Обработка металлов резанием (стр. 1 )

Обработка металлов резанием, технологические процессы обработки металлов путём снятия стружки, осуществляемые режущими инструментами на металлорежущих станках с целью придания деталям заданных форм, размеров и качества поверхностных слоев. Основные виды О. м. р.: точение, строгание, сверление, развёртывание, протягивание, фрезерование и зубофрезерование, шлифование, хонингование и др. м. р. рассматриваются как результат взаимодействия системы станок — приспособление — инструмент — деталь (СПИД). Любой вид О. м. р. характеризуется режимом резания, представляющим собой совокупность следующих основных элементов: скорость резания v, глубина резания t и подача s. Скорость резания — скорость инструмента или заготовки в направлении главного движения, в результате которого происходит отделение стружки от заготовки, подача — скорость в направлении движения подачи. Например, при точении (рис. 1) скоростью резания называется скорость перемещения обрабатываемой заготовки относительно режущей кромки резца (окружная скорость) в м/мин, подачей — перемещение режущей кромки резца за один оборот заготовки в мм/об. Глубина резания— толщина (в мм) снимаемого слоя металла за один проход (расстояние между обрабатываемой и обработанной поверхностями, измеренное по нормали). В сечении срезаемого слоя металла (см. рис. 1) рассматриваются такие элементы резания (физические параметры): толщина срезаемого слоя и ширина срезаемого слоя; их величина при постоянных t и s зависит от главного угла в плане j (см. Геометрия резца).

  В разработку основ механики процесса резания большой вклад внесли русские и советские учёные: , , ёв, , , , и др., а также зарубежные учёные: Мерчент и Эрнст (США), В. Дегнер, Р. Рейнгольд, Н. Якобс (ГДР), Х. Опиц (ФРГ), Окоси (Япония), К. Скршиван (ЧССР) и др. В области практики ряд ценных работ принадлежит советским рабочим-новаторам: , , ёву, , и др.

  В зависимости от условий резания стружка, снимаемая режущим инструментом (резцом, сверлом, протяжкой, фрезой и др.) в процессе О. м. р., может быть элементной, скалывания, сливной и надлома. Характер стружкообразования и деформации металла рассматривается обычно для конкретных случаев, в зависимости от условий резания; от химического состава и физико-механических свойств обрабатываемого металла, режима резания, геометрии режущей части инструмента, ориентации его режущих кромок относительно вектора скорости резания, смазывающе-охлаждающей жидкости и др. Деформация металла в разных зонах стружкообразования различна, причём она охватывает также и поверхностный слой обработанной детали, в результате чего он приобретает наклёп и возникают внутренние (остаточные) напряжения, что оказывает влияние на качество деталей в целом.

  В результате превращения механической энергии, расходуемой при О. м. р., в тепловую возникают тепловые источники (в зонах деформации срезаемого слоя, а также в зонах трения контактов инструмент — стружка и инструмент — деталь), влияющие на стойкость режущего инструмента (время работы между переточками до установленного критерия затупления) и качество поверхностного слоя обработанной детали. Описание температурного слоя в зоне резания (рис. 2) может быть получено экспериментально, расчётным путём или моделированием процесса резания на ЭВМ. Тепловые явления при О. м. р. вызывают изменение структуры и физико-механических свойств как срезаемого слоя металла, так и поверхностного слоя детали, а также структуры и твёрдости поверхностных слоев режущего инструмента. Процесс теплообразования зависит также от условий резания. Скорость резания и свойства обрабатываемого металла существенно влияют на температуру резания в зоне контакта стружки с передней поверхностью резца (рис. 3). Тепловые и температурные факторы процессов О. м. р. выявляются следующими экспериментальными методами: калориметрическим, при помощи термопар по изменению микроструктуры (например, поверхности инструмента), при помощи термокрасок, оптическим, радиационным и др. Трение стружки и обрабатываемой детали о поверхности режущего инструмента, тепловые и электрические явления при О. м. р. вызывают его изнашивание. Различают следующие виды износа: адгезионный, абразивно-механический, абразивно-химический, диффузионный, электродиффузионный. Характер изнашивания металлорежущего инструмента является одним из основных факторов, предопределяющих выбор оптимальной геометрии его режущей части. При выборе инструмента в зависимости от материала его режущей части и др. условий резания руководствуются тем или иным критерием износа. На рис. 4 показан характер изнашивания задней поверхности резца. Его переточку надо осуществлять после времени работы T2 при износе hoпт (до наступления критического износа hk, соответствующего T3).

