1. Измерить геометрические параметры режущей части токарных проходных резцов с помощью угломера ЛМТ; с помощью штангенциркуля и масштабной линейки измерить линейные размеры инструмента. Результаты занести в протокол измерений.
2. Выполнить чертеж инструмента по данным из протокола (рис. 7).
Предварительные сведения о теории резания.
Основные элементы резца.
Несмотря на большое разнообразие конструкций резцов, они имеют общие элементы. Резец состоит из двух основных частей (рис.1):
- головка;
- державка.
Рис. 1. Основные элементы резца.
Державка предназначена для закрепления инструмента в резцедержателе, конструкция которого и определяет форму державки. Головка является рабочей частью резца, на ней находятся все режущие элементы резца (рис.1):
передняя поверхность инструмента – поверхность, по которой сходит стружка;
главная задняя поверхность инструмента – поверхность, обращенная к поверхности, с которой срезается стружка и обращенная в сторону подачи;
вспомогательная задняя поверхность инструмента – поверхность, обращенная к поверхности, с которой срезается стружка, и обращенная в сторону от подачи;
главная режущая кромка это линия пересечения главной передней и главной задней поверхностей;
вспомогательная режущая кромка это линия пересечения главной передней и вспомогательной задней поверхностей.
Главная и вспомогательная режущие кромки формируют обработанную поверхность.
Координатные плоскости и углы резания.
Для измерения статических углов инструмента (продольная подача 
=0, поперечная подача 
=0) используют плоскости следующие плоскости:
1. Основная плоскость 
(рис. 2).
Её проводят через интересующую точку на режущей кромке, например, через точку А, перпендикулярно вектору скорости резания 
. В этой плоскости измеряют углы в плане (рис. 3): главный угол в плане 
– между проекцией главной режущей кромки на основную плоскость (
) и направлением подачи; вспомогательный угол в плане 
– между проекцией вспомогательной режущей кромки на основную плоскость и направлением подачи; угол при вершине резца 
(точка В) – между проекциями главной и вспомогательной режущих кромок на основную плоскость.
2. Плоскость резания 
(рис. 2). Её проводят через главную режущую кромку перпендикулярно основной плоскости (). В плоскости резания измеряют угол наклона главной режущей кромки 
(к основной плоскости) – угол между главной режущей кромкой и основной плоскостью (рис. 3).
– когда все точки режущей кромки выше вершины резца 
;
– когда все точки режущей кромки ниже вершины резца 
;
– главная режущая кромка параллельна основной плоскости
(). Резание с 
называют «ортогональным резанием».
Угол наклона главной режущей кромки (
) задает направление схода стружки. Если угол (+ 
), стружка сходит в направлении, противоположном подаче. На практике в этом случае стружка сходит вправо от резца. Если угол (– ), стружка сходит в направлении подачи, то есть влево от резца.
3. Главная секущая плоскость 
(рис. 3) – проводится перпендикулярно проекции главной режущей кромки на основную плоскость и перпендикулярно основной плоскости (). В этой плоскости измеряют главный передний угол 
, это угол между основной плоскостью (
) и передней поверхностью; главный задний угол 
– угол между главной задней поверхностью и плоскостью резания (
); угол заострения 
– угол между передней поверхностью и главной задней поверхностью; угол резания 
– угол между передней поверхностью и плоскостью резания () (рис. 3).
4. Вспомогательная секущая плоскость 
(рис. 3) –проводится перпендикулярно проекции не основной, а вспомогательной режущей кромки на основную плоскость. В этой плоскости измеряют вспомогательный передний угол 
– между передней поверхностью и основной плоскостью (); вспомогательный задний угол 
– угол между вспомогательной задней поверхностью и вспомогательной плоскостью резания (рис. 3).
Статические и кинематические углы.
