заострения b тем легче клин будет проникать в металл, и, наоборот, чем больше угол заострения, тем труднее клину врезаться в металл. Но уменьшение угла заострения b приводит к механиче­ской непрочности резца. Это и ограничивает увеличение величины углов a и g.

При токарной обработке процесс снятия стружки происходит в результате со­четания двух одновременно действующих рабочих дви­жений, одно из которых вра­щательное, а второе — по­ступательное. Вращение об­рабатываемой заготовки v (рис. 2) называется глав­ным движением, а пере­мещение резца S относи­тельно заготовки — движением подачи.

В процессе резания на детали различают следующие три поверхности: 1 — обрабатываемую поверхность, 2- поверхность резания и 3-

обработанную поверхность (рис. 2).

Обрабатываемая — это та поверхность детали, кото­рая подлежит обработке, т. е. с которой снимается стружка.

Поверхностью резания называют поверхность, кото­рая образуется на детали непосредственно режущей кромкой резца. С нее срезается стружка при каждом обороте детали.

Обработанной называют поверхность детали, полу­ченную после снятия стружки.

2 Элементы режима резания

Элементами режима резания являются:

· глубина резания,

· подача

· скорость резания.

Глубина резания—

это толщина слоя металла, сре­заемого резцом за один, проход (рис. 3). Глубина ре­зания обозначается буквой
t
и измеряется в миллимет­рах как линейное расстояние между обрабатываемой и обработанной поверхностями. При точении глубина резания измеряется в осевой плоско сти детали и равна:

где D—

диаметр обрабатываемой поверхности,
мм,d—
диаметр обработанной поверхности,
мм.

Рис.3 Поперечное сечение срезаемого слоя металла

Подачей

при точении на­зывают перемещение резца вдоль обработанной поверх­ности за один оборот дета­ли. Подача измеряется в миллиметрах на оборот
{мм/об)
и обозначается буквой
S
. Чаще всего при точении применяют про­дольные (вдоль оси детали) и поперечные (поперек оси) подачи. Обычно подачи непрерывно-равномерны, т. е. за каждый оборот детали резец перемещается на одну и ту же величину.

Глубина резания и подача характеризуют основные размеры стружки.

Ширина

срезаемого слоя (стружки) — это расстояние между обрабатываемой и обработанной поверхностями, измеренное по поверхности резания. Ши­рина стружки обозначается буквой
b
и измеряется в мил­лиметрах.

Толщиной

срезаемого слоя называют расстояние, из­меряемое в направлении, перпендикулярном к ширине стружки, между двумя последовательными положениями поверхности резания за один оборот детали. Толщина из­меряется в миллиметрах и обозначается буквой
a
.

Номинальной площадью
noneречного сечения
стружки называют произведение глубины резания t на подачу S или ширины стружки b на толщину
а:
Глубина резания t, подача на оборот S,

ширина
b
и толщина
а
срезаемого слоя связаны между собой сле­дующими зависимостями:

b
=
a
=Ssinj
С изменением главного угла в плане j изменяются толщина и ширина стружки (срезаемого слоя) при по­стоянных величинах глубины резания и подачи. Чем меньше угол в плане, тем стружка тоньше, но шире, и наоборот.

При угле в плане j=90° ширина стружки равна глу­бине резания (b=t),

а толщина—подаче
(а
=S). Во всех случаях, когда глубина резания и подача неизмен­ны, площадь срезаемого слоя остается постоянной.

Скорость резания—

путь перемещения режущей кромки относительно обрабатываемой поверхности в еди­ницу времени. При точении скорость резания измеряется в плоскости вращения детали как окружная скорость обрабатываемой поверхности, наиболее отдаленной от оси вращения. Скорость резания обозначается буквой v и измеряется в метрах в минуту, т. е.

v
=
или после сокращения:

v
=
где D—

диаметр обрабатываемой поверхности заготов­ки,
мм;
п

— число оборотов заготовки в минуту. Для настройки станка на заданную скорость резания нужно определить число оборотов шпинделя станка. Число оборотов шпинделя вычисляется по следующей формуле:

Если такого числа оборотов шпинделя у станка нет, то следует взять ближайшее меньшее число оборотов и произвести перерасчет фактической скорости резания при этом числе оборотов.

3 Геометрические параметры резцов

Резцы состоят из державки и головки. Головка яв­ляется режущей частью резца. Углы заточки головки резца определяют ее геометрические параметры, от пра­вильного выбора которых зависят стойкость резца, производительность тру­да и качество обрабаты­ваемой поверхности.

Режущая часть резца образуется заточкой трех поверхностей: передней 1

(рис. 4), задней глав­ной
4
и задней вспомога­тельной
3.
В большинстве случаев поверхности рез­ца являются плоскостями.

Существующие способы резания металла

Давайте подробно рассмотрим основные методы обработки металлов резанием, какие они бывают, чем выполняются и т. д.