  Система сил, действующих при О. м. р., может быть приведена к единой равнодействующей силе. Однако для решения практических задач не обязательно знать величину этой силы, важное значение имеют её составляющие: Pz — сила резания, действующая в плоскости резания в направлении главного движения; Ру — радиальная составляющая, действующая перпендикулярно к оси заготовки (при точении) или оси инструмента (при сверлении и фрезеровании); Px — сила подачи, действующая в направлении подачи. Силы Pz, Px, Ру влияют на условия работы станка, инструмента и приспособления, точность обработки, шероховатость обработанной поверхности детали и т. д. На величину этих сил влияют свойства и структура обрабатываемого материала, режим резания, геометрия и материал режущей части инструмента, метод охлаждения и др. Сила Pz обычно является наибольшей — на её преодоление расходуется наибольшая мощность. Способы определения Pz, Ру, Px могут быть теоретическими и экспериментальными, определяемыми с помощью специальных динамометров. На практике часто используют полученные на основе экспериментов эмпирические формулы. Затрачиваемая мощность (в квт) для большинства процессов О. м. р.:

  Nэ = Pz ·v/60·102,

  где Pz — составляющая силы резания в направлении подачи в н (кгс), v — скорость резания в м/мин, потребная мощность электродвигателя станка Ncт = Nэ/h, где h — кпд станка.

  Скорость резания, допускаемая режущим инструментом, зависит от тех же факторов, что и силы резания, и находится в сложной зависимости от его стойкости (рис. 5).

  Значительное влияние на О. м. р. оказывают активные смазочно-охлаждающие жидкости, при правильном подборе, а также при оптимальном способе подачи которых увеличивается стойкость режущего инструмента, повышается допускаемая скорость резания, улучшается качество поверхностного слоя и снижается шероховатость обработанных поверхностей, в особенности деталей из вязких жаропрочных и тугоплавких труднообрабатываемых сталей и сплавов. Вынужденные колебания (вибрации) системы СПИД, а также автоколебания элементов этой системы ухудшают результаты О. м. р. Колебания обоих видов можно снизить, воздействуя на вызывающие их факторы — прерывистость процесса резания, дисбаланс вращающихся частей, дефекты в передачах станка, недостаточную жёсткость и деформации заготовки и др.

  м. р. определяется установлением рациональных режимов резания, учитывающих все влияющие факторы. Для ускорения расчёта часто применяют ЭВМ. Расчёт режимов резания на ЭВМ сводится к предварительному отбору исходной информации, разработке и конкретизации алгоритмов, заполнению операционных карт исходной информацией, её кодированию и программированию алгоритмов.

  Повышение производительности труда и уменьшение потерь металла (стружки) при О. м. р. связано с расширением применения методов получения заготовок, форма и размеры которых максимально приближаются к готовым деталям. Это обеспечивает резкое сокращение (или исключение полностью) обдирочных (черновых) операций и приводит к преобладанию доли чистовых и отделочных операций в общем объёме О. м. р.

  Дальнейшее направление развития О. м. р.: интенсификация процессов резания, освоение обработки новых материалов, повышение точности и качества обработки, применение упрочняющих процессов, автоматизации и механизации обработки.

  Лит.: , Основы теории резания металлов, М., 1948; Русские учёные — основоположники науки о резании металлов: , , ёв, . Жизнь, деятельность и избранные труды, М., 1952; Резание металлов, М., 1954; , Физические основы теории стойкости режущих инструментов, М., 1960; , Обработка металлов резанием, М., 1961; Развитие науки о резании металлов, М., 1967; Электрические явления при трении н резании металлов, М., 1969: , , Расчет режимов резания и нормирование с помощью ЭВМ, М., 1969; , , Обработка металлов резанием и станки, Минск, 1970.

  .

Рис. 4. Характер изнашивания задней поверхности режущего инструмента: OA — период приработки; AB — период рабочего изнашивания; ВС — период катастрофического изнашивания.

Рис. 1. Элементы режима резания при точении: 1 — обрабатываемая поверхность; 2 — поверхность резания; 3 — обработанная поверхность; D — диаметр обрабатываемой заготовки; d — диаметр детали после обработки; а и б — толщина и ширина срезаемого слоя.

