Резание как физико-химический процесс

 

1. Историческая справка

Человечество использует различные способы и инструменты для обработки камня, дерева, металлов и других материалов уже в течение тысячелетий. Все эти способы характеризуются отделением одной части металла или иного материала от другой с получением изделий требуемой формы, размеров и качества. До нашего времени дошли прекрасные образцы изделий из различных материалов, свидетельствующие об умении людей использовать различные способы обработки резанием в своих целях. Вся история развития человечества - это история постоянного совершенствования методов обработки резанием. Однако примерно до 17 в. эта обработка велась ручными инструментами. Лишь в начале 17 в. появились первые примитивные станки. Они появились в европейских странах, а несколько позже и в России. Известно, что первая токарная мастерская организована в России по указу царя Петра 1, который и сам был искусным токарем. Однако, более интенсивно способы обработки резанием стали развиваться с появлением первых мануфактур и с развитием промышленного производства. Для организации станочного производства тканей потребовалось изготовить большое количество сравнительно точных деталей, что уже невозможно было сделать вручную.

Тем не менее, наука о резании металлов является одной из сравнительно молодых областей знаний. Начало систематического изучения процессов резания относится ко второй половине 19 в. Большой вклад в исследование процессов резания внесли русские ученые. А.И. Тиме впервые рассмотрел процесс деформации при стружкообразовании и предложил мо­дель зоны стружкообразования. К.А. Зворыкин предложил схему сил, дейс­твующих на резец и уравнение для расчета силы резания. Я.Г. Усачев раз­работал методы измерения температуры в процессе резания и создал тео­рию наростообразования. Первый учебник по курсу «Резание металлов» был написан профессором МВТУ им. Н.Э. Баумана И.М. Беспрозванным и вышел в 1933г.

За прошедшее время существенно изменилось научно-теоретическое содержание учебного курса «Резание металлов». Дальнейшее развитие наука о резании металлов получила в работах известных советских ученых В.А. Кривоухова, Г.И. Грановского, Н.Н. Зорева, Т.Н. Лоладзе, В.Н. Подураева, А.Я. Малкина, В.А. Кудинова. Большое влияние на содержание курса оказали иностранные литературные источники, в частности труды Тейлора и статьи немецких ученых.

Наука о резании металлов - это бурно развивающаяся наука. В последние десятилетия в машиностроении произошли существенные изменения. Широко стала применяться автоматизация технологических процессов. Созданы и внедрены в практику новые конструкционные и инструментальные материалы, а также синтетические материалы. Широко ведутся научные исследования новых методов обработки металлов резанием, в том числе и на автоматизированных и высокопроизводительных станках с ЧПУ.

На современном этапе наука о резании металлов опирается на достижения физики твердого тела, теории пластичности, теории упругости, термодинамики, математической статистики и других областей знаний. Однако, сложность процессов и явлений, протекающих в зоне резания, неоднозначность связей между ними, специфические изменения свойств материалов в условиях высоких давлений и температур в зоне резания не всегда позволяют получить обобщающие теоретические зависимости, пригодные для любых условий обработки. Поэтому, важным орудием науки о резании является эксперимент, проводимый с использованием новейших методов и средств исследования и позволяющий установить эмпирические связи, использование которых дает возможность решать на практике сложные технологические и производственные задачи.

 

Структура предмета

Предмет «Резание металлов» состоит из нескольких основных разделов. В курсе изучаются следующие разделы:

а) Обрабатываемость материалов резанием.

б) Кинематика процессов резания.

в) Инструментальные материалы.

г) Стружкообразование при резании.

д) Силы резания.

е) Теплофизика процессов резания.

ж) Вибрация в резании.

з) Структурные схемы процессов резания.

и) Качество обработанной поверхности.

к) Износ и стойкость режущего инструмента.

л) Управление процессами резания.

м) Абразивная обработка.

н) Резание неметаллических материалов.

 

3. Резание металлов как основа формообразования деталей

Сущность технологии изготовления деталей машин состоит в последовательном использовании различных технологических способов воздействия на обрабатываемую заготовку с целью придать ей заданную форму и размеры указанной точности. Одним из таких способов является механическая об­работка заготовок резанием. Она осуществляется металлорежущим инстру­ментом и ведется на металлорежущих станках.

Обработка резанием заключается в срезании с обрабатываемой заго­товки некоторой массы металла, специально оставленной на обработку и называемой припуском. Припуск может удаляться одновременно с нескольких поверхностей заготовки или последовательно друг за другом с каждой об­рабатываемой поверхности. В ряде случаев припуск может быть настолько большим, что его срезают не сразу, а за несколько проходов. После сре­зания с заготовки всего припуска, оставленного на обработку, заготовка прекращает свое существование и превращается в готовую деталь.

