Мощность процесса резания.

Для разрушения материала срезаемого слоя и превращения его в стружку необходимо затратить некоторое количество энергии и произвести работу резания. Мощность, непосредственно затрачиваемая на осуществление процесса резания, называется эффективной мощностью и обозначается N_e. Если при резании направления действующей силы резания Р и скорости резания V совпадают, то Ne = 60 PV

Если выразить Р в килоньютонах, а V м/мин., то получим единицу мощности - килловатт.

Эффективная мощность N_e в общем случае является суммарной мощностью, затраченной в процессе резания всеми составляющими Р_х, Р_у и P_z силы резания Р.

Мощность осевой составляющей силы резания N_ex = Р_х • n • S, где n -частота вращения обрабатываемой заготовки; S - продольная подача.

Мощность радиальной составляющей силы резания

N_ey = Р_у • V • cos 90° = 0, т.к. вектор Р_у перпендикулярен вектору V .

Мощность вертикальной составляющей силы резания P_z , направление которой совпадает с направлением скорости резания, определяется уравнением

Следовательно, эффективная мощность с использованием этих уравнений определяется как N_e = N_ex +N_ey +N_ez = P_x • n • S + P_z • V.

Скорость подачи, выраженная произведением n • S, примерно на два порядка меньше окружной скорости V. Поэтому мощность N составляет 1.. .2 % всей затраченной эффективной мощности, а основная доля эффективной мощности (98.. .99 %) приходится на составляющую N_ez. В связи с этим расчет эффективной мощности производится по уравнению

N_e = 60 PV

где под величиной Р условно принимается вертикальная составляющая P_z силы резания.

Нарост при резании металла.

При обработке пластичных металлов резанием на передней поверхности лезвия инструмента образуется сильно спрессованный слой обрабатываемого материала, который называется наростом.

Стружка оказывает на переднюю поверхность резца очень большое давление, между ними возникают большие силы сцепления при обработке некоторых металлов. В результате происходит как бы слипание двух металлов: нижних частиц стружки с передней гранью резца. Слипание, а также сопротивление неровностей передней поверхности резца движению стружки, создают силу трения, которая препятствует ее сходу. Когда эта сила становится больше сил связи между частицами металла стружки, нижние слои стружки как наиболее спрессованные в процессе резания отделяются от остальной части стружки и задерживаются, или, как говорят, застаиваются на передней поверхности резца. Постепенно наслаиваясь друг на друга, они образуют между стружкой и передней поверхностью резца неподвижный, плотный, сильно спрессованный слой.

В процессе обработки резанием размеры и форма нароста непрерывно меняются в результате действия сил трения между отходящей стружкой и внешней поверхностью нароста. Частицы нароста постоянно уносятся стружкой, увлекаются обработанной поверхностью заготовки, иногда нарост целиком срывается с передней поверхности лезвия инструмента и тут же вновь образуется.

Объясняется это тем, что нарост находится под действием силы трения, сил сжатия Р ₁ и Р₂ и силы растяжения Q (Рис. 18).

Рис.18. Схема образования нароста.

С изменением размеров нароста меняется соотношение действующих сил. Когда сумма сил Р ₁ , Р₂ и Q становится больше силы трения F, происходит разрушение и срыв нароста.

Нарост существенно влияет на процесс резания и качества обработанной поверхности заготовки, т.к. при наличии нароста меняются условия стружкообразования.

Положительное влияние нароста состоит в том, что при наличии его меняется форма передней поверхности лезвия инструмента, это приводит к увеличению переднего угла, а следовательно, к уменьшению силы резания. Вследствие высокой твердости нарост способен резать металл. Нарост удаляет центр давления стружки от главной режущей кромки, в результате чего уменьшается износ режущего инструмента по передней поверхности лезвия. Улучшается теплоотвод от режущего инструмента.