1. Точение (обточка). Выполняется, когда заготовка не слишком отличается размерами от нужной детали. Этот процесс может выполняться на таком оборудовании (станках): токарных, фрезерных, сверлильных, шлифовальных, долбежных, строгальных и т. д. Для этого резания используют резец токарного станка. Процесс происходит при большой скорости вращения детали, которую ей обеспечивает резец. Это движение называется «главным». А резец двигается медленно и поступательно, вдоль или поперек. Такой вид движения имеет название «движение подачи». Скорость резания определяется главным движением.

2. Сверление. Это методы обработки металлов резанием, где название говорит само за себя. Происходит на любом станке, где есть сверло. Заготовка зажимается прочно в тисках, а сверло вращается медленными поступательными движениями по одной прямой. В результате, в детали появляется отверстие с диаметром равным размеру сверла.

3. Фрезерование. Такие способы обработки металлов резанием могут выполняться лишь на специальных столах-станках — горизонтально-фрезерных. Главным инструментом станочника выполняющего фрезерную обработку металла, которое и совершает главное движение, является фреза. Движение подачи производит в продольном направлении заготовка, оно происходит под прямым углом относительно движению станка. Будущую деталь крепко зажимают на столе, и все время она остается неподвижной.

4. Строгание. Происходит на поперечном строгательном оборудовании, станках. Обработка заготовки происходит резцом, выполняющим медленные движения по заданному направлению и обратно. Главное движение принадлежит инструменту — немного изогнутому резцу. Движение подачи совершает заготовка, при чем, оно не сплошное, а прерывистое. Направление последнего движения прямо перпендикулярно главному. В этом виде станков движение резания высчитывается путем сложения рабочего и холостого ходов.

5. Шлифование. Мероприятие выполняется при помощи шлифовального круга на кругло шлифовальных станках. Режущий круг делает вращательные движения, а заготовка получает прямолинейную и круговую подачу, но если вытачивается деталь цилиндрической формы. Когда предметом обработки есть плоская поверхность, то заготовка получает подачу лишь в прямом направлении.

Проходившая выставка в Москве «металлообработка 2013» поражает наличием современного оборудования. фото оборудования с которой представлены в следующем сюжете :

Термические виды обработки металлов

Термическая обработка металлов применяется для улучшения их физико-механических свойств. К ней относя такие операции, как:

• отжиг;
• закалка;
• отпуск;
• старение;
• нормализация.

Термическая обработка стали

Термическая обработка заключается в нагревании детали до определенной температуры и ее последующем охлаждении по специальной программе.

Отжиг

Заготовку нагревают до температуры пластичности и медленно охлаждают прямо в печи.

Отжиг снижает твердость стали, но существенно повышает пластичность и ковкость.

Отжиг

Применяется перед штамповкой или раскаткой. Во время отжига снимаются внутренние напряжения, возникшие при отливке или механической обработке.

Закалка

При закалке заготовку прогревают до температуры пластичности и держат в таком состоянии в течение определенного времени, за которое стабилизируются внутренние структуры металла. Далее изделие быстро охлаждают в большом количестве воды или масла. Закалка существенно повышает твердость материала и снижает его ударную вязкость, повышая, таким образом, и хрупкость. Применяют для элементов конструкций, подверженных большим статическим и малым динамическим нагрузкам.

Отпуск

Проводится после закалки. Образец нагревают до температуры, несколько меньшей температуры закалки, и охлаждают медленно. Это позволяет компенсировать излишнюю хрупкость, появившуюся после закалки. Применяется в инструментальном производстве

Старение

Искусственное старение заключается в стимуляции фазовых превращений в массе металла. Его проводят при умеренном нагреве для придания материалу свойств, возникающих при естественном старении за долгое время.

Оценка режущих качеств инструмента

Стойкость режущего инструмента измеряется длительностью его использования – в минутах – между переточками, при сохранении параметров износа режущей части, необходимых для выполнения работ с соответствующим качеством.

Режущие качества инструмента определяются его возможностями выполнять операции резания материалов. Чтобы охарактеризовать и сравнить режущие свойства инструмента наиболее точно, следует выбрать некоторое количество заготовок одного типа, прошедших обработку данным инструментом, и обозначить основные параметры, в том числе:

• длину рабочего хода инструмента;
• рассчитать общую длину заготовок и площадь обработанной поверхности;
• объем стружки (срезанного слоя);
• определить число переточек и период стойкости инструмента.

Для чего предназначен каждый станок

• Токарные станки производят отверстия в цилиндрах и конусах. Им можно нарезать резьбу, просверлить или зенкеровать. Инструментом этого станка есть резцы разных типов.
• Сверлильные станки делают такие же операции, как и токарные, но еще умеют растачивать резьбы или отверстия. Работа выполняется при помощи сверл, энкеров, разверток, метчиков, резцов.
• Фрезерные станки предназначены для работы с плоской поверхностью или фигур, которые сложно сконструированы. Такие операции проводятся с помощью множества лезвий, которые имеет фреза. Такой инструмент тоже имеет свою классификацию.
• Строгальные станки работают с помощью резцов. Обрабатывают плоские и фасонные заготовки, могут выстрогать траншею.
• Шлифовальные станки шлифуют с высокой точностью, производят все отделочные работы. Инструмент такого станка — брус и круг.
• Зуборезные станки помогают вырезать зубья на детали формой конуса или цилиндра.

