Основні поняття, терміни та визначення теорії різання матеріалів

ЛЕКЦІЯ 1. ВСТУП. Основні поняття, терміни та визначення

теорії різання матеріалів

1.1 Місце процесів оброблення в промисловому виробництві

В загальному вигляді процес оброблення – це процес взаємодії предмету праці і знаряддя праці, в результаті якої відбуваються кількісні і якісні зміни предмету праці.

Якщо при обробленні використовується механічна енергія, то це процес механічного оброблення, якщо електрична, теплова або хімічна – то це процес фізико-хімічного оброблення.

Різновидом механічного оброблення є процес різання, який являє собою процес пластичного деформування і руйнування металу, що супроводжується складними фізико-хімічними явищами, які призводять до утворення стружки.

Предметом праці при різанні є заготовка, яка після виконання процесу різання перетворюється в деталь потрібної форми і розмірів (кількісні зміни), із заданими фізико-механічними властивостями поверхні (якісні зміни).

Знаряддям праці при різанні є верстат і різальний інструмент.

В сучасній техніці на металообробних верстатах оброблюється найбільша кількість деталей різноманітних машин.

Для з’ясування місця процесів оброблення різанням в промисловому виробництві приведемо наступну класифікацію виробничих процесів:

а) очистка і загальна підготовка сировини;

б) формоутворення матеріалу ливарним шляхом, ковкою, штампуванням, обробленням різанням та іншими методами;

в) з’єднання деталей зварюванням, склеюванням, пайкою та ін.;

г) складання;

д) очистка, полірування, фарбування.

Як видно з приведеної класифікації, процес різання використовується як один із способів формоутворення. Але навіть в тому випадку, коли він безпосередньо не використовується в тому чи іншому виробництві, процес різання використовується побічно для виготовлення технологічного оснащення. Ось чому оброблення різанням є і на багато років зостанеться основним технологічним засобом виготовлення точних деталей машин та механізмів. Воно відрізняється достатньо високою продуктивністю та винятковою точністю і універсальністю.

Різання як процес оброблення містить: руйнування матеріалу і утворення внаслідок цього нової поверхні на деталі; інтенсивну пластичну деформацію шару, що відділяється, з перетворенням його в стружку; пластичну деформацію знов утвореної поверхні деталі, яка розповсюджується на деяку глибину (рис. В.1).

Всі ці явища в кожний даний момент часу локалізовані в деякій області матеріалу, яка знаходиться перед передньою поверхнею інструмента і примикає до його різальних кромок, що переміщуються відносно оброблюваної деталі відповідно з кінематичною схемою різання. В зонах контактування стружки, що сходить, і обробленої поверхні заготовки з передньою та задньою поверхнями леза, виникають досить великі контактні напруження і важкі умови граничного тертя. В результаті безперервно утворюються ділянки нових поверхонь також і на лезі інструменту.

Рисунок В.1 – Схема руйнування оброблюваної поверхні лезом інструменту

Вивченням закономірностей процесу різання займається наука – теорія різання.

Основні питання, які розглядає теорія різання:

– вивчення природи і основних закономірностей системи різання, яка складається із трьох процесів, що відбуваються одночасно під час оброблення різанням і тісно взаємопов’язані між собою: процесу деформування поверхневого шару, що відділяється із заготовки, і перетворення його в стружку, процесу утворення обробленої поверхні на заготовці, процесу зношування і затуплення інструменту;

– вивчення методів оптимізації функціонування системи різання та шляхів оптимального керування нею;

– розробка основних напрямків інтенсифікації процесу різання і підвищення працездатності та надійності інструменту.

Теорія різання базується на курсах природничо-наукових дисциплін: вищої математики, фізики, нарисної геометрії, технології конструкційних матеріалів, теоретичної механіки, опору матеріалів, матеріалознавства, теорії машин і механізмів, обчислювальної техніки і є основою для вивчення інших спеціальних дисциплін технологічного спрямування: “Різальний інструмент та інструментальне забезпечення автоматизованого виробництва”, “Обладнання та транспорт механообробних цехів”, “Технології машинобудування”, та інших.

При проектуванні інструментів теорія різання є базою для конструювання металорізальних інструментів, тому що призначення розмірів інструменту, інструментального матеріалу і оптимальних кутів залежить від фізичних процесів, які протікають на контактних поверхнях леза під час різання.

Теорія різання є базою при проектуванні верстатів, тому що вибір діапазону зміни подач, частоти обертання шпинделя і потужності верстата, розрахунки на міцність, жорсткість і вібростійкість деталей та вузлів верстата виконуються з використанням силових і динамічних закономірностей процесу різання.

В технології машинобудування теорія різання є базою для розробки технологічних процесів, тому що продуктивність і собівартість оброблення залежать від часу виконання окремих операцій, на який впливають призначені режими різання.

