Quot;77
к главной или вспомогательной режущим кромкам ' '
2.4.4. Углы в секущих плоскостях, проведенных нак
лонно к осям инструмента............................................................ °*
2.5. Поворот режущих инструментов в системе
координат.............................................................. •..........................
2.5.1. Общие матрицы поворота.................................................... °3
2.5.2. Примеры поворота режущих кромок и рабочих поверхностей инструмента в системе
координат................................................................................ °°
2.5.3. Изменение в процессе поворота углов,
характеризующих положение режущих кромок................. v-,w
2.6. Методика аналитического исследования геометрии
рабочей части режущих инструментов, находящихся
в процессе резания..............................
2.6.1. Схема образования кинематической системы координат....
2.6.2. Методика определения координат режущих кромок, уравнений режущих поверхностей
и величин углов в кинематической
Q7
системе координат....................................................... *..... ^ '
2.7. Элементы аналитической геометрии фасонных
поверхностей рабочей части режущих инструментов.. ^°
2.7.1. Определение положения прямых, касательных
к кривым и поверхностям............................ 4.................... "
2.7.2. Пример расчета передних углов цилиндрической
фрезы с винтовыми зубьями............................................... ЮХ
Глава 3. Геометрические параметры отделяемых э зментов
срезаемого слоя.............................................................................. 1UJ
3.1. Основные принципы выделения отделяемых
1 0°>
элементов срезаемого слоя............................................................... -^^
3.2. Сечения отделяемых элементов срезаемого слоя
при обработке лезвийными инструментами................................. 1°4
3.2.1. Обработка резцами...................................... ■....................... 106
3.2.2. Сверление, зенкерование, развертывание...................... 107
3.2.3. Фрезерование....................................................................... 108
3.2.4. Протягивание....................................................................... 119
3.2.5. Нарезание резьбы............................................................... 120
3.2.6. Зубообрабогка (обработка долбяком и червячной фрезой) 123
Глава 4. Входные характеристики процесса резания.............................. 124
4.1. Исходные модели зоны резания................................................ 124
4.1.1. Простейшие схемы зоны ортогонального
резания.............................................................................. 124
4.1.2. Модель пластической деформации зерен
металла в срезаемом слое........................................................... 127
4.1.3. Схемы сил и скоростей в зоне резания.......................... 131
4.2. Силовое и энергетическое моделирование
процесса резания......................................................................... 136
4.2.1. Силовые модели процесса резания на
основе удельной силы................................................................ 136
4.2.2. Экспериментальные силовые модели....................................... 141
4.2.3. Энергетическое моделирование процесса
резания..........................,............................................................. 144
4.3. Тепловая модель процесса резания...................................................... 149
4.3.1. Основные источники тепла..................................................... 149
4.3.2. М.одель распространения тепловых
потоков в зоне резания............................................................... 151
4.3.3. Измерение температуры резания............................................. 156
Глава 5. Выходные параметры пластического деформи
рования металла в зоне резания.................,...................... 159
5.1. Характеристики изменения формы отделяемых элементов срезаемого слоя 159
5.2. Характеристики изменения напряженного состояния поверхностного слоя изделия 168
Глава 6. Изменения рабочих поверхностей инсгрумента в
процессе резания................................................................................ 175
6.1. Изменение формы рабочих поверхностей под
действием наростообразования.................................................. 175
6.2. Изнашивание и стойкость инструмента............................................. 186
Заключение............—,...»...........................,......................................................... 198
Краткий хронологический список литературы......................................... 205
Предметный указатель........................................................... I............................ 212
ПРЕДИСЛОВИЕ
В профессиональном развитии инженер проходит следующие стадии роста: студент, выпускник вуза, молоддй специалист, высококвалифицированный инженер. Основную роль в достижении вершин труда играют учебные дисциплины, изучаемые в вузе. От состава и содержания этих дисциплин, а также от стараний самого студента зависит, получит ли будущий высококвалифицированный специалист необходимые знания, умения и навыки, на основании которых будет возможно его дальнейшее профессиональное самосовершенствование.