Металл, удаленный в процессе резания заготовки, подвергается пластическому деформированию и разрушению. В результате этого материал припуска, отделенный от обрабатываемой заготовки, приобретает характерную форму и в таком виде его принято называть стружкой. Срезанная с заготовки стружка является побочным продуктом - отходом обработки металлов резанием. Все способы и виды обработки металлов, основанные на срезании припуска и превращении его в стружку, составляют разновидности, определяемые термином «Резание металлов». Все разновидности резания подчиняются общим закономерностям. Способы разделения металлов на части, например разрезка ножницами, к обработке резанием не относится. Условия деформирования обрабатываемого металла и образования новых поверхностей при разрезке ножницами не подчиняется закономерностям теории резания металлов.

 

4. Общие понятия. Терминология. Резание, как физико-химичес­кий процесс разрушения обрабатываемого материала

Рассмотрим основные составляющие механизмы резания.

Кинематика процесса резания - это закономерности относительного движения инструмента и заготовки без учета физических явлений, протекающих в зоне резания, и в первую очередь действующих сил и температур; при этом систему СПИД (станок-приспособление-инструмент- деталь) принимают абсолютно жесткой и не зависящей от всех видов физико-химических воздействий.

Механика процессов резания изучает условия механического взаимодейс­твия рабочих граней инструмента с обрабатываемым материалом на основе определения закономерностей упругих и пластических деформаций обраба­тываемого материала, а так же его разрушения с учетом трения на кон­тактных поверхностях инструмента. На основе этого строится схема про­цесса стружкообразования, находятся действующие напряжения, величина деформации, силы и работа резания.

Теплофизика процесса резания изучает закономерности превращения энергии в составляющих его различных явлениях, сопровождающихся поглощением и выделением теплоты. Наибольшее значение имеет преобразование механи­ческой энергии в тепловую. Работа резания, обусловленная приводами станка, тратится на повышение внутренней энергии материала заготовки и стружки, и выделяющуюся из зоны обработки теплоту.

Теплоструктура процесса резания изучает строение и физико-хими­ческие свойства обрабатываемого материала под действием возникающих при обработке сил и температур. При механической обработке в зоне ре­зания возникают высокие температуры (600-800°С), при этом градиент их повышения весьма высокий. Действие извне смазочно-охлажда­ющей жидкости обеспечивает интенсивное охлаждение образующейся поверх­ности и сходящей стружки. Все это вызывает интенсивные структурные превращения, благодаря которым, например, при плазменно-механической обработке многих сталей происходит формирование аустенитной структуры, и стружка становится не магнитной.

Температура процесса резания устанавливает связь между химическим структурным строением и физико-механическими свойствами исходного мате­риала заготовки, с одной стороны, стружки и поверхностного слоя из­готовленной детали - с другой.

Химические явления при резании протекают интенсивно вследствие образования в зоне отделения стружки от заготовки химически чистых (ювенильных) поверхностей, они находятся в весьма активном состоянии и, взаимодействуя с окружающей технологической средой, существенно влияют на протекание процесса резания. Причиной этого является образование пленок окислов на контактных поверхностях, которые существенно изменяют коэффициент трения стружки и заготовки о рабочие поверхности инструмента, но од­новременно ухудшают эксплуатационные свойства рабочих поверхностей изготовленных деталей.

Электромагнитные явления обусловлены при резании несколькими про­цессами, один из них - интенсивный нагрев зоны контакта инструмента с заготовкой, т.е. спая двух разнородных металлов. В результате этого в замкнутой цепи станок-приспособление-инструмент-заготовка возникает термоЭДС, которая оказывает значительное влияние на физику механизма резания. Например, рациональный вывод электрического тока или намагни­чивание инструмента приводят к повышению производительности механичес­кой обработки.

Таким образом, обработка резанием - это сложный процесс, совмещаю­щий большое число механических, тепловых, химических и электромагнит­ных явлений.

Методы обработки резанием определяют следующие основные признаки:

вид энергии, подводимой к зоне обработки (механическая, тепловая, химическая, электрическая, магнитная, ядерная).

Способ подвода энергии, характеризующийся взаимным положением за­готовки и рабочих поверхностей инструмента в пространстве и характером его изменения во времени. Контакт инструмента и заготовки характеризу­ется также его формой (точечное распределение воздействия, линейное, пространственное). Характер контакта инструмента и заготовки определя­ется также его изменением во времени (непрерывный, прерывистый, вибра­ционный, импульсный и т.д.).

Механизм резания определяет основной физико-химический процесс, обеспечивающий снятие материала с заготовки; такими процессами являют­ся - механическое разрушение (хрупкое или с предварительным пластичес­ким деформированием), плавление, испарение, электрохимическое раство­рение, электроэрозионное разрушение, травление (химическое разруше­ние).

Рабочий процесс определяет всю совокупность явлений, обеспечиваю­щих при использовании данного метода резания снятие с заготовки опре­деленного кинематической схемой слоя металла. Рабочий процесс склады­вается из механизма резания (основного рабочего процесса) и дополни­тельных явлений. Например, при токарной механической обработке рабочий процесс определяется только механизмом резания, однако при переходе к сверлению, особенно глубокому, он определяется еще дополнительным яв­лением - стружкоудалением из зоны обработки.