Рис. 2. Температурное поле на поверхностях сверла (деталь — сталь 45; сверло из быстрорежущей стали; v = 25 м/мин; s = 0,11 мм/об; без охлаждения).

Рис. 3. Влияние свойств обрабатываемого металла на температуру резания: 1 — сталь Ст. 3; 2 — сталь 4OX; 3 — чугун; 4 — латунь; 5 — алюминий.

Рис. 5. Зависимость стойкости резца от скорости резания (t = 1 мм; s = 0,1 мм/об).

Металлорежущий станок, машина для обработки резанием металлических и др. материалов, полуфабрикатов или заготовок с целью получения из них изделий путём снятия стружки металлорежущим инструментом.

М. с. являются основным видом оборудования в машиностроении, приборостроении и др. отраслях промышленности. с. предопределяет научно-технический прогресс, развитие технологии и организации машиностроительного производства.

  Историческая справка. Обработка материалов резанием известна с древних времён: деталь вращали вручную, обработка велась кремнёвым резцом. В 12 в. появились токарные и сверлильные станки с ручным приводом, а в 14 в. — с приводом от водяных мельниц. Механические станки для токарных работ изготовлялись главным образом в Италии, Франции, откуда были завезены в Россию. Медальерными станками славились петербургские мастера. В 1711 в Россию из Флоренции привезли станок, сделанный мастером Зингером, приглашенным на службу Петром I. В придворной токарне были изготовлены станки, в разработке конструкций и создании которых принимал участие А. К. Нартов. Позднее Нартов построил другие станки (гравёрные, копировальные, гильотинные), ему же принадлежит создание первого в мире токарно-винторезного станка с механическим суппортом и сменными зубчатыми колёсами (1738). Основные промышленные типы М. с. разрабатывались позднее (Г. Модсли и др.) в Великобритании, первой вступившей на путь капиталистического развития. В дальнейшем конструкция их совершенствовалась в Германии, Франции, Швейцарии (точное станкостроение), позже (во 2-й половине 19 в.) в США (в частности, автоматические станки для массового производства). В России в 1712—14 на Тульском оружейном заводе мастер Я. Батищев создал прототип современных агрегатных станков для одновременного сверления 24 ружейных стволов, в 1714 построил на Олонецких заводах многопозиционный станок. Значительный вклад в развитие конструкции М. с. внёс М. В. Ломоносов, который в середине 18 в. построил и применил в своих мастерских оригинальные шлифовальные и др. станки. Вклад в создание новых конструкций станков внесли также рус. инженеры и изобретатели И. Осипов, М. Сидоров, И. Ползунов, И. Кулибин, П. Захаво (первые автоматы для нарезания резьбы, 1810), В. Игнатов, Г. Горохов. Но несмотря на отдельные выдающиеся изобретения, станкостроение в царской России развивалось медленно. Только после Великой Октябрьской социалистической революции в процессе индустриализации машиностроительные предприятия стали получать новые станки. В 1932 завод «Красный пролетарий» выпустил первый современный токарно-винторезный станок. В 1933 основан Экспериментальный научно-исследовательский институт металлорежущих станков (ЭНИМС), где было начато проектирование новых типов станков, изготовление гамм станков токарных, револьверных, сверлильных, фрезерных и др. К 1970 в СССР освоено 1817 типоразмеров М. с. Годовой выпуск составил 230 тыс. станков.

  Большая заслуга в развитии станкостроения в СССР принадлежит советским учёным , , , конструкторам , , и др.

  Совершенствование производства М. с. идёт в нескольких направлениях. Намечается увеличение выпуска агрегатных автоматических и полуавтоматических М. с. и автоматических линий. обеспечивающих автоматизацию технологических процессов в крупносерийном и массовом производстве (в СССР выпуск таких М. с. за период 1966—70 увеличился на 22,6% при общем росте выпуска М. с. за этот период на 12%). В 1973 выпущено 211 тыс. М. с. Перспективно освоение прецизионных станков, обусловливающих высокую точность и качество обработки деталей. Предусматривается дальнейшее расширение производства М. с. с числовым программным управлением (ЧПУ) для обеспечения автоматизации механической обработки изделий в индивидуальном и серийном производстве. В 1968—70 в серийном производстве освоено 23 типоразмера таких станков, в 1970 — 15 типов опытных образцов; их выпуск в 1973 составил 3800 шт. с. с использованием адаптивных систем управления (см. Самоприспосабливающаяся система) открывает новые пути повышения точности обработки и производительности. Для удовлетворения разнообразных потребностей народного хозяйства намечается увеличение числа типов тяжёлых уникальных станков. К 1970 создано около 500 типов тяжёлых уникальных М. с.