В подготовке инженеров—механиков самой массовой машиностроительной специальности "Технология машиностроения, мегаллорежушие станки и инструменты" учебная дисциплина "Теория резания" занимает особое положение. Она является основополагающей теоретической дисциплиной, В новых учебных планах названная дисциплина завершает комплекс общетехнических и общеобразовательных дисциплин и является исходной в ряду специальных технологических дисциплин. На ней базируются такие специальные дисциплины, как проектирование и производство режущих инструментов, металлорежущие станки, технология инструментального производства, технология машиностроения. В свою очередь, она базируется на ряде общеобразовательных, обще-технических и общеинженерных дисциплин.
Занимая промежуточное положение между общеобразовательными, общетехническими и общеинженерными дисциплинами, с одной стороны, и специальными - с другой, "Теория резания имеет с ними логические и структурные взаимосвязи.
Перед студентом, Изучающим эту дисциплину, стоят следующие основные задачи:
усвоить место и роль процессов резания в формообразовании металлических изделий;
уметь устанавливать движения, совершаемые режущими инструментами, классифицировать режущие инструменты с использованием Принципа их единства и многообразия;
выделять базовые и рабочие поверхности заготовок, рабочие поверхности- режущего клина и его режущие кромки, взаимоувязанные системы координат станка, режущих инструментов и заготовки, задавать положение рабочих поверхностей инструмента и его режущих 'кромок и линий в системах координат;
уметь определять размеры сечений срезаемого слоя и отделяемых
объемов при срезании их одной или несколькими режущими кромками;
оценивать резервы процесса резания на основе моделей, раскрывающих механизмы отделения срезаемого слоя и формообразования обработанной поверхности; знать механическое, силовое, энергетическое, тепловое взаимодействия явлений процесса резания;
уметь измерять и рассчитывать входные и выходные параметры процесса резания, проводить исследования по установлению взаимосвязи между ними;
разделять процесс резания на ряд систем и подсистем в зависимости от его целей и назначения; проводить системный анализ перехода входных параметров системы резания в выходные для различных вариантов процесса резания как многокомпонентной системы;
уметь проектировать оптимальные схемы процесса резания, мно-гопарамегрового регулирования выходных параметров системы резания путем изменения входных характеристик; выбирать входные характеристики, обеспечивающие получение заданных конечных результатов, выходных параметров;
ставить задачи и привлекать средства автоматизации и ЭВМ к решению задач реализации процессов резания металлов.
изделия конкретными режущими инструментами, составляющая основ ную часть технологического процесса механической обработки изделия.
Процесс резания — процесс воздействия режущего инструмента на заготовку изделия, обеспечивающий формообразование поверхности изделия и придание ей необходимых размеров и шероховатости по мере съема с заготовки срезаемого слоя.
Срезаемый слой — слой, подлежащий удалению с заготовки в процессе резания.
Отделяемый элемент срезаемого слоя — часть срезаемого слоя, в форме которой срезаемый слой последовательно удаляется с заготовки.
Стружка — слой, сходящий с заготовки в момент резания.
Процесс стружкообразования — процесс перевода в стружку отделяемых элементов срезаемого слоя.
Обработанная поверхность - поверхность, получаемая на изделии после прекращения процесса резания.
Обрабатываемая поверхность - поверхность, которая совместно с обработанной определяет4 форму сечения срезаемого
слоя.
Поверхность резания — поверхность, с помощью которой срезаемый слой делится в процессе резания на ряд последовательно отделяемых элементов.
Рабочая часть режущего инструмента - часть инструмента, на которой находятся его рабочие поверхности: передняя и
главные задние.
Передняя поверхность инструмента - поверхность, по
которой сходит стружка.
Главная заданная поверхность - поверхность, которая обращена в процессе обработки к поверхности резания.
Вспомогательная задняя поверхность — поверхность, обращенная в процессе резания к обработанной поверхности.
Главная режущая кромка — линия пересечения передней и главной задней поверхностей.
Вспомогательная режущая кромка — линия пересечения передней и вспомогательной задней поверхностей.
Режущий клин (режущее лезвие) — часть тела рабочей части инструмента, расположенная вдоль режущей кромки, ограниченная рабочими поверхностями.