Не следует отождествлять углы резания и углы инструмента. Углы инструмента измеряют при условии, что продольная 
и поперечная 
подачи равны НУЛЮ (
=0, 
=0). Поэтому их называют статическими. Условия резания характеризуются так называемыми кинематическими углами. Эти углы отличаются от статических углов. Обусловлено это тем, что вектор скорости резания 
зависит не только от составляющей 
, но и от векторов подач 
, 
. Когда появляется подача, вектор скорости резания поворачивается на некоторый угол, вместе с ним поворачивается основная плоскость (), которая перпендикулярна ему. Поэтому все углы резания изменяются. Таким образом, статические углы отличаются от кинематических.
Рис. 2. Координатные плоскости.
Рис. 3. Углы резца (статические углы резания).
Измерение углов резца.
С целью контроля соответствий инструмента требованиям чертежа измерение углов резца производится с помощью шаблонов, угломеров и трехповоротных тисков.
На рис. 4 приведен универсальный угломер ЛМТ, предназначенный для измерения углов резца: 
, , 
, 
, 
.
Угломер состоит из основания I, вертикальной стойки 2, на которой перемещается каретка 3, как в вертикальном положении, так и вокруг оси стойки. Закрепление каретки в нужном положении осуществляется затяжкой фиксатора 4. На каретке расположены шкальные устройства для измерения соответствующих углов. Верхняя плоскость основания I, на которую кладется измеряемый резец, снабжена направляющей линейкой 5, служащей для правильной установки резца при измерении углов и 
.
Для измерения переднего угла 
измерительный угольник 6 (рис.4.а) настраивается на НОЛЬ – перпендикулярно главной режущей кромке – и поворачивается до соприкосновения горизонтальной плоскости с передней поверхностью резца. При этом указатель измерительного угольника показывает значение переднего угла. Слева от НУЛЯ будет положительное значение угла (
), а справа – отрицательное (
).
Задний угол 
измеряют аналогичным образом. В этом случае вертикальная сторона измерительного угольника доводится до полного контакта с главной задней поверхностью.
Для измерения главного и вспомогательного углов в плане 
и 
резец устанавливают на плите до соприкосновения державки с направляющей линейкой 5 (рис. 4б). Каретка 3 поворачивается на стойке 2 и занимает положение, показанное на рис. 4б. Измерительную линейку 7 поворачивают до соприкосновения с главной режущей кромкой, при этом указатель покажет значение угла 
. При повороте линейки до соприкосновения со вспомогательной режущей кромкой, указатель покажет значение угла (вправо от НУЛЯ).
Для измерения каретку поворачивают в требуемое положение (рис. 4в). При этом вершина резца должна соприкасаться с серединой измерительной линейки 8, а главная режущая кромка должна быть параллельна измерительной линейке. При повороте измерительной линейки до соприкосновения с главной режущей кромкой указатель покажет величину угла 
. Значениям угла 
справа от НУЛЯ соответствуют положительные значения, а влево от НУЛЯ – отрицательные.
а)
б)
в)
Рис. 4. Универсальный угломер ЛМТ: а) – измерение углов 
; б) – измерение углов 
; в) – измерение угла 
.
При заточке инструмента используют универсальные трехповоротные тиски (рис. 5). Они предназначены для установки резца при его заточке. Универсальные тиски могут поворачиваться вокруг трех взаимно перпендикулярных осей (рис.5). Соответственно, положение затачиваемой поверхности относительно шлифовального круга может быть достигнуто поворотом резца в двух или трех плоскостях. Плоскости поворота резца в универсальных тисках не совпадают с координатными плоскостями резания. Поэтому для настройки тисков заданные чертежом углы, например, 
, пересчитывают на углы во взаимно перпендикулярных плоскостях: Б-Б – поперечная плоскость, Г-Г – продольная плоскость (рис.6):
(1)
(2)
Верхние знаки (–) и (+) относятся к положительным углам + .
Нижние знаки (+) и (–) относятся к отрицательным углам – .
Рис. 5. Универсальные трехповоротные тиски.
Рис. 6. Углы резца в трех секущих плоскостях.
Рис. 7. Резец в трех проекциях.
