01. Поверхности на обрабатываемых заготовках.
02. Режимы резания.
03. Конструктивные элементы резца.
04. Геометрические параметры режущей части резца.
05. Параметры срезаемого слоя.
06. Назначение конструктивных параметров резцов.
07. Зависимость угловых параметров резца от установки на станке.
08. Кинематические углы резца.
09. Физические основы процесса резания.
10. Образование различных типов стружки.
11. Усадка стружки.

На заготовке выделяют следующие поверхности:

1—обрабатываемая поверхность (смотри рисунок 1);

2—обработанная поверхность;

3—поверхность резания (существует временно, во время резания, между поверхностями 1 и 2).

 

Рис. 1.

Режимы резания — совокупность понятий, глубины резания, скорости резания и подачи.
Как правило, им соответствуют значения стойкости режущего инструмента, которые непосредственно связаны с параметрами режима резания.

Глубина резания — глубина внедрения режущего лезвия в материал заготовки t [мм].
В большинстве случаев, она определяется как кратчайшее расстояние между обработанной и обрабатываемой поверхностями.

Различают главное движение резания Dr, которое производится с наибольшей скоростью, и вспомогательное движение подачи Ds, которое необходимо для
распространения движения резания по всей обрабатываемой поверхности (смотри рисунок 2).


Рис. 2.

Скоростью резания называют главное движение резания, так как оно определяет направление и скорость деформации в обрабатываемом материале.
Скорость резания может сообщаться как заготовке, так и режущему инструменту.
Измеряется:

V[м/мин] при лезвийной обработке;

V[м/сек] при абразивной обработке.

Если главное движение резания — вращательное, то скорость резания равна линейной скорости относительного движения заготовки и режущего инструмента:

При абразивной обработке:

Рис. 3.
где D — диаметр; n — число оборотов.

Подача (t) — расстояние, пройденное режущей кромкой инструмента в направлении вспомогательного движения Ds за время цикла главного движения резания.
Иногда используется понятие скорости подачи.
Подача, как и скорость резания, может сообщаться как заготовке, так и режущему инструменту.

Различают:

• подачу на оборот So [мм/об];
• минутную подачу Sм [мм/мин];
• подачу на зуб Sz [мм/зуб]— для протяжек и других многозубых агрегатов;
• подачу на двойной ход S [мм/дв. ход] и другие виды.

Стойкость — время жизненного цикла инструмента.
Измеряется в минутах, и сильно зависит от подачи S, скорости резания V и глубины резания t.

Каждый режущий инструмент имеет переднюю и одну или несколько задних поверхностей.

Передняя поверхность обращена по ходу относительного рабочего движения в сторону срезаемого слоя на обрабатываемой заготовке.
По ней всегда сходит стружка.

Задняя поверхность обращена в сторону поверхности резания (обработанной поверхности).



Рис. 4.

Обозначения на рисунке 4:

• 1—главная задняя поверхность.
• 2—вспомогательная задняя поверхность.
• 3—передняя поверхность.
• 4—главное режущее лезвие.
• 5—вспомогательное режущее лезвие.
• 6—вершина резца.

Передняя и задняя поверхности ограничивают материальное тело каждого элемента рабочей части режущего инструмента (смотри рисунок 6).
Положение передней и задней поверхностей режущих кромок координировано относительно корпуса режущего инструмента системой угловых размеров называемых геометрическими параметрами режущего инструмента.

Плоскость, на которой лежит резец, называется основной плоскостью Pо.
Через L₁ обозначим рабочую или режущую часть инструмента, а через L₂ — державку или присоединительную часть (смотри рисунок 5).

Рис. 5.

Рис. 6.

Главная режущая кромка любого режущего инструмента — линия пересечения передней и задней поверхностей инструмента.

Aγ—главная передняя поверхность;

Aα—главная задняя поверхность.

Aα₁—вспомогательная задняя поверхность.

