CC BY
54
ТЕХНОЛОГИЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
МАШИНЫ
621.9.01 (075.8)
МЕТОД РЕЗАНИЯ МЕТАЛЛА С НАГРЕВОМ В ПРИМЕНЕНИИ К ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКЕ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ
Канд.техн.наук. доц. В Ж КОТЕЛЬНИКОВ, канд.техн.наук СМ КОРСАКОВ
Приводятся результаты работы по разработке метода резания с нагревом. Рассматриваются физические процессы, происходящие в зоне резания с нагревом: стружкообразование, контактные явления, формирование шероховатости поверхности.
Широкое распространение в металлообработке станков с ЧПУ, гибких автоматизированных производств и создание на их базе безлюдных произ-водств предъявляют жесткие требования к процессам стружкообразования. Эти вопросы наиболее актуальны при резании металла с нагревом.
В зоне образования стружки можно выделить зоны, в которых в результате контактного взаимодействия и деформации обрабатываемого материала происходит генерирование теплоты. Из-за силового воздействия лезвия инструмента на материал деформируемый слой при пересечении плоскости скалывания подвергается пластическому сдвигу с образованием сливной стружки либо стружки скалывания. При хрупком разрушении образуется стружка надлома. Срезанная стружка, скользит по передней поверхности резца со скоростью Устр.= €х Урез., (где е=усадка стружки,Урез .-скорость резания) преодолевая сопротив-ление силы трения Ртр. Механическая работа силы трения может быть найдена из выражения:
^4тр. = РТР. х 8х Урез д: Г,
где: время резания.
№ 11
2008
Работа сил трения на передней поверхности резца является вторым источником образования теплоты.
Задняя поверхность резца в процессе резания скользит по детали (см. рис 1.) со скоростью резания и преодолевает силу трения Ртр2 .Работа сил трения Лтр.2 = Ртр.2 х Утр. преобразуется также в тепло.
Рис. 1. Размещение площадок трения резца о деталь при резании металла. Вид (а) - на детали и (б) - на поверхностях
режущего инструмента [1].
Выделившееся на площадках трения тепло нагревает резец. При скоростной об-
режущего материала обуславливает сосредоточение высокой температуры в передней части резца, прилегающей к его вершине, что приводит к ускоренному разрушению режущего клина. При резании конструкционных сталей со скоростями более 50 м\мин. большая часть тепла отводится с отходящей стружкой, причем стружка нагревается до высоких температур. Проходя по поверхности резца, нагретая стружка передает часть тепла передней поверхности резца, добавляя к теплу, полученному резцом от трения режущей кромки инструмента о поверхность заготовки.
Экспериментально установлено, что при резании не закаленных сталей длина контакта стружки о переднюю, поверхность резца не превышает 1,5-2,0 мм [1].
При резании закаленных сталей с высокими скоростями резания, малой глубиной резания и малой подачей был отмечен более высокий нагрев стружки, вплоть до плавления тонких слоев стружки, контактирующей с поверхностью резца [2].
При скоростях резания более 100 м/мин в зоне резания под действием высокой температуры граничный слой деформируемого металла сильно размягчается и играет роль твердой смазки. Коэффициент трения на передней поверхности резца уменьшается, что приводит к небольшому уменьшению теплового потока, подводимого к инструменту.
На силу резания, а следовательно, на работу резания и количество выделившейся теплоты оказывает влияние физико-механические свойства обрабатываемого материала. С увеличением прочности и твердости мате-риала увеличивается и температу-
работке температура в зоне резания доходит до 800-910°С. Низкая теплопроводность
ра резания. С увеличением теплопроводности обрабатываемого материала температура резания уменьшается, поскольку отвод теплоты от места ее выделения в стружку и деталь интен-сифицируется [3]. Жаропрочные, нержавеющие и трудно деформируемые высоколегированные, а также марганцовистые стали, при обработке имеют повышенную температуру резания [4].
