Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ РЕЗАНИЯ

Изобретение относится к области металлообработки и может быть использовано при обработке пластичных материалов по схеме несвободного резания.

Резание материалов представляет собой процесс отделения срезаемого слоя с обрабатываемой поверхности заготовки. В результате на ней образуется требуемая поверхность соответствующих размеров, точности и качества поверхностного слоя. Размеры полученной поверхности определяются кинематической схемой обработки и настройкой станка на ее выполнение. Поверхностный слой формируется главным образом процессами, происходящими в зоне стружкообразования и на передней поверхности лезвия инструмента. Они же предопределяют и силу резания, которая является совокупным показателем деформационных процессов зоны стружкообразования, зоны вторичной деформации на передней поверхности лезвия инструмента и процессов трения, сопровождающих резание материала заготовки. Значения параметров точности, качества обработанной поверхности, величина силы резания зависят от свойств обрабатываемого материала, режима обработки, геометрии режущего лезвия и других условий проведения процесса резания.

При этом указанные параметры в конкретных условиях обработки являются зависимыми параметрами и предопределены используемым инструментом и теми процессами, которые происходят на передней поверхности его лезвия. Результат влияния отдельных факторов процесса резания - геометрии лезвия, свойств обрабатываемого и инструментального материалов, элементов режима резания - на точность, качество и силу резания во многом зависит от контактных процессов, происходящих на передней поверхности [1, стр.101, 118-122], и прежде всего от силы трения между стружкой и лезвием инструмента. Чем меньше сопротивление перемещению стружки, тем меньше деформация материала в первичной зоне стружкообразования, меньше сила резания, меньше отклонение реального профиля полученной поверхности от его номинального положения, меньше искажение микропрофиля обработанной поверхности, т.е. выше точность и качество обработки.

Величина силы трения между стружкой и лезвием инструмента зависит от свойств контактирующих тел и давления стружки на переднюю поверхность [1, стр.118-127]. Для ее уменьшения применяют различные по составу и свойствам смазочно-охлаждающие технологические средства [1, стр.138-139, 215-216, 2, стр.261-289].

Вторым условием, влияющим на результат воздействия факторов на показатели процесса резания, в частности на шероховатость обработанной поверхности, является направление перемещения стружки по передней поверхности режущего лезвия, характеризуемое углом υ [2, стр.76]. Этот угол зависит от отношения глубины резания к величине подачи. Чем больше это отношение, тем меньше величина угла υ, тем большее влияние оказывает главная режущая кромка на процесс деформации срезаемого слоя, осуществляемый вспомогательной режущей кромкой.

Это влияние сопровождается увеличением пластического течения материала от вершины инструмента в сторону вершины остаточного гребешка на обработанной поверхности заготовки, увеличивая тем самым ее шероховатость. Особенно заметно это влияние при угле φ=90° [3, стр.142]. При таком значении угла φ сходящая стружка практически срезает остаточные гребешки, создавая на обработанной поверхности так называемые матовые участки, ухудшающие качество обработанной поверхности [3, стр.142]. Для повышения ее качества при использовании инструмента с углом φ=90° вынуждены уменьшать глубину резания и подачу инструмента, одновременно увеличивая передний угол лезвия, увеличивая тем самым угол схода стружки по лезвию.

Разнообразие условий и назначений резания, встречающихся в практике металлообработки, предопределяет использование соответствующих инструментов, обеспечивающих требуемые характеристики обработанных поверхностей заготовок. При этом для достижения наилучшего результата по точности и качеству при обработке одной поверхности последовательно используются несколько инструментов с разными геометрическими параметрами.

Известен способ резания [4, стр.261-271], согласно которому обработку поверхностей заготовки разделяют на черновую и чистовую. Назначением чернового резания является обеспечение требуемой формы изготавливаемой детали. Оно выполняется инструментом, лезвие которого имеет геометрические параметры, обеспечивающие его высокую прочность и стойкость. При обработке прочных материалов передний угол γ имеет либо нулевое, либо отрицательное значение. Главная режущая кромка лезвия наклонена к вектору скорости резания под углом λ, имеющим положительное значение. Относительно вектора скорости подачи эта кромка расположена под углом φ, величина которого зависит от конструктивных особенностей обрабатываемой поверхности. Для обеспечения высокой прочности и стойкости значение этого угла выбирают минимально возможное. С этой же целью вспомогательный угол в плане φ₁ имеет минимально допустимое значение, а радиус при вершине инструмента r - максимальное значение. Однако практика металлообработки зачастую вынуждает использовать инструмент с углом φ=90°, что отрицательно сказывается на стойкости инструмента и качестве обработанной поверхности.

