Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Скорость резания металлов

01.02.2019


Затрачиваемая работа


Работа сил, действующих на задней и передней рабочих поверхностях металлорежущего инструмента, дает полную работу, затрачиваемую на выполнение резания. Эта работа составляет в единицу времени

где А — работа, затрачиваемая на выполнение резания, кгм/мин;

Pz — сила, действующая в направлении рабочего движения, кг;

V — скорость в направлении рабочего движения, м/мин.

В данном случае путь выражен скоростью резания, т. е. представляет собой путь, проходимый в единицу времени. Поэтому и найденная работа, представляющая собой произведение силы на путь, является работой за тот же промежуток времени. Сила, действующая в направлении подачи, меньше силы, действующей в направлении рабочего движения, а скорость в направлении подачи ничтожно мала по сравнению со скоростью в направлении рабочего движения. Следовательно, работа силы, действующей в направлении подачи, тоже очень мала и ею можно пренебречь. Работа силы, действующей в направлении, перпендикулярном направлению рабочего движения и направлению подачи, отсутствует, так как в этом направлении нет никакого перемещения. Поэтому в выражении полной работы участвует только работа силы, действующей в направлении рабочего движения.

Основную часть работы при резании составляют работы сил, производящих упругую и пластическую деформации и преодолевающих трение, т. е.

где Аупр — работа, затрачиваемая на выполнение упругой деформации, кгм;

Апл — работа, затрачиваемая на выполнение пластической деформации, кгм;

Атр — работа, затрачиваемая на преодоление трения, кгм.

Работа, затрачиваемая на выполнение упругой деформации, и работа, затрачиваемая на выполнение пластической деформации, совершаются передней поверхностью металлорежущего инструмента в срезаемом слое металла и задней поверхностью инструмента под поверхностью резания. Соотношение работ, затрачиваемых на выполнение упругой и пластической деформаций, зависит от свойств обрабатываемого металла. Работа, затрачиваемая на преодоление трения, совершается между передней поверхностью инструмента и стружкой и между задней поверхностью инструмента и поверхностью резания. Она составляет в единицу времени

где Атр — работа, затрачиваемая на преодоление трения, кгм/мин;

Fn — сила, преодолевающая трение на передней поверхности инструмента, кг;

el — продольная усадка срезаемого слоя;

Fз — сила, преодолевающая трение на задней поверхности инструмента, кг.

Ho так как из прежнего известно, что

Образование и отвод тепла


Работа, затраченная на выполнение упругой и главным образом пластической деформаций, и работа, затраченная на преодоление трения, превращается в тепло, образуя следующее его количество:

где Q — количество образующего тепла, ккал/мин;

E — механический эквивалент тепла, кгм/ккал.

Главными участками теплообразования являются область наибольших пластических деформаций срезаемого слоя и участки трения, с одной стороны, передней поверхности инструмента и стружки и, с другой стороны, задней поверхности инструмента и поверхности резания (рис. 272). Количественное соотношение тепла, образующегося на этих трех участках, меняется в зависимости от физико-механических свойств обрабатываемого металла, формы режущей части и вида инструмента, сечения срезаемого слоя и других условий.

Тепло, образованное работой, затраченной на выполнение упругой и пластической деформаций, распространяется в стружку и в заготовку. Часть тепла переходит из стружки через переднюю поверхность и из заготовки через заднюю поверхность в инструмент. Тепло, образованное работой, затраченной на преодоление трения передней поверхности инструмента и стружки, переходит в стружку и в инструмент. Тепло, полученное в результате работы, затраченной на преодоление трения задней поверхности инструмента и поверхности резания, переходит в заготовку и в инструмент. Следовательно, тепло, полученное на разных участках от работы, затраченной на выполнение упругой и пластической деформаций и на преодоление трения, распространяется в стружку, инструмент, заготовку и в небольшом количестве в окружающую среду. Соотношение количеств распределяемого таким образом тепла колеблется в очень широких пределах в зависимости от обрабатываемого металла, вида обработки и инструмента, а также от других причин. Так, при работе резцами от 50 до 80% образовавшегося тепла уносится стружкой, от 10 до 40% переходит в инструмент, от 3 до 9% остается в заготовке и около 1% рассеивается в атмосфере. Как видно, значительная часть тепла уносится стружкой и эта часть увеличивается по мере увеличения скорости резания. Тем не менее достаточно большое количество тепла попадает в инструмент и нагревает его до высокой температуры. Под влиянием температуры металл инструмента теряет свои механические качества, износ инструмента увеличивается и приводит к разрушению лезвия и утрате инструментом режущей способности.

