14. Основи теорії різання (0)

Усадка стружки

Під час оброблення пластичних металів (сталей і більшості кольорових металів та їхніх сплавів) довжина стружки Lc (рис. 22.1) зменшується порівняно з довжиною ходу інструмента L0, а її товщина аc стає більшою за товщину зрізуваного шару a0. Це явище називається усадкою стружки та характеризується коефіцієнтом усадки К:

Рис. 22.1. Схема усадки стружки

Коефіцієнт усадки завжди більший одиниці і для сталей коливається приблизно в межах 1,5...2. За його величиною можна непрямо судити про ступінь деформації елементів стружки та кількості роботи, що витрачається на різання.

Більшій усадці піддається стружка сколювання, що утворюється при порівняно невеликих значеннях швидкості різання і переднього кута інструмента. Елементи такої стружки майже повністю відокремлюються, але досить міцно пов'язані одне з одним. В проміжках між сколюванням сусідніх елементів сила опору різання різко зменшується, що сприяє виникненню вібрацій, що є однією з причин викришування кромки різця та збільшення шорсткості оброблюваної поверхні.

Інша картина спостерігається при утворенні зливної стружки, що набуває меншої усадки, ніж стружка сколювання. У цьому випадку сила опору металу різанню більш постійна, оскільки кожний елемент стружки при високій швидкості різання не встигають цілком відокремитися. У зрізуваному шарі відбувається в основному зсув металу. Різання перебігає більш спокійно. Чистота оброблюваної поверхні виходить більш високою. На утворення зливної стружки витрачається менше енергії, ніж на стружку сколювання.

Таким чином, величина усадки та вид стружки при обробленні пластичних металів можуть служити зовнішніми показниками раціонально обраного режиму різання та геометрії інструмента.

Наріст

При обробленні пластичних металів з невеликою швидкістю різання на передній поверхні фрези утворюється невелика купка металу, що називається наростом.

Наріст являє собою спресовані частки оброблюваного металу, міцно приварені до передньої поверхні фрези. Утворення його пояснюється застоєм стружки. Оскільки найбільшому застою піддаються її шари біля різальної кромки, то вони в результаті тертя затримуються (застоюються) на передній поверхні, утворюючи наріст. Він запобігає стиранню різальної кромки, збільшує дійсний передній кут γд, що полегшує процес різання.

Однак утворення наросту небажане при чистовому фрезеруванні у зв'язку зі збільшенням шорсткості оброблюваної поверхні. У міру досягнення граничної величини наріст обволікає різальну кромку й зрізується нею. При цьому частина його вдавлюється в оброблену поверхню, збільшуючи її шорсткість.

Наріст виникає не завжди. При більшій величині переднього кута, при низькій і більшій швидкості різання конструкційних сталей (до 2...3 м/хв і понад 80 м/хв) наріст не утримується на передній поверхні зуба фрези. Це пояснюється тим, що при більшому значенні переднього кута зменшується усадка і ступінь деформації стружки. Якщо швидкість різання мала, то в результаті низької температури наріст не приварюється до зуба фрези і йде зі стружкою, а при більшій швидкості висока температура розм'якшує його, і він також йде зі стружкою.

Окрім того, уникнути наросту можна поліруванням або доведенням передньої поверхні зуба фрези, застосуванням змащувально-охолодних рідин з більшою змащувальною поверхнею, зменшенням подачі та збільшенням переднього кута.

Фреза тисне не тільки на зрізуваний шар металу, але й також на оброблену поверхню. Остання, ущільнюючись, набуває підвищеної твердості (приблизно в 1,5 рази вищої за матеріал деталі). Це явище називається оброблювальним твердінням або наклепом.

Глибина наклепаного шару зростає зі збільшенням подачі, затупленням інструмента і зменшується зі збільшенням швидкості різання. Збільшенню наклепаного шару сприяє також зустрічне фрезерування. Чим м'якша сталь, тим більше піддається оброблювальному твердінню. Крихкі метали, такі як сірий чавун, майже не піддаються наклепу.

При чорновому обробленні глибина наклепаного шару може досягнути 0,5 мм, при чистовій — вимірюється сотими частками міліметра.

Наклепана поверхня, маючи більшу твердість, має більш високу зносостійкість, але у той же час більш крихка; при знакозмінних навантаженнях вона тяжіє до утворення поверхневих тріщин.

З погляду процесу різання глибина різання при чистовому фрезеруванні має бути більшою за глибину наклепаного шару. У цьому випадку зуб фрези нібито підрізує цей шар зсередини і менше зношується. Цьому також сприяє застосування попутного методу фрезерування.

Геометрія фрези визначається кутами розташування поверхонь і різальних кромок зубів (рис. 22.2—22.4.).

Рис. 22.2. Геометрія циліндричної фрези:

N — головна січна поверхня; α — задній кут; γ — передній кут; 1 — передня поверхня леза; 2 — головна різальна кромка;

3 — головна задня поверхня леза; 4 — допоміжна задня поверхня; 5 — спинка зуба

Рис. 22.3. Геометрія торцевої фрези:

α — задній кут; γ — передній кут; φ — головний кут у плані

Рис. 22.4. Геометрія кінцевої фрези:

α — задній кут; γ — передній кут

Особливості виготовлення фрез

Фрези зі швидкорізальних сталей виконуються цільними, зварними та збірними.