В теории резания существует мнение о постоянстве оптимальной тем-пературы резания для определенных сочетаний материалов детали и резца (см. табл.1.) [5]. Уменьшение температуры нагрева режущей кромки инструмента при холодном резании достигается интенсификацией отвода тепла с поверхности за счет подачи СОЖ на инструмент в зону резания [6]. Табягща 1
Марка инструмента Вид обработки т иг 1 опт
обрабатываемого инструмента
45 Т 5 К10 Точение 850
40Х Т15 Кб —»— 950
хвг ВК8 750
шх TI4K8 -»- 750
Х18Н10Т TI5K6 —»— 900
ХН75ВМЮ ВК8 —»— 700
ХН77ТЮР ВК8 —»— 720-750
Одной из причин завивания стружки является градиент скоростей перемещения слоев по сечению стружки, возникающий в пластически деформируемой зоне корня стружки.
Схематически деформационный сдвиг кристаллов, локализуемый в ус-ловной плоскости сдвига А-В в корне стружки представлен на Рис.2.
Рис.2. Схематическое изображение корня стружки при резании металла «холодным» способом.
Причиной изгиба и завивания стружки является различие в твердости металла наружных и внутренних слоев стружки. Данное различие обусловлено различной температурой нагрева наружного слоя стружки и внутреннего слоя, касающегося передней поверхности режущего инструмента.
Как известно, наибольшая температура при «холодном» резании воз-никает в зоне, обозначенной на схеме точкой «В» и на передней поверхности резца в зоне точки «2». Разогретый в точках А, 1 и 3 металл, приобретает значительно большие по сравнению с наружными зонами пластические свойства. На участке между точками В-4 металл расширяется в большей степени, чем на участке между точками А-3, где он менее пластичен и, как следствие, сжат. Торможение стружки о переднюю поверхность резца не сдерживает процесс завивания стружки, а благоприятствует ему, поскольку от трения стружка разогревается в большей степени, чем при деформационном сдвиге по плоскости А-В.
Процесс стружкообразования при резании с нагревом отличается от выше указанного тем, что при резании с нагревом наружные слои металла нагреты до большей либо равной температуры нагрева слоя, касающегося передней поверхности резца [7]. В результате отсутствия напряжений сжатия в наружных слоях стружка не завивается. Стружка сходит с режущего инструмента в виде прямой или слабо изогнутой ленты, а вибрация, сопровождающая холодное резание полностью отсутствует (см. фотографию резания металла с нагревом на рис.3).
Рис.3. Фотография резания с нагревом цилиндрической заготовки из стали 45
В результате изменения процесса стружкообразования у обработанной поверхности детали получаются меньшие по величине параметры шероховатости. Исследование шероховатости поверхности, обработанной холодным резанием и резанием с нагре-
№ 1 1
2008
вом, проводили на ступенчатых цилиндрических образцах, полученных при различных режимах резания на токарном станке 1К62. Результаты замеров в соответствии с требованиями ГОСТ были переведены в показатель Rci по формуле: Rz = к Ra, где к =4 при Rz. =80 -2,5 мкм; на базовой длине в 2,5мм.
Результаты замеров шероховатости поверхности образцов представлены в виде графиков зависимости Ra= f(V) при S = const для ст. 45, 40Х и 20X13, а также зависимостью Ra.=f(S) при V=const и t=const. см. рис.4 - 8.
50 V.mvmiih
Рис.4 Зависимость параметров шероховатости Ra в мкм от скорости резания У>м\мин при S = const.при холодном
резании и резании с нагревом стали CT.45Ra,MKM.
Т-20°С
.....
Т =4( 0° с
- i -5оо0,,е- / Т -600° с
1
0 5 10 20 30 40 У,м\мин
Рис.5 Зависимость параметров шероховатости Ка в мкм от скорости резания У,м\мин при 8 = сопвмгри холодном резании и резании с нагревом стали ст.40Х.
Т-20 'С
ПП°Г
Нгг-Т=5О0°1 L /Т =6ftf op
^-
0 5 10 20 30 40 V,M\mhh
Рис.6 Зависимость параметров шероховатости Иа в мкм от скорости резания У,м\мин при 8 - сопэЕ.при резании стали ст. 20X13
5
4
о
Рис.7. Зависимость при У=еогю1 и 1=сопя1 при холодном точении и резании с нагревом стали ст. 45.
Яа ,мкм
5 4
2 О
Рис.8. Зависимость при У-ссим и г-шЫ при холодном точении и резании с нагревом стали ст.40Х.