Таким образом, высокая температура вредна для металлорежущего инструмента и в особенности для той части его, которая примыкает к лезвию. Эта часть ввиду подвода к ней большего количества тепла и худшего отвода его из-за небольшого объема этой части нагревается больше. Вместе с тем температура, до которой нагревается режущая часть инструмента, как это следует из предыдущего, зависит, с одной стороны, от количества образующегося тепла, и, с другой стороны, от количества отводимого тепла.

Из уравнения, связывающего количество образующегося тепла с механической работой, следует, что теплообразование зависит от силы резания и скорости. На величину силы резания влияют физико-механические свойства обрабатываемого металла, форма режущей части инструмента, характеризуемая ее геометрическими параметрами, т. е. задними и передними углами, углами в плане и углом наклона лезвия, а также форма и размеры поперечного сечения срезаемого слоя, определяемые его шириной и толщиной. Следовательно, через конструкцию режущей части инструмента и параметры поперечного сечения срезаемого слоя можно влиять на общее количество образовавшегося тепла, на относительную роль каждого из трех главных участков теплообразования и на количество тепла, переходящего в инструмент.

На условия отвода тепла, поступающего в инструмент, также можно влиять. Важную роль здесь играет форма режущей части инструмента. Изменение геометрических параметров ее меняет условия теплоотвода.

Для усиления теплоотвода применяют также смазочно-охлаждающие жидкости. Ко всем предназначенным для этой цели жидкостям предъявляются требования большой теплоемкости и теплопроводности, хороших смазочных свойств, адсорбирующей способности по отношению к обрабатываемому металлу и отсутствия ее по отношению к материалу инструмента, устойчивости при хранении и использовании, безвредности для здоровья людей, отсутствия коррозионного влияния.

Некоторые из применяемых жидкостей обладают только охлаждающими свойствами. К таким жидкостям относятся водные растворы электролитов, кроме того, содержащие противокоррозионные вещества.

Другие жидкости влияют не только на теплоотвод, но и на уменьшение теплообразования. Так, водные растворы поверхностно активных веществ, эмульсии, т. е. система двух распределенных одна в другой жидкостей, и водные растворы некоторых масел, содержащие поверхностно активные вещества, обладают благодаря последним меньшим поверхностным натяжением и вследствие этого большой смачиваемостью. Молекулы поверхностно активных веществ проникают из адсорбированного на поверхности обрабатываемого металла слоя в образующиеся при резании микротрещины и производят в них расклинивание. При этом пластичность обрабатываемого металла уменьшается, а следовательно, уменьшается и работа, затрачиваемая на выполнение пластической деформации. Эти же жидкости несколько уменьшают коэффициент трения и, следовательно, работу, затрачиваемую на преодоление трения. Применение этих жидкостей наряду с улучшением отвода тепла уменьшает теплообразование от работы, затрачиваемой на выполнение пластической деформации и отчасти на преодоление трения.

Минеральное масло, растительное, смешанное с минеральным и масло с наполнителем в виде графита уменьшают коэффициент трения, работу, затрачиваемую на преодоление трения, и количество образующегося от нее тепла. Осернение и хлорирование масла создают условия проникновения поверхностно активных веществ из адсорбированного слоя в микротрещины, образующиеся при резании металлов. В связи с этим уменьшаются работа, затрачиваемая на выполнение пластической деформации, и количество образующегося при этом тепла. Как видно, масло влияет главным образом на уменьшение теплообразования от работы, затрачиваемой на преодоление трения, и, отчасти, от работы, затрачиваемой на выполнение пластической деформации. Охлаждающее действие его, т. е. влияние на отвод тепла, меньше, чем других жидкостей.

Наиболее употребительной является подача смазочно-охлаждающей жидкости в количестве до 30 л/мин на обрабатываемую поверхность в том месте, где срезаемый слой переходит в стружку, т. е. на участок наибольшей деформации и наибольшего теплообразования. Новыми и весьма эффективными способами подачи жидкости являются внутреннее охлаждение металлорежущего инструмента, когда охлаждающая жидкость проходит по каналу внутри инструмента и, подача смазочно-охлаждающей жидкости под давлением 20—30 ат в зазор между задней поверхностью инструмента и поверхностью резания.

При большой скорости резания, достигающей 2000, а в иных случаях и 3000 м/мин, температура превышает 600° С и иногда доходит до 1000° C. В условиях таких высоких температур резание могут производить только инструменты, режущая часть которых изготовлена из твердых сплавов. Наружное охлаждение вызывает при этом в ряде случаев растрескивание твердосплавных пластинок и тогда применение внутреннего охлаждения делается особенно целесообразным.

Изложенное показывает, что явлениями теплообразования и теплоотвода можно в какой-то мере управлять.

