Энергетические и тепловые процессы при резании

Тепловые явления при резании.

Одним из физических процессов, сопровождающих стружкообразование и разрушение материала при резании, является тепловыделение. Практически вся механическая работа, затрагиваемая на срезание припуска с заготовки, превращается в тепло. Теплота генерируется в результате упругопластического деформирования материала заготовки в зоне стружкообразования, трения стружки о переднюю поверхность лезвия инструмента, трения задних поверхностей инструмента о поверхность резания и обработанную поверхность заготовки.

В зависимости от технологического метода и условий обработки стружкой отводится 25 — 85 % всей выделившейся теплоты, в заготовку уходит 10 -15 %, в инструмент 2 - 8 % и около 1 % в окружающую среду.

Теплообразование отрицательно влияет на процесс резания. Нагрев режущего лезвия может доходить до 800 - 1000 ° С. Это вызывает структурные изменения в металле, снижается твердость инструмента и, соответственно, теряются режущие свойства.

Энергетические процессы...

105) Принципы выбора способа производства деталей машин(?)

Основные принципы выбора способа получения заготовок

Одну и ту же деталь можно изготовить из заготовок, полученных различными способами. Одним из основополагающих принципов выбора заготовки является ориентация на такой способ изготовления, который обеспечит ей максимальное приближение к готовой детали. В этом случае существенно сокращается расход металла, объем механической обработки и производственный цикл изготовления детали. Однако при этом в заготовительном производстве увеличиваются расходы на технологическое оборудование и оснастку, их ремонт и обслуживание. Поэтому при выборе способа получения заготовки следует проводить технико-экономический анализ двух этапов производства - заготовительного и механообрабатывающего.

Разработка технологических процессов изготовления заготовок должна осуществляться на основе технического и экономического принципов. В соответствии с техническим принципом выбранный технологический процесс должен полностью обеспечить выполнение всех требований чертежа и технических условий на заготовку;

В соответствии с экономическим принципом изготовление заготовки должно вестись с минимальными производственными затратами.

Из нескольких возможных вариантов технологического процесса при прочих равных условиях выбирают наиболее экономичный, при равной экономичности - наиболее производительный. Если ставятся специальные задачи, например срочный выпуск какой-нибудь важной продукции, решающими могут оказаться другие факторы (более высокая производительность, минимальное время подготовки производства и др.).

Трение при ОМД

Трение при пластической деформации в процессах обработки металлов давлением существенно отличается от трения в узлах механизмов и машин и трения, возникающего при перемещении одного тела по поверхности другого. При обработке давлением в основном действуют силы трения скольжения на поверхности контакта инструмента с металлом. При обработке давлением создаются некоторые специфические условия, которые и приводят к различию между трением пластической деформации и обычным трением скольжения:

- высокие удельные давления на поверхности контакта инструмента с металлом, превышающие иногда 2500 МПа, в то же время даже в самых тяжело нагруженных подшипниках прокатных станов удельные давления в 5-10 раз ниже;

- высокая температура (при горячей обработке), вызывающая изменение физико-химического состояния контактной поверхности металла (образование окалины, окислов и др.);

- постоянное обновление поверхности деформируемого металла в связи с его пластическим течением.

Контактное трение препятствует течению (скольжению) металла по поверхности соприкосновения с инструментом и вызывает неравномерность деформации, повышение деформирующего усилия, интенсивный износ рабочего инструмента, ухудшение качества поверхности получаемого изделия и другие отрицательные явления. Вместе с тем, например, в процессах прокатки силы трения совершенно необходимы для осуществления самого процесса, поэтому далеко не всегда стремятся уменьшать контактное трение. Согласно наиболее современным теориям Б. В. Дерягина, И. В. Крагельского, Боудена и Тэбора, Холма и др. обычное трение скольжения зависит не только от сил нормального давления на контактной поверхности: на силы трения скольжения также влияют атомно-молекулярное взаимодействие, механические зацепления шероховатостей поверхностей контакта и микросварка в отдельных точках соприкосновения контактных поверхностей. Это позволяет объяснить и некоторые закономерности трения пластической деформации.

Трение скольжения характеризуют коэффициентом трения f, который чаще всего понимают как отношение силы сопротивления скольжению (силы трения) Т к нормальному давлению на поверхности скольжения Р, т.е. по закону Амонтона-Кулона: f = Т/Р Существуют различные классификации видов трения. Согласно В. П. Северденко при обработке металлов давлением следует различать трение с гидродинамической, с адсорбционной смазками и сухое трение.