Протокол измерений
| № п/п | Тип и номер резца | Материал режущей части | Размеры резца | Углы резца | ||||||||||
| Сечение | Длина | Смещение вершины | Передний угол | Главный задний угол | Вспомогательный задний угол | Угол заострения | Угол резания | Углы в плане | Угол наклона главной режущей кромки | |||||
| Главный угол в плане | Вспомогательный угол в плане | Угол при вершине | ||||||||||||
| 
| 
| 
| 
| 
| 
| 
| 
| 
| 
| 
| |||
Работа выполнена:(дата выполнения)
Работа зачтена:(подпись преподавателя, дата).
Лабораторная работа №2
«Деформации при стружкообразовании и так называемая «усадка стружки»
Предварительные сведения о теории резания.
Процесс резания это процесс непрерывного пластического деформирования материала [6]. При этом основу процесса резания составляет акт стружкообразования.
Схема процесса резания, предложенная в 1870 г. И.А. Тиме с плоскостью скола в принципе отражает то, что происходит при стружкообразовании. Все события происходят в тонком слое в окрестностях этой плоскости, которую принято называть плоскостью сдвига, а схему резания, разработанную на этой основе, называют схемой с единой плоскостью сдвига (рис.1).
Рис 1. Схема с единой плоскостью сдвига.
На основе этой схемы разработан план скоростей (рис.2), используя который можно найти все скорости в зоне резания и оценить величину деформации в стружке [6].
Рис. 2. План скоростей
Приняты следующие обозначения [6]:
– нормальная составляющая вектора скорости
резания 
; (1)
– скорость схода стружки; (2)
– тангенциальная (касательная) составляющая вектора скорости резания 
; (3)
– тангенциальная (касательная) составляющая скорости схода стружки 
; (4)
– скорость схода стружки в долях от скорости резания или относительная скорость стружки; (5)
– угол сдвига, угол между плоскостью сдвига АВ и скоростью резания 
(рис.1); (6)
Этот угол однозначно связан с относительной скоростью стружки 
:
. (7)
Его невозможно задать, он устанавливается самопроизвольно в зависимости от условий резания. Угол сдвига можно определить либо экспериментально по относительной скорости 
или так называемой «продольной усадке» стружки, либо аналитически – из условия минимума мощности резания.
Продольная усадка и итоговая деформация.
Материал при пластическом деформировании не изменяет своего объема. Это называется условием постоянства объема при пластическом деформировании.
Скорость схода стружки 
всегда меньше скорости резания 
. Это выражается так: 
.
Поэтому длина стружки меньше пути, который проходит резец:
– длина стружки; (8)
– путь, который проходит резец, где (9)
- время резания.
А сечение стружки 
больше сечения срезаемого слоя 
:
или (10)
, где (11)
– объем срезаемого слоя;
– объем стружки.
С другой стороны:
. (12)
В существующей практике пользуются понятием так называемой «продольной усадки» стружки, которую определяют так:
. (13)
Плоскость сдвига это граница разрыва скоростей: нормальная скорость сохраняет свое значение, а касательная скорость терпит разрыв. При переходе через эту границу, материал испытывает пластическую деформацию сдвига, которая равна [6]:
(14)
– деформация относительного сдвига.
Обобщенная или итоговая деформация при стружкообразовании равна [6]:
(15)
Подставив в выражение (15) значение угла сдвига 
(см. выражение 7), получаем другую запись уравнения для деформации:
(16)
Таким образом, деформация зависит от так называемой «усадки стружки», но не равна ей.
Цель работы: экспериментальное определение величины так называемой «усадки стружки»,деформации и угла сдвига при стружкообразовании.
Для выполнения работы потребуется:
- станок токарно-винторезный (тип 1К62 или 16К20ПФ1);
- заготовка из стали 45 или 40Х, диаметром 80 мм, длиной 600 мм;
- резец токарный проходной со сменной неперетачиваемой пластиной (СНП);
- масштабная линейка;
- торсионные весы;
- гибкая нить.
Задачи, решаемые в настоящей работе:
1. Исследовать экспериментально влияние параметров резания – скорости резания (
), подачи (
) и глубины резания (
) – на так называемую «усадку стружки» (
).
