Технологии конструкционных материалов

· сварка косвенной дугой 5, горящей между двумя, как правило, неплавящимися электродами, при этом основной металл нагревается и расплавляется теплотой столба дуги (рис. 20.в);

· сварка трехфазной дугой, при которой дуга горит между каждым электродом и основным металлом (рис. 20.г).

Рис. 20. Схемы дуговой сварки

Разновидности дуговой сварки различают по способу защиты дуги и расплавленного металла и степени механизации процесса.

Ручная дуговая сварка.

Ручную дуговую сварку выполняют сварочными электродами, которые подают вручную в дугу и перемещают вдоль заготовки. В процессе сварки металлическим покрытым электродом (рис. 21) дуга 8 горит между стержнем 7 электрода и основным металлом 1.

Стержень электрода плавится, и расплавленный металл каплями стекает в сварочную ванну 9. Вместе со стержнем плавится покрытие электрода 6, образуя защитную газовую атмосферу 5 вокруг дуги и жидкую шлаковую ванну 4 на поверхности расплавленного металла. По мере движения дуги сварочная ванна затвердевает и формируется сварной шов 3. Жидкий шлак образует твердую шлаковую корку 2.

Рис. 21. Схема процесса сварки металлическим покрытым электродом

Ручная сварка позволяет выполнять швы в любых пространственных положениях: нижнем, вертикальном, горизонтальном, потолочном. Ручная сварка удобна при выполнении коротких криволинейных швов в любых пространственных положениях, при выполнении швов в труднодоступных местах, а также при монтажных работах и сборке конструкций сложной формы.

Оборудование для ручной сварки: источник питания дуги, электрододержатель, гибкие провода, защитная маска или щиток.

Автоматическая дуговая сварка под флюсом.

Для сварки используют непокрытую электродную проволоку и флюс для защиты дуги и сварочной ванны от воздуха.

Схема автоматической дуговой сварки под флюсом представлена на рис. 22.

Рис. 22. Схема автоматической дуговой сварки под флюсом

Подача и перемещение электродной проволоки механизированы. Автоматизированы процессы зажигания дуги и заварки кратера в конце шва. Дуга 10 горит между проволокой 3 и основным металлом 8. Столб дуги и металлическая ванна жидкого металла 9 со всех сторон плотно закрыты слоем флюса 5 толщиной 30…50 мм. Часть флюса плавится и образуется жидкий шлак 4, защищающий жидкий металл от воздуха. Качество защиты лучше, чем при ручной дуговой сварке. По мере поступательного движения электрода металлическая и шлаковая ванны затвердевают с образованием сварного шва 7, покрытого твердой шлаковой коркой 6. Проволоку подают в дугу с помощью механизма подачи 2. Ток к электроду подводят через токопровод 1.

Для сварки под флюсом характерно глубокое проплавление основного металла.

Преимущества автоматической сварки под флюсом по сравнению с ручной: повышение производительности процесса сварки в 5…20 раз, повышение качества сварных соединений и уменьшение себестоимости 1 м сварного шва.

Флюсы. Применяемые флюсы различают по назначению.

Флюсы для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей предназначены для раскисления шва и легирования его марганцем и кремнием. Для этого применяют высококремнистые марганцевые флюсы, которые получают путем сплавления марганцевой руды, кремнезема и плавикового шпата в электропечах.

Флюсы для сварки легированных и высоколегированных сталей должны обеспечивать минимальное окисление легирующих элементов в шве. Для этого применяют керамические низкокремнистые, безкремнистые и фторидные флюсы, которые изготавливают из порошкообразных компонентов путем замеса их на жидком стекле, гранулирования и последующего прокаливания. Основу керамических флюсов составляют мрамор, плавиковый шпат и хлориды щелочноземельных металлов.

Дуговая сварка в защитных газах.

При сварке в защитном газе электрод, зона дуги и сварочная ванна защищены струей защитного газа (инертного - аргон, гелий; активного - углекислый газ, азот, водород).

Сварку в инертных газах можно выполнять неплавящимся и плавящимся электродами.

В качестве неплавящегося электрода применяется пруток вольфрама, а в качестве плавящегося - проволока из основного металла или близкого ему по химическому составу. Область применения аргонодуговой сварки охватывает широкий круг материалов и изделий (узлы летательных аппаратов, элементы атомных установок, корпуса и трубопроводы химических аппаратов). Аргонодуговую сварку применяют для легированных и высоколегированных сталей, цветных (алюминия, магния, меди) и тугоплавких (титана, ниобия, ванадия, циркония) металлов и их сплавов.

Сварка в углекислом газе выполняется только плавящимся электродом. Защита сварочной ванны осуществляется углекислым газом. Углекислый газ химически активен по отношению к жидкому металлу. При нагреве он диссоциирует на оксид углерода и кислород, который окисляет железо и легирующие элементы. Окисляющее действие кислорода нейтрализуется введением в проволоку дополнительного количества раскислителей. Для сварки углеродистых и низколегированных сталей применяют сварочную проволоку с повышенным содержанием кремния и марганца. Хорошее качество сварного шва получается при использовании специальной порошковой проволоки.

Обычно свариваются конструкции из углеродистых и низколегированных сталей (газо- и нефтепроводы, корпуса судов и т.п.). При сварке меди, алюминия, титана и редких металлов невозможно связать свободный кислород введением раскислителей.

Преимуществами данного способа являются низкая стоимость углекислого газа и высокая производительность.

Основной недостаток - разбрызгивание металла (на зачистку расходуется 30…40 % времени сварки).

Плазменная сварка.

Плазменная струя, применяемая для сварки, представляет собой направленный поток частиц или полностью ионизированного газа, имеющего температуру 10000…20000⁰С. Плазму получают в плазменных горелках, пропуская газ через столб сжатой дуги. В качестве плазмообразующих газов применяют азот, аргон, водород, гелий, воздух и их смеси.

