раздел третий

Основы теории резания металлов.
Выбор режимов резания

Глава VI

Основы теории резания металлов

Основоположниками теории резания металлов были выдающиеся русские ученые И. А. Тиме (1838—1920), К. А. Зворыкин (1861—1928), Я. Г. Усачев (1873—1941) и др. Работы этих ученых, получившие мировое признание, до сих пор не утратили своей ценности. Однако в условиях отсталой царской России все эти работы не находили практического применения, так как промышленность была слабо развита.

Широкий размах наука о резании металлов получила лишь после Великой Октябрьской социалистической революции, особенно в период советских пятилеток, когда наука была поставлена на службу социалистической промышленности.

Советские ученые В. Д. Кузнецов, В. А. Кривоухов, И. М. Беспрозванный, А. М. Розенберг, М. Н. Ларин, П. П. Трудов, М. И. Клушин и др. создали отечественную школу резания металлов, отличительной особенностью которой является тесное содружество науки с производством, ученых с новаторами производства.

Большую роль в развитии науки о резании металлов сыграло движение новаторов производства. В стремлении повысить производительность труда передовики производства стали искать новые пути улучшения условий резания: они создавали новую геометрию режущего инструмента, изменяли режимы резания, осваивали новые режущие материалы. Каждое рабочее место токаря-новатора стало как бы маленькой лабораторией по исследованию процесса резания.

Широкий обмен опытом, возможный только в условиях социалистической экономики, и тесное содружество передовиков производства с наукой обеспечили бурное развитие науки о резании металлов.

1. Работа резца

Клин и его работа. Рабочая часть любого режущего инструмента представляет собой клин (рис. 44). Под действием приложенной силы острие клина врезается в металл.

Чем острее клин, т. е. чем меньше угол, образованный его сторонами, тем меньшее усилие требуется для его врезания в металл. Угол, образованный сторонами клина, называется углом заострения и обозначается греческой буквой β (бета). Следовательно, чем меньше угол заострения β, тем легче клин проникает в металл, и, наоборот, чем больше угол заострения β, тем большую силу надо приложить для резания металла. При назначении угла заострения необходимо учитывать механические свойства обрабатываемого металла. Если резать твердый металл резцом, имеющим малый угол заострения β, то тонкое лезвие не выдержит и выкрошится либо сломается. Поэтому в зависимости от твердости обрабатываемого металла назначают соответствующий угол заострения клина.

Слой обрабатываемого металла, находящийся непосредственно перед резцом, непрерывно сжимается его передней поверхностью. Когда усилие резца превышает силы сцепления частиц металла, сжатый элемент скалывается и сдвигается передней поверхностью клина вверх. Резец, продвигаясь вперед под действием приложенной силы, будет продолжать сжимать, скалывать и сдвигать отдельные элементы, из которых образуется стружка.

Основные движения при точении. При обработке на токарных станках обрабатываемая деталь вращается, а резец получает перемещение в продольном или поперечном направлении. Вращение обрабатываемой детали называется главным движением, а перемещение резца относительно детали — движением подачи (рис. 45).

2. Основные части и элементы токарного резца

Резец состоит из двух основных частей: головки и тела (стержня) (рис. 46). Головка является рабочей (режущей) частью резца; тело служит для закрепления резца в резцедержателе.

Головка состоит из следующих элементов: передней поверхности, по которой сходит стружка, и задних поверхностей, обращенных к обрабатываемой детали. Одна из задних поверхностей, обращенная к поверхности резания, называется главной; другая, обращенная к обработанной поверхности, — вспомогательной.

Режущие кромки получаются от пересечения передней и задних поверхностей. Различают главную и вспомогательную режущие кромки. Основную работу резания выполняет главная режущая кромка.

Пересечение главной и вспомогательной режущих кромок называется вершиной резца.

3. Поверхности обработки

На обрабатываемой детали различают три вида поверхности (рис. 47): обрабатываемую, обработанную и поверхность резания.

Обрабатываемой поверхностью называется поверхность заготовки, с которой снимается стружка.

Обработанной поверхностью называется поверхность детали, полученная после снятия стружки.

Поверхностью резания называется поверхность, образуемая на обрабатываемой детали главной режущей кромкой резца.

Необходимо также различать плоскость резания и основную плоскость.

Плоскостью резания называется плоскость, касательная к поверхности резания и проходящая через режущую кромку резца.

Основной плоскостью называется плоскость, параллельная продольной и поперечной подачам резца. У токарных станков она совпадает с горизонтальной опорной поверхностью резцедержателя.

4. Углы резца и их назначение

Углы рабочей части резца сильно влияют на протекание процесса резания.