2. Определить длину (
) и массу (
) срезанной стружки; занести результаты в протокол испытаний.
3. Определить на основании полученных данных так называемую «усадку стружки» (
), определить угол сдвига 
) и деформацию при стружкообразовании 
; занести результаты в протокол испытаний.
4. Построить графики зависимости так называемой «усадки стружки» 
, деформации 
и угла сдвига от режимов резания.
Порядок выполнения работы.
Заготовку зажимают в трехкулачковом патроне. Резец с СНП закрепляют в резцедержателе станка и настраивают режимы обработки.
Проводят три серии опытов. В каждой серии последовательно изменяют один из переменных факторов при постоянных значениях остальных (многофакторный эксперимент). После каждого опыта собирается 3-4 кусочка стружки.
Затем для каждого опыта определяют среднее значение длины стружки 
и среднее значение массы стружки 
:
Длина 
каждого из кусочков стружки измеряется с помощью гибкой нити и линейки; масса 
каждого кусочка стружки определяется на торсионных весах (рис.3).
Очевидно, что сечение стружки равно:
, где (17)
– масса стружки; 
– плотность обрабатываемого материала,
– длина стружки.
«Усадку стружки» (продольную) вычисляют, сравнивая сечение срезаемого слоя со средним значением сечения стружки:
, где (18)
– сечение срезаемого слоя;
– среднее значение сечения стружки.
Сечение срезаемого слоя равно:
, где (19)
– глубина резания, 
– подача резания.
Работа торсионных весов.
Торсионные весы это пружинные весы, у которых рабочим элементом являются упругий стержень (рис.3). Особенность используемых весов это высокая разрешающая способность – миллиграммы.
Торсионные весы состоят из следующих элементов:
1 – уровень;
2 – опорные винты;
3 – коромысло;
4 – рычаг запирающий;
5 – указатель;
6 – рычаг натяжения;
7 – указатель равновесия;
8 – головка тарировочная;
9 – чашечки.
Проведение взвешивания.
1. Установить прибор по уровню 1 посредством опорных винтов 2.
2. Освободить коромысло 3 передвижением вправо запирающего
рычага 4.
3. Установить указатель весов 5 на нуль с помощью рычага
натяжения 6.
4. Совместить указатель равновесия 7 с чертой равновесия посредством тарировочной головки 8.
5. Закрепить коромысло 3 передвижением запирающего рычага 4 влево, положить в чашечку 9 кусочек стружки и затем освободить коромысло передвижением запирающего рычага 4 вправо и произвести взвешивание.
Рис. 3. Торсионные весы.
Протокол испытаний
| № опыта | Углы резца | Материал заготовки | Материал инструмента | Диаметр заготовки (мм) | Частота вращения шпинделя (об/мин) | Скорость резания (м/мин) | Глубина резания (мм) | Подача (мм/об) | Длина стружки (мм) | Вес стружки (мг) | Сечение стружки (мм2) | Сечение среза (мм2) | «Усадка стружки» | Относительная скорость стружки | Угол сдвига | Деформация | |
| 
| 
| 
| ||||||||||||||
| 
| 
| 
| 
| 
| 
| 
| 
| 
| 
| 
| 
|
Выводы по работе: в выводах проанализировать и дать оценку влияния каждого из параметров резания на так называемую «усадку стружки», деформацию и угол сдвига.
Работа выполнена:(дата выполнения)
Работа зачтена:(подпись преподавателя, дата)
Лабораторная работа №3
«Исследование влияния параметров резания на температуру»
Предварительные сведения.
Мощность, подводимая в зону резания, расходуется на пластическую деформацию в плоскости сдвига, на преодоление сил трения по передней и задней поверхностям, на работу распространения трещины, связанную с образование новых поверхностей, а также на пластическую деформацию приповерхностного слоя. Так как мы рассматриваем резание остро заточенным инструментом, мощность, расходуемую на пластическую деформацию приповерхностного слоя, не учитываем. Сказанное записывается в форме уравнения, которое называют уравнением энергетического баланса процесса резания:
, где (1)
– мощность, необходимая для процесса резания;
– мощность, затрачиваемая на пластическую деформацию;
– мощность, затрачиваемая на трение стружки о переднюю поверхность инструмента;
– мощность, затрачиваемая на трение задней поверхности инструмента о деталь;
– мощность, связанная с образованием новых поверхностей.
