Qué (quién) es Обработка металлов резанием - definición

технологические процессы обработки металлов путём снятия стружки, осуществляемые режущими инструментами на металлорежущих станках (См. Металлорежущий станок) с целью придания деталям заданных форм, размеров и качества поверхностных слоев. Основные виды О. м. р.: Точение, Строгание, Сверление, Развёртывание, Протягивание, Фрезерование и зубофрезерование, Шлифование, хонингование и др. Закономерности О. м. р. рассматриваются как результат взаимодействия системы станок - приспособление - инструмент - деталь (СПИД). Любой вид О. м. р. характеризуется режимом резания, представляющим собой совокупность следующих основных элементов: скорость резания v, глубина резания t и подача s. Скорость резания - скорость инструмента или заготовки в направлении главного движения, в результате которого происходит отделение стружки от заготовки, подача - скорость в направлении движения подачи. Например, при точении (рис. 1) скоростью резания называется скорость перемещения обрабатываемой заготовки относительно режущей кромки резца (окружная скорость) в м/мин, подачей - перемещение режущей кромки резца за один оборот заготовки в мм/об. Глубина резания- толщина (в мм) снимаемого слоя металла за один проход (расстояние между обрабатываемой и обработанной поверхностями, измеренное по нормали). В сечении срезаемого слоя металла (см. рис. 1) рассматриваются такие элементы резания (физические параметры): толщина срезаемого слоя и ширина срезаемого слоя; их величина при постоянных t и s зависит от главного угла в плане j (см. Геометрия резца).

В разработку основ механики процесса резания большой вклад внесли русские и советские учёные: И. А. Тиме, К. А. Зворыкин, А. А. Брикс, А. В. Гадолин, Я. Г. Усачёв, А. Н. Челюсткин, И. М. Беспрозванный, Г. И. Грановский, А. М. Даниелян, Н. Н. Зорев, А. И. Исаев, М. В. Касьян, А. И. Каширин, В. А. Кривоухов, В. Д. Кузнецов, М. Н. Ларин, Т. Н. Лоладзе, А. Я. Малкин, А. В. Панкин, Н. И. Резников, А. М. Розенберг и др., а также зарубежные учёные: Мерчент и Эрнст (США), В. Дегнер, Р. Рейнгольд, Н. Якобс (ГДР), Х. Опиц (ФРГ), Окоси (Япония), К. Скршиван (ЧССР) и др. В области практики ряд ценных работ принадлежит советским рабочим-новаторам: Г. С. Борткевичу, П. Б. Быкову, В. И. Жирову, В. А. Карасёву, В. А. Колесову, С. И. Бушуеву, Е. И. Лебедеву, В. К. Семинскому и др.

В зависимости от условий резания стружка, снимаемая режущим инструментом (резцом (См. Резец), Сверлом, протяжкой (См. Протяжка), фрезой (См. Фреза) и др.) в процессе О. м. р., может быть элементной, скалывания, сливной и надлома. Характер стружкообразования и деформации металла рассматривается обычно для конкретных случаев, в зависимости от условий резания; от химического состава и физико-механических свойств обрабатываемого металла, режима резания, геометрии режущей части инструмента, ориентации его режущих кромок относительно вектора скорости резания, смазывающе-охлаждающей жидкости и др. Деформация металла в разных зонах стружкообразования различна, причём она охватывает также и поверхностный слой обработанной детали, в результате чего он приобретает Наклёп и возникают внутренние (остаточные) напряжения, что оказывает влияние на качество деталей в целом.

В результате превращения механической энергии, расходуемой при О. м. р., в тепловую возникают тепловые источники (в зонах деформации срезаемого слоя, а также в зонах трения контактов инструмент - стружка и инструмент - деталь), влияющие на стойкость режущего инструмента (время работы между переточками до установленного критерия затупления) и качество поверхностного слоя обработанной детали. Описание температурного слоя в зоне резания (рис. 2) может быть получено экспериментально, расчётным путём или моделированием процесса резания на ЭВМ. Тепловые явления при О. м. р. вызывают изменение структуры и физико-механических свойств как срезаемого слоя металла, так и поверхностного слоя детали, а также структуры и твёрдости поверхностных слоев режущего инструмента. Процесс теплообразования зависит также от условий резания. Скорость резания и свойства обрабатываемого металла существенно влияют на температуру резания в зоне контакта стружки с передней поверхностью резца (рис. 3). Тепловые и температурные факторы процессов О. м. р. выявляются следующими экспериментальными методами: калориметрическим, при помощи термопар по изменению микроструктуры (например, поверхности инструмента), при помощи термокрасок, оптическим, радиационным и др. Трение стружки и обрабатываемой детали о поверхности режущего инструмента, тепловые и электрические явления при О. м. р. вызывают его изнашивание. Различают следующие виды износа: адгезионный, абразивно-механический, абразивно-химический, диффузионный, электродиффузионный. Характер изнашивания металлорежущего инструмента является одним из основных факторов, предопределяющих выбор оптимальной геометрии его режущей части. При выборе инструмента в зависимости от материала его режущей части и др. условий резания руководствуются тем или иным критерием износа. На рис. 4 показан характер изнашивания задней поверхности резца. Его переточку надо осуществлять после времени работы T₂ при износе h_oпт (до наступления критического износа h_k, соответствующего T₃).