Результирующее движение резания — движение, которое определяет направление схода стружки.
Движение подачи — движение, определяющее* i КОрООГЬ пере
мещения режущего инструмента в направлении ш................. нтмгольного
разделения срезаемого слоя на отделяемые элементы.
Движение формообразования поверхности изделия -дополнительное движение, обеспечивающее образование формы обработанной поверхности.
Типовой процесс резания — процесс резания, в котором в качестве режущего инструмента принимает участие режущий клин — типичная режущая часть любого режущего инструмента.
Прямоугольное (или ортогональное) резание - процесс резания, заключающийся в обработке заготовки изделия инструментом, у которого угол наклона главной режущей кромки X равен нулю.
Косоугольное резание — вид процесса резания, при котором обработка ведется инструментом с Я Ф О.
Свободное резание *■ процесс резания, при котором срезание припуска и формообразование поверхности изделия осуществляются одной прямолинейной режущей кромкой.
Несвободное резание - процесс резания, в котором принимает участие одновременно главная и вспомогательная режущие кромки или только одна криволинейная главная режущая кромка.
Форма поперечного сечения отделяемого элемента срезаемого слоя - форма площадки, образующейся от пересечения отделяемого элемента плоскостью, перпендикулярной к вектору скорости главного движения.
Ширина поперечного сечения отделяемого элемента-размер, измеряемый вдоль следа поверхности резания (следа главной режущей кромки).
Толщина поперечного сечения отделяемого элемента - размер, измеряемый перпендикулярно к ширине.
Площадь поперечного сечения отделяемого элемента - произведение толщины на ширину или скалярной части вектора подачи, совпадающей с одной из сторон поперечного сечения, на глубину резания (размер, перпендикулярный к вектору подачи).
ГЛАВА 1
РАБОЧИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ИНСТРУМЕНТОВ
И КИНЕМАТИКА ИХ ДВИЖЕНИЙ
1.1. РАБОЧИЕ ЭЛЕМЕНТЫ, ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ
И ДВИЖЕНИЯ РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ
1.1.1. Рабочие элементы режущих инструментов
В практике обработки металлов резанием применяют различные виды режущих инструментов: резцы, сверла, зенкеры, развертки, фрезы, протяжки, долбяки, метчики, плашки, цековки, шеверы, абразивные и другие инструменты. Каждый из них включает в себя ряд модификаций. Резцы, например, разделяются на две большие группы: на простые и фасонные. Простые резцы, в свою очередь, могут быть классифицированы по следующим признакам:
а) по назначению - на токарные (проходные, подрезные, отрез
ные, расточные, резьбовые и т.д.), строгальные, долбежные;
б) по форме головки резца и ее положению относительно держав
ки - на прямые, отогнутые, изогнутые, оттянутые;
в) по способу крепления режущей части - на цельные, сварные,
с напаянными, приклеенными или приваренными рабочими пластин
ками, с механическим креплением пластинок;
г) по роду материала рабочей части - на быстрорежущие, твер
досплавные, минералокерамические, алмазные, эльборовые, гексани-
товые, керметовые;
д) по сечению державки - на квадратные, прямоугольные и т.д.
В группу фасонных резцов входят резцы круглые и.призмати -
ческие. Классификация других видов инструментов так же обширна, как и приведенная выше в сокращении классификация резцов.
Несмотря на разнообразие ревущих инструментов и их конструктивное различие, любой инструмент содержит две основные части:
а) рабочую часть, предназначенную для удаления с заготов
ки срезаемого слоя и формообразования поверхности детали;
б) присоединительную или хвостовую часть, служащую
для крепления инструмента на станке.
Рабочая часть любого инструмента содержит ряд рабочих поверхностей. Базой для выделения рабочих поверхностей,на режущем инструменте служат поверхности заготовки, относительно которых
рабочая часть инструмента располагается в процессе резания. Такими поверхностями являются: обработанная поверхность, обрабатываемая поверхность и поверхность резания.
Обработанная поверхность - это поверхность, которая образуется на заготовке после очередного прохода инструмента, срезания с нее и превращения в стружку некоторого слоя металла, называемого срезаемым или припуском на обработку.