1—главная режущая кромка, она выполняет основную работу по снятию припусков;

2—вспомогательная режущая кромка;

3—вершина резца.

L - длина резца;

H - высота резца;

B - ширина державки резца;

H × B — сечение державки резца.

Будем рассматривать их в статической инструментальной системе координат (смотри рисунок 7).
Ось X направим по статической подаче резца, ось Y—по оси державки резца, ось Z—перпендикулярно основной плоскости резца.
Плоскость XY параллельна Pо, начало системы координат совпадает с вершиной резца.

Главная секущая плоскость (A-A) проходит в проекции главной режущей кромки на основную плоскость Pо, перпендикулярно этой плоскости.

Вспомогательная секущая плоскость (B-B) проходит перпендикулярно проекции вспомогательной режущей кромки на основную плоскость Pо, перпендикулярно этой плоскости.

Главный угол в плане (угол φ) — определяется в основной плоскости Pо между направлением подачи Ds и проекцией главной режущей кромки на основную плоскость.

Вспомогательный угол в плане (угол φ₁) — определяется в основной плоскости Po между направлением, обратным направлению подачи Ds, и проекцией вспомогательной режущей кромки на основную плоскость.

Главный передний угол (угол γ) — определяется в главной секущей плоскости, между линией пересечения ее с передней поверхностью режущего инструмента и плоскостью, параллельной основной.



Рис. 7.

Главный задний угол (угол α) — определяется в главной секущей плоскости, между линией пересечения ее с задней поверхностью режущего инструмента и
плоскостью резания - плоскостью в которой лежит вектор скорости резания.

Вспомогательный задний угол (угол α₁) — определяется во вспомогательной секущей плоскости, между линией ее пересечения со вспомогательной задней
поверхностью режущего инструмента и плоскостью проходящей через вспомогательную режущую кромку перпендикулярно основной плоскости.

Угол наклона главной режущей кромки (угол λ) — определяется в плоскости резания, между главной режущей кромкой и плоскостью параллельной основной плоскости Po.
Если вершина резца является самой низкой точкой режущей кромки, то λ имеет положительное значение.
Если вершина резца является самой высокой точкой режущей кромки, то λ имеет отрицательное значение, и λ=0 когда главная режущая кромка параллельна основной плоскости.

Если поверхности резца криволинейные, то углы измеряются между соответствующими касательными к рассматриваемым поверхностям в точке режущего лезвия.

На режущем лезвии всегда предусматривают радиус скругления режущей кромки ρ для снижения механических и силовых нагрузок на вершине резца.


Рис. 8.


Рис. 9.

Площадь срезаемого слоя F = a ⋅ b = t ⋅ s (смотри рисунок 9 и рисунок 11).
Величина a — толщина срезаемого слоя, кратчайшее расстояние между двумя последними положениями режущей кромки, b — ширина, то есть длина стороны сечения срезаемого слоя образованного главной режущей кромкой инструмента.

Реально сечение срезаемого слоя меньше номинального на величину остаточного треугольника, имеющего высоту h (смотри рисунок 10 и рисунок 11).
Чем больше h, тем выше шероховатость обработанной поверхности.
Чем меньше углы φ и φ₁, тем меньше подача, тем меньше высота остаточного треугольника, тем ниже шероховатость обработанной поверхности.


Рис. 10.

На рисунке 12 показано влияние радиуса скругления резца на шероховатость обработанной поверхности.


Рис. 11.


Рис. 12.

На высоту остаточного сечения существенное влияние оказывает и радиус скругления режущей кромки.

a = S ⋅ sin φ, b = t / sin φ, при a < b; S ≤ t / sin²φ; k = S ⋅ [(tan φ · tan φ₁) / (tan φ + tan φ₁)],

где a — толщина срезаемого слоя, b — ширина срезаемого слоя.
 

