Шорсткість поверхні (стр. 1 из 3)
Шорсткість поверхні
1. Загальні причини виникнення шорсткості
різання вібрація деформація шорсткість
Всі різноманітні фактори, що обумовлюють шорсткість обробленої поверхні, можна об’єднати в три основні групи:
· причини, пов’язані з геометрією процесу різання;
· причини, пов’язані з пластичною та пружною деформаціями оброблюваного матеріалу;
· причини, пов’язані з виникненням вібрацій різального інструменту.
Процес виникнення нерівностей внаслідок геометричних причин прийнято трактувати як копіювання на оброблюваній поверхні траєкторії руху і форми різальних лез. З геометричної точки зору величина, форма і взаємне розташування нерівностей (напрямок слідів обробки) визначаються формою і станом різальних лез і тими елементами режиму різання, які впливають на зміну траєкторії руху різальних лез відносно оброблюваної поверхні.
В різних умовах обробки пластичні та пружні деформації оброблюваного матеріалу і вібрації спотворюють геометрично правильну форму нерівностей, порушують їх закономірний розподіл на поверхні і суттєво збільшують їх висоту. В ряді випадків пластичні деформації та вібрації викликають появу поздовжньої шорсткості, яка досягає значних розмірів, і збільшення поперечної шорсткості.
Переважно на формування шорсткості поверхні впливає (як правило) одна з трьох згаданих груп причин, яка і визначає характер і величину шорсткості. Проте, в окремих випадках шорсткість виникає в результаті одночасної і майже рівнозначної дії всіх згаданих причин і внаслідок цього немає чітко виражених закономірностей.
2. Геометричні причини створення шорсткості при точінні
За один оберт заготовки різець переміщується на величину подачі S1 (мм/об) і переходить з положення 2 в положення 1 (рис.1,а). При цьому на обробленій поверхні залишається деяка частина металу, не знята різцем, і вона створює залишковий гребінець m. Цілком очевидно, що величина і форма нерівностей поверхні, що складається із залишкових гребінців, визначається подачею S1 і формою різального інструменту. Наприклад, при зменшенні подачі до значення S2 висота нерівностей Rz знижується до
(рис.1,б). Зміна кутів φ і φ1 в плані впливає не тільки на висоту, але й на форму нерівностей поверхні (рис.1,в). При використанні різців із заокругленою вершиною достатньо великого радіуса r1 форма нерівностей стає відповідно також заокругленою (рис.1, г). При цьому збільшення радіуса заокруглення вершини різця до r2 призводить до зменшення висоти Rz шорсткості (рис. 1, д). 
Рис. 1. Геометричні причини утворення шорсткості під час точіння
Виходячи з наведених міркувань геометричного характеру, проф. Чебишев В.Л. запропонував визначати висоту Rzнерівностей при обробці різцем в залежності від подачі S і радіуса r заокруглення вершини різця за формулою:
. (1)В процесі створення нерівностей при точінні різцями з невеликими радіусами заокруглення і з великими подачами беруть участь не тільки криволінійна частина різальної кромки різця, створена радіусом r заокруглення, але й прямолінійна ділянка різального леза (рис. 1, е) [2]. В цьому випадку у формулу Чебишева В.Л. включають значення головних кутів φ і φ1 в плані:
.Якщо шорсткість формується повністю заокругленою частиною різальної кромки, то висота мікронерівностей може бути визначена за формулою:
.Якщо при виготовленні різця або в процесі його експлуатації на його лезах утворюються вищерблення, то вони прямо впливають на підвищення шорсткості поверхні.
За практичними даними при затупленні різального інструмента і появі на ньому вищерблень шорсткість обробленої поверхні при точінні зростає на 50–60 %, при фрезеруванні циліндричними фрезами – на 100–115 %, при фрезеруванні торцевими фрезами – на 35–40 %, при свердлінні – на 30–40 % і при розвертанні – на 20–30 %.
Вказане збільшення шорсткості оброблюваної поверхні при затупленні різального інструмента пов’язане не тільки з геометричним впливом вищерблень, що виникають на різальному лезі, але й зі збільшенням радіуса заокруглення леза. Збільшення радіуса заокруглення леза збільшує ступінь пластичної деформації металу поверхневого шару, що призводить до зростання шорсткості поверхні.
Для усунення впливу вищерблень і притуплення різального леза рекомендується ретельне (бажано алмазне) доведення інструментів і своєчасне їх переточування.
Наведені вище відомості про геометричні причини виникнення нерівностей при точінні дають можливість зробити наступні висновки.