Обрабатываемая поверхность — это поверхность заготовки, определяющая совместно с обработанной поверхностью форму сечения срезаемого слоя в плоскости, перпендикулярной к траектории перемещения инструмента относительно заготовки.
Поверхность, с помощью которой срезаемый слой делится в процессе резания на ряд последовательно отделяемых э леменгов, называется поверхностью резания.
Для случаев строгания (а) и точения (б) эти поверхности показаны на рис. 1.1. Для различных схем резания они имеют различную форму. Однако, пользуясь ими как базой, всегда оказывается возможным установить форму расположения рабочих поверхностей на рабочей части режущего инструмента. На рабочей части инструмента выделяют переднюю и одну или несколько задних поверхностей. Если задних поверхностей несколько, го одну из них называют главной (для ее обозначения используем индекс Г), а остальные -вспомогательными (индекс в).
Рис. 1.1. Схема процесса резания при строгании (а) и точении (б): 1 — обработанная поверхность; 2 — поверхность резания; 3 — обрабатываемая поверхности
Поверхность инструмента, ш> которой. ч..,,,,-, 1 тружка в процессе резания, называется передней П о вер хн ос ть Ю • (обозначим ее буквой П, рис. 1.1). Поверхность инструмента, поращенная в сто— k рону поверхности резания— главная задняя поверхность (поверхность 3 Г). Остальные поверхности рабочей части инструмента, обращенные в сторону обработанной поверхности, представляют собой вспомогательные задние поверхности инструмента (поверхности Зв).
От пересечения рабочих поверхностей на рабочей части инструментов образуются режущие кромки: главная и вспомогательная. Главная режущая кромка образуется как результат пересечения передней и главной задней поверхностей (линия Г). В результате пересечения передней поверхности с задней вспомогательной поверхностью образуется вспомогательная режущая кромка. На рис. 1.1 вспомогательная режущая кромка обозначена буквой в.
Точка пересечения главной и вспомогательной режущих кромок образует вершину режущей части резца. Главная режущая кромка Г и примыкающие к ней передняя П и главная задняя Зг поверхности образуют главное режущее лезвие, а вспомогательная режущая кромка вместе с передней П и вспомогательной задней Зв поверхностями образуют вспомогательное режущее лезвие.
В процессе реэания режущие кромки Г и в изнашиваются, и на каждом из режущих лезвий образуется своя радиусная поверхность, которая носит название округления лезвия. Вершина резца в процессе резания также изнашивается. Образующийся в месте пересечения главной и вспомогательной режущих кромок радиус называется закруглением вершины резца.
Подобные рабочие поверхности.режущие кромки,лезвия и другие вышеназванные параметры имеются на любом режущем инструменте. Инструменты,на рабочей части которых находятся две или более ^глав-ные режущие кромки, называются многокромочными (многолезвийными, многозубыми). В этом случае главные режущие кромки инструмента располагаются на поверхности инструмента, которая называется производящей. К многолезвийным инструментам относятся сверла, зенкеры, развертки, фрезы, долбяки и др. Каждый режущий зуб таких инструментов содержит обычно все рабочие поверхности и кромки, присущие токарному резцу. В этом отношении зубья инструментов подобны резцу и могут быть условно им заменены.
1.1.2. Основные функции режущего инструмента, схемы формообразования
Режущий инструмент в процессе обработки выполняет две основные функции: срезания припуска и формообразования обработанной поверхности изделия. Обе функции выполняются режущими кромками одновременно или последовательно. При этом инструмент совершает комплекс движений относительно изделия.
В ряде работ предприняты попытки связать формообразование обработанной поверхности только с траекторией перемещения точки главной режущей кромки. За обработанную принималась поверхность, которая образуется как след относительного движения точки главной режущей кромки. Она не обязательно могла быть реальной поверхностью. Назовем такие поверхности условно обработанными.На-пример, при подрезке торца в упор, когда длина главной режущей кромки равна или больше радиуса вала,условно обработанной поверхностью является осевая линия детали. При обточке вала фасонным резцом с радиальным перемещением условно обработанными поверхностями будут плоскости,перпендикулярные к оси обтачиваемого изделия. Эти плоскости существуют не как физические, а как отвлеченное понятие. При отрезке условно обработанными являются горце-вые поверхности заготовки.