Отрицательное влияние нароста состоит в том, что он увеличивает шероховатость обработанной поверхности. Частицы нароста, внедрившиеся в обработанную поверхность, при работе детали с сопрягаемой деталью вызывают повышенный износ пары. Вследствие изменения наростом геометрических параметров режущего инструмента меняются размеры обрабатываемой поверхности в поперечных диаметральных сечениях по длине заготовки и обработанная поверхность получается волнистой. Вследствие изменения переднего угла инструмента меняется сила резания, что вызывает вибрацию узлов станка и инструмента, а это в свою очередь ухудшает качество обработанной поверхности.

Следовательно нарост оказывает благоприятное действие при черновой обработке и вреден при чистовой.

Упрочнение поверхностного слоя заготовки при обработке резанием.

В процессе обработки резанием поверхностный слой обработанной заготовки упрочняется. Инструмент всегда имеет радиус скругления

режущей кромки ρ, который при обычных методах заточки равен примерно 0,02 мм.

Рис.19. Схема образования поверхностного слоя.

Такой инструмент срезает с заготовки стружку при условии, что

глубина резания t больше радиуса ρ. Тогда в стружку переходит часть срезаемого слоя, лежащая выше линии CD. Слой металла, соизмеримый с радиусом ρ и лежащий между линиями АВ и CD, упруго пластически

деформируется. При работе инструмента значение радиуса ρ быстро растет вследствие затупления режущей кромки, и расстояние между линиями АВ и CD увеличивается.

Упрочнение металла обработанной поверхности заготовки проявляется в повышении ее поверхностной твердости. Твердость металла обработанной поверхности после обработки резанием может увеличиться в 2 - 3 раза.

После перемещения резца относительно обработанной поверхности происходит упругое восстановление поверхностного деформированного слоя на величину h_y - упругое последействие. В результате образуется контактная площадка шириной Н между обработанной поверхностью и вспомогательной задней поверхностью резца. Со стороны обработанной поверхности возникают силы нормального давления N и трения F. Чем больше значение

упругой деформации, тем больше сила трения. Для уменьшения сил трения у режущего инструмента делают задние углы (α и α₁,), значения которых

зависят от степени упругой деформации металла заготовки.

Упругопластическое деформирование металла приводит к возникновению в поверхностном слое заготовки остаточных напряжений растяжения или сжатия. Напряжения растяжения снижают предел выносливости металла заготовки, т.к. приводят к появлению микротрещин в поверхностном слое, развитие которых ускоряется действием коррозирующей среды. Напряжения сжатия повышают предел выносливости. Неравномерная релаксация остаточных напряжений искажает геометрическую форму обработанных поверхностей, снижает точность их взаимного расположения и размеров.

Из всего выше сказанного можно сделать следующие выводы:

1. Окончательную обработку поверхностей заготовок следует вести таким образом и в таких условиях, чтобы остаточные напряжения отсутствовали или были минимальными;

2. Целесообразно, чтобы в поверхностном слое возникали напряжения сжатия.

Напряжения можно снизить, применяя, например, электрохимическую отработку, а для получения в поверхностном слое напряжений сжатия можно рекомендовать обработку поверхностным пластическим деформированием, например, обкатку поверхностей заготовок стальным закаленным роликом или шариком.

Рис.20. Зоны поверхностного слоя.

Условно поверхностный слой обработанной резанием заготовкиможно разделить на три зоны.

I - зона разрушенной структуры с резкими искажениями кристаллической решетки и большим количеством микротрещин; ее следует обязательно удалять при каждой следующей обработке поверхности заготовки;

II - зона наклепанного металла;

III - основной металл.

В зависимости от физико-механических свойств материала обрабатываемой заготовки и режима резания глубина наклепанного слоя составляет от нескольких миллиметров при черновой обработке до сотых и тысячных долей миллиметра при чистовой обработке. Пластичные металлы подвергаются большему упрочнению, чем твердые.

Наклеп, полученный при черновой обработке, отрицательно влияет на процесс резания при последующей чистовой обработке, когда срезаются тонкие стружки. В этом случае инструмент работает по поверхности с повышенной твердостью, что приводит к его быстрому затуплению.