Применяют два основных плазменных источника нагрева: плазменную струю, выделенную из столба косвенной дуги и плазменную дугу, в которых дуга прямого действия совмещена с плазменной струей.

Плазменная струя представляет собой независимый источник теплоты, позволяющий в широких пределах изменять степень нагрева и глубину проплавления поверхности заготовок. Тепловая мощность плазменной струи ограничена, и ее применяют для сварки и резки тонких металлических листов и неэлектропроводящих материалов, для напыления тугоплавки материалов.

Плазменная дуга обладает большой тепловой мощностью, имеет более широкое применение: для сварки высоколегированной стали, сплавов титана, никеля, молибдена, вольфрама. Плазменную дугу применяют для резки материалов (меди, алюминия), наплавки тугоплавких материалов на поверхность.

Плазменной дугой можно сваривать металл толщиной до 10 мм без разделки кромок и применения присадочного материала. Так как плазменная дуга обладает высокой стабильностью, то обеспечивается повышенное качество сварных швов. Это позволяет выполнять микроплазменную сварку металла толщиной 0,025…0,8 мм.

Недостаток плазменной сварки - недолговечность горелок.

Электрошлаковая сварка.

Сущность процесса заключается в том, что тепловую энергию, необходимую для расплавления основного и присадочного металла, дает теплота, выделяемая в объеме шлаковой ванны при прохождении через нее тока (рис. 23).

Свариваемые заготовки 1 устанавливают в вертикальном положении. В замкнутое пространство между водоохлаждаемыми медными ползунами 4 и вертикально установленными кромками изделий засыпают флюс и подают электродную проволоку 7 при помощи специального механизма подачи 6.

В начале процесса возбуждают дугу, флюс плавится и образуется электропроводный шлак 5. Шлак шунтирует дугу, она гаснет, выходная цепь источника питания замыкается через шлак. Ток, проходя через шлак, разогревает его, это приводит к раславлению кромок основного металла и электрода. Расплав стекает вниз и образует сварочную ванну 8, выжимая шлак вверх, и затвердевает.

Рис. 23. Схема электрошлаковой сварки

В начальном и конечном участках шва образуются дефекты: в начале шва - непровар кромок, в конце шва - усадочная раковина и неметаллические включения. Поэтому сварку начинают и заканчивают на специальных планках 2 и 3, которые затем удаляют газовой резкой.

Преимущества: возможна сварка металла любой толщины (с 16 мм). Заготовки с толщиной до 150 мм можно сваривать одним электродом, совершающим поперечное колебание в плоскости стыка, при толщине более 150 мм используются нескольких проволок. Есть опыт сварки толщиной до 2 м.

Недостаток способа - образование крупного зерна в шве и околошовной зоне вследствие замедленного нагрева и охлаждения. Необходимо проведение термической обработки: нормализации или отжига для измельчения зерна.

Электрошлаковую сварку широко применяют в тяжелом машиностроении для изготовления ковано-сварных и лито-сварных конструкций; станины и детали мощных прессов и станков, коленчатые валы судовых дизелей, роторы и валы гидротурбин, котлы высокого давления и т.п.

Лучевые способы сварки.

Электронно-лучевая сварка.

Сущность процесса состоит в том, что свариваемые детали, собранные без зазора, помещают в вакуумную камеру и подают на них электродный луч - пучок электронов, движущихся с большой скоростью. При соударении с изделием электроны тормозятся, их кинетическая энергия переходит в тепловую энергию и расплавляет металл. Температура в месте соударения достигает 5000…6000 ⁰С. Перемещая электронный луч вдоль стыка, получают сварной шов.

Схема установка для электронно-лучевой сварки представлена на рис. 24.

Рис. 24. Схема установки для электронно-дуговой сварки

Электроны, испускаемые катодом 1 электронной пушки, формируются в пучок электродом 2, расположенным непосредственно за катодом, ускоряются под действием разности потенциалов между катодом и анодом 3, составляющей 20…150 кВ и выше, затем фокусируются в виде луча и направляются специальной отклоняющей магнитной системой 5 на обрабатываемое изделие 6. На формирующий электрод 2 подается отрицательный или нулевой по отношению к катоду потенциал. Фокусировкой достигается высокая удельная мощность луча. Ток электронного луча невелик - от нескольких миллиампер до единиц ампер.

Процессу электронно-лучевой сварки присущи две характерные особенности:

· сварка протекает в вакууме, обеспечивается получение зеркально чистой поверхности и дегазация расплавленного металла;

· интенсивность нагрева очень велика, что обеспечивает быстрое плавление и затвердевание металла. Шов получается мелкозернистый с высокими механическими свойствами, с минимальной шириной, что позволяет сваривать сплавы, чувствительные к нагреву.

Электронно-лучевой сваркой изготовляют детали из тугоплавких, химически активных металлов и их сплавов (вольфрамовых, танталовых, молибденовых, ниобиевых, циркониевых), а также алюминиевых и титановых сплавов и высоколегированных сталей. Металлы и сплавы можно сваривать в однородных и разнородных сочетаниях, со значительной разностью толщин, температур плавления. Минимальная толщина свариваемых заготовок составляет 0,02 мм, максимальная - до 100 мм.

Лазерная сварка.

Лазерная сварка - способ сварки плавлением, при которых металл нагревают излучением лазера.

Лазерный луч представляет собой вынужденное монохроматическое излучение, длина волны которого зависит от природы рабочего тела лазера-излучателя. Оно возникает в результате вынужденных скачкообразных переходов возбужденных атомов рабочих тел на более низкие энергетические уровни.

Основными параметрами режимов лазерной обработки являются мощность излучения, диаметр пятна фокусировки, скорость перемещения обрабатываемого материала относительно луча.