Вся механическая энергия, подводимая в зону резания, (100%) переходит в тепло. Места, где выделяется тепло при резании, показаны на рисунке 1:
Рис.1 Места выделения теплоты.
1 – очаг сдвиговых деформаций в плоскости сдвига;
2 – контакт стружки по передней поверхности инструмента;
3 – контакт по площадке износа задней поверхности инструмента.
Большая часть тепла из зоны резания уносится стружкой (50-86%), 7-10% уходит в инструмент, около 3-9% - в заготовку, около 1% излучается в окружающую среду. Естественно, что эти соотношения выполняются, если обработку ведут без принудительного охлаждения. Сказанное можно написать в виде уравнения:
, где (2)
– тепловая мощность, выделяемая при резании;
– доля тепловой мощности, уносимая со стружкой;
– доля тепловой мощности, передаваемая в инструмент;
– доля тепловой мощности, передаваемая в заготовку;
– доля тепловой мощности, излучаемая в окружающее пространство.
Несмотря на то, что через инструмент отводится только 10% тепла, этого достаточно, чтобы создавать проблемы, связанные с его нагревом. В процессе резания инструмент сильно нагревается. Объясняется это тем, что инструмент (резец) имеет ограниченное сечение. К тому же при токарной обработке он работает без перерыва.
Нагрев ухудшает режущие свойства и уменьшает стойкость инструмента. Так, стальной инструмент нагреваясь теряет твердость или, как говорят, отпускается. Известно, что повышение температуры вызывает все физические процессы, в том числе, процессы износа. Поэтому стойкость твердосплавного инструмента при нагреве также уменьшается. Именно поэтому измерению температуру в зоне резания уделяется большое внимание.
Для расчета температуры резания 
используют эмпирическую зависимость:
, где (3)
– постоянный коэффициент, характеризующий обрабатываемый материал, условия резания;
– параметры резания;
– показатели степени, характеризующие степень влияния параметров 
.
А измерение температуры резания производится при помощи термопар. Используют следующие термопары:
искусственные – оба электрода из специального материала, например, хромель-алюмель; хромель-копель;
полуискусственные – один электрод из специального сплава, другой электрод – сам инструмент;
естественные – оба электрода используются в процессе резания: это материал инструмента и материал заготовки.
Цель работы – экспериментальное исследование влияния параметров резания – скорости резания 
, подачи 
и глубины резания 
– на температуру резания 
; изучение конструкции и работы естественной термопары для измерения температуры резания (); обработка экспериментальных данных с целью определения показателей степени 
, 
и постоянного коэффициента 
.
Для выполнения работы потребуется:
- станок токарно-винторезный (тип 1К62 или 16К20ПФ1);
- заготовка из стали 45 или 40Х, диаметром 80 мм, длиной 600 мм;
- резец токарный проходной со сменной неперетачиваемой пластиной (СНП);
- термопара естественная (рис. 3).
Задачи, решаемые в настоящей работе:
- изучить конструкцию и принцип работы термопары естественной;
- изучить методику тарировки термопары естественной;
- исследовать экспериментально влияние параметров резания – скорости резания 
, подачи 
и глубины резания 
– на температуру резания ; занести результаты в протокол испытаний.
- определить расчетные значения показателей степени 
, 
и постоянного коэффициента 
; занести результаты в протокол испытаний.
- построить графики зависимостей температуры резания от параметров резания: 
. Провести проверку работоспособности полученного уравнения.
Порядок выполнения работы.
Стальную заготовку зажимают в трехкулачковом патроне. Настраивают режимы обработки. Проводят три серии опытов. В каждой серии последовательно изменяют один из переменных факторов при постоянных значениях остальных (многофакторный эксперимент). В ходе каждого опыта фиксируют показания милливольтметра, данные заносят в протокол измерений.