Система сил, действующих при О. м. р., может быть приведена к единой равнодействующей силе. Однако для решения практических задач не обязательно знать величину этой силы, важное значение имеют её составляющие: P_z - сила резания, действующая в плоскости резания в направлении главного движения; Р_у - радиальная составляющая, действующая перпендикулярно к оси заготовки (при точении) или оси инструмента (при сверлении и фрезеровании); P_x - сила подачи, действующая в направлении подачи. Силы P_z, Px, Ру влияют на условия работы станка, инструмента и приспособления, точность обработки, шероховатость обработанной поверхности детали и т.д. На величину этих сил влияют свойства и структура обрабатываемого материала, режим резания, геометрия и материал режущей части инструмента, метод охлаждения и др. Сила P_z обычно является наибольшей - на её преодоление расходуется наибольшая мощность. Способы определения P_z, Р_у, P_x могут быть теоретическими и экспериментальными, определяемыми с помощью специальных динамометров. На практике часто используют полученные на основе экспериментов эмпирические формулы. Затрачиваемая мощность (в квт) для большинства процессов О. м. р.:

N_э = P_z ·v/60·102,

где P_z - составляющая силы резания в направлении подачи в н (кгс), v - скорость резания в м/мин, потребная мощность электродвигателя станка N_cт = N_э/h, где h - кпд станка.

Скорость резания, допускаемая режущим инструментом, зависит от тех же факторов, что и силы резания, и находится в сложной зависимости от его стойкости (рис. 5).

Значительное влияние на О. м. р. оказывают активные смазочно-охлаждающие жидкости, при правильном подборе, а также при оптимальном способе подачи которых увеличивается стойкость режущего инструмента, повышается допускаемая скорость резания, улучшается качество поверхностного слоя и снижается шероховатость обработанных поверхностей, в особенности деталей из вязких жаропрочных и тугоплавких труднообрабатываемых сталей и сплавов. Вынужденные колебания (вибрации) системы СПИД, а также автоколебания элементов этой системы ухудшают результаты О. м. р. Колебания обоих видов можно снизить, воздействуя на вызывающие их факторы - прерывистость процесса резания, дисбаланс вращающихся частей, дефекты в передачах станка, недостаточную жёсткость и деформации заготовки и др.

Эффективность О. м. р. определяется установлением рациональных режимов резания, учитывающих все влияющие факторы. Для ускорения расчёта часто применяют ЭВМ. Расчёт режимов резания на ЭВМ сводится к предварительному отбору исходной информации, разработке и конкретизации алгоритмов, заполнению операционных карт исходной информацией, её кодированию и программированию алгоритмов.

Повышение производительности труда и уменьшение потерь металла (стружки) при О. м. р. связано с расширением применения методов получения заготовок, форма и размеры которых максимально приближаются к готовым деталям. Это обеспечивает резкое сокращение (или исключение полностью) обдирочных (черновых) операций и приводит к преобладанию доли чистовых и отделочных операций в общем объёме О. м. р.

Дальнейшее направление развития О. м. р.: интенсификация процессов резания, освоение обработки новых материалов, повышение точности и качества обработки, применение упрочняющих процессов, автоматизации и механизации обработки.

Лит.: Беспрозванный И. М., Основы теории резания металлов, М., 1948; Русские учёные - основоположники науки о резании металлов: И. А. Тиме, К. А. Зворыкин, Я. Г. Усачёв, А. Н. Челюсткин. Жизнь, деятельность и избранные труды, М., 1952; Резание металлов, М., 1954; Аваков А. А., Физические основы теории стойкости режущих инструментов, М., 1960; Панкин А. В., Обработка металлов резанием, М., 1961; Развитие науки о резании металлов, М., 1967; Электрические явления при трении н резании металлов, М., 1969: Брюхов В. А., Павлов Э. Н., Расчет режимов резания и нормирование с помощью ЭВМ, М., 1969; Роман О. В., Левенцов А. А., Шелковский И. Ф., Обработка металлов резанием и станки, Минск, 1970.

Д. Л. Юдин.

Рис. 1. Элементы режима резания при точении: 1 - обрабатываемая поверхность; 2 - поверхность резания; 3 - обработанная поверхность; D - диаметр обрабатываемой заготовки; d - диаметр детали после обработки; а и б - толщина и ширина срезаемого слоя.

Рис. 2. Температурное поле на поверхностях сверла (деталь - сталь 45; сверло из быстрорежущей стали; v = 25 м/мин; s = 0,11 мм/об; без охлаждения).

Рис. 3. Влияние свойств обрабатываемого металла на температуру резания: 1 - сталь Ст. 3; 2 - сталь 4OX; 3 - чугун; 4 - латунь; 5 - алюминий.