1.2 Основні етапи розвитку науки про різання металів

Початком вивчення процесу різання металів можна вважати середину вісімнадцятого століття. В 1848-1849 роках капітан французької артилерії Кокілья вивчав роботу свердла на токарному верстаті. В 1864 р. Жосселен (Франція) вивчав роботу токарного різця. Але перші глибокі дослідження процесу різання виконані російським вченим проф. І.А.Тіме. Результати досліджень опубліковані в книгах: “Сопротивление металлов и дерева резанию” (1870 р.) і “Мемуары о строгании металлов” (1877 р.). Ці роботи знайшли світове визнання. І.А.Тіме приділив велику увагу процесу стружкоутворення, описавши механіку утворення стружки, дав її класифікацію, ввів поняття про кут сколювання і показав його залежність від переднього кута інструмента, запропонував формулу для розрахунку сили різання при струганні.

Опісля Тіме, наприкінці 19-го століття, було виконано декілька робіт з дослідження процесу різання металу як в Росії, так і за її межами. Серед цих робіт особливе місце займають дослідження професора Харківського технологічного інституту К.А.Зворикіна і викладача Петербурзької Михайлівської артилерійської академії А.А.Брікса, що в значній мірі розвинули роботи Тіме.

К.А.Зворикін теоретично знайшов положення площини зсуву, вивів рівняння для розрахунку сили різання і експериментально встановив вплив розмірів стружки на питому силу різання. Результати його дослідів були опубліковані в 1893 р. в праці “Работа и усилие, необходимые для отделения металлических стружек».

В 1896 р. була опублікована робота А.А.Брікса «Резание металлов (строгание)», в якій був даний глибокий аналіз робіт вітчизняних і зарубіжних вчених, зроблені перші спроби їх узагальнення, Він запропонував модель деформації, що включала сімейство площин зсуву, які розходяться в вигляді опахала від різальної кромки.

Із досліджень початку 20-го століття особливої уваги заслуговують роботи майстра Петербурзького політехнічного інституту Я.Г.Усачова. Він вперше використав металографічний метод вивчення процесу стружкоутворення і вимірювання температури різання термопарою. Ним встановлене явище наклепування при різанні металів і дане наукове пояснення явища наросту. Основні результати його досліджень опубліковані в 1914 році в праці «Явления при резании металлов».

Дослідників І.А.Тіме, К.А.Зворикіна, А.А.Брікса і Я.Г.Усачова можна назвати основоположниками науки про різання металів.

Роботи радянського періоду були започатковані А.Н.Челюсткіним, який в 1925 р. опублікував працю «Влияние размеров стружки на усилие резания металлов». Вона явилась результатом критичного аналізу літератури з різання металів та проведеної великої кількості дослідів, що були виконані в майстернях Ленінградського політехнічного інституту і Ленінградського військово-механічного інституту.

З 1933 р. починають працювати науково-дослідні інститути, що займаються питаннями вивчення процесу різання металів.

В 1935 р. для перегляду нормативів різання була створена Комісія по різанню металів, під керівництвом якої розгорнулась велика дослідницька робота. Результати досліджень, що були виконані Комісією, стали основою для створення нових, передових нормативів по обробленню металів.

В сорокових та в першій половині п’ятдесятих років двадцятого століття проводились роботи по дослідженню швидкісного різання металів і глибокому вивченню фізичних явищ, що супроводжують процес різання. В 1960-1970 рр. велика увага приділялась дослідженню процесу різання важкооброблюваних матеріалів, розробці вібраційного і ультразвукового різання, вивченню питань різання при автоматичному обробленні деталей та обробленні алмазним інструментом. Велись дослідження надшвидкісного оброблення зі швидкістю різання в декілька десятків тисяч метрів за хвилину. Вченими колишнього СРСР був зроблений великий внесок в розвиток сучасної науки про різання металів:

– Г.І.Грановський, В.А.Шишков, С.С.Петрухін і ін. – розробка питань кінематики різання;

– В.А.Кривоухов, А.М.Розенберг, Н.Н.Зорєв і ін. – вивчення напруженого та деформованого стану зони різання і контактних процесів на передній і задній поверхнях леза інструменту; сил, що діють на деталь та інструмент;

– А.А.Аваков, А.М.Данієлян, А.Я.Малкін, А.Н.Рєзніков, М.Ф.Сємко – вивчення теплофізики різання;

– Г.І.Грановський, Т.М.Лоладзе, Н.Н.Зорєв – вивчення процесів зносу леза інструменту;

– Є.М.Маслов, С.О.Попов, С.Г.Редько, Ю.М.Новосьолов, А.І.Грабченко, М.Д.Узунян і ін. – вивчення різання абразивним інструментом;

– О.І.Каширін, О.П.Соколовський, В.А.Кудінов, В.Н.Подураєв – вивчення вібрацій при різанні.

