Понятие о рабочих процессах машин

Общие сведения о процессе резания

Определение и классификация процессов резания

Резание — это технологический процесс разрушения связей между частицами обрабатываемого материала по заданной поверхности с целью получения изделия требуемых размеров, формы и шероховатости. Процесс резания может быть реализован разнообразными способами. По виду объекта, действующего на заготовку, различают: резание твердым резцом, световым лазерным лучом, гидравлической струей и другими носителями энергии. Основным в современной технологии обработки древесины является процесс резания твердыми резцами из металлов или твердых сплавов, или резцовое резание.

Резцовое резание, в свою очередь, можно классифицировать по разным признакам:

1) способу получения заданной поверхности:

бесстружечное резание, при котором заданная поверхность получается без снятия стружек путем отделения за один проход резца малодеформированного среза материала;

стружечное резание, при котором для получения заданной поверхности с заготовки срезаются стружки, в обычных условиях резания получающие деформации по всему объему или значительной его части (стружечное резание имеет место в большинстве процессов обработки на дереворежущих станках);

2) степени сложности:

элементарное (простое) резание, не поддающееся дальнейшему упрощению;

сложное резание, имеющее место при обработке разнообразными режущими инструментами на станках.

Элементарное резание и его закономерности изучают для того, чтобы научиться понимать процессы сложного резания, раскладывая их на составные элементы, сводя к более простым процессам.

Движения в процессе резания

На схеме резания (рис. 8.1) показаны: предмет труда до обработки — заготовка 4 и после обработки резанием — деталь 10, а также режущий элемент 7 рабочего орудия во взаимодействии с заготовкой. В процессе резания исходная обрабатываемая поверхность 2 подлежит трансформации в обработанную поверхность 6 детали. Для этого с заготовки должна быть удалена часть материала — припуск 3. Режущий элемент воздействует на заготовку прежде всего лезвием — активным ребром клина с режущей кромкой 9, формирующим новую поверхность в заготовке — поверхность резания 7. Часть припуска, заключенная между двумя смежными поверхностями резания, составляет срезаемый слой 5. Срезаемый слой, удаленный с заготовки лезвием и получивший объемную деформацию (изменение формы и размеров), называется стружкой 8. В простейшем случае припуск совпадает со срезаемым слоем, а поверхность резания — с обработанной поверхностью детали.

Рис. 8.1 а - деталь до обработки, б – деталь после обработки

Рассмотрим элементарную технологическую задачу, решаемую резанием. Пусть с заготовки для получения плоской поверхности требуется удалить припуск. При небольших размерах припуска резец снимает его за один проход. Однако при значительных размерах припуска такое решение неудовлетворительно: либо действующие со стороны заготовки на резец большие силы сопротивления резанию приведут к чрезмерной деформации резца и его поломке, либо качество обработанной поверхности будет недопустимо низким.



В этом случае задача решается послойным удалением припуска: сначала резцу сообщают движение резания, в результате которого отделяется первый слой и на заготовке формируется поверхность резания. Затем резец возвращают в исходное положение и, сообщая ему движение, перпендикулярное движению резания, перемещают в новое исходное положение, после чего осуществляют новое движение резания и срезают второй слой. Рассмотренные движения могут быть приданы как резцу, так и заготовке.

Стружка — это часть материала, срезанная с обрабатываемого объекта за один проход резца. В случае обработки на ножницах, высечках и штампах отделяемые части материала носят название срезков. Поверхность, образованная после отделения стружки, называется поверхностью резания.

Главное движение — это простое движение лезвия, обеспечивающее удаление одного срезаемого слоя. Движение подачи — простое движение лезвия, необходимое для последовательного удаления ряда срезаемых слоев.

В процессе резания может быть одно главное движение и одно или несколько движений подачи. Главное движение и движение подачи составляют основу хода резания, т.е. комплекса движений лезвия, обеспечивающих образование одной поверхности резания. Движения хода резания (главное и подачи) могут происходить непрерывно или прерывисто, одновременно или попеременно. Если одновременно с главным движением совершается еще хотя бы одно движение, каждая точка лезвия при резании совершает сложное
движение.