Работа с большими скоростями резания и с развитием высоких температур носит название скоростного резания. Сущность его состоит в том, что высокая температура в области пластической деформации срезаемого слоя изменяет физико-механические свойства обрабатываемого металла, а именно, понижает предел его прочности и уменьшает его твердость, а высокая температура на трущихся поверхностях изменяет их состояние. Изменение свойств металла в срезаемом слое уменьшает пластическую деформацию. Это косвенно выражается в усадке срезаемого слоя, которая несколько увеличиваясь вначале, при дальнейшем увеличении скорости резания падает. Уменьшение пластической- деформации и измененные условия трения отражаются и на величине силы резания. При увеличении скорости резания она так же, как и усадка срезаемого слоя, растет в области малых скоростей, а потом последовательно падает.

Стойкость металлорежущих инструментов


Из уравнения теплообразования следует, что количество образующегося тепла пропорционально силе резания и скорости резания. Последняя является важным условием производительности и непосредственно влияет на продолжительность обработки. Чем выше скорость резания, тем меньше время, необходимое на обработку. Однако увеличение скорости резания и повышение в связи с этим температуры увеличивают износ металлорежущего инструмента и сокращают продолжительность его работы, которая называется стойкостью инструмента. Каждой скорости соответствует определенная стойкость. Скорость резания и стойкость инструмента связаны между собой зависимостью

где V — скорость резания, м/мин;

С — коэффициент, зависящий от обрабатываемого металла, материала и геометрических параметров инструмента, глубины резания, подачи, охлаждения и других условий резания;

T — стойкость инструмента, мин.;

m — показатель степени.

Показатель степени в уравнении относительной стойкости изменяется в пределах от 0,1 до 0,4. При такой величине показателя степени даже небольшое изменение скорости резания вызывает резкое изменение стойкости инструмента. Вместе с тем для каждого случая механической обработки металлов имеется определенная, наиболее выгодная стойкость инструмента. Она зависит от сложности и продолжительности затачивания инструмента или его установки на станке. Например, затачивание сложного, многолезвийного инструмента или установка инструмента при многоинструментальной работе требуют значительного времени. В этих случаях более выгодной является продолжительная работа без снятия инструмента и его перетачивания, несмотря на то, что увеличенная стойкость требует некоторого уменьшения скорости резания. При работе простым инструментом и простой установке его, наоборот, выгоднее работать с повышенной скоростью резания и небольшой стойкостью с частым перетачиванием инструмента.

Таким образом, уравнение относительной стойкости дает решение задачи отыскания предельной скорости резания, допускаемой наиболее выгодной стойкостью инструмента. Превышение этой скорости резания делает работу малопроизводительной и невыгодной из-за частого перетачивания инструмента. Работа с меньшей скоростью резания возможна, но при этом не используется полностью режущая способность инструмента, не достигается уровень возможной производительности и работа тоже становится невыгодной.

Допускаемая скорость резания


Определение допускаемой скорости резания путем подсчета по уравнению относительной стойкости в практических условиях невозможно из-за большого числа переменных величин, входящих в постоянный коэффициент. Вместе с тем результаты большого количества опытных исследований дают достаточно надежные зависимости скорости резания от основных условий, влияющих на ее величину в наибольшей степени. В общем виде уравнение допускаемой скорости резания следующее:

где VT — скорость резания, допускаемая определенной стойкостью инструмента, м/мин;

Cv — коэффициент, характеризующий свойства обрабатываемого металла и условия резания;

t — глубина резания, мм;

xV — показатель степени при глубине резания;

sZ — подача на один режущий элемент, мм/дв. ход или мм/об;

yV — показатель степени при подаче;

Z — число одновременно работающих режущих элементов; nV — показатель степени при числе одновременно работающих режущих элементов.

Рассмотренное уравнение выражает зависимость допускаемой скорости резания от коэффициента, характеризующего свойства обрабатываемого металла и другие условия резания, от наиболее выгодной стойкости инструмента, от глубины резания, подачи и числа одновременно работающих режущих элементов.

Образующие сечение срезаемого слоя, глубина резания и подача влияют на допускаемую скорость резания не одинаково. Показатель степени при глубине резания меньше и, следовательно, ее влияние на допускаемую скорость резания тоже меньше. Подача, показатель степени при которой имеет большую величину, оказывает на допускаемую скорость резания большее влияние.

Увеличение числа одновременно работающих режущих элементов увеличивает тепловой поток, направленный в массу инструмента. Разница температур в режущем элементе и массе инструмента уменьшается и отвод образующегося тепла от лезвия в массу ухудшается. Это повышает температуру и уменьшает стойкость режущего элемента, а следовательно, ограничивает скорость резания, допускаемую стойкостью инструмента.

Постоянный коэффициент и все показатели степени определяют по справочным данным. Ho выражаемые уравнением скоростные зависимости действительны только для условий, принятых при определении постоянного коэффициента. Всякое отклонение от типовых условий требует введения поправочных коэффициентов.