Как показали результаты экспериментов параметры шероховатости при резании с нагревом на всех сталях и при всех режимах значительно ниже параметров шероховатости, полученных на образцах холодного резания.
Характерной особенностью резания с нагревом заготовки пламенем горелки является резкое изменение соотношения твердости обрабатываемого нагретого металла и твердости резца. Увеличение этого соотношения умень-шает величину погрешности, вызванную колебаниями твердости при точении. Кроме того, при принятых ограничениях эксперимента происходит уменьшение величины колебания припуска на обработку из-за отсутствия вибрации при резании с нагревом по сравнению с «холодным» точением. Все сделанные оговорки позволили в первом приближении принять равными
Т =20(
_ 1-т =500° " /Т =6<Х °г
- --
5 Ю 20 30 40 У.ммин
нулю погрешности, вызванные упругими деформациями, и погрешности от износа инструмента. Тогда сумму динамических погрешностей можно представить в виде:
I-1
где Д;т - погрешность, вызванная геометрическими неточностями станка; Л -г- температурные деформации детали в процессе точения.
Экспериментальная проверка повышения точности обработки проводилась на цилиндрических образцах диаметром 10мм и длиной в 100 мм. Результаты замеров были сведены в таблицу 2.
Таблица 2
№ Холодное точение № Резание с нагревом Т=600°С
замера Диаметр , мм Диаметр О:, мм Диаметр Ол, мм Бочкооб- заме-разность| ра 1 1 Диаметр 01, мм Диаметр 0?,мм Диам етрБз ,мм Бочкообразность
1-3 А 4-6 9,402 9,401 9,461 9,459 9,404 9.406 0,058 0,054 1-3 Е 4-6 9,400 9,400 9,43 9,428 9,400 9,400 0,030 0,028
1-3 Б 4-6 9,401 9,401 9,470 9,469 9.405 9.406 0,066 0,064 1-3 3 4-6 9,401 9,400 9,430 9,429 9.400 9.401 0,029 0,028
1-3 В 4-6 9,402 9,401 9.471 9,467 9,407 9,406 0.066 0,062 1-3 И 4-6 9,399 9,399 9,420 9,419 9,399 9,399 0,019 0,018
1-3 Г 4-6 9.401 9.400 9,462 9,470 9.402 9.403 0,061 0,068 1-3 К 4-6 9,401 9,400 9,410 9,409 9,401 9,401 0,009 0,009
1-3 Д 4-6 9,400 9,465 9.402 9,468 9,401 0,404 0,064 0,066 1-3 Л 4-6 9,400 9,400 9,431 9,429 9,400 9,400 0,031 0,029
Средняя величина отклонения при холодном резании 0,063 Средняя величина отклонения при резании с нагревом Т=500°С 0,023
Температура нагрева металла на глубине резания равнялась 600°С. Отклонения формы детали определялись разницей максимальных величин размеров диаметральных сечений. При холодном резании с зажимом заготовки в патроне и с поджимом центром задней бабки из-за отжатая детали резцом по ходу обработки наблюдалась бочкообразность формы. При резании с нагревом отклонения формы были значительно
меньше.
ВЫВОДЫ
Точение стали с нагревом повышает качество обработанной детали за счет снижения параметров шероховатости и уменьшения величин отклонений формы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кач а н о в Л М. Основы теории пласгичносги. М.; Наука, 1969.420 с.
2. В е р е щ а к а А С, Третьяков И.П Режущие инструменты с износостойкими покрытиями. М: Машиностроение, 1986.237с
3. Р с з н и к о в AFI. Температура и охлаждение режущих инструментов. М Машгта, 1963.2ÖÜ с.
4. Ф е ль д ш т е й н Э, И. Обрабатываемость сталей в связи сусловиями термической обработки и микроструктурой М: Машгиз. 1953.482 с
5. Р е з н и к о в А Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов. М: Машиностроение, 1981. 280 с,
6. Л о л а д з е Т .Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента. М. Машиностроение; 1982.320 с.
7. Котельников В. PI, Зотова В А Особенности резанияметалла с предварительным нахревом срезаемого слоя..// Сб. докладов на 6 ой Всероссийской н/пр. конференции « Современные технологии в машиностроении» Пенза, ПГТУ, 2003. с.335-339.