Правильно выбрав углы резца, можно значительно увеличить продолжительность его непрерывной работы до затупления (стойкость) и обработать в единицу времени (в минуту или час) большее количество деталей.

От выбора углов резца зависит также сила резания, действующая на резец, потребная мощность, качество обработанной поверхности и др. Вот почему каждый токарь должен хорошо изучить назначение каждого из углов заточки резца и уметь правильно подбирать их наивыгоднейшую величину.

Углы резца (рис. 48) можно разделить на главные углы, углы резца в плане и угол наклона главной режущей кромки.

К главным углам относятся: задний угол, передний угол и угол заострения; углы резца в плане включают главный и вспомогательный.

Главные углы резца следует измерять в главной секущей плоскости, которая перпендикулярна к плоскости резания и основной плоскости.

Рабочая часть резца представляет клин (на рис. 48 заштрихован), форма которого характеризуется углом между передней и главной задней поверхностями резца. Этот угол называется углом заострения и обозначается греческой буквой β (бета).

Задним углом α (альфа) называется угол между главной задней поверхностью и плоскостью резания.

Задний угол α служит для уменьшения трения между задней поверхностью резца и обрабатываемой деталью. Уменьшая трение, тем самым уменьшаем нагрев резца, который благодаря этому меньше изнашивается. Однако, если задний угол сильно увеличен, резец получается ослабленным и быстро разрушается.

В табл. 1 приведены рекомендуемые величины углов (заднего и переднего) для резцов, оснащенных пластинами твердого сплава.

Передним углом γ (гамма) называется угол между передней поверхностью резца и плоскостью, перпендикулярной к плоскости резания, проведенной через главную режущую кромку.

Передний угол γ играет важную роль в процессе образования стружки. С увеличением переднего угла облегчается врезание резца в металл, уменьшается деформация срезаемого слоя, улучшается сход стружки, уменьшается сила резания и расход мощности, улучшается качество обработанной поверхности. С другой стороны, чрезмерное увеличение переднего угла приводит к ослаблению режущей кромки и понижению ее прочности, к увеличению износа резца вследствие выкрашивания режущей кромки, к ухудшению отвода тепла. Поэтому при обработке твердых и хрупких металлов для повышения прочности инструмента, а также его стойкости следует применять резцы с меньшим передним углом; при обработке мягких и вязких металлов для облегчения отвода стружки следует применять резцы с большим передним углом. Практически выбор переднего угла зависит, помимо механических свойств обрабатываемого материала, от материала резца и формы передней поверхности. Рекомендуемые величины переднего угла для твердосплавных резцов приведены в табл. 1.

Углы в плане. Главным углом в плане φ (фи) называется угол между главной режущей кромкой и направлением подачи.

Угол φ обычно выбирают в пределах 30—90° в зависимости от вида обработки, типа резца, жесткости обрабатываемой детали и резца и способа их крепления. При обработке большинства металлов проходными обдирочными резцами можно брать угол ф = 45°; при обработке тонких длинных деталей в центрах необходимо применять резцы с углом в плане 60, 75 или даже 90°, чтобы детали не прогибались и не дрожали.

Вспомогательным углом в плане φ₁ называется угол между вспомогательной режущей кромкой и направлением подачи.

Углом λ (ламбда) наклона главной режущей кромки (рис. 49) называется угол между главной режущей кромкой и линией, проведенной через вершину резца параллельно основной плоскости.

Таблица 1

Рекомендуемые величины переднего и заднего углов для твердосплавных резцов Примечание. Механические свойства металлов определяют на специальных машинах и приборах, причем каждому свойству дается свое обозначение. Приведенное в этой и в последующих таблицах обозначение σ_b выражает предел прочности металла при растяжении; величина этого предела измеряется кг/мм². Буквами НВ обозначают твердость металла, которую определяют на приборе Бринелля вдавливанием стального закаленного шарика в поверхность металла. Величина твердости измеряется в кг/мм².

Резцы, у которых вершина является низшей точкой режущей кромки, т. е. угол λ положительный (рис. 49, в), получаются более прочными и стойкими; такими резцами хорошо обрабатывать твердые металлы, а также прерывистые поверхности, создающие ударную нагрузку. При обработке таких поверхностей твердосплавными резцами угол наклона главной режущей кромки доводят до 20—30°. Резцы, у которых вершина — высшая точка режущей кромки, т. е. угол λ отрицательный (рис. 49, а), рекомендуется применять для обработки деталей из мягких металлов.