Для обеспечения высокой производительности значения параметров режима резания - глубины резания t и подачи S - при черновом резании назначают максимально большие. При этом для снижения мощности скорость резания должна быть относительно невысокой. Соотношение глубины резания и подачи в этом случае получается большим. Образовавшаяся стружка перемещается по передней поверхности с минимальным углом υ. Для инструмента с углом φ=90° такие условия перемещения стружки вызывают большие искажения микропрофиля обработанной поверхности, ухудшающие ее качество.

Резание производят с обильным охлаждением, снижающим тепловые и силовые нагрузки на инструмент. Однако уменьшение силовой нагрузки не изменяет направление перемещения стружки по передней поверхности лезвия инструмента. Большие силовые нагрузки, действующие на обрабатывающий инструмент в процессе резания, снижают точность размеров полученных поверхностей.

Таким образом, при черновой обработке материалов точность размеров и качество обработанной поверхности получаются невысокими из-за особенностей процесса перемещения стружки по передней поверхности лезвия инструмента.

После выполнения черновой проводят чистовую обработку поверхностей заготовки, целью которой является обеспечение требуемых параметров точности и качества обработанных поверхностей. Она характеризуется применением инструмента, лезвие которого обеспечивает минимальную пластическую деформацию срезаемого слоя. Для этого оно имеет положительный передний угол γ, а угол наклона главной режущей кромки λ имеет отрицательное значение. Ее главный φ и вспомогательный φ₁ углы в плане имеют минимально допустимые значения по схеме обработки поверхности. Радиус при вершине r также имеет минимальное значение. Однако для повышения точности получаемой поверхности применяют инструменты с углом φ=90°.

Глубину резания t и подачу инструмента S при чистовом резании назначают минимально возможные. Скорость резания V, учитывая небольшую силовую нагрузку на лезвие инструмента, максимально допустимая. Для уменьшения трения на передней поверхности лезвия резание производят с обильным охлаждением, применяя для этого соответствующие смазочно-охлаждающие жидкости и технологические средства.

При таких значениях геометрии лезвия инструмента и параметров режима резания перемещающаяся по передней поверхности стружка испытывает минимальное сопротивление своему перемещению, что обеспечивает минимальное значение силы резания и соответствующее направление перемещения, при котором шероховатость обработанной поверхности получает минимальное искажение.

Известный способ резания позволяет достигнуть требуемых параметров точности и качества обработанных поверхностей заготовки, однако он имеет невысокую производительность из-за необходимости делить процесс обработки как минимум на два этапа: черновое и чистовое резание. Кроме того, этот способ не устраняет причину невысокого качества обработанной поверхности при применении инструментов с углом φ=90°. Направление перемещения стружки по передней поверхности лезвия инструмента при таком угле φ имеет минимальное отклонение от перпендикуляра к главной режущей кромке. В результате чего наблюдается пластическое течение материала обрабатываемой заготовки от вершины лезвия вдоль вспомогательной режущей кромки, что ухудшает качество обработанной поверхности.

Известен способ резания, согласно которому свободное ортогональное резание осуществляют с принудительным отводом стружки [5]. Для этого к сходящей по инструменту стружке прикладывают тянущее усилие, отрывающее ее от передней поверхности. Такое воздействие на стружку уменьшает пятно контакта с передней поверхностью, снижает действие стружки на инструмент и соответственно уменьшает трение между стружкой и лезвием инструмента. Уменьшение трения изменяет положение вектора и величину результирующей силы деформирования в зоне стружкообразования, снижая пластическую деформацию срезаемого слоя. Это сопровождается уменьшением силы резания и, соответственно, повышением точности обработки. При этом качество получаемой поверхности на заготовке (поверхности резания) не зависит от процессов деформации срезаемого слоя и определяется качеством самой режущей кромки.

Этот способ имеет ограниченное применение. Он применим только для свободного ортогонального резания, когда стружка сходит по передней поверхности перпендикулярно режущей кромке инструмента. Его используют при обработке тех материалов, которые дают стружку без завивания или с очень большим радиусом завивания. Это условие обусловлено расположением механизма, находящегося вне зоны резания, проходя через который стружка получает тянущее усилие.