Движением резания принято называть сложное движение лезвия при образовании поверхности резания.

Для многократного повторения ходов резания лезвие должно возвращаться в положение, исходное для начала очередного хода резания. Совокупность движений возврата составляет холостой ход.

Каждое движение характеризуется траекторией движения точки режущей кромки и законом движения этой точки вдоль траектории. В процессах резания древесины траекториями простых движений являются, как правило, прямая и окружность.

Скорость сложного движения определяется как геометрическая сумма скоростей одновременно совершаемых движений.

Так, скорость движения резания в большинстве станочных процессов складывается из скорости главного движения и скорости подачи . Учитывая, что скорость главного движения, как правило, во много раз превосходит скорость подачи и других движений хода резания, для практических целей можно считать траекторию резания совпадающей с траекторией главного движения и принимать , оговаривая при этом вносимую погрешность.

Геометрия резца

При анализе процесса резания можно ограничиться рассмотрением активной части режущего элемента — лезвия. Под геометрией лезвия понимают совокупность характеристик его формы и расположения в пространстве. Пусть клиновидное лезвие 3 прошло в заготовке 4 некоторый путь (рис. 2, а), образуя стружку 2. В режущей части клина можно выделить следующие элементы: переднюю поверхность , контактирующую со срезаемым слоем 1 и стружкой; заднюю поверхность примыкающую к режущей кромке 5 и обращенную к формируемой в заготовке поверхности резания режущую кромку 5, образованную пересечением передней и задней поверхностей. В более сложных случаях полузакрытого (рис. 2, б) и закрытого (рис. 2, в) резания следует различать режущие кромки: главную AB и вспомогательные BC и AD. Соответственно у лезвия выделяют задние поверхности: главную, примыкающую к главной режущей кромке, и вспомогательные, примыкающие к вспомогательным режущим кромкам. Главной считается режущая кромка, формирующая большую сторону сечения срезаемого слоя. Вспомогательные режущие кромки формируют меньшие стороны. Элемент сопряжения главной и вспомогательной режущих кромок называют вершиной лезвия (точки А и В).

Рис. 8.2. Геометрия лезвия: а — элементы геометрии; б — полузакрытое резание; в — закрытое резание; г — отрицательный задний угол; д — отрицательный передний угол

Передняя и задняя поверхности могут иметь любую форму (вогнутую, выпуклую или ломаной линии). Сопряжение режущих кромок может быть радиусным или точечным.

Положение режущих кромок и поверхностей лезвия в пространстве определяет угловые параметры процесса резания. Для определения углов установлены исходные координатные плоскости: основная плоскость и плоскость резания (см. рис. 8.2, а).

Основная плоскость — координатная плоскость, проведенная через рассматриваемую точку, например , режущей кромки перпендикулярно направлению скорости главного или результирующего движения резания в этой точке. Плоскость резания — координатная плоскость, касательная к режущей кромке в рассматриваемой точке и перпендикулярная основной плоскости .

Дополнительными координатными плоскостями являются главная и нормальная секущие плоскости. Главная секущая плоскость — координатная плоскость, перпендикулярная линии пересечения основной плоскости и плоскости резания . Нормальная секущая плоскость — плоскость, перпендикулярная режущей кромке в рассматриваемой точке (на рис. 8.2 плоскости и совпадают).

Выделяют также рабочую плоскость , в которой расположены векторы скоростей главного движения резания и движения подачи (показана на рис. 8.3, д).

Угловые параметры резания характеризуются главными (при главной режущей кромке) и вспомогательными (при вспомогательной режущей кромке) углами, углом наклона главной режущей кромки.

Различают следующие углы (показаны на рис. 8.2, а для главной режущей кромки): — передний угол — угол в секущей плоскости между передней поверхностью лезвия и основной плоскостью ; — задний угол — угол в секущей плоскости между задней поверхностью лезвия и плоскостью резания ; — угол заострения — угол в секущей плоскости между передней и задней поверхностями лезвия.

Сумма заднего угла и угла заострения называется углом резания . Между главными углами существует простейшая связь:

(8.1)

В случае, когда задняя поверхность лезвия оказывается под поверхностью резания (т. е. когда угол а прочерчивается в пределах контура лезвия), задний угол считают отрицательным (рис. 2, г). Передний угол у также считают отрицательным, если он прочерчивается в пределах контура лезвия (рис. 2, д). С учетом знаков углов и равенство справедливо во всех случаях.

Главные углы могут рассматриваться в инструментальной, статической и кинематической системах координат (ГОСТ 25762-83).

Рис. 8.3. Измерение главных углов резания: а — система координат инструментальная; б - то же, статическая; в — то же, кинематическая; г — изменение кинематических углов в нормальном сечении; д — положение рабочей плоскости в процессе пиления; е – схема резания при статическом угле наклона ; ж — то же, при и наличии дополнительного движения со скоростью ; з — то же, при и

Инструментальная система координат — прямоугольная система координат с началом в вершине лезвия, ориентированная относительно геометрических элементов режущего инструмента, принятых за базу (рис. 8.3, а). Применяется для описания конструкции режущего элемента или инструмента в целом, например при конструировании и изготовлении.

Статическая система координат — прямоугольная система координат с началом в рассматриваемой точке режущей кромки, ориентированная относительно направления скорости главного движения резания . Определяет геометрию лезвия и его положение относительно заготовки в статике, т.е. без учета параметров главного движения и движения подачи (рис. 8.3, б).

Кинематическая система координат — прямоугольная система координат с началом в рассматриваемой точке режущей кромки, ориентированная относительно направления скорости результирующего движения резания (рис. 3, в). Фактические величины углов в процессе резания находят отражение только в кинематической системе координат.

Рассмотрим кинематические углы подробнее. На рис. 8.3, г показано лезвие, перемещающееся относительно заготовки с результирующей скоростью , причем вектор совпадает с нормалью к режущей кромке (в этом случае режущая кромка расположена в основной плоскости ). Тогда на рис. 8.3, г плоскость XZ совпадает с плоскостями главной секущей и нормальной секущей . Положение плоскости резания совпадает с осью X, а положение основной плоскости — с осью Z. По определению находим кинематические углы для главной режущей кромки (главные кинематические углы): — задний, — заострения, - передний (буква «н» в обозначении напоминает о том, что режущая кромка нормальна к векторам и ).

Связь между кинематическими углами , , и статическими углами , , устанавливают через угол движения (см. рис. 8.3, г, д):

(8.2)

(8.3)

где — технологический угол между векторами скоростей и , (задан схемой обработки).

При формула для угла упрощается: .

В практике резания древесных и облицовочных материалов распространены случаи, когда вектор скорости главного или результирующего движения не совпадает с нормалью к режущей кромке, т. е. случаи, когда режущая кромка наклонена к основной плоскости на некоторый угол (рис. 8.3, е, ж, з; на них заготовка и резец показаны в плане).

Угол наклона режущей кромки следует определять как сумму статического угла наклона (см. рис. 8.3, е, з) и кинематического угла наклона (см. рис. 8.3, ж, з). Статический угол задается установкой лезвия в статической системе координат. Кинематический угол появляется в схемах резания, где скорость главного движения v задается как геометрическая сумма собственно главного движения со скоростью и дополнительного движения вдоль режущей кромки со скоростью (см. рис. 8.3, ж, з):

(8.4)

(8.5)

где — технологический угол между векторами скоростей и (задан схемой обработки).

При формула для угла упрощается: .

Таким образом, в общем случае (при учете движения подачи и наклона режущей кромки к основной плоскости) кинематические углы равны:

(8.6)

(8.7)

(8.8)

Технолог должен знать закономерности изменения статических углов резания при работе инструмента и уметь учитывать эти изменения при разработке требований к режущему инструменту и выборе режима резания. Значения наилучших углов , , выбирают по справочной литературе. Затем по соотношениям (8.4)…(8.8) следует определить кинематические углы, приведенные к нормальному сечению: , , . Далее по формулам (8.2) и (8.3) установить статические углы лезвия , , . Именно эти статические углы контролируют измерением их в нормальной секущей плоскости .