5. Материалы, применяемые для изготовления резцов

При работе на режущих кромках резца возникает высокое давление, а также высокая температура (600—800° и выше). Трение задней поверхности резца о поверхность резания и стружки о переднюю поверхность резца вызывает более или менее быстрый износ его рабочих поверхностей. Вследствие износа форма режущей части изменяется и резец по истечении некоторого времени становится негодным для дальнейшей работы; такой резец должен быть снят со станка и переточен. Для увеличения срока службы резца без переточки необходимо, чтобы его материал хорошо сопротивлялся износу при высокой температуре. Кроме того, материал резца должен быть достаточно прочным, чтобы без разрушения выдерживать высокие давления, возникающие при резании. Поэтому к материалу резцов предъявляются следующие основные требования — твердость при высокой температуре, хорошая износостойкость и прочность.

В настоящее время существует много удовлетворяющих этим требованиям инструментальных сталей и сплавов. К ним относятся: углеродистые инструментальные стали, быстрорежущие стали, твердые сплавы и керамические материалы.

Углеродистая инструментальная сталь. Для изготовления режущего инструмента применяют сталь с содержанием углерода от 0,9 до 1,4%. После закалки и отпуска режущий инструмент из этой стали приобретает высокую твердость. Однако, если в процессе резания температура режущей кромки доходит до 200—250°, твердость стали резко падает.

По этой причине углеродистая инструментальная сталь в настоящее время имеет ограниченное применение: из нее изготовляют режущие инструменты, работающие со сравнительно низкой скоростью резания, когда температура в зоне резания достигает небольшой величины. К таким инструментам относятся: плашки, развертки, метчики, напильники, шаберы и др. Резцы из углеродистой инструментальной стали в настоящее время не изготовляют.

Быстрорежщие стали. Быстрорежущие стали содержат большое количество специальных, так называемых легирующих элементов — вольфрама, хрома, ванадия и кобальта, которые придают стали высокие режущие свойства — способность сохранять твердость и износостойкость при нагреве в процессе резания до 600—700°. Резцы из быстрорежущей стали допускают в 2—3 раза большие скорости резания, чем углеродистые резцы.

В настоящее время в СССР выпускают следующие марки быстрорежущей стали (ГОСТ 9373—60): Р18, Р9, Р9Ф5, Р14Ф14, Р18Ф2, Р9К5, Р9КЮ, Р10К5Ф5 и Р18К5Ф2.

Резцы, изготовленные целиком из быстрорежущей стали, дороги, поэтому в целях экономии бысторежущей стали пользуются преимущественно резцами с наварными пластинками.

Твердые сплавы. Твердые сплавы характеризуются очень высокой твердостью и хорошей износостойкостью.

Твердые сплавы изготовляются в виде пластин из порошков вольфрама и титана, соединенных с углеродом. Соединение углерода с вольфрамом называется карбидом вольфрама, а с титаном — карбидом титана. В качестве связующего вещества к ним добавляют кобальт. Эту порошкообразную смесь прессуют под большим давлением, получая небольшие пластины, которые затем спекают при температуре около 1500°. Окончательно приготовленные пластины не требуют никакой термической обработки. Пластину припаивают медью к державке резца из углеродистой стали либо прикрепляют к ней при помощи наладок и винтов (механическое крепление пластин).

Основное преимущество твердых сплавов заключается в том, что они хорошо сопротивляются истиранию сходящей стружкой и обрабатываемой деталью и не теряют режущих свойств даже при нагреве до 900—1000°. Благодаря этим свойствам резцы, оснащенные пластинами твердых сплавов, пригодны для обработки самых твердых металлов (твердые стали, в том числе и закаленные) и неметаллических материалов (стекло, фарфор, пластмассы) при скоростях резания, превышающих в 4—6 раз и более скорости резания, допускаемые быстрорежущими резцами.

Недостаток твердых сплавов — повышенная хрупкость.

В настоящее время в СССР выпускают две группы твердых сплавов. Основные из них — вольфрамовые (ВК2, ВКЗ, ВК4, ВК6М, ВК6, ВК8 и ВК8М) и титано-вольфрамовые (Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10). Каждая из этих групп имеет определенную область применения (табл. 2).

Все вольфрамовые сплавы предназначаются для обработки чугуна, цветных металлов и их сплавов, закаленных сталей, нержавеющих сталей и неметаллических материалов (эбонит, фарфор, стекло и т. п.). Для обработки сталей применяют твердые сплавы титано-вольфрамовой группы.

Керамические материалы. В последнее время советскими металлургами созданы дешевые материалы с высокими режущими свойствами, которые во многих случаях заменяют твердые сплавы. Это — керамические материалы (термокорунд), выпускаемые в виде пластин белого цвета, напоминающих мрамор, которые, подобно твердым сплавам, либо припаиваются к державкам резцов, либо крепятся к ним механически. Эти пластины не содержат в себе таких дорогих и дефицитных элементов, как вольфрам, титан и др. Вместе с тем керамические пластины отличаются более высокой твердостью, чем твердые сплавы, и сохраняют твердость при нагреве до 1200°, что дает возможность резать ими металлы с высокими скоростями резания.