Рис. 4. Характер изнашивания задней поверхности режущего инструмента: OA - период приработки; AB - период рабочего изнашивания; ВС - период катастрофического изнашивания.

Рис. 5. Зависимость стойкости резца от скорости резания (t = 1 мм; s = 0,1 мм/об).

процесс обработки давлением листового или сортового металла, обычно осуществляемый без нагрева заготовки. При Х. ш. процесс изготовления деталей расчленяется на операции и переходы, выполняемые в специализированных штампах. Х. ш. сопровождается упрочнением, т. е. увеличением прочности металла и уменьшением его пластичности, затрудняющим деформирование в последующих операциях. Для устранения вредного влияния упрочнения применяют межоперационную термообработку (рекристаллизационный отжиг). Х. ш. позволяет получать детали высокой точности, с поверхностью хорошего качества, почти не требующие в процессе изготовления обработки резанием. Отсутствие нагрева при Х. ш. создаёт благоприятные предпосылки для механизации и автоматизации технологического процесса, что повышает производительность и улучшает условия труда.

При Х. ш. листового металла (см. также Листовая штамповка) в разделительных операциях разрушение происходит при меньшем внедрении режущих кромок инструмента в заготовку, чем при горячей штамповке листового металла, а сопротивление срезу составляет примерно 0,8 предела прочности. В формоизменяющих операциях Х. ш. листового металла на допустимую степень деформации существенное влияние оказывает упрочнение. Увеличение допустимой степени деформации в операциях Х. ш. достигается созданием оптимальных условий деформирования (схема силового воздействия, конструкция штампа, рациональная конфигурация рабочего инструмента, скорость деформирования, смазка и т.п.). При листовой Х. ш. заготовка получает разные деформации в различных участках и соответственно различное упрочнение. Сочетание рационального распределения деформаций, зависящего от размеров и формы заготовки, а также типа применяемых операций и условий их осуществления, с термическими операциями (как для всей заготовки, так и для отдельных её частей) позволяет получать наилучшие эксплуатационные свойства деталей (жёсткость, прочность, износостойкость и т.п.) при наименьшей массе деталей (облегчённые конструкции).

Х. ш. сортового металла (см. также Объёмная штамповка) разделяется на штамповку в открытых штампах, холодное выдавливание, холодную высадку (См. Холодная высадка). Объёмная Х. ш. осуществляется в штампах, аналогичных штампам объёмной горячей штамповки, обеспечивающих последовательное приближение формы заготовки к форме детали. Вследствие упрочнения процесс Х. ш. обычно расчленяется на большее число операций и переходов, чем при горячей штамповке, а для увеличения пластичности и уменьшения сопротивления деформированию используют межоперационные отжиги. При холодной объёмной штамповке в открытых штампах применяют промежуточную обрезку заусенца, что позволяет уменьшить усилие деформирования и повысить точность размеров штампуемых изделий. Удельные усилия деформирования при холодной объёмной штамповке достигают 3000 Мн/м², что вынуждает использовать этот процесс только для изготовления деталей небольших размеров. Для уменьшения удельных усилий штамповки применяют смазку, противостоящую выдавливанию с контактных поверхностей при высоких удельных усилиях (например, минеральные масла с наполнителями в виде графита, талька, дисульфида молибдена и т.п.). Холодное выдавливание осуществляется по схемам деформирования, сходным с прессованием металлов (См. Прессование металлов). Используют прямое, обратное, боковое и комбинированное выдавливания, различающиеся направлением течения металла по сравнению с направлением смещения пуансона относительно матрицы. При комбинированном выдавливании в рабочем инструменте имеется несколько каналов, по которым металл вытекает из полости матрицы, причём могут одновременно иметь место элементы прямого, обратного или бокового выдавливания. Холодным выдавливанием получают сплошные и полые детали довольно сложной конфигурации. Схема всестороннего сжатия, при которой происходит холодное выдавливание, обеспечивает увеличение пластичности металла и позволяет получать без разрушения большое формоизменение заготовки. Упрочнение металла, возникающее при холодном выдавливании, ограничивает допустимое формоизменение и вынуждает в ряде случаев использовать межоперационные отжиги; кроме того, из-за больших удельных усилий деформирования допустимое формоизменение обычно ограничивается и прочностью инструмента. Для уменьшения удельных усилий деформирования подбирают рациональные форму и размеры инструмента, применяют различные смазки. Повышенная прочность инструмента достигается использованием высокопрочных инструментальных сталей, рациональной термообработкой пуансонов и матриц, бандажированием матриц и т.п. Из пластичных металлов и сплавов Х. ш. можно получать полые детали с толщиной стенки в десятые и даже сотые доли мм.

Наряду с традиционными методами Х. ш. всё более широкое применение получают беспрессовые виды штамповки (взрывная, электрогидравлическая, электромагнитная и т.д.).

Лит.: Романовский В. П., Справочник по холодной штамповке, 5 изд., Л., 1971.

Е. А. Попов.