Шорсткість поверхні (стр. 2 из 3)
Різання металів здійснюється інструментом, лезо якого завжди має радіус заокруглення ρ. При вдавлюванні різця в оброблюваний матеріал відбувається відокремлення стружки по площині сколювання А–А (рис. 3). При цьому частина металу, що лежить нижче точки В, не зрізується, а підминається заокругленою частиною різця, піддаючись пружній та пластичній деформаціями.
Рис. 3. Схема відокремлення стружки різцем з радіусом заокруглення леза
Після проходження різця незрізаний шар металу частково пружно відновлюється, викликаючи тертя по задній поверхні різця. Різниця ступеня пружного відновлення металу виступів і западин нерівностей звичайно збільшують висоту шорсткості.
Рис. 4. Утворення шорсткості під час точіння з малими подачами (а) і збільшення шорсткості зі зменшенням товщини стружки (б)
Найменша товщина tmin шару, яка може бути зрізаною, залежить від радіуса заокруглення різальної кромки, властивостей оброблюваного матеріалу і швидкості різання (при зменшенні радіуса заокруглення ρ і збільшенні швидкості різання tmin зменшується).
При тонкому точінні різцем, що має радіус при вершині r, теоретично утворюється стружка змінної товщини з дуже тонкою вершиною (рис.4). Частина цієї вершини АВ з товщиною, меншоюtmin, практично не може бути зрізаною і підминається заокругленою вершиною леза. Фактичне зрізування металу відбувається тільки на ділянці ВС, на якій товщина стружки перевищуєtmin.
Після проходу різця деформована ділянка металу (на рис.4,а показана подвійною штриховою лінією) частково пружно відновлюється, збільшуючи висоту нерівностейRz = S2/(8r) , що визначається геометричними причинами, до
.Очевидно, що фактична висота нерівностей
дорівнює розрахунковій S2/(8r) тільки при відносно великій подачі, при якій Rz = S2/(8r) більше чи дорівнюєtmin.При роботі з невеликими подачами (S < 0,05÷0,06) мм/об при r = 0,8÷1,0 мм) зменшення подачі не тільки не знижує висоту шорсткості, але й за певних умов може навіть викликати її збільшення у зв’язку зі зменшенням товщини стружки і збільшенням товщини ділянки, що пружно деформується (рис. 4, б) [2].
В цьому випадку при зниженні подачі в декілька разів збільшується питома сила різання, а також підвищується ступінь пластичної деформації металу оброблюваної поверхні і стружки, усадка стружки, наріст на різці і, в кінцевому результаті, висота шорсткості. Точіння з подачею менше 0,12 мм/об не призводить до зниження висоти шорсткості за законом параболи (рис. 5, крива 3), як цього слід було очікувати згідно з теоретичною формулою (1), а викликає лише незначне зменшення шорсткості (крива 2) чи навіть її збільшення (крива 1). У заштрихованій частині відбувається збільшення шорсткості у зв’язку з пружними і пластичними деформаціями металу.
Рис. 5. Залежність шорсткості від подачі
Таким чином, навіть при мінімальній подачі неможна повністю усунути шорсткість обробленої поверхні, яка в цьому випадку суттєво визначається найменшою товщиною шару, що зрізується, і пластичними деформаціями оброблюваного матеріалу.
На рис. 5 показано, що при чистовому і тонкому точінні вуглецевих сталей зміна подачі від 0,02 до 0,1 мм/об мало впливає на висоту шорсткості. Нерівності поверхні в цьому випадку створюються не стільки під впливом геометричних причин, скільки в результаті пружних і пластичних деформацій, швидкості різання та радіуса заокруглення різального леза різця. У зв’язку з цим для забезпечення найменшої шорсткості обробленої поверхні і високої продуктивності чистове точіння вуглецевих конструкційних сталей потрібно проводити при S = 0,05÷0,12 мм/об.
При точінні кольорових сплавів добре доведеними або алмазними різцями tmin зменшується. Тому для зниження висоти шорсткості може виявитись корисним зменшення подачі до 0,01 – 0,02 мм/об.
За численними дослідженнями встановлено, що при звичайному точінні вплив глибини різання на шорсткість мізерний і практично може не прийматись до уваги. При зменшенні глибини різання до 0,02 мм (внаслідок наявності на різальній кромці заокруглення) нормальне різання припиняється і різець, відтискаючись від заготовки, починає ковзати по оброблюваній поверхні, періодично врізаючись в неї і вириваючи окремі ділянки. Тому глибину різання при роботі звичайними різцями не потрібно брати дуже малою.
При глибинах різання менших за подачу перша геометрично впливає на висоту шорсткості. В цьому випадку зменшення глибини різання знижує висоту шорсткості.