Недостатком керамических пластинок является их недостаточная вязкость. Резцы, оснащенные керамическими пластинками, можно применять при чистовой или получистовой обработке чугуна, бронзы, алюминиевых сплавов и мягких сталей.

6. Заточка и доводка резцов

На заводах заточка резцов обычно производится в централизованном порядке на заточных станках специальными рабочими. Но токарь и сам должен уметь затачивать и доводить резцы.

Таблица 2

Заточка и доводка быстрорежущих резцов производится с соблюдением следующих правил:
1. Шлифовальный круг не должен бить, его поверхность должна быть ровной; если рабочая поверхность круга выработалась, ее следует править.
2. Во время заточки нужно пользоваться подручником, а не держать резец на весу. Подручник должен быть установлен возможно ближе к шлифовальному кругу, под требуемым углом и давать надежную опору резцу (рис. 50, а—г).
3. Затачиваемый резец нужно перемещать вдоль рабочей поверхности круга, иначе он будет неравномерно изнашиваться.
4. Чтобы не перегревать резец и тем самым избежать появления в нем трещин, не следует сильно прижимать резец к кругу.
5. Заточку нужно вести при непрерывном и обильном охлаждении резца водой. Капельное охлаждение, а также периодическое погружение сильно нагретого резца в воду не допускается. Если непрерывное охлаждение обеспечить невозможно, лучше перейти на сухую заточку.
6. Заточку резцов из быстрорежущей стали следует производить с помощью электрокорундовых кругов средней твердости и зернистостью 25—16.
Порядок заточки резцов устанавливается следующий. Сначала затачивают главную заднюю поверхность (рис. 50, а). Затем вспомогательную заднюю поверхность (рис. 50, б), после чего переднюю поверхность (рис. 50, в) и, наконец, радиус закругления вершины (рис. 50, г).
7. Категорически воспрещается производить заточку резцов на станках, у которых снят защитный кожух.
8. Во время заточки надо обязательно надевать предохранительные очки.

После заточки резца на его режущих кромках остаются мелкие зазубрины, заусенцы и риски. Их устраняют доводкой на специальных доводочных станках. Доводку производят также и вручную при помощи мелкозернистого оселка, смачиваемого минеральным маслом. Сначала легкими движениями оселка доводят задние поверхности, а затем переднюю и радиус закругления вершины.

Заточка и доводка резцов, оснащенных пластинками твердых сплавов. Заточку резцов с пластинками твердых сплавов производят на заточных станках кругами из зеленого карбида кремния. Заточку производят как вручную (рис. 50, а—г), так и с закреплением резцов в резцедержателях. Порядок заточки этих резцов такой же, как и резцов из быстрорежущей стали, т. е. сначала затачивают резец по главной задней (рис. 50, а), затем по вспомогательной задней поверхностям (рис. 50, б), после чего по передней поверхности (рис. 50, в) и, наконец, закругляют вершину резца (рис. 50, г).

Предварительную заточку производят кругами из зеленого карбида кремния зернистостью 50—40, а окончательную — зернистостью 25—16.

Резец не следует сильно прижимать к рабочей поверхности круга во избежание перегрева и растрескивания пластинки твердого сплава. Кроме того, его нужно все время передвигать относительно круга; это необходимо для равномерного износа круга.

Заточку можно вести как всухую, так и с обильным охлаждением резца водой.

После заточки твердосплавного резца надо обязательно доводить его поверхности. Доводку производят вручную или на доводочном станке. Вручную доводку производят с помощью чугунного или медного притира, рабочую поверхность которого натирают специальной пастой или наносят на поверхность равномерным слоем порошок карбида бора, смешанный с машинным маслом или керосином. Доводку производят на ширину 2—4 мм от режущей кромки.

Более производительна доводка на специальном доводочном станке при помощи чугунного диска диаметром 250—300 мм, вращающегося со скоростью 1,5—2 м/сек; на поверхность этого диска наносят пасту или же порошок карбида бора, смешанный с машинным маслом или керосином.

7. Образование стружки

Виды стружки. Отделяемая стружка под действием давления резца сильно изменяет свою форму или, как говорят, деформируется: она укорачивается по длине и увеличивается по толщине. Указанное явление впервые было обнаружено проф. И. А. Тиме и названо усадкой стружки.

Внешний вид стружки зависит от механических свойств металла и тех условий, при которых происходит резание. Если обрабатываются вязкие металлы (свинец, олово, медь, мягкая сталь, алюминий и др.), то отдельные элементы стружки, плотно сцепляясь друг с другом, образуют непрерывную стружку, завивающуюся в ленту (рис. 51, а). Такая стружка называется сливной. При обработке менее вязких металлов, например твердой стали, стружка образуется из отдельных элементов (рис. 51, б), слабо связанных друг с другом. Такая стружка называется стружкой скалывания.

Если обрабатываемый металл хрупок, как, например, чугун или бронза, то отдельные элементы стружки надламываются и отделяются от обрабатываемой детали и друг от друга (рис. 51, в). Такая стружка, состоящая из отдельных чешуек неправильной формы, называется стружкой надлома.

Рассмотренные виды стружки не остаются постоянными, они могут изменяться с изменением условий резания. Чем мягче обрабатываемый металл и чем меньше толщина стружки и угол резания, тем больше форма стружки приближается к сливной. Это же будет наблюдаться при увеличении скорости резания и применении охлаждения. С уменьшением скорости резания вместо сливной стружки получается стружка скалывания.

Нарост. Если осмотреть переднюю поверхность резца, которым производилось резание, то у режущей кромки иногда можно обнаружить небольшой комочек металла, приварившийся к резцу под действием высокой температуры и давления. Это — так называемый нарост (рис. 52). Он появляется при определенных условиях резания вязких металлов, но не наблюдается при обработке хрупких металлов. Твердость нароста в 2,5—3 раза выше твердости обрабатываемого металла; благодаря этому нарост сам обладает способностью резать тот металл, из которого он образовался.

Положительная роль нароста в том, что он прикрывает режущее лезвие, защищая его от износа сходящей стружкой и действия тепла, и этим несколько повышает стойкость резца. Наличие нароста полезно при обдирке, так как режущее лезвие меньше нагревается и износ его уменьшается. Однако с образованием нароста ухудшаются точность и чистота обработанной поверхности, так как нарост искажает форму лезвия. Стало быть, образование нароста невыгодно при чистовых работах.

8. Понятие об элементах режима резания

Чтобы в каждом отдельном случае более производительно выполнять обработку, токарь должен знать основные элементы режима резания; этими элементами являются глубина резания, подача и скорость резания.

Глубиной резания называется расстояние между обрабатываемой и обработанной поверхностями, измеренное перпендикулярно последней. Глубина резания обозначается буквой t и измеряется в миллиметрах (рис. 53).

При обтачивании заготовки на токарном станке припуск на обработку срезается за один или несколько проходов.

Чтобы определить глубину резания t, надо измерить диаметр обрабатываемой детали до и после прохода резца, половина разности диаметров даст глубину резания, иначе говоря,

где D — диаметр детали в мм до прохода резца; d — диаметр детали в мм после прохода резца. Перемещение резца за один оборот обрабатываемой детали (рис. 53) называется подачей. Подача обозначается буквой s и намеряется в миллиметрах за один оборот детали; для краткости принято писать мм/об. В зависимости от направления, по которому перемещается резец относительно направляющих станины, различают:
а) продольную подачу — вдоль направляющих станины;
б) поперечную подачу — перпендикулярно к направляющим станины;
в) наклонную подачу — под углом к направляющим станины (например, при обтачивании конической поверхности).

Площадь поперечного сечения среза обозначают буквой f (эф) и определяют как произведение глубины резания на подачу (см. рис. 53):

Кроме глубины резания и подачи, различают еще ширину и толщину срезаемого слоя (рис. 53).

Ширина срезаемого слоя, или ширина стружки, — расстояние между обрабатываемой и обработанной поверхностями, измеренное по поверхности резания. Измеряется она в миллиметрах и обозначается буквой b (бэ).

Толщина срезаемого слоя, или толщина стружки, — расстояние между двумя последовательными положениями режущей кромки за один оборот детали, измеряемое перпендикулярно к ширине стружки. Толщина стружки измеряется в миллиметрах и обозначается буквой а.

При одной и той же подаче и глубине резания с уменьшением главного угла в плане φ толщина стружки уменьшается, а ширина ее увеличивается. Это улучшает отвод тепла от режущей кромки и повышает стойкость резца, что в свою очередь позволяет значительно повысить скорость резания и обработать в единицу времени большее количество деталей. Однако уменьшение главного, угла в плане φ приводит к увеличению радиальной (отталкивающей) силы, что при обработке недостаточно жестких деталей может вызвать прогибание их, потерю точности, а также сильные вибрации. Появление вибраций в свою очередь приводит к ухудшению чистоты обработанной поверхности и часто вызывает выкрашивание режущей кромки резца.

Скорость резания. При обработке на токарном станке точка А, находящаяся на окружности диаметра D (рис. 54), за один оборот детали проходит путь, равный длине этой окружности.

Длина всякой окружности приблизительно в 3,14 раза больше ее диаметра, следовательно, она равна 3,14 D.
Число 3,14, показывающее, во сколько раз длила окружности больше ее диаметра, принято обозначать греческой буквой π (пи).

Точка А за один оборот совершит путь, равный πD. Диаметр D детали, как и длину ее окружности πD, измеряют в миллиметрах.

Допустим, что обрабатываемая деталь сделает несколько оборотов в минуту. Обозначим число их буквой n оборотов в минуту или сокращенно об/мин. Путь, который пройдет при этом точка А, будет равен произведению длины окружности на число оборотов в минуту, т. е. πDn миллиметров в минуту или сокращенно мм/мин, и называется окружной скоростью.

Путь, проходимый точкой обрабатываемой поверхности при обтачивании относительно режущей кромки резца в одну минуту называется скоростью резания.

Так как диаметр детали обычно выражен в миллиметрах, то для определения скорости резания в метрах в минуту нужно произведение πDn разделить на 1000. Это можно записать в виде следующей формулы:

где v — скорость резания в м/мин;
D — диаметр обрабатываемой детали в мм;
n — число оборотов детали в минуту.

Пример 3. Обрабатываемый валик диаметром D = 100 = 150 об/мин. Определить скорость резания.
Решение: Подсчет числа оборотов шпинделя. Токарю при обработке детали известного диаметра бывает необходимо настроить станок на такое число оборотов шпинделя, чтобы получить требуемую скорость резания. Для этого служит следующая формула: где D — диаметр обрабатываемой детали в мм;
v — скорость резания в м/мин.
Пример 4. Какое число оборотов а минуту должен иметь валик диаметром D = 50 мм при скорости резания v = 25 м/мин?
Решение:

9. Основные сведения о силах, действующих на резец, и о мощности резания

Силы, действующие на резец. При снятии стружки с обрабатываемой детали резцу необходимо преодолеть силу сцепления частиц металла между собой. Когда режущая кромка резца врезается в обрабатываемый материал и происходит отделение стружки, резец испытывает давление со стороны отделяемого металла (рис. 55).

Сверху вниз на резец давит сила Р_z, которая стремится отжать резец вниз и изогнуть деталь вверх. Эта сила называется силой резания.

В горизонтальной плоскости в направлении, противоположном движению подачи, на резец давит сила Р_х, называемая осевой силой, или силой подачи. Эта сила при продольном точении стремится отжать резец в сторону задней бабки.

В горизонтальной плоскости перпендикулярно к направлению подачи на резец давит сила Р_y, которая называется радиальной силой. Эта сила стремится оттолкнуть резец от обрабатываемой детали и изогнуть его в горизонтальном направлении.

Все перечисленные силы измеряются в килограммах.

Самой большой из трех сил является вертикальная сила резания: она примерно в 4 раза больше силы подачи и в 2,5 раза больше радиальной силы. Сила резания нагружает детали механизма передней бабки; она нагружает также резец, деталь, вызывая в них часто большие напряжения.

Опытами установлено, что сила резания зависит от свойств обрабатываемого материала, размера и формы сечения снимаемой стружки, формы резца, скорости резания и охлаждения.

Для характеристики сопротивляемости различных материалов резанию установлено понятие коэффициента резания. Коэффициентом резания К называется давление резания в килограммах, приходящееся на квадратный миллиметр сечения среза, измеренное при определенных условиях резания:

В табл. 3 приведены средние значения коэффициента резания для некоторых металлов.

Таблица 3

Если известен коэффициент резания К, то, умножив его на площадь поперечного сечения среза f в мм², можно найти приблизительную величину силы резания по формуле

Р_z = Kf кг. (8)

Пример 5. На токарном станке обтачивается вал из машиноподелочной стали с σ_b = 60 кг/мм². Определить силу резания, если глубина резания t = 5 мм, а подача s = 0,5 мм/об.
Решение. По формуле (8) сила резания Р_z = Kf кг. (8) Определяем величину f: f = ts = 5x0,5 = 2,5 мм². По табл. 3 находим значение К для машиноподелочной стали с σ_b = 60 кг/мм²: K = 160 кг/мм². Следовательно, _z = Kf = 160x2,5 = 400 кг. Мощность резания. Зная силу резания и скорость резания, можно узнать, какая требуется мощность для срезания стружки данного сечения.
Мощность резания определяется по формуле (9) где N_peз — мощность резания в л.с.;
Р_z — сила резания в кг;
v — скорость резания в м/мин.

Мощность электродвигателя станка должна быть несколько больше мощности резания, так как часть мощности электродвигателя затрачивается на преодоление трения в механизмах, передающих движение от электродвигателя к шпинделю станка.