Схема формообразования характеризует закономерности относительно­го движения инструмента и заготовки без учета физических явлений, про­текающих в зоне обработки, действующих сил, температур и активных сред. Для этого систему СПИД принимают абсолютно жесткой, нетеплопро­водной, не проводящей электрический ток, химически не активной. Схема формообразования определяет кинематическую схему обработки, т.е. сово­купность относительных движений инструмента и обрабатываемой заготов­ки, необходимых для получения заданной поверхности. Таким образом, ос­новные признаки позволяют построить следующую классификацию методов обработки резанием.

Класс обработки объединяет многие методы обработки, использующие один и тот же вид энергии, подводимой извне, т.е. различают классы ме­ханической, тепловой, электрической и других методов обработки. Все методы обработки разделяют на две группы: группу обычных методов обра­ботки, характеризующиеся одним типом используемой энергии и одним спо­собом ее подвода (механической, электроэрозионной, электрохимической), и группу комбинированных методов, при которых в зону обработки подво­дятся два и более типов энергии или совмещаются различные способы их подвода.

Способ обработки определяет методы обработки, использующие один и тот же физико-химический механизм резания - основной рабочий процесс.

Методы обработки - частное решение одного из способов обработки или совокупность комбинаций частных решений одного, двух, и более спо­собов обработки. Примером методов обработки в случае использования класса обработки - механического резания - может быть силовое резание, использующее особую заточку инструмента. Примером комбинированного ме­тода - вибрационное сверление в специальных технологических средах.

Обработка резанием неразрывно связана с разрушением, т.е. работой затрачиваемой на образование новых поверхностей, таким образом поверх­ностная энергия является одним из физико-механических свойств материа­ла, определяющих его обрабатываемость резанием.

Эффектность операции механической обработки определяется отноше­нием внутренней энергии срезаемого объема материала D U к работе резания W, что назовем КПД h _n операции

h _n =D U / W (1.1)

Разрушение - единая основа обработки резанием.

Под обработкой резанием в общем виде понимают метод формообразо­вания деталей, основанный на отделении одной части заготовки от дру­гой, поэтому в основе физического механизма резания всегда наблюдается явление разрушения по заданной схеме формообразования поверхности ре­зания.

Кинематическое разрушение (организованное) определяется схемой резания, оно может давать при обработке размеры площади сечения среза­емого слоя от нескольких миллиметров (черновое точение) до весьма малых - нескольких микрометров (абразивная обработка.), при этом отделяемый от заготов­ки материал может сниматься в виде относительного потока, постоянного или пульсирующего во времени.

Физико-химическое разрушение (организованное) определяется зако­номерностями рабочего процесса, определяющего снятие материала срезае­мого слоя.

Разрушение обрабатываемого материала является необходимым элемен­том любого процесса резания, основными его видами являются механичес­кое, тепловое - плавлением или испарением, а также химическое. В ре­альных процессах обработки чаще имеют место комбинированные механизмы разрушения, совмещающие несколько его видов.

Чтобы при процессе резания произошел необходимый процесс разруше­ния, предварительно происходят сопутствующие и предшествующие ему фи­зико-химические процессы. При механической обработке предшествующими разрушению процессами являются упругая и пластическая деформация мате­риала, а сопутствующим - трение по рабочим поверхностям материала. Совокупное действие этих явлений обязательно должно обеспечить необходимое условие стружкообразования - доведение обрабатываемого материала по линии среза до разрушения. Разрушение сталей и сплавов, в частности, при повышенных температурах, сопровождающих процесс механической обработки, происхо­дит путем развития деформирования до некоторого критического состоя­ния, либо путем образования и роста трещин, т.е. хрупкого разрушения в микрообъемах сплава.

Возникновение одного из двух видов разрушения обусловлено механи­ческими характеристиками материала, определяющими его хрупкие и плас­тические свойства, и схемой напряженного состояния. Характер разруше­ния материала срезаемого слоя зависит от скорости и температуры.

Механическое разрушение (диспергирование) при прочих равных усло­виях зависит от площади вновь образуемых поверхностей. При лезвийной механической обработке, например токарной, может образовываться слив­ная, суставчатая и элементная стружка. Известно, что в первом случае процесс резания является наиболее энергетически выгодным, в этом слу­чае разрушение материала происходит по линии среза, а остальной мате­риал отделяется от заготовки путем его пластического деформирования. В этом случае диспергирования основной массы материала нет, и работа затрачивается на пластическое деформирование и трение.

Для осуществления процесса разрушения по всему сечению снимаемого слоя необходимы значения концентрации энергии, близкие к энергии связи структуры твердого тела (для металлов 10³ - 10⁶ Вт/см²).

Во всех случаях электрические и химические методы обработки ха­рактеризуются большим расходом энергии.

Подведём итог и дадим определение процессу резания материалов.

Резанием материалов называется любой физико-химический процесс обработки материала заготовки с целью получения годной детали с заданными размерной точностью и качеством обработанной поверхности, получаемыми при снятии поверхностного слоя, называемого припуском, с образованием побочного продукта в виде стружки (или растворённого, расплавленного или испарённого слоя материала).

 

Глава 2

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