Суцільна конструкція застосовується для насадних фрез порівняно невеликого діаметра або малої ширини. Незважаючи на простоту виготовлення, такі фрези мають і істотні недоліки: великі витрати коштовної швидкорізальної сталі, з якої виконано не тільки різальні зуби, але й корпус фрези; неможливістю відношення первинних розмірів мірних фрез після зносу.

Зварними виконуються кінцеві та шпонкові фрези діаметром понад 12 мм, хвостовики яких виготовляються з дешевої конструкційної сталі, що приварюються стиковим зварюванням до швидкорізальної робочої частини.

Найекономічнішою в експлуатації є збірна конструкція фрез, у якій швидкорізальні ножі (зуби) механічно кріпляться в пазах корпуса, виконаного з конструкційної сталі. Такі фрези дозволяють багаторазово використовувати корпус і відновлювати розміри фрези після зносу.

Оснащення фрез твердим сплавом здійснюється шляхом використання цільнонапаяних або збірних конструкцій. У першому випадку пластинки твердого сплаву припаюють міддю до корпусу фрези, у другому — до ножів або кріплять механічно в корпусі фрези.

Процес напаювання твердого сплаву, крім суто технічної складності, пов'язаний з частими випадками неякісного припаювання пластин і утворення на них мікротріщин, обумовлених внутрішніми напругами, що виникають при нагріванні й охолодженні різнорідних металів, що врешті-решт призводить до нераціональних витрат коштовного твердого сплаву. Внаслідок цього галузь використання цільнонапаяних фрез обмежується фрезами невеликих розмірів, а в збірних конструкціях останнім часом намітилася тенденція механічного кріплення пластинок твердого сплаву безпосередньо до корпусу фрези.

У цьому напрямку заслуговує на увагу вдале конструктивне рішення зі створення торцевих фрез із механічним кріпленням круглих і багатогранних непереточуваних пластинок (рис. 22.5.). Такі фрези складаються з кільця 1, корпуса 2, призматичних державок 3 із запресованими в них штифтами 4, на які вільно встановлюються твердосплавні пластинки 5. Кріплення пластинок у корпусі фрези здійснюється за допомогою гвинтів 7 і шайб 8. Пружини 6, встановлювані в гнізді кільця 1, служать для попереднього підтиску пластинок до базової поверхні кільцевої канавки корпуса. Необхідна геометрія зубів фрези досягається передбаченим положенням пластинок відносно корпуса. Фрези постачаються 8—10 комплектами запасних пластинок, які не можна змішувати між собою, оскільки пластинки кожного комплекту спеціально відсортовані за розмірами з метою зменшення биття фрези.

Рис. 22.5. Торцеві фрези:

а, б — з круглими та багатогранними пластинками твердого сплаву; 1 — кільце; 2 — корпус; 3 — призматична державка; 4 — штифт; 5 — твердосплавні пластинки; 6 — пружина; 7 — гвинт; 8 — шайба; в — ротаційного різання; 1 — обертова кругла пластинка; 2 — різцева головка

Для зрізування великих припусків до 20 і більше міліметрів з поверхонь литих і кованих заготовок створено конструкції багатоступінчастих фрез із механічним кріпленням пластинок твердого сплаву. Двоступінчасту торцеву фрезу (рис. 22.5, б) оснащено п'ятигранними твердосплавними пластинками. Фреза має 12 зубів, що розподілені через зуб по двох кругових ступенях, зсунутих між собою в осьовому напрямку на 1/2 припуску на оброблення та в радіальному напрямку на 2—4 мм. Завдяки розділенню загального припуску між зубами ступенів зменшуються витрати потужності на фрезерування, підвищується продуктивність оброблення за рахунок скорочення кількості проходів.

Широке застосування різальних інструментів з непереточуваними пластинками твердого сплаву сприяло виникненню нового, досить ефективного способу підвищення їх зносостійкості та твердості. Для цього пластинки найміцніших марок твердого сплаву (ВК8, Т5К10, ТТ7К12) вкривають тонким шаром (5—15 мкм) зносостійкого карбіду титану TiC або нітриду титану ТiN, що дозволяє підвищити їх стійкість у 3...4 рази.

Останнім часом у машинобудуванні набули поширення торцеві фрези (рис. 22.5, в), дія яких заснована на методі ротаційного (обертового) різання. Принципова різниця конструкції таких фрез полягає в тому, що як зубці у них використовуються спеціальні різцеві головки 2, оснащені обертовими круглими пластинками 1 чашкової форми зі швидкорізальної сталі або твердого сплаву. У процесі різання за рахунок сил тертя і певного нахилу пластинки отримують обертовий рух навколо власної осі. Завдяки заміні ковзання в місцях їх контакту із заготовкою на кочення і постійному відновленню активних ділянок, різальних кромок стійкість фрез ротаційного різання набагато підвищується.

Контрольні запитання

1. Що називається усадкою стружки?
2. Як визначити коефіцієнт усадки?
3. Що являє собою наріст?
4. У чому причина появи наросту?
5. Що називається наклепом?
6. Від чого залежить величина наклепаного шару?
7. Назвіть основні елементи геометрії фрези.