1.3 Основні поняття, терміни та визначення теорії різання матеріалів

1.3.1 Характерні поверхні на заготовці і різальній частині інструменту

Основні поняття і визначення процесу різання розглянемо на прикладах обточування валу на токарному верстаті (рис. 1.1)

Під час оброблення різанням на заготовці виникає сукупність поверхонь:

1 – оброблювана поверхня, яка частково чи повністю видаляється під час оброблення;

2 – оброблена поверхня, яка утворена в результаті оброблення;

3 – поверхня різання, яка утворена на заготовці різальною кромкою в результуючому русі різання.

Рисунок 1.1 – Схема оброблення заготовки обточуванням валу на токарному верстаті

На робочій частині різця розрізняють наступні елементи (рис. 1.2):

Рисунок 1.2 – Елементи робочої частини різця

4 – передня поверхня, поверхня леза інструменту, яка контактує у процесі різання зі зрізуваним шаром та стружкою;

5 – головна задня поверхня, поверхня леза інструменту, яка контактує в процесі різання з оброблюваною поверхнею заготовки;

6 – допоміжна задня поверхня, поверхня леза інструменту, яка контактує з обробленою поверхнею заготовки;

Перетин головної задньої і допоміжної задньої поверхонь з передньою поверхнею утворюють відповідно головну 7 і допоміжну 8 різальні кромки. Вершина леза 9 являє собою ділянку різальної кромки в місці перетину двох задніх поверхонь.

1.3.2 Кінематика різання

Для виконання оброблення заготовка та інструмент повинні виконувати відносні робочі рухи, які визначають траєкторію відносного робочого руху вершини інструменту. Цих рухів два – головний рух різання Dr – прямолінійний поступальний чи обертальний рух заготовки (або різального інструменту), який відбувається з найбільшою швидкістю у процесі різання, і рух подачі Ds – прямолінійний поступальний рух різального інструменту чи заготовки, швидкість якого менша, ніж швидкість головного руху різання, призначений для того щоб поширити відділення шару матеріалу на всю оброблювану поверхню.

В теорії різання робочі рухи складають кінематику різання, яка розглядає рухи, що діють з моменту, коли лезо входить в контакт з металом заготовки, і до моменту, коли контактування леза з заготовкою закінчиться. Сполучення рухів визначає кінематичну схему різання (рис. 1.3, а, б, в).

Рисунок 1.3 – Кінематичні схеми оброблення на токарному верстаті

Наприклад, оброблення на токарному верстаті зовнішньої або внутрішньої поверхні зображується схемою (рис. 1.3, а), оброблення конічної поверхні – схемою (рис. 1.3, б), відрізання і підрізання – схемою (рис. 1.3, в).

Рух подачі, що виконується зі швидкістю Vs і головний робочий рух, що виконується зі швидкістю V, створюють результуючий рух різання Ve (рис. 1.4).

Напрямок результуючого руху в робочій площині відносно напрямку головного руху різання описується кутом швидкості різання , а напрями швидкостей руху подачі та головного руху складають кут подачі .

Умови оброблення визначаються сукупністю значень: швидкості різання, подачі чи швидкості руху подачі, глибини різання, які мають назву режимів оброблення.

Рисунок 1.4 – Елементи руху у процесі різання обточуванням

на токарному верстаті

Швидкість головного руху різання – це швидкість заданої точки заготовки в головному русі різання:

, м/хв,

де n – частота обертання заготовки, об/хв;

D – діаметр заготовки, мм.

Подача – це відстань, що пройдена заданою точкою різальної кромки уздовж траєкторії цієї точки у русі подачі за одну хвилину або за один оберт заготовки:

Sхв = sо n, мм/хв,

де sо – подача за один оберт заготовки, мм/об.

Глибина різання – це відстань між оброблюваною і обробленою поверхнями, яка виміряна перпендикулярно напрямку подачі:

, мм,

де D – діаметр оброблюваної поверхні, мм;

D1 – діаметр обробленої поверхні, мм.

В залежності від кількості різальних кромок, що приймають участь в обробленні, різання може бути вільним і ускладненим (невільним). При вільному різанні в процесі оброблення проймає участь тільки головна різальна кромка, при невільному – головна і допоміжна (рис. 1.5, а, б, в).

Рисунок 1.5 – Вільне (а, б) і ускладнене (невільне) (в) різання при точінні

В залежності від кута, який складає різальна кромка з напрямком свого руху, відрізняють прямокутне (ортогональне) різання і косокутне різання. При прямокутному різанні прямолінійна різальна кромка перпендикулярна вектору свого руху, при косокутному різанні вона складає з вектором свого руху непрямий кут.

Процес різання може бути неперервним і перервним. В першому випадку робочі поверхні інструменту безперервно контактують з оброблюваним матеріалом на протязі оброблення заданої поверхні (точіння, свердління, зенкерування і таке інше). В другому випадку процес різання виконується шляхом періодичного повторення циклу: “різання – відпочинок інструменту”, при цьому важливе значення мають процеси, які пов’язані з врізанням і виходом леза інструменту (стругання, довбання, фрезерування).

Основні поняття, терміни та визначення теорії різання матеріалів