Преимуществом лазерной сварки является быстрый точечный нагрев металла до плавления. Интенсивный сосредоточенный нагрев обуславливает и чрезвычайно большую скорость охлаждения после прекращения воздействия луча. Это позволяет свести к минимуму ширину околошовной зоны, сварочные напряжения и деформации.

Механизм процессов при лазерной сварке схож с электронно-лучевой сваркой, но не обязательно вакуумировать изделие.

Лазером сваривают преимущественно толщины до 1 мм, так как коэффициент полезного действия преобразования энергии в лазерное излучение довольно низкий.

Газовая сварка.

При газовой сварке заготовки 1 и присадочный материал 2 в виде прутка или проволоки расплавляют высокотемпературным пламенем 4 газовой горелки 3 (рис. 25.).

Рис. 25. Схема газовой сварки

Газовое пламя получают при сгорании горючего газа в атмосфере технически чистого кислорода. Мощность пламени регулируют сменой наконечников горелки.

Нагрев заготовки осуществляется более плавно, чем при дуговой сварке, поэтому газовую сварку применяют для сварки металла малой толщины (0,2…3 мм), легкоплавких цветных металлов и сплавов; металлов и сплавов, требующих постепенного нагрева и охлаждения (инструментальные стали, латуни); для подварки дефектов в чугунных и бронзовых отливках. При увеличении толщины металла снижается производительность и увеличивается деформация.

Сварка давлением.

Сущность получения неразъемного сварного соединения двух заготовок в твердом состоянии состоит в сближении идеально чистых соединяемых поверхностей на расстояния (2…4) 10-¹⁰ см, при которых возникают межатомные силы притяжения.

Необходимым условием получения качественного соединения в твердом состоянии являются хорошая очистка и подготовка поверхностей и наличие сдвиговых пластичных деформаций в зоне соединения в момент сварки.

Контактная сварка.

Сварные соединения получаются в результате нагрева деталей проходящим через них током и последующей пластической деформации зоны соединения.

Сварка осуществляется на машинах, состоящих из источника тока, прерывателя тока и механизмов зажатия заготовок и давления.

К деталям с помощью электродов подводят ток небольшого напряжения (3…8 В) и большой силы (до нескольких десятков кА). Большая часть тепла выделяется в зоне контакта деталей.

По виду получаемого соединения контактную сварку подразделяют на точечную, шовную, стыковую. Схемы контактной сварки представлены на рис. 26.

Рис. 26. Схемы контактной сварки: а - стыковой; б - точечной; в - шовной

Стыковая контактная сварка (рис. 26.а) - способ соединения деталей по всей плоскости их касания.

Свариваемые заготовки 1 плотно зажимают в неподвижном 2 и подвижном 3 токоподводах, подключенных к вторичной обмотке сварочного трансформатора 4. Для обеспечения плотного электрического контакта свариваемые поверхности приводят в соприкосновение и сжимают. Затем включается ток. Поверхность контакта заготовок разогревается до требуемой температуры, ток отключается, производится сдавливание заготовок - осадка.

Стыковую сварку с разогревом стыка до пластического состояния и последующей осадкой называют сваркой сопротивлением, а при разогреве торцов до оплавления с последующей осадкой - сваркой оплавлением. В результате пластической деформации и быстрой рекристаллизации в зоне образуются рекристаллизованные зерна из материала обеих деталей.

Сварка применяется для соединения встык деталей типа стержней, толстостенных труб, рельсов и т.п.

Точечная сварка (рис. 26.б) - способ изготовления листовых или стержневых конструкций, позволяющий получить прочные соединения в отдельных точках.

Свариваемые заготовки 1, собранные внахлест, зажимают между неподвижным 2 и подвижным 3 электродами, подсоединенными к обмотке трансформатора 4.

Электроды изнутри охлаждаются водой, нагрев локализуется на участках соприкосновения деталей между электродами. Получают линзу расплава требуемого размера, ток выключают, расплав затвердевает, образуется сварная точка. Электроды сжимают детали, пластически деформируя их.

Образующееся сварное соединение обладает большой прочностью и его можно применять для изготовления несущих конструкций. Этот способ широко применяют в авто- и вагоностроении, строительстве, а также при сборке электрических схем.

Шовная сварка (рис. 26.в) - способ соединения деталей швом, состоящим из отдельных сварных точек.

Свариваемые заготовки 1 помещают между двумя роликами-электродами, один из электродов 2 может иметь вращательное движение, а другой 3 - вращательное движение и перемещение в вертикальном направлении. Электроды подключаются к вторичной обмотке трансформатора 4. Электроды-ролики зажимают и передвигают деталь.

Шовная сварка обеспечивает получение прочных и герметичных соединений их листового материала толщиной до 5 мм.

Диффузионная сварка.

Диффузионная сварка - способ сварки давлением в вакууме приложением сдавливающих сил при повышенной температуре.

Свариваемые детали тщательно зачищают, сжимают, нагревают в вакууме специальным источником тепла до температуры рекристаллизации (0,4 Т_пл), и длительно выдерживают. В начальной стадии процесса создаются условия для образования металлических связей между соединяемыми поверхностями. Низкое давление способствует удалению поверхностных пленок, а высокая температура и давление приводят к уменьшению неровностей поверхностей и сближению их до нужного расстояния. Затем протекают процессы диффузии в металле, образуются промежуточные слои, увеличивающие прочность соединения. Соединения получают при небольшой пластической деформации. Изменение размеров мало.

Сварка может осуществляться в среде инертных и защитных газов: гелий, аргон, водород.

Способ применяется для соединения металлов, металлов и полупроводников, а также других неметаллических материалов.

Диффузионная сварка широко применяется в космической технике, в электротехнической, радиотехнической и других отраслях промышленности.

Лекция 16. Технология обработки конструкционных материалов резанием. Точность в машиностроении

При конструировании и построении машин необходимо наряду с расчетами кинематическими, расчетами на прочность, жесткость и износоустойчивость производить расчеты на точность.

Точность - основная характеристика деталей машин или приборов. Абсолютно точно изготовить деталь невозможно, так как при ее обработке возникают погрешности; поэтому точность обработки бывает различной.

Точность детали, фактически полученная в результате обработки, зависит от многих факторов и определяется:

а) отклонениями от геометрической формы детали или ее отдельных элементов;

б) отклонениями действительных размеров детали от номинальных;

в) отклонениями поверхностей и осей детали от точного взаимного расположения (например, отклонениями от параллельности, перпендикулярности, концентричности).

Трудоемкость и себестоимость обработки деталей в значительной мере зависят от требуемой точности и с повышением точности (при неизменных прочих условиях) увеличиваются.

В массовом и крупносерийном производстве при изготовлении взаимозаменяемых деталей требуемая точность обработки обеспечивается гланным образом соответствующей настройкой станков. В мелкосерийном и единичном производстве высокая точность достигается применением дополнительных отделочных операций путем использования исполнителей работы более высокой квалификации.

Точность заготовок, методы предварительной и окончательной механической обработки, методы термической обработки значительно влияют на точность окончательно обработанных деталей.

Чем выше точность заготовок, тем меньше число операций их механической обработки и тем выше точность готовых деталей.

Точность геометрической формы деталей повышается при использовании более совершенных методов термической обработки.

Так как точность обработки в производственных условиях зависит от многих факторов, обработку на станках ведут не с достижимой, а с так называемой экономической точностью.

Под экономической точностью механической обработки понимают такую точность, которая при минимальной себестоимости обработки достигается в нормальных производственных условиях, предусматривающих работу на исправных станках с применением необходимых приспособлений и инструментов при нормальной затрате времени и нормальной квалификации рабочих, соответствующей характеру работы.

Под достижимой точностью понимают такую точность, которой возможно достичь при обработке в особых, наиболее благоприятных условиях, необычных для данного производства, высококвалифицированными рабочими, при значительном увеличении затраты времени, не считаясь с себестоимостью обработки.

На точность обработки на металлорежущих станках влияют следующие основные факторы.

1. Неточность станков, являющаяся следствием неточности изготовления их основных деталей и узлов и неточности сборки, в частности недопустимо больших зазоров в подшипниках или направляющих, износа трущихся поверхностей деталей, овальности шеек шпинделей, нарушения взаимной перпендикулярности или параллельности осей, неточности или неисправности направляющих, ходовых винтов и т. п.

2. Степень точности изготовления режущего и вспомогательного инструмента и его изнашивание во время работы.

3. Неточность установки инструмента и настройки станка на размер.

4. Погрешности базирования и установки обрабатываемой детали на станке или в приспособлении (например, неправильное положение детали относительно оси шпинделя и т. п.).

5. Деформации деталей станка, обрабатываемой детали и инструмента во время обработки под влиянием силы резания, вследствие недостаточной жесткости их и упругой системы станок - приспособление-инструмент - деталь (СПИД), в частности деформация детали, возникающая при ее закреплении для обработки.

6. Тепловые деформации обрабатываемой детали, деталей станка и режущего инструмента в процессе обработки и деформации, возникающие под влиянием внутренних напряжений в материале детали.

7. Такое качество поверхности детали после обработки, которое

может дать неправильные показания при измерениях.

8. Ошибки в измерениях вследствии неточности измерительного инструмента, неправильного пользования им, влияния температуры и т.п.

9. Ошибки исполнителя работы.

Лекция 17. Физические основы обработки металлов резанием

Общая характеристика размерной обработки.

Механическая обработка поверхностей заготовок является одной из основных завершающих стадий изготовления деталей машин.

Одна из актуальных задач машиностроения - дальнейшее развитие, совершенствование и разработка новых технологических методов обработки заготовок деталей машин, применение новых конструкционных материалов и повышение качества обработки деталей машин.

Наряду с обработкой резанием применяют методы обработки пластическим деформированием, с использованием химической, электрической, световой, лучевой и других видов энергии.

Классификация движений в металлорежущих станках.

Обработка металлов резанием - процесс срезания режущим инструментом с поверхности заготовки слоя металла в виде стружки для получения необходимой геометрической формы, точности размеров, взаимного расположения и шероховатости поверхностей детали.

Чтобы срезать с заготовки слой металла, необходимо режущему инструменту и заготовке сообщать относительные движения. Инструмент и заготовку устанавливают на рабочих органах станков, обеспечивающих движение.

Движения, которые обеспечивают срезание с заготовки слоя материала или вызывают изменение состояния обработанной поверхности заготовки, называют движениями резания:

· Главное движение - определяет скорость деформирования материала и отделения стружки (Дг);

· Движение подачи - обеспечивает врезание режущей кромки инструмента в материал заготовки (Дs);

Движения могут быть непрерывными или прерывистыми, а по характеру - вращательными, поступательными, возвратно-поступательными.

Движения подачи: продольное, поперечное, вертикальное, круговое, окружное, тангенциальное.

В процессе резания на заготовке различают поверхности (рис. 27.а):

· обрабатываемую поверхность (1);

· обработанную поверхность (3);

· поверхность резания (2).

Установочные движения - движения, обеспечивающие взаимное положение инструмента и заготовки для срезания с нее определенного слоя металла.

Вспомогательные движения - транспортирование заготовки, закрепление заготовки и инструмента, быстрые перемещения рабочих органов.

Рис. 27. Схемы обработки заготовок: а - точением; б - шлифованием на круглошлифовальном станке; в - сверлением

Режимы резания, шероховатость поверхности.

При назначении режимов резания определяют скорости главного движения резания и подачи, и глубину резания.

Скоростью главного движения - называют расстояние, пройденное точкой режущей кромки инструмента в единицу времени (м/с).

Для вращательного движения:

,

где: - максимальный диаметр заготовки (мм); - частота вращения (мин^-1).