1. Збільшення подачі, головного φ і допоміжного φ1 кутів різця у плані призводить до зростання висоти нерівностей. При чистовій обточці доцільно користуватись прохідними різцями з малим значенням кутів φ і φ1. Не слід без особливої необхідності застосувати підрізні різці.
2. Зростання радіуса заокруглення вершини різця знижує висоту шорсткості поверхні.
3. Зниження шорсткості різальних поверхонь інструмента за допомогою ретельного (бажано алмазного) доведення усуває вплив нерівностей різального леза на оброблювану поверхню. Разом зі зменшенням шорсткості оброблюваної поверхні, доведення помітно підвищує стійкість різального інструмента, а отже, і економічність його використання.
3. Пластичні та пружні деформації металу поверхневого шару
При обробці різанням пластичних матеріалів метал поверхневого шару зазнає пластичної деформації, в результаті якої суттєво змінюються розміри і форма нерівностей обробленої поверхні (звичайно шорсткість при цьому збільшується).
При обробці крихких металів спостерігається виривання окремих частинок металу, що також веде до збільшення висоти і зміни форми нерівностей.
Швидкість різання є одним із найбільш суттєвих факторів, які впливають на розвиток пластичних деформацій при точінні. Малі швидкості різання вуглецевих конструкційних сталей (сталі 30, 40, 50) порядку V = 1 м/хв призводять до порівняно невеликого підвищення температури і сприяють утворенню елементної стружки. При цьому відокремлення стружки відбувається легко і без помітних деформацій верхнього шару обробленої поверхні. Нерівності на обробленій поверхні незначні.
Зі збільшенням швидкості різання до 40 м/хв в процесі утворення стружки виділяється велика кількість теплоти, яка сприяє пластичній течії відокремлюваного металу вздовж передньої та задньої поверхонь різця. В деякий момент під дією зусиль, які притискають шари металу до передньої поверхні різця, і високої температури шари металу приварюються до передньої (і частково задньої) поверхні, створюючи наріст. При швидкості різання 20–40 м/хв наріст найбільший і стійкий.
При подальшому підвищенні швидкості різання кількість теплоти, що виділяється у процесі стружкоутворення, збільшується. При цьому наріст нагрівається швидше за інші частини зони деформації, частково роззміцнюється і сили зчеплення окремих частинок наросту вже не можуть чинити достатній опір силам тертя спливаючої стружки. Тому частинки металу застійної зони виносяться разом зі стружкою. Внаслідок цього наріст зменшується і в інтервалі швидкостей 60–70 м/хв повністю зникає. При наступному підвищенні швидкості різання нарости на різці більше не створюються.
Шорсткість оброблюваної поверхні тісно пов’язана з процесами утворення стружки і в першу чергу з явищем наросту. В зоні малих швидкостей (V= 2–5 м/хв), при яких наріст не утворюється, розміри нерівностей обробленої поверхні незначні. Зі збільшенням швидкості розміри нерівностей поверхні зростають, досягаючи при 20–40 м/хв свого найбільшого значення, що багатократно перевищує розрахункову величину.
Подальше підвищення швидкості різання зменшує наріст і знижує висоту шорсткості обробленої поверхні.
В зоні швидкостей (V> 70 м/хв.), при яких наріст не утворюється, шорсткість поверхні виявляється мінімальною. В цьому випадку подальше збільшення швидкості різання лише несуттєво знижує висоту шорсткості поверхні. Зв’язок процесів утворення шорсткості обробленої поверхні та наросту на різці зі швидкістю різання показаний на рис. 2.
Рис. 2. Вплив швидкості різання на утворення наросту та шорсткість обробленої поверхні при точінні сталі 45
При великій швидкості різання глибина пластично деформованого поверхневого шару незначна, і розміри шорсткості наближаються до розрахункових.
У випадку обробки крихких матеріалів (наприклад, чавуну) разом із зрізанням окремих частинок металу відбувається їх зсув і безладне крихке відколювання від основної маси металу, що збільшує шорсткість поверхні. Підвищення швидкості різання зменшує відколювання частинок, і оброблювана поверхня стає більш гладкою.
При чистовій обробці металів, коли стан і точність обробленої поверхні мають вирішальне значення, цілком природне намагання вести обробку в зоні швидкостей, при яких наросту на інструменті не утворюється, а шорсткість поверхні виходить найменшою. Такою зоною для конструкційних сталей (як це відмічалось раніше) є 5 м/хв ≥ V ≥ 70 м/хв.
Подача – другий елемент режиму різання, що суттєво впливає на шорсткість.
Це пов’язано не тільки із згаданими раніше геометричними причинами, але і суттєво обумовлено пластичними і пружними деформаціями у поверхневому шарі.