УДК 621.9
, ,
ФОРМИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ
ПРИ ЛЕЗВИЙНОЙ ОБРАБОТКЕ ХРУПКИХ МАТЕРИАЛОВ
Рассмотрены особенности разрушения материала и формирования шероховатости в процессе обработки хрупких материалов. Представлены теоретические уравнения взаимосвязи условий обработки с параметрами качества поверхности, позволяющие обеспечивать на деталях необходимую шероховатость.
Ключевые слова: обработка резанием, формирование шероховатости, хрупкий материал, качество поверхности.
Процесс резания хрупких материалов (графит, стекло, керамика и т. п.) по сравнению с резанием пластичных материалов имеет ряд особенностей, обусловленных их свойствами. Это приводит к цикличности процесса стружкообразования, который сопровождается образованием микростружки (пылевидной) и макростружки (надлома) (рис.1). При перемещении лезвия инструмента из положения I, в котором сформировалась макростружка 1, на срезаемый слой зоны 2 заготовки будут действовать нормальные (σ) и касательные (t) нагрузки (рис.1б), величина которых будет увеличиваться до σв материала, что неизбежно приведет к контактному разрушению в условиях сжатия с образованием мелкой пылевидной стружки. Данный процесс будет продолжаться до тех пор, пока площадь контакта по передней поверхности лезвия не увеличится до некоторой критической величины, при которой вновь произойдет скол и образование макростружки (положение лезвия инструмента II (рис.1а)).
а) б)
Рис. 1. Схема зоны стружкообразования:а - последовательность циклов стружкообразования; б - условия формирования микростружки; 1-макростружка; 2-материал превращается
в микростружку; I, II – положения лезвия инструмента при формировании макростружки
Рассмотрев процесс обработки (рис.1) и сделав допущение, что на материал со стороны инструмента действует сила, вызывающая касательные и нормальные напряжения, получаем следующее уравнение усилий, действующих на срезаемый слой:
,
где b - ширина площадки, на которую действуют касательные и нормальные напряжения; L1 – длина площадки, на которую действуют нормальные сжимающие напряжения; L2 - длина площадки, на которую действуют касательные напряжения.
.
Здесь a – толщина среза; Н – величина хрупкоразрушаемого слоя радиусом округления режущей кромки; Ф - условный угол сдвига.
Если касательные напряжения будут превышать предел прочности на сдвиг tсдв, то произойдет скол; если нет, то будет происходить хрупкое разрушение с образованием пылевидной стружки вследствие превышения нормальными напряжениями временного предела прочности sв.
Учитывая все изложенное, получаем условия образования стружки при лезвийной обработке графита:
- условие формирования микростружки;
- условие формирования макростружки;
.
При изготовлении деталей их качество оценивается по точности размеров и качеству поверхностного слоя. Из множества параметров качества поверхностного слоя [1-3] стандартизованными являются только параметры шероховатости. Поэтому по их величине и оценивается в большинстве случаев качество поверхностного слоя.
Спрогнозировать величину высотных параметров шероховатости можно по зависимости [2]
,
где h1-составляющая шероховатости, вызванная геометрией рабочей части инструмента (лезвия) и кинематикой его рабочего движения относительно обрабатываемой поверхности; h2- составляющая шероховатости поверхности, вызванная колебательными перемещениями инструмента относительно обрабатываемой поверхности; h3 ‑ составляющая шероховатости поверхности, вызванная пластическими деформациями материала обрабатываемой заготовки в зоне контакта с рабочим инструментом; h4 ‑ составляющая шероховатости поверхности, вызванная шероховатостью рабочей части инструмента.
Однако данная зависимость справедлива для пластичных материалов, при обработке которых возможно пластическое оттеснение материала вспомогательной режущей кромкой.