Назначение конструктивных параметров резцов

Углы α и γ определяют основные физические процессы, происходящие в зоне резания.
Передний угол γ оказывает решающее влияние на степень деформации срезаемого припуска.
Задний угол α влияет на процесс трения в зоне обработки, а их совместное значение определяет величину угла заострения β, который определяет прочность режущего клина.

Углы φ и φ₁ определяют параметры срезаемого слоя.
Угол φ влияет на распределение нагрузки на главном режущем лезвии.
А угол φ₁ влияет на трение об обрабатываемую поверхность.


Рис. 13.


Рис. 14.

Угол λ оказывает влияние на направление сбега стружки.
При λ>0 стружка сходит в противоположном движению подачи направлении.
При λ<0 стружка сходит в направлении движения подачи.
А при λ=0 стружка сходит в перпендикулярном движению подачи направлении (смотри рисунок 13 и рисунок 14).
 

Зависимость угловых параметров резца от установки на станке

Все угловые параметры резца указанные на чертеже сохраняют своё значение в тех случаях, когда:

• Вершина резца установлена на высоте оси вращения заготовки;
• Когда геометрическая ось резца перпендикулярна оси вращения заготовки;
• Вектор скорости подачи направлен вдоль оси вращения заготовки.

Любые, случайные или преднамеренные, отклонения в установке режущего инструмента приводят к изменению реальных угловых параметров, это равнозначно замене данного резца на резец с иной геометрией режущей части.


Рис. 15.

При повороте резца по часовой стрелке на угол Δφ (смотри рисунок 15), угол φ уменьшиться, а угол φ₁ увеличиться на величину угла поворота.

φ_y = φ − Δφ, φ_1y = φ₁ + Δφ
Тогда a = S ⋅ sin φ_y и b = t / sin φ_y

Срезаемый слой сильно будет меняться.
Длина активной режущей кромки увеличиться.
При повороте против часовой стрелки — все наоборот.

Смещение резца выше (ниже) оси заготовки может привести к тому, что α может принять нулевые или отрицательные значения, что приведет к сильному трению по задней поверхности и прекращению процесса резания.
 

Кинематические углы резца

Кинематика резания рассматривает движения, которые действуют в процессе резания во время рабочего цикла, с момента, когда лезвие вступает в контакт с металлом заготовки, и до момента, когда контакт лезвия с заготовкой прекращается.

Определение системы кинематических параметров режущей части инструмента вводиться (формулируется) на основе следующих понятий:

• Вводиться вектор скорости подачи Vs;
• Вводиться вектор скорости резания Vr;
• В плоскости перпендикулярной указанным векторам будет рассматриваться в координатах XYZ заготовка и лезвие резца.

Например: кинематический передний угол γ_к измеряется между плоскостью перпендикулярной скорости резания и передней поверхностью инструмента в направлении схода стружки.
Кинематический задний угол будет определяться между плоскостью, в которой лежит вектор скорости резания и задней поверхностью инструмента.

В начальный момент времени при больших радиусах угол γ_кин составляет небольшую часть угла α, но по мере приближения вершины резца к оси заготовки в некоторый момент времени может возникнуть равенство η=α и при этом α_кин = 0 (смотри рисунок 16).

При дальнейшем приближении дальнейшее резание становиться невозможным и это приводит к смятию заготовки задней поверхностью резца.
Кинематические углы инструмента определяются также как и статические (по тем же закономерностям).

В общем случае искажение заточенных углов резца от погрешности его установки и кинематических факторов складываются, и реальные углы при резании сложным образом зависят от этих параметров.


Рис. 16.

Обязательным условием при этом является проверка соотношения, чтобы угол α > 0 (α = 0—резание невозможно).
Желательно, чтобы α > 0 особенно при малых диаметрах и больших глубинах.
 