Пример 6. Определить мощность резания для обтачивания вала, рассмотренного в предыдущем примере, если обработка ведется со скоростью резания, υ = 60 м/мин. Решение. По формуле (9) мощность резания

Мощность резания обычно выражается не в лошадиных силах, а в киловаттах (квт). Киловатт в 1,36 раза больше лошадиной силы, поэтому для того, чтобы выразить мощность в киловаттах, нужно разделить мощность в лошадиных силах на 1,36:

и, наоборот,

10. Теплота резания и стойкость резца

С увеличением силы резания возрастает сила трения, вследствие чего увеличивается количество тепла, выделяющегося в процессе резания. Тепло резания возрастает еще в большей степени при увеличении скорости резания, так как при этом ускоряется весь, процесс образования стружки.

Выделяющееся тепло резания при недостаточном отводе его размягчает резец, вследствие чего износ его режущей части происходит интенсивнее. Это вызывает необходимость менять резец или затачивать его и вновь устанавливать.

Время непрерывной работы резца до затупления носит название стойкости резца (измеряется в минутах). Частая смена резца (малая стойкость) вызывает дополнительные затраты на затачивание и установку резца, а также на восполнение изношенных резцов.

Следовательно, стойкость резца является важным фактором при выборе режимов резания, в особенности при выборе скорости резания.

Стойкость резца зависит в первую очередь от качеств материала, из которого он изготовлен. Наиболее стойким будет резец, который изготовлен из материала, допускающего наиболее высокую температуру нагрева без значительной потери твердости. Наибольшей стойкостью обладают резцы, оснащенные пластинками твердого сплава, минералокерамическими пластинками; значительно меньшей стойкостью — резцы из быстрорежущей стали, наименьшей — резцы из углеродистой инструментальной стали.

Стойкость резца зависит также от свойств обрабатываемого материала, сечения среза, углов заточки резца, скорости резания. Увеличение твердости обрабатываемого материала понижает стойкость резца.

Изменяя углы заточки и форму передней поверхности, можно добиться значительного повышения стойкости резцов и их производительности.

Особенно сильно влияет на стойкость резца скорость резания. Иногда даже самое незначительное увеличение скорости приводит к быстрому затуплению резца. Например, если при обработке стали быстрорежущим резцом повысить скорость резания всего на 10%, т. е. в 1,1 раза, резец затупится вдвое быстрее и наоборот.

С увеличением площади поперечного сечения среза стойкость резца понижается, но не так сильно, как при таком же увеличении скорости резания.

Стойкость резца зависит также от размеров резца, формы сечения среза и охлаждения. Чем массивнее резец, тем лучше отводит он тепло от режущей кромки и, следовательно, тем больше его стойкость.

Опыты показывают, что при одном и том же сечении среза большая глубина резания и меньшая подача обеспечивают большую стойкость резца, чем меньшая глубина резания при соответственно большей подаче. Объясняется это тем, что при большей глубине резания стружка соприкасается с большей длиной режущей кромки, поэтому лучше отводится тепло резания. Вот почему при одном и том же сечении среза выгоднее работать с большей глубиной, чем с большей подачей.

Стойкость резца значительно возрастает при его охлаждении.

Охлаждающая жидкость должна подаваться обильно (эмульсия 10—12 л/мин, масло и сульфофрезол 3—4 л/мин); небольшое количество жидкости не только не приносит пользы, но даже портит резец, вызывая появление на его поверхности мелких трещин, ведущих к выкрашиванию.

11. Выбор скорости резания

От выбора скорости резания зависит производительность труда: чем с большей скоростью резания производится обработка, тем меньше время, затрачиваемое на обработку. Однако с увеличением скорости резания уменьшается стойкость резца, поэтому на выбор с корости резания влияют стойкость резца и все факторы, от которых зависит стойкость резца. Из них наиболее важными являются свойства обрабатываемого материала, качество материала резца, глубина резания, подача, размеры резца и углы заточки, охлаждение.

1. Чем больше должна быть стойкость резца, тем меньше должна быть выбрана скорость резания и наоборот.

2. Чем тверже обрабатываемый материал, тем меньше стойкость резца, следовательно, для обеспечения необходимой стойкости при обработке твердых материалов скорость резания приходится уменьшать. При обработке литых и кованых заготовок, на поверхности которых имеется твердая корка, раковины или окалина, необходимо уменьшать скорость резания против той, какая возможна при обработке материалов без корки.

3. От свойств материала резца зависит его стойкость, следовательно, от этих же свойств зависит и выбор скорости резания. При прочих равных условиях резцы из быстрорежущей стали допускают значительно большую скорость резания, чем резцы из углеродистой стали; еще большую скорость резания допускают резцы, оснащенные твердыми сплавами.

4. В целях повышения стойкости резца при обработке вязких металлов выгодно применять охлаждение резцов. В этом случае при одной и той же стойкости инструмента удается повысить скорость резания на 15—25% по сравнению с обработкой без охлаждения.

5. Размеры резца и углы его заточки также влияют на допускаемую скорость резания: чем массивнее резец, особенно его головка, тем лучше он отводит образующееся при резании тепло. Неправильно выбранные, не соответствующие обрабатываемому материалу углы резца увеличивают усилие резания и способствуют более быстрому износу резца.

6. С увеличением сечения среза стойкость резца понижается, следовательно, при большем сечении нужно выбирать скорость резания меньшую, чем при меньшем сечении.

Так как при чистовой обработке снимается стружка небольшого сечения, то скорость резания при чистовой обработке может быть значительно большей, чем при черновой обработке.

Так как увеличение сечения среза меньше влияет на стойкость резца, чем увеличение скорости резания, то выгодно увеличивать сечение среза за счет некоторого снижения скорости резания. На этом принципе основан метод обработки токаря-новатора Куйбышевского станкостроительного завода В. Колесова. Работая на скорости резания 150 м/мин, т. Колесов производит чистовую обработку стальных деталей с подачей до 3 мм/об вместо 0,3 мм/об, а эта приводит к уменьшению машинного времени в 8—10 раз.

Возникает вопрос: почему же передовые токари, часто повышают производительность труда за счет увеличения скорости резания? Не противоречит ли это основным законам резания? Нет, не противоречит. Они повышают скорость резания только в тех случаях, когда полностью использованы возможности увеличить сечение среза.

Когда производится получистовая или чистовая обработка, где глубина резания ограничена малым припуском на обработку, а подача ограничивается требованиями высокой чистоты обработки, увеличение режима резания возможно за счет увеличения скорости резания. Это и делают передовые токари, работающие на получистовой и чистовой обработке. Если же имеется возможность работать с большими сечениями среза (при больших припусках), то в первую очередь следует выбрать возможно большую глубину резания, затем — возможно большую технологически допустимую подачу и, наконец, — соответствующую им скорость резания.

В тех случаях, когда припуск на обработку мал и нет особых требований к чистоте поверхности, повышать режим резания следует за счет применения возможно большей подачи.

12. Чистота обработанной поверхности

При обработке резцом на обработанной поверхности детали всегда остаются неровности в виде впадин и гребешков, даже при самой тщательной отделке. Высота неровностей зависит от способа обработки.

Практикой установлено, что чем чище обработана поверхность детали, тем меньше она подвергается износу и коррозии, а деталь получается прочнее.

Тщательная отделка поверхности при обработке детали всегда дороже, чем грубая обработка поверхности. Поэтому чистота обработанной поверхности должна назначаться в зависимости от условий работы детали.

Обозначение чистоты поверхности на чертежах. По ГОСТ 2789—59 предусмотрено 14 классов чистоты поверхности. Для обозначения всех классов чистоты устанавливается один знак — равносторонний треугольник , рядом с которым указывается номер класса (например, 7; 8; 14). Самые чистые поверхности оцениваются по 14-му классу, а самые грубые — по 1-му.

Шероховатость поверхности по ГОСТ 2789—59 определяется одним из двух параметров: а) средним арифметическим отклонением профиля R_a и б) высотой неровностей R_z.

Для измерения шероховатости и отнесения обработанной поверхности к тому или иному классу применяются специальные измерительные приборы, основанные на методе ощупывания профиля поверхности тонкой алмазной иглой. Такие приборы называются профилометрами и профилографами.

Для определения шероховатости и отнесения обработанной поверхности к тому или иному классу чистоты в цеховых условиях применяют проверенные образцы различных классов чистоты — так называемые эталоны чистоты, с которыми сравнивают обработанную поверхность детали.

Факторы, влияющие на чистоту обработанной поверхности. Практикой установлено, что чистота обработанной поверхности зависит от ряда причин: обрабатываемого материала, материала резца, углов заточки и состояния режущих кромок резца, подачи и скорости резания, смазывающе-охлаждающих свойств жидкости, жесткости системы станок — резец — деталь и пр.

Особо важное значение для получения поверхности высокого качества при точении имеет скорость резания, подача, углы в плане и радиус закругления вершины резца. Чем меньше подача и главный угол в плане и чем больше радиус закругления вершины, тем чище получается обработанная поверхность. Скорость резания сильно влияет на чистоту поверхности. При точении стали со скоростью резания более 100 м/мин обработанная поверх-.ность получается чище, чем со скоростью 25—30 м/мин.

Для получения более чистой обработанной поверхности следует обращать внимание на тщательную заточку и доводку режущих кромок.