Для возвратно-поступательного движения:

,

где: - расчетная длина хода инструмента; - число двойных ходов инструмента в минуту; - коэффициент, показывающий соотношение скоростей рабочего и вспомогательного хода.

Подача - путь точки режущей кромки инструмента относительно заготовки в направлении движения подачи за один ход заготовки или инструмента.

В зависимости от технологического метода обработки подачу измеряют:

мм/об - точение и сверление;

мм/дв. ход - строгание и шлифование.

Глубина резания () - расстояние между обрабатываемой и обработанной поверхностями заготовки, измеренное перпендикулярно к обработанной поверхности (мм).

Шероховатость поверхности - совокупность неровностей с относительно малыми шагами.

Шероховатость является характеристикой качества поверхностного слоя заготовки. Она оценивается несколькими параметрами, в частности критерием .

- среднее арифметическое отклонение профиля (среднее арифметическое абсолютных значений отклонений профиля) в пределах определенной базовой длины обработанной поверхности.

Допустимые значения шероховатости поверхностей деталей указываются на чертежах.

Значение параметра для разных технологических методов обработки лежат в пределах, мкм:

· для предварительной черновой обработки - 100…22,5;

· для чистовой обработки - 6,3…0,4;

· для отделочной и доводочной обработки - 0,2…0,012.

Элементы токарного проходного резца.

Токарный прямой проходной резец (рис. 28) состоит из двух частей: рабочей 1 и стержня 2. Стержень имеет квадратную или прямоугольную форму поперечного сечения и служит для закрепления резца в резцедержателе станка. Рабочая часть резца выполняет работу резания и состоит из нескольких элементов.

Рис. 28. Элементы токарного прямого проходного резца

Передняя поверхность 1 - поверхность, по которой сходит стружка в процессе резания. Главная задняя поверхность 2 - поверхность, обращенная к поверхности резания заготовки. Вспомогательная задняя поверхность 5 - поверхность, обращенная к обработанной поверхности заготовки. Главное режущее лезвие 3 - линия пересечения передней и главной задней поверхностей. Вспомогательное режущее лезвие 6 - линия пересечения передней и вспомогательной задней поверхностей. Вершина резца 4 - точка пересечения главного и вспомогательного режущих лезвий.

Перечисленные элементы имеют не только резцы, но и другие режущие инструменты. Кроме этих элементов, инструменты могут иметь переходное (дополнительное) режущее лезвие, располагающееся между главным и вспомогательным режущими лезвиями. В этом случае рабочая часть инструмента имеет еще переходную заднюю поверхность. У некоторых инструментов возможно дублирование элементов.

Вершина рабочей части резца может быть острой или закругленной. Если вершина резца закруглена, то шероховатость обработанной поверхности уменьшается, так как в этом случае уменьшается площадь остаточного сечения срезаемого слоя материала. Наличие переходного режущего лезвия также уменьшает шероховатость обработанной поверхности заготовки.

Координатные плоскости для определения углов резца.

Для выполнения работы резания рабочей части режущего инструмента придают форму клина. Для этого инструмент затачивают по передней и задним поверхностям. Для определения углов, под которыми располагаются поверхности рабочей части инструмента относительно друг друга, вводят координатные плоскости. Рассмотрим координатные плоскости применительно к токарной обработке.

Основная плоскость (ОП) - плоскость, параллельная направлениям продольной и поперечной подач. У токарных резцов за основную плоскость принимают плоскость, проходящую через основание стержня (рис. 29, а).

Рис. 29. Координатные плоскости

Плоскость резания (ПР) проходит через главное режущее лезвие резца, касательно к поверхности резания заготовки.

Главная секущая плоскость (NN) - плоскость, перпендикулярная к проекции главного режущего лезвия на основную плоскость (рис. 29, б).

Вспомогательная секущая плоскость (N₁N₁) - плоскость, перпендикулярная к проекции вспомогательного режущего лезвия на основную плоскость. На рис. 29, б показаны следы плоскостей NN и N₁N₁.

Углы токарного резца.

Углы резца определяют положение элементов рабочей части в пространстве относительно координатных плоскостей и относительно друг друга. Эти углы называют углами резца в статике. Знание углов инструмента необходимо для его изготовления в металле. Кроме того, углы инструмента оказывают существенное влияние на процесс резания и качество обработки. У токарного резца различают главные и вспомогательные углы, которые рассматривают исходя из предположения, что ось стержня резца перпендикулярна к линии центров токарного станка; вершина резца находится на линии центров станка; совершается лишь главное движение резания. Углы токарного прямого проходного резца показаны на рис. 30.

Главный передний угол г измеряют в главной секущей плоскости между следами передней поверхности и плоскости, перпендикулярной к следу плоскости резания. В дальнейшем угол г будем называть передним углом.

Передний угол г оказывает большое влияние на процесс резания материала. С увеличением угла г уменьшается деформации срезаемого слоя, так как инструмент легче врезается в материал снижаются сила резания и расход мощности. Одновременно улучшаются условия схода струнит и повышается качество обработанной поверхности заготовки. Однако чрезмерное увеличении угла у приводит к ослаблению главного режущего лезвия, снижению его прочности, увеличению износа вследствие выкрашивания, ухудшению условий теплоотвода от режущего лезвия.

Рис. 30. Углы резца в статике

При обработке хрупких и твердых материалов для повышения прочности и увеличения времени работы инструмента (стойкости) следует назначать меньшие углы; при обработке мягких и вязких материалов передний угол имеет большие значении.

Главный задний угол б измеряют в главной секущей плоскости между следами плоскости резания и главной задней поверхности. Наличие угла б уменьшает трение между главной задней поверхностью инструмента и поверхностью резания заготовки, вследствие чего уменьшается износ инструмента по главной задней поверхности. Увеличение угла б приводит к снижению прочности режущего лезвия. Угол б назначают исходя из величины упругого деформирования обрабатываемого материала.

Вспомогательный задний угол б₁ измеряют во вспомогательной секущей плоскости между следами вспомогательной задней поверхности и плоскости, проходящей через вспомогательное режущее лезвие перпендикулярно основной плоскости. Наличие у инструмента угла б₁ уменьшает трение между вспомогательной задней поверхностью инструмента и обработанной поверхностью заготовки.

Главный угол в плане ц - угол между проекцией главного режущего лезвия на основную плоскость и направлением подачи.

Угол ц влияет на шероховатость обработанной поверхности заготовки: с уменьшением ц шероховатость обработанной поверхности уменьшается. Одновременно уменьшается толщина и увеличивается ширина срезаемого слоя материала. Это приводит к тому, что увеличивается активная длина главного режущего лезвия. Сила и температура резания, приходящиеся на единицу длины режущего, лезвия, уменьшаются, что снижает износ инструмента. С уменьшением угла ц резко возрастает составляющая силы резания, направленная перпендикулярно оси заготовки, что вызывает повышенную ее деформацию. С уменьшением угла ц возможно возникновение вибраций в процессе резания, что снижает качество обработанной поверхности.

Вспомогательный угол в плане ц₁ - угол между проекцией вспомогательного режущего лезвия на основную плоскость и направлением, обратным движению подачи. С уменьшением угла ц₁ шероховатость обработанной поверхности уменьшается, одновременно увеличивается прочность вершины резца и снижается его износ.

Угол наклона главного режущего лезвия л измеряют в плоскости, проходящей через главное режущее лезвие резца перпендикулярно основной плоскости, между главным режущим лезвием и линией, проведенной через вершину резца параллельно основной плоскости.

Угол л может быть положительным, отрицательным и равным нулю (рис. 31, а - в), что влияет на направление схода стружки.

Рис. 31. Угол наклона главного режущего лезвия

Если вершина резца является высшей точкой главного режущего лезвия, то угол л отрицателен и стружка сходит в направлении подачи. Если главное режущее лезвие параллельно основной плоскости, то л = 0 и стружка сходит по оси резца. Если вершина резца является низшей точкой главного режущего лезвия, то угол л положителен и стружка сходит в направлении, обратном направлению подачи.

Направление схода стружки важно учитывать при обработке заготовок на токарных автоматах. При обработке заготовок стружку необходимо отводить так, чтобы она не мешала работе инструментов в соседних позициях автомата.

С увеличением угла л качество обработанной поверхности ухудшается, осевая составляющая силы резания уменьшается, а радиальная и вертикальная составляющие увеличиваются.

Углы г, б, ц и ц₁ могут изменяться вследствие погрешности установки резца в резцедержателе станка. Если при обтачивании цилиндрической поверхности вершину резца установить выше линии центров станка, то угол г увеличится, а угол б уменьшится. При установке вершины резца ниже линии центров станка угол г уменьшится, а угол б увеличится.

Если ось резца не будет перпендикулярна линии центров станка, то это вызовет изменение углов ц и ц₁.

В процессе резания углы резца г и б также изменяются. Это объясняется тем, что изменяется положение плоскости резании в пространстве из-за наличия двух движений: вращения заготовки и поступательного движения резца. В этом случае фактической поверхностью резания, к которой касательная плоскость резания, является винтовая поверхность. Положение плоскости резания в пространстве определяется соотношением скоростей этих двух движений. При работе с большими подачами, а также при нарезании резьбы резцом, углы г и б будут изменяться существенно, что необходимо учитывать при изготовлении резцом.

Углы г и б в процессе резания могут быть переменными (например, при обработке сложных поверхностей деталей типа кулачков, лопаток турбин и т. п.).

Углы при обработке таких деталей изменяются вследствие сложного относительного движения заготовки и резца, в результат чего изменяется положение плоскости резания в пространстве при обработке различных участков поверхности заготовки.

Резание как процесс последовательного деформировании срезаемого слоя металла.

Металлы в твердом состоянии являются поликристаллическими телами, имеющими зернистую (полиэдрическую) структуру с определенной кристаллической решеткой. При резании металлов и их сплавов отдельные кристаллы деформируются, а затем разрушаются по кристаллографическим плоскостям.

Процесс резания металла можно представить следующей схемой. В начальный момент, когда движущийся резец под действием силы Р вдавливается в металл (рис. 32), в срезаемом слои возникают упругие деформации. При дальнейшем движении резца упругие деформации, накапливаясь по абсолютной величине, переходят в пластические. В материале заготовки возникает сложное упругопапряженное состояние. В плоскости, совпадающей с траекторией движения вершины резца, возникают касательные ф_х и нормальные напряжения у_у. Величина ф_х имеет наибольшее значение в точке А приложения действующей силы, а по мере удаления от нее уменьшается до нуля.

Нормальные напряжения у_у вначале действуют как растягивающие (+у_у), что при определенных условиях может вызвать "раскалывание" металла - опережающую трещину в направлении приложения внешней силы. Напряжения у_у имеют наибольшее значение в точке А, а затем быстро уменьшаются и, переходя через нуль, превращаются в напряжения сжатия (- у_у).



Рис. 32. Схема упругонапряженного состояния металла при обработке резанием

Срезаемый слой металла находится под воздействием давления резца, касательных и нормальных напряжений, и сложное упруго-напряженное состояние металла переходит в пластическую деформацию. Возрастание пластической деформации приводит к сдвиговым деформациям - смещению частей; кристаллов относительно друг друга.

Наибольшие пластические деформации возникают в зоне стружкообразования ABC (рис. 32). Зона деформирования (стружкообразования) ограничивается линией АВ, вдоль которой происходят первые сдвиговые деформации, и линией АС, вдоль которой происходят последние сдвиговые деформации.

Сдвиговые деформации вызывают скольжение отдельных частей зерен по кристаллографическим плоскостям (плоскостям скольжений) в определенных направлениях. Плоскости скольжения, возникающие вследствие необратимого перемещения атомов, дробят зерна на отдельные части (пластины), которые в процессе деформации повертываются в определенном направлении по отношению к действующей силе. Зерна вытягиваются, располагаются цепочками; кроме того, упрочняется металл (рис. 33).

Рис. 33. Схема процесса образования стружки

В момент, когда пластические деформации достигнут наибольшей величины, а напряжения превысят силы внутреннего сцепления зерен металла, зерна смещаются относительно друг друга и скалывается элементарный объем металла 1 (рис. 33). Далее процесс деформирования повторяется, скалываются следующий элементарные объемы металла 2, 3 и т. д. и образуется стружки.

При больших скоростях резания считают, что сдвиговые деформации происходят не по линиям АВ и АС, а по одной плоскости - плоскости сдвига 00 (см. рис. 34). Наличие такой плоскости было впервые установлено русским ученым И.А. Тиме, а математическое обоснование положения этой плоскости в пространстве дано проф. К.А. Зворыкиным. Плоскость сдвига 00 располагается под углом и к направлению движения резца. Этот угол называют углом сдвига.

Срезаемый слой, деформированный в зоне стружкообразования, превратившись в стружку, подвергается дополнительной деформации вследствие трения стружки о переднюю поверхность инструмента, что окончательно формирует структуру в виде вытянутых зерен. Зерна вытягиваются по плоскости О ₁О ₁ которая составляет с плоскостью сдвига 00 угол в (рис. 33).

Таким образом, резание - это процесс последовательного доформирования срезаемого слоя металла: упругого, пластического разрушения.

Характер деформации зависит от физико-механических свойств обрабатываемого материала, геометрии инструмента, режимов резания, условий обработки. Наибольшее значение в процессе резания пластичных материалов (сталей средней твердости) имеют пластическая деформация. У хрупких металлов пластическая до-формация практически отсутствует.

Для сталей средней твердости положение плоскости сдвига 00 в пространстве практически постоянно (угол и 30°). Угол зависит от свойств обрабатываемого материала и угла резании (д = 90° - г) режущего инструмента и составляет 0-30°. При резании хрупких металлов угол в меньше (близок к нулю), при резании пластичных металлов в доходит до 30°.

Стружкообразование - сложный физико-механический процесс доформирования металла, на который влияют многие факторы. Знание законом пластического деформирования и явлений, сопровождающих процесс резания, позволяет найти пути повышения качества обработанных поверхности дегалей машин, их надежности, износостойкости, снижения мощности резания и т. д.

Виды стружек и их усадка.

При резании металлов с разными физико-механическими свойствами образуются три вида стружек: сливная, скалывании и надлома (рис. 34, а-в).

Сливная стружка образуется при резании пластичных металлов и сплавов и представляет собой сплошную ленту с гладкой внутренней (прирезцовой) стороной. С внешней стороны сливная стружка имеет слабо выраженные пилообразные зазубрины.

Стружка скалывания образуется при обработке металлов средней твердости. Она имеет гладкую внутреннюю сторону, а на внешней стороне - ярко выраженные зазубрины. Она как бы состоит из отдельных элементов, соединенных между собой в ленту.

Стружка надлома образуется при обработке хрупких металлов и состоит из отдельных элементов, не связанных между собой. С внутренней стороны она шероховатая.

Вид стружки зависит от физико-механических свойств обрабатываемого металла, режима резания, геометрии режущего инструмента, применяемых смазочно-охлаждающих веществ в процессе резания. Вид образующейся стружки влияет на скорость изнашивания режущего инструмента, шероховатость обработанной поверхности, силы резания, конструкцию инструмента (размеры стружечных канавок). Вид стружки (надлома) упрощает или усложняет (сливная стружка) ее отвод из зоны резания и транспортировку.

Рис. 34: а - сливная; б - скалывания; в - надлома

С точки зрения удобства удаления стружки из зоны резания и ее транспортировки, а также предохранения обработанной поверхности от царапания ее образующейся стружкой, целесообразна обработка резанием в условиях образования стружки надлома. Для получения стружки надлома (элементной) на режущем инструменте выполняют стружкозавивательные и стружколомные устройства, применяют прерывистый процесс резания, изменяют геометрию режущего инструмента и режим резания, а при изготовлении деталей на автоматах часто используют специальные автоматные стали.

Изменяя факторы, влияющие на характер образующейся стружки, можно при резании одного и того же металла получить разные виды стружек, так как пластичность и хрупкость являются не свойствами вещества, а характеризуют его состояние.

Стружка скалывания претерпевает наибольшие деформации и на ее образование затрачивается большая работа по сравнению с работой, затрачиваемой при образовании сливной стружки и стружки надлома.

Стружка, образующаяся в процессе резания, подвергается значительной пластической деформации, одним из проявлений которой является ее усадка. Усадка состоит в том, что длина стружки меньше длины обработанной поверхности, а толщина - больше толщины срезанного с заготовки слоя металла. Ширина стружки практически не изменяется.

Укорочение и утолщение стружки по сравнению с длиной и толщиной срезанного слоя называют усадкой стружки, которой характеризуется коэффициентом усадки К.

Чем пластичнее металл, тем больше коэффициент усадки стружки. Для хрупких металлов К близок к единице, для пластичных металлов К = 5-7. Усадка стружки зависит от физико-механических свойств обрабатываемого металла, режима резания, геометрии инструмента, условий резания и т. д.

При скоростях резания 10-50 м/мин усадка стружки наиболышая, а при скоростях резания более 200-500 м/мин она резко уменьшается. С увеличением угла резания усадка увеличивается, с возрастанием главного угла в плане - уменьшается. Смазочно-охлаждающие жидкости снижают усадку стружки.

Силы резания.