При обработке пластичных материалов по схеме несвободного резания образующаяся стружка завивается в спирали разной формы с относительно малыми радиусами. Такая форма стружки не позволяет ей попасть в тянущий механизм, расположенный вне зоны резания. Кроме этого при несвободном резании качество обработанной поверхности определяется процессами деформации, происходящими в зоне воздействия вспомогательной режущей кромки на срезаемый слой. Применение прототипа для несвободного резания не позволяет воздействовать на процессы деформации в зоне вспомогательной режущей кромки. Уменьшение силы резания, наблюдаемое при применении прототипа, обусловлено опосредованным воздействием - через уменьшение трения - тянущего усилия на зону стружкообразования, что снижает эффект от воздействия тянущего усилия.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - создание способа резания с принудительным отводом стружки для обработки пластичных материалов по схеме несвободного резания, позволяющего повысить качество обработанной поверхности и снизить силу резания.

Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе обработки пластичных материалов по схеме несвободного резания обработку осуществляют с принудительным отводом стружки путем приложения тянущего усилия в зоне контакта стружки с передней поверхностью лезвия инструмента в направлении, увеличивающем естественный угол схода стружки по лезвию инструмента.

Способ осуществляется следующим образом.

В процессе резания пластичного материала по схеме несвободного резания сходящая по передней поверхности лезвия инструмента стружка попадает в механизм, создающий тянущее усилие. Механизм располагается на передней поверхности инструмента в зоне контакта стружки с лезвием и представляет собой, например, вращающийся ролик, установленный в углублении с некоторым превышением передней поверхности лезвия. Если ролик не имеет принудительного вращения, то его ось составляет угол с естественным направлением перемещения стружки, превышающий 90°. В случае принудительного вращения ролика угол составляет значение, меньшее 90°.

При попадании на ролик стружка получает изгиб, благодаря которому создается усилие, отрывающее стружку от передней поверхности лезвия, что вызывает уменьшение трения между стружкой и инструментом. Снижение трения сопровождается соответствующим изменением деформации срезаемого слоя в первичной зоне стружкообразования и силы резания в целом.

Вращающийся ролик, оказывающий минимальное сопротивление перемещению стружки, смещает ее вдоль своей оси, увеличивая угол схода стружки по передней поверхности лезвия инструмента.

Смещающая сила создается перемещающейся по ролику стружкой. Величина этой силы определяется воздействием стружки на ролик и углом между его осью и первоначальным направлением перемещения стружки.

Приложенное к стружке усилие передается на срезаемый слой в зоне вспомогательной режущей кромки лезвия инструмента, изменяя положение вектора деформирующей силы. В результате уменьшается деформация срезаемого слоя, что сопровождается снижением силы резания и уменьшением пластического течения обрабатываемого материала вдоль вспомогательной режущей кромки, искажающей микропрофиль обработанной поверхности. Эти изменения увеличивают точность обработки и повышают качество обработанной поверхности.

При использовании механизма с принудительным вращением ролика, создающим тянущее усилие благодаря вращению ролика с большей скоростью, чем перемещающаяся стружка, смещающее по ролику усилие также передается на срезаемый слой в зоне вспомогательной режущей кромки. Так же, как и при использовании свободно вращающегося ролика, такое воздействие на срезаемый слой приводит к изменению положения вектора деформирующей силы, уменьшающей деформацию срезаемого слоя и пластическое течение вдоль вспомогательной режущей кромки. В результате шероховатость обработанной поверхности уменьшается, тем самым повышается качество обработки.

Использование устройства с принудительным вращением ролика позволяет существенно снизить силу резания, так как тянущее усилие передается не только на зону действия вспомогательной, но и на зону действия главной режущей кромки, что увеличивает эффект от уменьшения пластической деформации срезаемого слоя. Уменьшение силы резания снижает погрешность обработки, тем самым повышается ее точность.

Таким образом, предлагаемый способ резания позволяет обеспечить требуемые параметры точности и качества обработанной поверхности по схеме несвободного резания, не меняя инструмент и его геометрию лезвия.

Литература

1. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов. М.: Машиностроение, 1975, 344 с. сил.

2. Ящерицын П.И. Теория резания: учеб. / П.И. Ящерицын, Е.Э. Фельдштейн, М.А. Корниевич. - Мн.: Новое знание, 2005. - 512 с.: ил. - (Техническое образование).

3. Г.Л. Куфарев, К.Б. Окенов, В.А. Говорухин. Стружкообразование и качество обработанной поверхности при несвободном резании. Издательство «МЕКТЕП», Фрунзе. - 1970 г. 172 с.

4. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т. 2 / Под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1986. 496 с., ил.

5. Накаяма К. Влияние растягивающего усилия, приложенного к сливной стружке, на обработку металлов резанием. Перевод с яп. Переводчик Шталов Ю.А. Дата перевода 31.03.88 г. Источник «Сэймицу кикай», т. 30, №1, с. 46-50.