Режущая кромка лезвия представляет собой переходную кривую поверхность, соединяющую переднюю и заднюю поверхности. Характеристики переходной поверхности объединяются в понятие микрогеометрии лезвия. Различают продольную (вдоль кромки) и поперечную (в нормальном сечении) микрогеометрии. Продольная микрогеометрия (рис. 8.4, а) характеризуется «шероховатостью» режущей кромки. Поперечная микрогеометрия характеризуется профилем лезвия в нормальном сечении. Идеальный геометрический клин был бы идеально острым (рис. 8.4, б). Кромка реального лезвия, проработавшего некоторое время, может быть принята за дугу окружности радиуса (рис. 8.4, в). Радиус называют радиусом округления режущей кромки. В начальном состоянии режущие элементы инструмента для резания древесины характеризуются показателями: шероховатость кромки (средняя высота наибольших неровностей профиля) 4…5 мкм, радиус округления 2…5 мкм.

Рис. 8.4. Микрогеометрия лезвия: а — продольная; б, в, г — поперечная

Во время резания в результате сложных физико-химических процессов происходит износ лезвия — изменение геометрии и микрогеометрии его элементов. Следствием износа является затупление лезвия, т.е. потеря им остроты, режущих свойств. Затупление лезвия характеризуют различными параметрами. В большинстве случаев резания натуральной древесины ограничиваются величиной радиуса округления , так как этот параметр оказывает главное влияние на силы резания и стружкообразование. В тех случаях, когда происходит интенсивный износ лезвия по задней поверхности, параметром затупления может служить величина износа по задней грани — ширина фаски (рис. 8.4, г).

Стружкообразование

Общая схема. Закономерности образования стружек посвящен специальный раздел учения о резании — теория стружкообразования.

Форма стружки находится в тесной взаимосвязи с усилиями резания и качеством обработанной поверхности. Познавая закономерности образования стружки, мы получаем возможность управлять процессом резания. Рассмотрим общую схему стружкообразования (рис. 8.9, а). Она приблизительно соответствует резанию поперек волокон, если считать, что в этом направлении древесина ведет себя как изотропный материал, обладающий свойствами, средними между свойствами ранней и поздней древесины. Если резец идеально острый ( ), то исключается силовое воздействие режущей кромки и задней грани и сила со стороны резца в целом равна силе по передней грани: Внедряясь в древесину, резец деформирует подрезанную лезвием стружку. На некоторой длине nk стружка соприкасается с передней гранью ножа, а выше точки k отходит от нее (закручивается) вследствие неодинаковой деформации наружных и внутренних слоев.

Граница между срезанной и несрезанной частями стружки проходит через вершину лезвия n и точку где изгибается верхняя поверхность стружки. Можно считать, что по плоскости образуется стружка. Положение этой плоскости в древесине характеризуется углом ее наклона к поверхности резания.

Рис. 8.9. Общая схема стружкообразования: а — действующие силы; б, в, г — нормальные напряжения в плоскости стружкообразования

Стружку можно представить как консольную балку, заделанную в опору по плоскости nn1 и применить к ее расчету законы сопротивления материалов.

Перенесем силу в середину сечения , для чего приложим в этом месте две силы, равные по величине , одна из которых — по направлению совпадает с , а другая — ей противоположна. Получаем: со стороны подрезанной стружки на неподрезанную в плоскости действуют сила и момент , где — плечо пары сил и . Заменим силу на ее составляющие (по плоскости ) и (по нормали к ). Сила вызывает сдвиг подрезанной стружки вдоль поверхности (влево и вверх см. на рис. 8.9, а), создавая касательные напряжения по этому сечению. Сила стремится прижать подрезанную часть стружки к сечению, вызывая нормальные напряжения сжатия по плоскости (рис. 8.9, б). Момент , изгибая стружку-балку против часовой стрелки, создает нормальные напряжения сжатия в верхней зоне стружки и растяжения в нижней (рис. 8.9, в).