Деформирование и срезание с заготовки слоя металла происходит под действием внешней силы Р, приложенной со стороны инструмента к обрабатываемой заготовке, направление которой совпадает с направлением скорости резания v. Произведение Pv представляет собой работу, затрачиваемую на деформацию и разрушение материала заготовки:

A = А_у+А_и+А_т

где А - работа, затраченная на срезание припуска с обрабатываемой заготовки; Ау - работа, затраченная на упругое деформирование металла; Аи - работа, затраченная на пластической деформирование металла и его разрушение; Ат - работа, затраченная на преодоление сил трения задних поверхностей инструмента о заготовку и стружки о переднюю поверхность инструмент.

В результате сопротивления металла деформированию возникают реактивные силы, действующие на резец: нормального давления и трения. Реактивные силы - это силы упругого Р_{у 1} и пластического Р_{п 1} деформирования, действующие перпендикулярно передней поверхности резца, и силы Р_{У 2} и Р_{П 2}, действующие пернендикулярно главной задней поверхности резца (рис. 35, а). Наличие нормально действующих сил обусловливает возникновение силы трения

Т ₁ = f₁(P_y1 + Р_{п 1}),

действующей вдоль породней поверхности резца, и

Т ₂ = f₂(P_{у 2} + Р_{п 2}),

действующей вдоль главной задней поверхности резца (f₁, и f₂ - коэффициенты троими стружки о резец и резца о заготовку).

Указанную систему сил приводят к одной силе R - равнодействующей силе резания:

Условно считают, что точка приложения силы R находится па рабочей части главного режущего лезвия резца (рис. 35, б).

Абсолютная величина, точка приложения и направление в пространстве равнодействующей силы резания R в процессе обработки являются переменными.

Это объясняется неоднородностью структуры и переменной поверхностной твердостью материала заготовки, непостоянством сечения срезаемого слоя (наличие штамповочных и литейных уклонов, галтелей и т. д.); изменением углов г и б в процессе резания и т. д. Поэтому для практических расчетов используют не равнодействующую силу резания, а ее составляющие, действующие по трем взаимно перпендикулярным направлениям: координатным осям металлорежущего станка. Такими осями для токарно- винторезного станка являются: ось х - линия центров станка, ось у - линия, перпендикулярная к линии центров станка, ось z - линия, перпендикулярная к плоскости х - у (рис. 37, б).

Рис. 35. Схема сил, действующие на резец (а), и разложение силы резания на составляющие (б)

Вертикальная составляющая силы резания Рz действует в плоскости резания в направлении главного движения (по оси z). По силе Рz определяют крутящий момент на шпинделе станка (заготовке), эффективную мощность резания, деформацию изгиба заготовки в плоскости х - z (рис. 36, а), изгибающий момент Мz, действующий на стержень резца (рис. 36, б); по силе Pz ведут динамический расчет механизмов коробки скоростей станка.

Радиальная составляющая силы резания Р_у действует в плоскости х - у перпендикулярно оси заготовки. По силе Ру определяют упругое отжатие резца от заготовки и деформацию изгиба заготовки в плоскости х - у (рис. 36, а).

Осевая составляющая силы резания Рх действует в плоскости х - у вдоль оси заготовки. По силе Рх рассчитывают механизмы подач станка и изгибающий момент Мх, действующий на стержень резца (рис. 36, б).

По величине деформации заготовки от сил Рz и Рy рассчитывают ожидаемую точность размерной обработки заготовки и погрешность ее геометрической формы. По величине суммарного изгибающего момента от сил Pz и Рх рассчитывают стержень резца на прочность и т. д.

Рис. 36. Схема деформации заготовки (а) и резца (б) под действием силы резания

Величину и направление равнодействующей силы резания определяют как диагональ параллелепипеда, построенного на составляющих силах:

Силу Pz (в Н) определяют по эмпирической формуле:

где С_Pz - коэффициент, учитывающий физико-механические cвойства обрабатываемого материала; t - глубина резания, мм, s - подача, мм/об; v - скорость резания, м/мин; k_MPz - коэффициент, учитывающий факторы, не вошедшие в формулу (величины углов резца, условия обработки, материал режущего инструмента и т. д.).

Коэффициенты С_Pz и k_MPz и показатели степеней х_Pz, y_Pz, и n_Pz даны в справочниках в зависимости от конкретных условий обработки.

Аналогичные формулы существуют для определения сил Ру, Рх. Однако на практике определяют лишь силу Рz, а силы Рх и Ру берут в частях от Рz. Соотношение между силами Pz, Py, Рх зависит от геометрии режущей части резца, режима резания, износа резца, физико-механических свойств обрабатываемого материала и условий обработки.

При обработке стали резцом с г = 15°, ц = 45°, л = 0, без охлаждения приближенно считают, что Рz:Рy:Рх = 1:0,45:0,35.

Отношения Ру: Рz: Рх возрастают с увеличением износа резца; с уменьшением угла ц увеличивается отношение Ру: Pz; с увеличением подачи возрастает отношение Рх: Рz и т. д.

Крутящий момент на шпинделе станка (в Нм)

где D_заг - диаметр обрабатываемой поверхности, мм.

Эффективной мощностью Ne называют мощность, расходуемую на процесс деформирования и срезания с заготовки слоя материала.

При точении цилиндрической поверхности на токарно-винторезном станке эффективная мощность в (кВт)

где n-частота вращения заготовки, об/мин. Мощность электродвигателя станка (в кВт)

где з - к. п. д. механизмов и передач станка.

Точность обработки и качество обработанной поверхности.

Точность и надежность работы узлов и машины во многом зависят от точности обработки деталей, качества обработанных поверхностей и точности сборки.

Под точностью обработки понимают отклонение истинных размеров обработанной поверхности детали от ее конструктивных размеров, указанных в рабочем чертеже. Точность обработки определяется допуском на размер обрабатываемой поверхности, т. е. крайними предельно допустимыми размерами. ГОСТ установлено семь основных классов точности: 1, 2, 2а, 3, За, 4, 5.

...