Если Вы захотите прочесть подобную информацию в несколько развернутом виде, то Вам понадобится учебник обработка металлов резанием, или регулярное издание такое как «журнал металлообработка и станкостроение».

Что влияет на режущие качества инструмента?

Учитывая невозможность высокой точности при определении количественных характеристик режущих свойств инструмента в условиях реального производства, эту работу целесообразно выполнять в специальных лабораторных условиях. Только с учетом полученных данных возможна разработка оптимального технологического процесса обработки деталей.

Проведение исследований режущих качеств инструментов в лабораторных условиях гарантирует, что будут максимально учтены следующие факторы:

• свойства стали и твердых сплавов, из которых изготовлен инструмент и его режущая часть с учетом их химического состава, физических свойств: твердость, пластичность, структура, пределы прочности по всем показателям, стойкость к износу и высоким температурам;
• форма инструмента, длина, жесткость, параметры режущей части, количество режущих кромок, точность изготовления;
• критерии износа;
• выбор режимов резания – скорости, подачи, толщины снимаемого слоя, СОЖ;
• технические качества станка: жесткость системы СПИД (станок-приспособление-инструмент-деталь), отсутствие вибраций, люфтов, проблем с точностью передачи крутящего момента от электродвигателя к движущимся механизмам станка и пр.

Особенности художественной обработки металлов

К художественным видам обработки металлов относят литье, ковку и чеканку. В средине XX века к ним добавилась сварка. Каждый способ требует своих инструментов и приспособлений. С их помощью мастер либо создает отдельное художественное произведение, либо дополнительно украшает утилитарное изделие, придавая ему эстетическое наполнение.

Художественная чеканка

Чеканка — это создание рельефного изображения на поверхности металлического листа или самого готового изделия, например, кувшина. Чеканку выполняют и по нагретому металлу.

Факторы, влияющие на результаты исследований обрабатываемости

Чтобы обоснованно судить об обрабатываемости каждого конкретного материала, обладающего определенными свойствами, по всем указанным параметрам, необходимо определить количественные результаты исследований. При этом будут наблюдаться существенные расхождения в количественных показателях, возникающие из-за различий в условиях, в которых проводятся исследования.

Кроме производственных условий, при формировании количественных показателей обрабатываемости следует учитывать такие составляющие процесса обработки как:

• износ инструмента, с определенной спецификой для каждой из выбранных его конструкций;
• различия в выбранных режимах резания;
• технические особенности оборудования, на котором ведется обработка и пр.

Поэтому для получения более точных количественных характеристик обрабатываемости материала, для их последующего сопоставления важно максимально использовать равные параметры и условия обработки, наиболее часто применяемые при работе с данными классами материалов и инструмента.

Особенности обработки металла

Многочисленные виды металлообработки можно отнести к одной из больших групп:

• механическая (обработка резанием);
• литье;
• термическая;
• давлением;
• сварка;
• электрическая;
• химическая.

Литье — один из самых древних способов. Он заключается в расплавлении металла и розливе его в подготовленную форму, повторяющую конфигурацию будущего изделия. Этим способом получают прочные отливки самых разных размеров и форм.

Про другие виды обработки будет рассказано ниже.

Обработка давлением

Обработка металла давлением применяется для изменения формы детали без нарушения ее целостности. Существуют следующие виды:

• Штамповка.
• Ковка.

Перед ковкой заготовку нагревают, опирают на твердую поверхность и наносят серию ударов тяжелым молотом так, чтобы заготовка приняла нужную форму.

Исторически ковка была ручной, кузнец разогревал деталь в пламени горна, выхватывал ее клещами и клал на наковальню, а потом стучал по ней кузнечным молотом, пока не получался меч или подкова. Современный кузнец воздействует на заготовку молотом кузнечного пресса с усилием до нескольких тысяч тонн. Заготовки длиной до десятков метров разогреваются в газовых или индукционных печах и подаются на ковочную плиту транспортными системами. Вместо ручного молота применяются кузнечные штампы из высокопрочной стали.

Ковка

Для штамповки требуется две зеркальные по отношению друг к другу формы — матрица и пуансон. Тонкий лист металла помещают между ними, а потом с большим усилием сдвигают. Металл, изгибаясь, принимает форму матрицы. При больших толщинах листа металл нагревают до точки пластичности. Такой процесс называют горячая штамповка.

Во время штамповки могут выполняться такие операции, как:

• гибка;
• вытягивание;
• осаживание;
• и другие.

С помощью штамповки выпускают широчайший ассортимент изделий — от корпусов бытовой техники до колесных дисков и бензобаков.

Химическая обработка металлов для повышения защитных свойств материала

Химическая обработка металла — это воздействие на него специальными веществами с целью вызвать управляемую химическую реакцию.

Выполняются как подготовительные операции для очистки поверхности перед сваркой или покраской, так и как финишные отделочные операции для улучшения внешнего вида изделия и защиты его от коррозии.

Цинкование металла

С помощью электрохимической обработки гальваническим методом наносят защитные покрытия.