Обеспечение точности и качества поверхностей, обработанных резанием

Развитие технологии машиностроения позволило сделать вывод, что в общем случае на образование шероховатости при всех методах механической обработки оказывают влияние следующие факторы:

- геометрия рабочей части инструмента и кинематика его рабочего движения относительно обрабатываемой поверхности;

- колебательные перемещения инструмента относительно обрабатываемой поверхности;

- упругие и пластические деформации обрабатываемого материала заготовки в зоне контакта с рабочим инструментом;

- шероховатость рабочей части инструмента;

- вырывы частиц обрабатываемого материала.

В зависимости от условий обработки степень влияния каждого из этих факторов на образование шероховатости поверхности будет различной. Первые четыре фактора вызывают образование систематической составляющей профиля шероховатости, которая может быть описана математически. Пятый фактор вызывает образование случайной составляющей профиля и определяет разброс или дисперсию параметров шероховатости. Средняя высота профиля шероховатости в общем случае при всех методах механической обработки определяется равенством

,

- где h1, h2, h3, h4 _ составляющие профиля шероховатости, соответственно обусловленные геометрией и кинематикой перемещения рабочей части инструмента, колебаниями инструмента относительно обрабатываемой поверхности, пластическими деформациями в зоне контакта инструмента и заготовки, шероховатостью рабочих поверхностей инструмента.

Из геометрического построения величина h1 при лезвийной обработке определяется по следующим зависимостям:

1) при и

,

2) при и полученная зависимость преобразуется в уравнение Чебышева

3) при наиболее распространенных случаях, когда и ,

;

4) при наименее характерных случаях, когда

 и

,

- где ц и ц1; _ главный и вспомогательный углы режущего инструмента в плане; r _ радиус при вершине режущей части инструмента (рис. 4).

Рис. 4. Исходная схема для расчета высоты профиля шероховатости поверхности при механической обработке

Составляющая профиля шероховатости h2 при лезвийной обработке определяется амплитудой колебаний вершины инструмента относительно обрабатываемой поверхности при его прохождении по выступу или впадине исходной шероховатости и неравномерностью твердости заготовки на различных участках обрабатываемой поверхности:

,

- где cy, уру zру, n, хру _ коэффициенты; V _ скорость резания; t _ глубина резания; Rzисх _ исходная средняя высота профиля шероховатости обрабатываемой поверхности; НВmax и НВmin _ колебания твердости заготовки:

jтс _ жесткость технологической системы.

Пластическое оттеснение обрабатываемого материала в зоне резания приводит к увеличению высоты образующейся шероховатости на величину h3 которая рассчитывается по следующим формулам:

1) при и

;

2) при и

;

3) при и

;

4) при и

.

Величина пластического оттеснения при лезвийной обработке определяется по формуле

,

- где фсдв _ прочность обрабатываемого материала на сдвиг; ут _ предел текучести обрабатываемого материала; _ радиус вспомогательной режущей кромки. эксплуатационный изделие обрабатываемый поверхность

Составляющая высоты шероховатости h4 при лезвийной обработке определяется средней высотой профиля шероховатости на вершине резца, т.е. h4 = Rzв.р и зависит от технологии заточки и режимов резания. Остальные параметры шероховатости при лезвийной обработке рассчитываются по формулам

;

Rmax = 1,2Rz; Sm = S = s;

tp = 0,006p2,2 при %;

при p>60 %.

Анализ приведенных зависимостей и имеющихся результатов исследовании показывает, что высотные параметры шероховатости поверхности деталей при лезвийной обработке зависят от режимов обработки, геометрии режущей части инструмента, его заточки, определяющей шероховатость режущей кромки, жесткости технологической системы, физико-механических свойств обрабатываемого материала и исходной шероховатости обрабатываемой поверхности. Наибольшее влияние на образование шероховатости оказывает подача при ее значениях S > 0,08 мм/об. При меньших значениях (S < 0,08 мм/об) изменение подачи практически уже не сказывается на изменении шероховатости обработанной поверхности.

При S < 0,08 мм/об высота формируемой шероховатости определяется в основном радиусом при вершине резца, ею шероховатостью, радиусом вспомогательной режущей кромки и физико-механическими свойствами обрабатываемого материала и материала режущего инструмента. Увеличение предела текучести и уменьшения сдвиговой прочности обрабатываемого материала приводит к увеличению минимально достигаемой шероховатости при лезвийной обработке.

Шаговые параметры шероховатости поверхности при лезвийной обработке в основном определяются подачей. Относительная опорная длина профиля шероховатости является стабильной и практически не зависящей от режимов лезвийной обработки. Расчеты по формулам (14) и (15) позволяют определить их численные величины (см. табл.):

Параметры профиля поверхности при лезвийной обработке

Таким образом, лезвийная обработка обладает достаточно широкими возможностями в управлении высотными и шаговыми параметрами шероховатости поверхностей деталей машин [8]. Технологическими методами можно уменьшить влияние шероховатости на эти показатели. Например: можно снизить высоту неровностей тонким точением, шлифованием или обкаткой [9].

Качество обработанной поверхности можно регулировать, изменяя режимы резания: глубину резания _ t, скорость резания _ V, подачу _ S. В частности при точении резцом с радиусом при вершине _ r образуется шероховатость, определяемая зависимостью

,

откуда при заданной высоте микронеровностей можно определить допускаемую подачу

 мм/об.

Глубина резания - t оказывает влияние на параметры качества поверхности при окончательном проходе инструмента. При этом проходе глубина резания принимается минимально возможной для данных условий обработки, t = (0,2 ... 0,8) мм.

Скорость резания - оказывает влияние на качество обработанной поверхности преимущественно для пластичного металла (малоуглеродистые стали, сплавы алюминия и др.). В процессе резания на передней поверхности резца скапливаются очень сильно деформированные частицы металла, твердость которых выше, чем обрабатываемый материал. Угол заострения становится тупым, условия резания резко ухудшаются, происходит вырывание частиц металла вместо резания, шероховатость резко возрастает [10; 11].

При обработке среднеуглеродистых сталей прошедших нормализацию, а также хрупких материалов (чугун, бронза) нарост не образуется. С уменьшением главного ц и вспомогательного угла в план ц1 шероховатость обработанной поверхности понижается. На рис. 5 изображен расчетный микропрофиль поверхности, обработанной при точении резцом без переходного лезвия [12; 13].

Рис. 5. Расчетный микропрофиль поверхности, обработанной при продольном точении

Для простоты взят резец без переходного лезвия. При точении высота расчетных неровностей равна высоте треугольника :

,

,

,

- где _ главный угол в плане; _ вспомогательный угол в плане.

Таким образом

.

Формула (5) пригодна для расчета при растачивании, сверлении, зенкеровании, строгании и фрезеровании торцовыми фрезами.

Поэтому при окончательной обработке для уменьшения высотных параметров шероховатости Ra или Rz применяют резцы с меньшей величиной углов ц и ц1 (см. рис. 5). Благоприятные параметры качества поверхности могут быть обеспечены пластическим деформированием поверхностного слоя, например, при обкатке роликами (рис. 6). На рис. 6 показаны: 1 _ поверхность до обкатки; 2 _ кулачки; 3 _ поверхность после обкатки роликом; 4 _ ролик; 5 _ держатель; 6 _ резцедержатель.

При вращении заготовки и продольной подачи державки с роликом происходит пластическое деформирование поверхностного слоя с уменьшением высоты неровности.

Рис. 6. Процесс обкатки поверхности роликом