Физические основы процесса резания

Рассмотрим подробно процесс стружкообразования.
По мере внедрения инструмента в обрабатываемый материал возрастают напряжения, материал деформируется, причем впереди резца всегда распространяется фронт деформаций под углом скалывания θ = 20...35° (смотри рисунок 17).

Тонкими и точными исследованиями можно установить границы пластической деформации.
Угол θ практически не зависит от геометрии (параметров) режущего инструмента и зависит от физико-механических свойств обрабатываемого материала.

Механизм образования стружки зависит от различных факторов, главный из которых скорость резания.


Рис. 17.
 

Образование различных типов стружки

В 1870 году профессором Санкт-Петербургского Университета И.А.Тимом была разработана классификация типов стружки, которая образовывалась при обработке различных материалов.
Эта классификация оказалась на столько удачной, что практически не претерпела изменений до настоящего времени.

Сливная стружка.
Образуется при резании пластичных материалов (например, стали) при малой толщине среза, больших скоростях резания и при больших передних углах (смотри рисунок 18).
Она представляет для производства ряд неудобств (в основном для транспортировки).
Поэтому в ряде случаев в конструкции режущего инструмента специально предусматривают устройства для разделения стружки (стружкоделительные канавки и т.п.).


Рис. 18.

Стружка скалывания.
Образуется при обработке сталей пониженной пластичности, при большой толщине срезаемого слоя, при небольших передних углах и при низких скоростях резания (смотри рисунок 19).


Рис. 19.

Стружка надлома (смотри рисунок 20) состоит из отдельных кусков не связанных друг с другом, и образуется при обработке хрупких материалов (чугуны и другие).


Рис. 20.

На рисунке 21 изображены зависимости силы резания от времени для разных видов образующейся стружки:

• Стружки скалывания—1;
• Сливной стружки—2;
• Стружки надлома—3.

 

Рис. 21.
 

Усадка стружки

Усадка стружки характеризуется степенью пластической деформации металла при резании.

a_стр > a; b_стр > b; l_стр > l; k_l = l / l_стр > 1

Коэффициент усадки стружки всегда больше единицы k_l > 1.


Рис. 22.

Рисунок 22 показывает заготовку с припуском.
На рисунке 22 изображена стружка получившаяся при снятии этого припуска.

На рисунке 24 представлен график изменения коэффициента усадки стружки от скорости резания.


Рис. 23.


Рис. 24.

Процесс деформирования металла при резании происходит при воздействии высоких температур и контактных давлений (напряжений).
При некоторых условиях обработки вблизи режущей кромки образуется достаточно устойчивая клинообразная зона застойного материала — нарост.

Наростообразование характерно для вязких материалов в случае обработки их с малыми скоростями и малыми подачами.
Его величина характеризуется высотой h_нар (смотри рисунок 23).

С ростом переднего угла наростообразование резко уменьшается.
Твердость нароста в 2 - 4 раза выше твердости обрабатываемого материала, поэтому нарост участвует в резании.
По мере увеличения высоты нароста динамическое равновесие нарушается и часть нароста уноситься со стружкой, а другая остается на обрабатываемом материале.

На рисунке 25 изображена зависимость высоты нароста от скорости резания.


Рис. 25.

На рисунке 26 изображена зависимость высоты нароста от главного угла в плане φ.


Рис. 26.

Наличие (отсутствие) нароста в зависимости от подачи и скорости резания изображено на рисунке 27.


Рис. 27.

Положительные особенности нароста:

Нарост берет на себя часть работы по срезанию металла;

Защищает переднюю поверхность и режущую кромку от износа;

Улучшает условия по отводу стружки, так как увеличивает передний угол;

Снижает перепад температур на режущей кромке.

Отрицательные особенности нароста:

Снижает точность обработки на величину Δ;

Снижает качество поверхности;

Вероятностный характер процесса наростообразования не позволяет управлять этим процессом.

Вывод: нарост допустим и полезен при черновой обработке, и совершенно не желателен при чистовой обработке.