  с. По специализации различают М. с. универсальные для выполнения разнообразных операций на изделиях широкой номенклатуры; широкого назначения для выполнения ограниченного числа операций на изделиях широкой номенклатуры; специализированные для обработки однотипных изделий разных размеров; специальные для обработки изделий одного типоразмера; агрегатные — специальные, состоящие из нормализованных деталей, узлов, силовых головок.

  М. с. могут быть с ручным управлением (загрузка и установка заготовок, пуск, переключение режима обработки, холостые движения, снятие изделия — вручную), а также иметь различную степень автоматизации: полуавтоматы (установка заготовок, пуск, снятие изделия — вручную, остальные движения цикла обработки — автоматически), автоматы (все рабочие и холостые движения производятся автоматически, человек осуществляет контроль за циклом работы); могут составлять автоматические линии (группа автоматов, объединённая системой транспортировки заготовок от одного к другому); иметь числовое программное управление (все рабочие и холостые движения обеспечиваются заранее закодированной программой, введённой в М. с. и посылающей преобразованные импульсы на исполнительные и управляющие механизмы).

Классификация металлорежущих станков

Номер группы станков	Наименова-ние группы станков	Типы станков
1	2	3	4	5	6	7	8	9
		Автоматы и полуавтоматы
1	Токарные	одношпин-дельные	многошпин-дельные	Револьверные	Сверлильно-отрезные	Карусельные	Токарно-винторезные и лобовые	Много-резцовые	Специализи-рованные для фасонных изделий	Разные токарные
			Полуавтоматы
2	Сверлильные и расточные	Вертикально-сверлильные	одношпин-дельные	многошпин-дельные	Координатно-расточные	Радиально-сверлильные	Расточные	Алмазно-расточные	Горизонтально-сверлильные	Разные сверлильные
3	Шлифоваль-ные и доводочные	Круглошлифо-вальные	Внутришлифо-вальные	Обдирочно-шлифовальные	Специализи-рованные шлифовальные	—	Заточные	Плоскошлифо-вальные	Притирочные  и полиро-вальные	Разные станки работающие абразивом
4	Комбини-рованные	—	—	—	—	—	—	—	—	—
5	Зубо - и резьбо-обраба-тывающие	Зубостро-гальные для цилиндри-ческих колёс	Зуборезные для кони-ческих колёс	Зубофрезер-ные для цилиндри-ческих колёс и шлицевых валов	Зубофре-зерные для червячных колёс	Для обработки торцов зубьев колёс	Резьбо-фрезерные	Зубоотде-лочные	Зубо - и резьбо-шлифоваль-ные	Разные зубо - и резьбо-обрабаты-вающие
6	Фрезерные	Вертикально-фрезерные консольные	Фрезерные непрерывного действия	—	Копироваль-ные и гравироваль-ные	Вертикальные бесконсоль-ные	Продольные	Широко-универсаль-ные	Горизонталь-ные консольные	Разные фрезерные
		Продольные
7	Строгальные, долбёжные и протяжные	одностоечные	двухстоечные	Поперечно-строгальные	Долбёжные	Протяжные горизонталь-ные	—	Протяжные вертикальные	—	Разные строгальные
			Отрезные		Пилы
8	Разрезные	работающие токарным резцом	работающие абразивным кругом	работающие гладким или насеченным диском	правильно-отрезные	ленточные	дисковые	ножовочные	—	—
9	Разные	Муфто - и трубообраба-тывающие	Пилонасека-тельные	Правильно - и бесцентрово-обдирочные	Балансиро-вочные	Для испытания инструмента	Делительные машины	—	—	—

  По точности различают 5 классов М. с.: Н — нормальной точности (например, большинство универсальных М. с.), П — повышенной точности (на базе Н), В — высокой точности, А — особо высокой точности (прецизионные), С — особо точные, или мастер-станки.