На э гом же основании торцевые плоскости, а не цилиндрическую
поверхность должны мы принять за обработанную поверхность и в
случае точения диска резцом, ширина которого больше толщины дис
ка. '
Анализируя приведенные случаи, приходим к выводу, что за обработанные поверхности приходится принимать совсем не те поверхности, которые обрабатывают. Это произошло потому, что при формулировании понятия обработанной поверхности недостаточно полно было учтено участие главной режущей кромки в процессе формообразова _ ния поверхности детали.
Режущий инструмент формирует обработанную поверхность изделия контактным способом. Движения инструмента при выполнении функции формообразования должны быть такими, чгобы режущие кромки имели касание с поверхностью детали, получаемой из заготовки. Касание может происходить в одной точке или на участке режущей кромки. В соответствии с этим можно считать, что в общем случае главная режущая кромка состоит из формообразующего и неформообразующего участков. Точки формообразующего участка главной режущей кромки в процессе работы формируют обработанную поверхность детали. Поясним примерами.
При продольном точении, otipnlio'...... кои шостей, под-
резке горца (рис. 1.2. и 1.3, а-в) формообразование осуществляет-ся точкой режущей кромки. При точении канавок (рис. 1.3, г), про-резании пазов дисковой фрезой в формопОрм.-нт/шии принимают участие главная режущая кромка и две ее крайние точки. При фрезеровании плоскости цилиндрической фрезой, при точении бурта широким резцом формообразование осуществляется всей длиной контактирующего с заготовкой участка режущей кромки.
В тех случаях, когда формообразование осуществляется участком режущей кромки, на заготовке образуются только поверхности резания, которые в процессе резания делят срезаемый слой на отдельные элементы и переходят в разряд обработанной поверхности после.съема последнего срезаемого элемента.
Виа Б |
Если в формообразовании участвуют режущая кромка и две ее крайние точки, то обработанная поверхность детали образуется как сумма трех участков. Два из них формируются в процессе резания крайними точками режущей кромки. Третий, расположенный между ними, образуется в результате перехода поверхности резания в обработанную поверхность после окончания процесса резания.
Рис. 1.2. Продольное точение проходным резцом
При формообразовании поверхности изделия точкой режущей кромки поверхность резания практически не оказывает влияния на процесс формообразования.а участвует лишь в разделении припуска на отдельные последовательно снимаемые элементы. Формробразование обработанной поверхности в этом случае происходит непрерывно в процессе резания.
Рис. 1.3. Различные случаи токарной обработки: а,б - обработка крнусных поверхностей; в - подрезка торца; г - точение канавки
Базируясь на приведенных схемах формообразования, можно сформулировать понятие окончательно обработанной (номинальной) поверхности. Под номинальной поверхностью следует понимать окончательную форму поверхности детали, полученную на заготовке после прекращения процесса резания. Данное определение обработанной поверхности полностью совпадает с определением, приведенным нами ранее. В качестве примера сравним формы условно обработанных и номинальных поверхностей для ряда случаев обработки.
При точении канавки номинальной поверхностью является вся поверхность канавки в целом, включая две торцевые плоскости и одну цилиндрическую (условно обработанной поверхностью,как отмечалось ранее, является каждая из боковых плоскостей канавки). При фасон-
ной обточке широким резцом номинальной является фасонная поверхность детали (условно обработанной - любая из воображаемых плоскостей, перпендикулярных к оси детали). При фрезеровании цилиндрической фрезой горизонтальная поверхность детали - номинальная поверхность (условно обработанная - плоскость, перпендикулярная к оси фрезы). При строгании узких пластин широким резцом номинальной поверхностью является горизонтальная поверхность пластины, образованная перемещением режущей кромки (условно обработанная поверхность - боковая плоскость пластины).
Понятие обработанной (номинальной) поверхности более конкретно отражает результаты действия режущей кромки в процессе резания. С его помощью возможно установление взаимосвязи между получаемой в результате обработки поверхностью и движениями инструмента в процессе резания.