При обработке же хрупких материалов картина образования шероховатости поверхности будет иной. Её формирование, как и при обработке деталей из пластичных материалов, будет определяться геометрией и кинематикой перемещения рабочей части инструмента относительно обрабатываемой поверхности (h1), колебаниями инструмента (h2). Однако составляющая h1частично уменьшается за счёт среза вершины неровности при сдвиге материала вспомогательной режущей кромкой на величину h3 (рис.2). Естественно, что пластического оттеснения материала при формировании шероховатости, вследствие его хрупкости, в процессе обработки происходить не будет.
Шероховатость режущей кромки на вершине резца будет дополнительно увеличивать формируемую шероховатость на величину h4=RZинс.
При обработке многозубым инструментом, например фрезой, на формирующуюся шероховатость будет влиять и биение зубьев h5=Dз. На высоту шероховатости в процессе обработки будет также влиять возможная пористость материала h6.
Таким образом, в общем случае при лезвийной обработке хрупких материалов средняя высота профиля шероховатости будет определяться уравнением
. (1)
Формирование профиля шероховатости при однолезвийной обработке резцами представлено на рис. 2.
При этом зависимость (1) для точения принимает следующий вид:
. (2)
Составляющие h1, h2 можно рассчитать по известным зависимостям [1;2]. На формирование составляющей h3 будут влиять сжимающее и касательное напряжения. Условие равновесия будет выглядеть следующим образом:
,
где с – ширина площадки, на которую действуют сжимающее и касательное напряжения; b ‑ длина площадки, на которую действует касательное напряжение; lAB =ρΦ- длина площадки, на которую действует сжимающее напряжение, ρ- радиус округления режущей кромки, Φ- угол сдвига; c1 – угол контакта вершины лезвия с обработанной поверхностью по вспомогательной режущей кромке (рис.2).
|
Рис. 2.Формирование профиля шероховатости при лезвийной обработке
хрупких материалов
Для того чтобы произошел срез вершины неровности, должно выполняться условие
причем в эту зависимость необходимо подставлять следующие значения χ1:
1) при 
и 
;
2) при 
и 
(вспомогательный угол в плане инструмента);
3) при 
и 
.
Рис. 3. Схема для расчета высоты скола (h2) при формировании профиля:
а- радиусной частью лезвия инструмента; б - радиусной частью лезвия и вспомогательной режущей кромкой инструмента; в - радиусной частью лезвия, главной и вспомогательной режущими кромками инструмента
Для величин b и h3, являющихся сторонами треугольника гребешка скола, получены уравнения взаимосвязи при следующих условиях обработки:
1) при и (рис. 3а)
,
где χ - угол контакта вершины лезвия с обработанной поверхностью по главной режущей кромке;
2) при и (рис. 3б)
;
3) при и (рис. 3в)
, 
.
Предложенная модель проверялась при обработке графита марки МГ1 на станке мод. 16К20 резцом с напайной пластиной ВК8. Учитывая, что величина колебания составляющей силы резания DРу при обработке графита на порядок меньше, чем при обработке конструкционной стали, можно пренебречь этой величиной, следовательно, h2 =0. Таким образом, уравнение (2) для случая токарной обработки графита примет следующий вид:
.
Рис.4. Профилограмма поверхности, обработанной точением (радиус вершины r = 0,4 мм, глубина резания t = 1мм, скорость резания V = 200 м/мин, подача S0 = 0,7 мм/об,
углы в плане φ =φ1= 45º, ВУ/ГУ=10)
Снятые профилограммы полученной поверхности подтверждают предложенную картину формирования шероховатости (рис.4), поэтому выведенные зависимости можно использовать для прогнозирования процесса резания и определения высотных параметров шероховатости деталей из хрупких материалов. Назначение режимов обработки по предложенным зависимостям позволит повысить производительность и снизить себестоимость изготовления деталей благодаря отсутствию пробных ходов и снижению количества бракованных деталей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Суслов, поверхности деталей / . - М.: Машиностроение,200с.
2. Суслов, поверхностного слоя деталей машин / . - М.: Машиностроение, 20с.
3. Сулима, A. M. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин / A. M. Сулима, , . - М.: Машиностроение, 19с.
Материал поступил в редколлегию 26.01.12.