Уравнение допускаемой скорости резания в своем общем виде содержит величины, которые при некоторых видах механической обработки металлов отсутствуют в явном виде и требуют предварительного вычисления. Чтобы этого избежать и сделать подсчеты допускаемой скорости резания более удобными и простыми, общее уравнение скорости резания изменяется в каждом виде обработки применительно к имеющимся исходным величинам. Ho, хотя видоизмененная форма отдельных уравнений и скрывает физический смысл их, скоростные зависимости общего уравнения полностью сохраняются.

Мощность


Мощность, необходимая для выполнения резания, определяется как работа, затрачиваемая на выполнение резания в единицу времени, т. е. как произведение силы, действующей в направлении рабочего движения, на скорость резания. Так как скорость резания измеряется в метрах в минуту, а 1 л. с. — это работа, равная 75 кгм/сек, и 1 квт — это работа, равная 102 кгм/сек, то

где N — мощность, необходимая для. выполнения резания, л. с. или квт;

Pz — сила, действующая в направлении рабочего движения, кг;

V — скорость резания, м/мин.

Технологическое время


Всякая технологическая задача требует решения не только качества механической обработки, т. е. выполнения заданных размеров в пределах установленной точности и получения заданной чистоты обработанной поверхности, но и производительности, т. е. наименьшей затраты времени на обработку. Из всего времени, которое затрачивается на обработку, та часть его, в течение которой происходит резание металла, называется технологическим временем.

Продолжительность резания, или технологическое время, зависит от глубины резания, подачи и скорости резания. Эти величины связаны между собой уравнением допускаемой скорости резания. Степень влияния каждой из них на другие выражается величиной показателя степени. Самую малую величину имеет показатель степени при глубине резания. Это значит, что при значительном увеличении глубины резания подачу надо для сохранения постоянной скорости резания уменьшить, но в меньшее число раз, чем увеличится глубина резания, или для сохранения постоянной подачи в еще меньшее число раз уменьшить скорость резания. Показатель степени при подаче больше, и она больше влияет на остальные две величины. Самое большое влияние имеет скорость резания. С этим необходимо считаться при назначении параметров резания.

В первую очередь надо устанавливать глубину резания, так как ее влияние на остальные величины наименьшие. Ho глубина резания не может быть больше величины припуска, т. е. разности размеров исходного металла или заготовки и готовой детали. При круглых деталях припуск равняется половине разности диаметров. Во всяком случае надо стремиться срезать весь припуск в один проход. После установления глубины резания назначается подача. Ее величина ограничивается при черновой работе прочностью деталей в механизме подачи станка, а при чистовой работе — заданной чистотой обработанной поверхности. В последнюю очередь определяют скорость резания. Ее подсчитывают по уравнению допускаемой скорости резания после того, как найдены глубина резания и подача.

Для дальнейшего решения задачи определения технологического времени на основании найденной скорости резания устанавливают необходимое число двойных ходов при прямолинейном рабочем движении и число оборотов при вращательном рабочем движении, которые должны делать заготовка или металлорежущий инструмент в минуту. При прямолинейном рабочем движении число двойных ходов заготовки или инструмента, т. е. число рабочих ходов с возвратом в исходное положение, составляет

где n — число двойных ходов, дв. ход/мин;

V — допускаемая скорость резания, м/мин;

l — длина рабочего хода, мм;

m — отношение скорости рабочего хода к скорости обратного хода.

Если рабочее движение вращательное, то число оборотов

заготовки или инструмента составляет

где n — число оборотов, об/мин;

V — допускаемая скорость резания, м/мин;

d — диаметр заготовки или инструмента, мм.

Технологическое время .находят путем деления всего пути, проходимого заготовкой или инструментом в направлении подачи, на отрезок этого пути, проходимый в минуту, т. е.

где T — технологическое время, мин.;

l — длина пути, проходимого заготовкой или инструментом в направлении подачи, мм;

s — подача, мм/дв. ход или мм/об;

n — число двойных ходов или оборотов в минуту, дв. ход/мин или об/мин.

Длина пути в направлении подачи (рис. 273) складывается из длины или ширины обработанной поверхности, измеренной в этом направлении, участка врезания инструмента в металл, т. е. расстояния от начала движения заготовки или инструмента до начала обработанной поверхности, и из участка, называемого перебегом инструмента, т. е. расстояния от конца обработанной поверхности до конца движения заготовки или инструмента, т. е.

где lвр — длина участка врезания, мм.

l — длина или ширина обработанной поверхности в направлении подачи, мм;

lпер — длина участка.

Таким образом, для всех видов механической обработки металлов, технологическое время равняется


Имя:*
E-Mail:
Комментарий: