Под врезанием понимают всё, что связано с условиями проникновения инструмента в материал детали при резании. На рис. 12, а показан случай продольного врезания, при котором начальная стадия прохода инструмента сопровождается постепенным наращиванием сечения снимаемой стружки, а само формирование обработанной поверхности начинается только с момента, когда вершина резца пересечёт вертикаль, совпадающую с торцовой поверхностью.
а б
Рис. 12
Перед началом рабочего прохода инструмент должен быть подведён на ускоренной подаче в точку 1, отстоящую от контура детали на величину недохода y, которая не должна быть меньше длины продольного врезания bвр = t / tg φ, т.е. y ≥ bвр = t / tg φ. В конце прохода резца (точка 2) предусматривается некоторый его перебег δ = 1÷3 мм на рабочей подаче, служащий своего рода гарантией успешного завершения прохода. Если величина удаляемого припуска не превышает разрешённой глубины резания, то это можно сделать за один (i =1) проход инструмента. В противном случае может потребоваться несколько (i > 1) проходов, время выполнения которых tо определяет так называемое основное технологическое время:
tо = (L + y + δ) · i / n · S0, мин.
Величина tо определяет чистое время, за которое инструмент проходит полную длину рабочего хода (L + y + δ) на минутной подаче (n · S0 ) за i проходов. Добавлением к нему вспомогательного времени tв находят очень важные нормирующие показатели - штучное время tш = (tо + tв) и норму сменной выработки.
Обработка некоторых поверхностей требует использования поперечных подач, когда врезание инструмента происходит в радиальном направлении. В подобных случаях реальные величины углов φ и φ1 резца могут стать причиной того, что резец с такими характеристиками окажется непригодным (или ограниченно пригодным) для обработки требуемого контура детали. В случае, изображённом на рис.12, б, резец по условиям врезания может быть применён только при выполнении условий: φ > ξ и φ1 > ψ, ни одно из которых при изображённых на рисунке соотношениях не выполняется.
Для повышения способности резцов выполнять врезание в продольном и особенно – в радиальном направлениях целесообразно увеличивать значения углов в плане и, прежде всего, - угла φ.
Примером этого является широко применяемый на станках с ЧПУ контурный резец (рис. 14, в), имеющий φ = 950 и φ1 = 300 . При необходимости обработать таким резцом контур, изображённый на рис. 12, б и имеющий углы ξ= 700 и ψ =350 , резец в правой части обрабатываемого контура проводится под углом 280 < φ1 = 300 с последующей зачисткой правого конуса прорезным или канавочным резцом [Гжиров,Серебряницкий].
Д. Точение нежёстких деталей. Под нежёсткостью понимается способность детали деформироваться в процессе обработки под действием сил, возникающих при резании. Жёсткость обычно не связывают с твёрдостью материала. Она оценивается по соотношению геометрических размеров детали или заготовки. Для тел вращения показателем жёсткости принята величина отношения длины детали к её диаметру, т.е. L / D. При (L / D) > 12 деталь считается нежёсткой, даже если она выполнена из закалённой стали. Чем меньше значение отношения L / D, тем больше оснований считать деталь жёсткой, даже если она изготовлена из алюминия. Следует отметить, что понятие жёсткости детали – лишь одна частная составляющая более общего понятия: жёсткость системы СПИД (станок – приспособление – инструмент – деталь). Нежелательные последствия нежёсткости могут проявиться в любом звене этой цепочки, если будут допущены условия для этого.
На рис. 13 показаны два примера того, как нежёсткость детали может стать причиной погрешностей обработки. На рис. 13, а показан пример того, как установленный в центрах вал после обтачивания наружной поверхности приобрёл погрешность формы, называемую обычно “бочкообразностью”. Произошло это из–за того, что под действием давления резца на деталь она в средней своей части отжалась в радиальном направлении от резца, снимаемый в этой части детали припуск уменьшился, а диаметр получился больше, чем на краях.
Рис. 13
На рис. 13, б показан вариант погрешности изготовления ”конусообразность”, который можно получить, если прутковую заготовку установить в патроне, а правый её торец не зафиксировать задним центром, или использовать справа нежёсткую опору.
Количественно отклонения формы поверхностей ∆кон и ∆боч в обоих случаях оцениваются одной и той же формулой:
∆кон (∆боч ) = (dmax – dmin) / 2 = ∆прод.
Более полные сведения об этом приведены в [Допуски и посадки, Мягков В.Д. и др., ч.1, гл. 2].
Если жёсткость оказывается настолько важной характеристикой детали, надо однозначно прояснить, как минимум, два вопроса:
· как объективно оценить меру жёсткости и
· какие меры надо предусмотреть в организации процесса изготовления, если деталь окажется нежёсткой.
Определение жёсткости по величине отношения L / D применимо лишь для деталей, имеющих один и тот же диаметр по всей длине вала. На практике чаще всего встречаются валы со ступенями различных диаметров di и длин li, по–разному расположенныхотносительно друг друга. В этом случае для подстановки вместо D вычисляется некоторый средний диаметр dср.
Если диаметры различных ступеней вала уменьшаются от его середины в обе стороны к краям, то dср рассчитывается по формуле:
dср = (d1 ∙ l1 + d2 ∙ l2 + d3 ∙ l3+ … + dn ∙ ln) / ∑ li.
В тех случаях, когда деталь имеет односторонний перепад диаметров от одного конца вала к другому, то следует пользоваться другим соотношением:
.
По вычисленному значению dср оценивается отношение L / dср и делается вывод о степени жёсткости детали.
В технологии существует правило, согласно которому поверхности, выполнение которых существенно снижает жёсткость детали, должны обрабатываться в последнюю очередь.
Если появились веские основания считать деталь недостаточно жёсткой, в первую очередь следует учесть одно обстоятельство, связанное с геометрическими параметрами резцов и возникающими при обработке усилиями резания.
Вектор силы PN, действующей в плоскости XOY, параллельной основной плоскости, прикладывается к режущей кромке лезвия по перпендикуляру к ней (рис.14, а, б). Её составляющая PX определяет силу сжатия детали в осевом направлении, и должна учитываться при планировании обработки деталей, нежёсткость которых проявляется именно в этом направлении (тонкостенные диски большого диаметра при обработке их торцовых поверхностей и т. п.), а также при прочностных расчётах элементов продольной подачи станка.
а б в
Рис. 14
Для деталей, по совокупности размеров приближающихся к валам, более важен учёт составляющей силы резания PY, с которой инструмент и деталь воздействуют друг на друга в радиальном направлении. Чем больше составляющая PY, тем на большую величину резец способен отклонить деталь от оси её вращения. Поскольку это является основной причиной возникновения погрешностей обработки нежёстких деталей, есть настоятельная необходимость принять меры к максимальному уменьшению значения PY.
Как видно из приведённых рисунков, выбор большего значения угла φ ( рис. 14, б) способствовал перераспределению PN на составляющие в направлении увеличения PX и уменьшения PY. Если теперь выбрать φ = 900 , то величина PY хоть и не обратится в ноль, но всё же примет пренебрежимо малое значение.
По этой причине при недостаточно жёсткой системе “станок –приспособление - инструмент – деталь”, чтобы предотвратить появление вибраций, вызываемых действием радиальной составляющей силы PY, работают резцами с большим значением угла φ.
На рис. 14, в показан один из таких инструментов - упоминавшийся ранее контурный резец.
По этим причинам передний угол φ назначают от 30º до 90º, причём, для обработки нежёстких деталей приближают его к 90º, чтобы радиальная составляющая PY по своему значению приближалась к нулю.
Угол φ1 для обработки жёстких заготовок резцом без врезания принимают равным φ1 = 5 … 10 градусов, а при обработке нежёстких деталей с поперечным врезанием его увеличивают до значений φ1 = 30º … 45º.
2.2.2 Процессы на передней и задней поверхностях резца и выбор углов γ и α.
Кроме того, что эти углы оказывают на ход обработки существенное влияние, оба они определяют положение поверхностей резца (переднюю и заднюю), в наибольшей степени подверженных износу в процессе затупления инструмента. По этой причине они объединены для рассмотрения.
А. 1. Чем больше передний угол γ, тем ”острее” режущий клин инструмента, тем легче сходит стружка и меньше затрачиваемая на резание работа, но тем меньше прочность режущего инструмента и хуже отвод тепла из зоны резания. Поэтому при обработке твёрдых и хрупких материалов применяют небольшие передние углы, а при обработке мягких и вязких материалов - углы γ увеличивают. Наиболее употребляемые значения углов γ в зависимости от характеристик обрабатываемых материалов и применяемых режимов обработки: от -10º до +20º.
При обработке закалённых сталей твёрдосплавным инструментом, а также при прерывистом резании для того, чтобы упрочнить резец, назначают отрицательные углы γ.
Прерывистое резание является одним из способов искусственного дробления стружки. Для этого на равномерное движение подачи резца накладываются низкочастотные вибрации (с частотой не больше 50 Гц) [Гр ]. Сечение срезаемой стружки получается переменным, она дробится на части и легко удаляется. Величина угла γ при этом может принимать значения в диапазоне от - 5º до - 10º.
Другими способами измельчения стружки и создания условий для её удаления из зоны резания являются выполнение в районе режущей кромки упрочняющих фасок (рис.15, а) с параметрами γф и fф, протачивание лунок, а также установка на передней поверхности резца специальных стружколомов (рис.15, б).