1.1.3. Классификация относительных движений режущей кромки в процессе резания
Процесс резания не может выполняться без движения. В движение приводится или инструмент, или деталь, а во многих случаях одновременно и то, и другое. Движения могут быть простыми и сложными, непрерывными и периодическими. Выполняются движения с помощью приводных и исполнительных устройств металлорежущих станков, а иногда и за счет конструкции инструмента.
Различают кинематику движений устройств металлорежущих станков и кинематику движений резания. Обе названные кинематики взаимосвязаны, но принципиально различны. Кинематика станков изучает движения, передаваемые заготовке и инструменту во время выполнения рабочего цикла.В кинематике резания рассматриваются трансформация геометрии рабочей части инструментов в процессе резания, "■зижение стружки и технологические способы формообразования.
Изучение способов формообразования систематизируется с помощью принципиальных кинематических схем резания. Классификационный реестр содержит несколько сот принципиальных кинематических схем резания [127]. Основой классификации служит направление, характер и число одновременно выполняемых' движений* Основными элементами-"кирпичиками" - всего множества кинематических схем резания являются простые движения - прямолинейное и вращательное. Сочетания простых движений образует сложное движение. Например, точение цилиндрической заготовки проходным резцом (см. рис. 1.1, б) на токарном станке - сложное движение, состоящее из одного вращательного (заготовки) и одного прямолинейного (инструмента).
Рассматриваются движения в принятой системе координат, как правило, прямоугольной. Движения могут производиться в направле-
нии одной, одновременно двух или трех осей системы координат детали X У, Z, или инструмента Х2У2£г, или обеих систем. Названные системы координат детали и инструмента должны быть увязаны с системой координат станка. Для станков с числовым программным управлением (ЧПУ) она регламентирована международным кодом R 841 3S0 (ГОСТ 13052-74). Координатным осям станка, по которым осуществляются линейные перемещения, в коде О S 0 присвоены символы X, У, Z. Расположение осей и их положительные направления помогает определить правило правой руки. Т ри пальца правой руки - большой, указательный и средний - располагают так, чтобы они указывали направление трех взаимно перпендикулярных осей. Оси X соответствует большой палец, У - указательный, Z - средний. Правило гласит: если положить тыльную часть ладони на обрабатываемую поверхность, то при перемещении инструмента средний палец укажет положительное направление оси 2., большой - оси X, а указательный -
9. Если по какой-либо координате перемещается деталь, то положительное направление по этой оси противоположно тому, которое указывает палец.
Круговые движения инструмента относительно заготовки считаются положительными при вращении против часовой стрелки, если смотреть на острие соответствующей оси координат. При этом вращение вокруг оси X обозначают буквой А, вокруг оси У - буквой 8, а вокруг оси Z- буквой С. Если же круговые движения совершает заготовка относительно инструмента, то положительным считается направление, противоположное указанному.
Для удаления срезаемого слоя и формообразования обработанной (номинальной) поверхности режущая кромка должна совершать ряд движений; главное, подачи и вспомогательные движения формообразования. Главное движение представляет собой движение, в направлении которого осуществляется отделение элементов срезаемого слоя от заготовки. Движение, которое обеспечивает разделение срезаемого слоя на отделяемые элементы под последующее непрерывное или периодическое их срезание, названо движением, подачи.
Движение, необходимое для придания обработанной (номинальной) поверхности необходимой конфигурации называется вспомогательным движением, формообразования. Оно может являться дополнением либо к движению резания и определять совместно с ним. траекторию перемещения режущей кромки в процессе, срезания стружки, либо дополнять движение подачи, задавая совместно с ним. усложненный закон разделения срезаемого рлоя на отделяемые элементы.
Для выделения названных движений из комплекса движений, осуществляемых режущей кромкой в процессе резания, можно использовать следующие принципы:
1. Главное движение (резания) - это «иижшшс, определяющее ско
рость и направление схода стружки с заготовки.В любом процессе оно
единственное. В качестве отличительного признака главного движения
(резания) можно принять,например,го,что скорость этого движения.как
правило,во много раз превышает скорость движения подачи.