Оброблюваний матеріал і його структура суттєво впливають на характер і висоту нерівностей обробленої поверхні. Більш в’язкі та пластичні матеріали (наприклад, маловуглецеві сталі) схильні до пластичних деформацій, дають при їх обробці різанням грубі та шорсткі поверхні.
Шорсткість обробленої поверхні зменшується при переході від структури феритоперлиту до трооститу і трооститомартенситу. Ферит, як складова структура сталі, є м’яким, в’язким і таким, що легко деформується, при обробці різанням він має схильність до утворення нерівностей. З точки зору отримання поверхні з мінімальною шорсткістю, виявляються надзвичайно несприятливими структури з неоднорідними зернами, а саме: структури так званого глобулярного перлиту, що складаються з круглих зерен цементиту, розсіяних по основній масі фериту.
Значно менша шорсткість утворюється при обробці сталі після нормалізації та відпущення, яка має однорідну і дрібнозернисту структуру. У зв’язку з цим для отримання при механічній обробці мінімальної шорсткості рекомендується попередня нормалізація вуглецевої сталі при 850–870 °С або (у випадку полегшити умови різання і підвищити стійкість різального інструмента) відпалювання при 900 °С протягом 5 годин.
Встановлено, що зі збільшенням твердості оброблюваного матеріалу висота шорсткості знижується. При цьому одночасно зменшується залежність висоти шорсткості від швидкості різання і при твердості 500НВ вплив швидкості майже відсутній. На основі цих досліджень рекомендується проводити попередню термообробку конструкційних сталей, що підвищує їх твердість.
Вплив швидкості різання та твердості на висоту шорсткості вуглецевих сталей помітно проявляється лише в зоні порівняно невеликих швидкостей різання. При перевищенні швидкості різання 140 м/хв залежність висоти шорсткості від твердості помітно послаблюється. Це пояснюється тим, що при швидкості різання 140 м/хв і вище температура оброблюваного матеріалу досягає 840 °С. При такій температурі механічні властивості сталей різної початкової твердості вирівнюються, в результаті чого висота шорсткості стабілізується і практично не залежить від зміни швидкості різання.
Зниження в’язкості оброблюваного матеріалу за рахунок наклепу поверхневого шару також сприяє зменшенню шорсткості обробленої поверхні. На практиці це явище спостерігається при розвертанні отворів після зенкування, що утворює помітний наклеп обробленої поверхні. Якщо припуск, залишений на розвертання, менший глибини наклепаного зенкуванням більш крихкого поверхневого шару, то в результаті розвертання отримується поверхня з мінімальними нерівностями.
Зміна хімічного складу оброблюваного матеріалу, що відбивається на його в’язкості, в свою чергу впливає на розміри шорсткості обробленої поверхні заготовок як з кольорових сплавів, так і зі сталей.
Застосування МОР, що запобігає схоплюванню, зменшує тертя та полегшує процес стружкоутворення, сприяє зниженню висоти нерівностей поверхні.
4. Вібрації різального інструмента, верстата і заготовки
В процесі різання виникають вимушені коливання технологічної системи, які викликаються дією зовнішніх сил, і автоколивань системи, поява яких пов’язана з періодичним зміцненням (наклепом) шару металу, що зрізується, і зміною умов тертя чи різання. Вимушені коливання системи обумовлюються дефектами окремих механізмів верстата (неточність зубчастих передач, погане балансування частин що, обертаються, надзвичайні зазори у підшипниках тощо), які є причиною нерівномірності його руху.
Вібрація леза різального інструмента відносно оброблюваної поверхні є додатковим джерелом збільшення шорсткості обробленої поверхні. Очевидно, що висота шорсткості поверхні буде тим значніша, чим більша подвоєна амплітуда коливань леза інструмента відносно оброблюваної поверхні.
Суттєво впливає на шорсткість оброблюваної поверхні стан верстата. Нові і добре відрегульовані верстати, встановлені на масивних фундаментах чи на віброопорах, добре ізольовані від вібрацій іншого обладнання, забезпечують мінімальну шорсткість.
Дуже важливим є створення достатньо високої жорсткості пристроїв для закріплення заготовок і допоміжних інструментів для встановлення різального інструмента. Наприклад, у випадку обробки заготовок на револьверному верстаті з прутка із закріпленням останнього в трикулачковому самоцентруючому патроні висота шорсткості обробленої поверхні на 30–40 % вища, ніж при затисканні прутка в нормальному цанговому патроні, який має більшу поверхню зіткнення із заготовкою і тому створює більшу її стійкість. Щоб запобігти появі вібрації вільного кінця прутка (який має звичайно діаметр на 3–4 мм менший отвору шпинделя), застосовують спеціальне центруюче кільце, яке закріплюється на лівому кінці шпинделя. Такі вібрації легко передаються на оброблювану поверхню і викликають збільшення шорсткості на 70–120%.