Рис. 15
А. 2. При обработке со снятием сливной стружки (это тонкая, пластичная и завивающаяся в спираль стружка) на передней поверхности резца у режущей кромки может образовываться нарост – уплотнённый слой из материала обрабатываемой детали. Конфигурацию и размеры этого образования прогнозировать практически невозможно, т.к. нарост в любой момент может разрушиться, а затем снова начать развиваться. Важно то, что он изменяет геометрические характеристики резца δнароста < δрезца (рис.16, а), а под действием очень большой деформации нарост приобретает настолько высокую твёрдость (в 2,5 ÷ 3,5 раза больше твёрдости материала обрабатываемой детали), что оказывается способным выполнять резание. Снимаемая стружка нижней своей поверхностью скользит по уплотнённому слою нароста (рис. 16, б), может увеличивать его размер, а затем срывает его с поверхности резца. Таким образом, на режущем клине инструмента может образовываться непредсказуемый ни во времени, ни по размерам дополнительный элемент резания, вносящий своим влиянием в ход обработки некоторую долю неопределённости.
а б
Рис. 16
Существуют условия [Гран-е], позволяющие оценить возможность образования нароста. При отображении на плоскости (рис. 17) зона, в которой образование нароста возможно, и зона, в которой нароста не будет возникать, разделены линией типа гиперболы. Каждый обрабатываемый материал характеризуется своим расположением этой кривой. Эти же зависимости могут быть представлены в виде простой формулы: S = C / V, где S – подача, V – скорость резания, а C – параметр, зависящий от материала. Если подача измеряется в мм /об, скорость резания – в м / мин, то для стали Ст. 45 параметр С = 10, а для нержавейки ОХ12НД коэффициент С = 4. Устойчивый нарост, как правило, образуется при снятии тонких стружек толщиной порядка (0,004 ÷ 0,06) мм при достаточно широком диапазоне скоростей резания.
Рис.17
Нарост, если он возникает, приобретает различные свойства в зависимости от пластичности обрабатываемого материала.
а б
Рис.18
При более пластичном материале нарост более широкой поверхностью основания «1-1 » опирается на переднюю поверхность резца (рис.18, а), имеет малую высоту с относительно большим радиусом закругления вершины. В этих условиях он никогда не нависает над режущей кромкой резца, не изменяет “вылет” инструмента в радиальном направлении и не влияет на размер обрабатываемой детали. Он изменяет только угол γ, создавая некоторое облегчение резания, а продукты разрушения нароста не будут прилипать к обработанной поверхности. В этом случае роль, выполняемую наростом, можно считать положительной.
В случае с менее пластичным материалом (рис.18, б) нарост имеет меньшую площадь основания «2-2 », растёт в высоту, приобретает меньший радиус закругления вершины и, что самое главное, нависает над главной режущей кромкой, что приводит к уменьшению размера обработанной поверхности на величину z. Из-за нерегулярности размера нароста происходит непрогнозируемое блуждание режущей кромки, приводящее к снижению точности обработки. Роль, которую выполняет нарост в этом случае, – безусловно, отрицательная.
В практической работе не следует, видимо, целенаправленно стремиться использовать положительные свойства нароста, но при выяснении причин возникновения брака учитывать возможное влияние нароста – имеет смысл.
Б. Влияние заднего угла α. При любой, даже самой тщательной заточке режущей кромки, существует, пусть и очень небольшой, но радиус скругления в окрестностях точки 1 (рис. 19). Из – за этого слои материала, расположенные выше точки 1, отделяются в процессе обработки в виде стружки. А та часть материала, которая расположена ниже точки 1, подвергается деформации сжатия, создаваемой задней поверхностью резца.
Одна из составляющих этой деформации вызывает остаточное упрочнение поверхностного слоя обработанной поверхности, создавая наклёп, и является необратимой. Наклёп – это повышение микротвёрдости поверхностного слоя, которое характеризуется степенью наклёпа:
∆H = [(Hн - Hи) / Hи] · 100%,
где: Hн и Hи – микротвёрдости наклёпанного и исходного слоя металла.
При образовании наклёпа могут появиться задиры, подрывы и другие дефекты обработанной поверхности. Если такие дефекты не появились, а наклёп получен на последнем переходе обработки, то влияние наклёпа можно считать положительным, так как уплотнение поверхностного слоя детали способствует увеличению его прочности. Если же наклёп получен на этапе предварительной обработки, то явление наклёпа нежелательно, так как последующая обработка должна будет вестись по упрочнённому слою металла, инструмент будет быстрее изнашиваться, а поверхность может получиться нечистой.
Рис. 19
Другая часть деформаций связана с упругим восстановлением предварительно сжатого поверхностного слоя, поэтому уровень обработанной поверхности получается расположенным выше самой низкой точки резца, отмеченной на рис.19 штриховой линией.
Оба вида деформаций, и, прежде всего – вторая, упругая их разновидность, сопровождаются трением некоторой части 1 - 2 задней поверхности резца об обработанную поверхность. Именно это создаёт главную причину износа резца по задней поверхности режущего инструмента.
Основное назначение заднего угла резца – уменьшить трение по задней поверхности, которое тем меньше, чем больше α. При обработке вязких материалов угол α увеличивают для уменьшения трения. Для обработки хрупких и твёрдых материалов, а также при больших сечениях срезаемого слоя выбирают резцы с меньшими значениями α, чтобы не снизить прочностные характеристики резца. Пределы значений наиболее применяемых углов α для режущих инструментов: от 6º до 12º.