Касательные напряжения т распределены примерно равномерно по плоскости . Нормальные напряжения в точке (у лезвия) — растягивающие, так как растягивающие напряжения от момента обычно значительно превышают сжимающие от силы . У точки нормальные напряжения — всегда напряжения сжатия. Примерный характер распределения нормальных напряжений по сечению (суммарных от и ) показан на рис. 8.9, г.

Напряжения , , в плоскости стружкообразования зависят от многих факторов процесса резания, главным образом от свойств древесины, толщины стружки , угла резания , радиуса затупления лезвия и условий скольжения древесины по поверхности резца (коэффициента трения ).

Чем глубже внедряется резец в древесину, тем больше становятся напряжения в стружке. Нарастают напряжения неравномерно (одни быстрее, другие медленнее), поэтому одно из них (в зависимости от исходных условий резания) раньше других достигает опасной величины — предела упругости или предела прочности. Именно это напряжение будет определять вид разрушения стружки, ее форму, качество обработанной поверхности. Надо еще учесть, что по основным структурным направлениям древесина по-разному сопротивляется различным видам напряжений. Сказанное выше объясняет многообразие форм стружки.

Стружкообразование при резании поперек волокон. При действии сил поперек волокон древесина слабее всего сопротивляется растяжению, лучше — сдвигу (скалыванию) и еще лучше — сжатию.

Таким образом, вид стружкообразования определяет касательное напряжение сдвига в плоскости или нормальное напряжение растяжения в точке .

Когда главную роль играют напряжения , стружка может получаться либо сливной (в виде ленты или спирали без внутренних трещин, рис. 8.10, а), либо элементной (из отдельных элементов, сохраняющих или не сохраняющих связь между собой, рис. 8.10, б, в, г).

В первом случае напряжения т, при которых образуется стружка, не достигают предела прочности материала при сдвиге поперек волокон, стружка не разрушается, а поверхность резания формируется гладкой. Но такие условия резания, при которых образуется тонкая сливная стружка (влажная или проваренная древесина), довольно редки. Обычно стружка образуется при напряжениях , достигающих предела прочности древесины при скалывании поперек волокон. Получается элементная стружка скалывания, состоящая из элементов, сколотых под углом к поверхности резания (см. рис. 8.10, б). Качество поверхности резания может быть достаточно высоким, если при этом не добавляются другие разрушения, например трещина, бегущая впереди резца (рис. 8.10, г). Очевидно, что такой процесс непригоден для получения стружки-продукта, но он вполне может иметь место, например, при удалении припуска заготовки поперечным фрезерованием.

Для поперечного резания типичны случаи, когда вид стружкообразования определяют нормальные напряжения растяжения у точки (см. рис. 8.9, г). Если они не достигают предела прочности к тому моменту, когда установится длина зоны контакта стружки с передней гранью резца, то разрушения в стружке не появятся и она будет сливной.

Рис. 8.10. Виды стружек при резании древесины поперек волокон: а — сливная; б — элементная скалывания; в — элементная изгиба; г — элементная отрыва

В наиболее распространенных случаях поперечного резания древесины (строгание и лущение шпона) напряжения растяжения по плоскости достигают предела прочности древесины. Этому моменту соответствует образование трещины в точке . Трещины возникают через определенное расстояние (шаг ), и средний угол их наклона к поверхности совпадает с углом . Они не выходят на поверхность, так как у точки уже будут напряжения сжатия. Стружка получается элементной — лентообразной с внутренними трещинами (см. рис. 8.10, в). Трещины в шпоне (стружке-продукте) отрицательно сказываются на механической прочности и внешнем виде изделий. Важная задача состоит в том, чтобы улучшить процесс стружкообразования, предотвратить образование трещин. Рассмотрим один из путей ее решения.

Чтобы уничтожить или свести к минимуму вредные растягивающие напряжения в плоскости (см. рис. 8.9, г) и, следовательно, воспрепятствовать появлению трещин, нужно приложить к стружке некоторую внешнюю сжимающую силу (см. рис. 8.10, в), действующую вдоль стружки по направлению к ее основанию. Для получения такой силы можно, например, пропустить стружку через щель между ножом и специальным прижимом (прижимной линейкой), т.е. обжать ее.

Стружкообразование при резании вдоль волокон. При резании вдоль волокон положение плоскости, в которой разрушается древесина при образовании стружки, предопределено направлением волокон. Такой плоскостью будет сама плоскость волокон, потому что перпендикулярно ей древесина слабее всего сопротивляется действующим силам.

Имеется две формы стружки — сливная спиральная и элементная многоугольная. Спиральная стружка получается обычно при малой толщине (не более 0,2 мм). Можно получить спиральную стружку и более толстую, но при особых условиях резания: малом угле резания и сырой или проваренной древесине. Как правило, при мм получается многоугольная стружка.

Сила (именно эта составляющая силы наиболее опасна, так как действует перпендикулярно волокнам) нарастает пропорционально внедрению резца в древесину (рис. 8.11, а). Это нарастание заканчивается отрывом стружки от заготовки и образованием опережающей трещины, распространяющейся перед резцом с большой скоростью. Убегая, трещина достигает длины , при которой изгибающий момент ломает стружку в сечении , образуя элемент стружки. Далее до точки резец продвигается, встречая небольшое сопротивление и подчищая образованную поверхность, а затем начинается образование следующего элемента стружки.

Рис. 8.11. Стружкообразование при резании древесины вдоль волокон

Образованию многоугольной стружки сопутствует низкое качество поверхности. В результате неточного совпадения поверхности резания с положением волокон опережающие трещины на участках резания против волокон могут уходить в толщу материала и при изломе элементов стружки давать неровности, показанные на рис. 8.11, б. На участках резания по волокнам поверхность получается гладкой в результате снятия тонкой подстружки при продвижении резца после образования элемента основной стружки (рис. 8.11, в).

Зная происхождение неровностей на образованной поверхности, можно указать способ их уменьшения: надо так изменить условия стружкообразования, чтобы длина элементов стружки была минимальной (при длине элементов стружка станет сливной). На практике задача решается с помощью специальных устройств — подпоров и стружколомателей (рис. 8.11, г, д).

Подпор действует на древесину в зоне резания, непосредственно препятствуя образованию и развитию опережающей трещины. Стружколоматель, устанавливаемый вблизи лезвия резца со стороны передней грани и способствующий крутому загибанию и надламыванию стружки сразу после ее образования резцом, выполняет ту же работу, что и подпор, но действует на зону резания перед резцом не непосредственно, а через стружку.

Стружкообразование при резании в торец. Как и при резании вдоль волокон, положение плоскости разрушения древесины при образовании стружки в этом случае предопределено направлением волокон: элементы стружки образуются по плоскости, совпадающей с направлением волокон, где связи в древесине наиболее слабые.

Рис. 8.12. Стружкообразование при торцовом резании: а — сливная стружка; б — элементная стружка скалывания

Сливную стружку в момент резания (она очень непрочна и разрушается уже при попытке снять ее с передней грани резца) можно получить, если ее толщина мала, а древесина влажная (рис. 8.12, а).

Достаточно толстая стружка торцового резания — это типичная элементная стружка скалывания (рис. 8.12, б). Она состоит из элементов приблизительно трапециевидной формы, иногда слабо связанных между собой по плоскости скалывания. Из-за больших усилий резания и сравнительно слабого сопротивления древесины на сжатие поперек волокон (в направлении силы ) стружка претерпевает значительную усадку. Это значит, что фактическая длина стружки (или одного элемента) меньше, чем номинальная длина
стружки (или одного элемента).

Часто образование элементов стружки сопровождается образованием трещины в обрабатываемой заготовке под поверхностью резания. Причина образования этих трещин — наличие в древесине под поверхностью резания зон сжатия (перед резцом) и растяжения (за резцом), на границе которых разрушаются слабые связи между волокнами. Качество поверхности, полученной при образовании элементной стружки с расслоением древесины под поверхностью резания, невысокое.

Выводы. 1. Каждый случай образования стружки может быть отнесен к одному из двух типов процесса стружкообразования:




4788471176942156.html
4788500949124629.html
    PR.RU™