Трение с гидродинамической смазкой (жидкостное трение) происходит, когда между трущимися поверхностями постоянно существует слой смазки толщиной до нескольких десятков тысяч атомных слоев. В этом случае один относительно другого скользят слои смазки. Основы теории гидродинамического трения были созданы Н. Н. Петровым в 1887 г. В настоящее время в процессах обработки металлов давлением специально создают условия, обеспечивающие жидкостное трение (волочение проволоки и труб, холодная прокатка фольги и др.).

Трение с адсорбционной смазкой, характерное для большинства процессов холодной пластической деформации, возможно тогда, когда в зазоре между трущимися поверхностями не существует сплошного слоя смазки, в отдельных местах контактные поверхности соприкасаются и идет скольжение металла по металлу. Смазка должна образовывать на поверхности трения прочную пленку, способную не разрушаться при больших давлениях деформации. Сцепление смазки с металлом тем сильнее, чем больше в ней поверхностно активных веществ с полярными молекулами (ОН, СООН, COONa, COOK и др.), притягивающимися к поверхности металла. Такими веществами являются, например, жирные кислоты (олеиновая, стеариновая, пальмитиновая) и их соли (мыла). Даже небольшие добавки в смазку этих веществ существенно увеличивают сцепление (адгезионную способность) смазки с металлом. Чтобы смазка не выдавливалась из зазора между контактными поверхностями, она должна быть достаточно вязкой. Вязкость смазке придают наполнители: графит, тальк, мел и др. Основной эффект применения смазки - снижение коэффициента трения. Однако, как показал академик П. А. Ребиндер, смазка, проникая в мельчайшие трещины и неплотности в металле, как бы расклинивает и разрыхляет металл, способствуя тем самым пластической деформации.

Сухое трение - это трение при скольжении металла по металлу. В практике сухого трения не существует, так как контактирующие металлические поверхности всегда загрязнены различными веществами, влияющими на коэффициент трения либо в сторону понижения, либо в сторону повышения. Можно условно считать, что к сухому трению приближается трение при пластической деформации без смазки, что характерно для некоторых процессов горячей деформации (продольная прокатка, ковка и др.).

Детали из композитов

Создание композитов является одним из наиболее заметных прорывов в разработке материалов для ответственных приложений. Например, из углеродных композитов можно получать детали с очень высокой прочностью, при этом их вес будет более чем в 2 раза меньше веса соответствующих по характеристикам деталей из алюминиевых сплавов.

Естественно полагать, что композиционные материалы представляют серьезный интерес для авиационной и космической промышленностей. Меньший вес означает меньший расход топлива и большую производительность машины в целом. Композиционные материалы используются в военных самолетах начиная с середины 1990-х годов, и в настоящее время все шире и шире проникают в гражданскую авиацию.

Композиты также подразумевают меньшие расходы на обслуживание, в первую очередь вследствие значительно меньшей окисляемости на воздухе. Окисление кислородом воздуха – основная статья расходов по обслуживанию металлических частей. Желание снизить эти расходы в свое время подтолкнуло подрядчиков ВМФ США на работы по внедрению композиционных материалов в самолетостроение.

Конечно, вопросы срока службы и обслуживания не исчезли с появлением композитных материалов – сменился их вектор. Композиты более чувствительны к термическому воздействию, УФ-излучению и действию химически агрессивных сред, чем металлические части. Запуск химической реакции (например, окисления), приводит к деградации полимерной матрицы композита. Эта деградация в свою очередь может привести к серьезному снижению общей прочности системы, что в конце концов становится причиной преждевременного выхода из строя детали. Также отмечалось, что воздействие высоких температур (удары молнии, перегрев или возгорание двигателей) приводит к утрате механической прочности, повышению ломкости и в конечном счете к растрескиванию детали.

Структурные дефекты – трещины, расслоения, вспучивания – могут быть обнаружены с использованием различных методов неразрушающего контроля (NDT). Однако в настоящее время методы NDT не в состоянии обнаружить дефект на ранней стадии формирования. На этой стадии уже произошли специфические химические превращения полимерной матрицы, но собственно структурный дефект еще не образовался. Именно «отлов» дефектов на ранних стадиях является первоочередной целью как производителей композитов, так и проверяющих органов.

Элементы режима резания

При обработке деталей на металлорежущих станках различают следующие элементы режима резания: глубину резания t мм, подачу s мм/об (или s мм/мин) и скорость резания v м/мин. Эти элементы изображены на рисунке ниже для случая растачивания отверстия на расточном станке.

На рисунке слева: Элементы режима резания.

Глубина резания t мм (толщина слоя металла, снимаемого за один проход инструмента) измеряется как расстояние между обработанной и обрабатываемой поверхностью.

Подача s режущего инструмента относительно обрабатываемой поверхности измеряется за один оборот шпинделя (планшайбы) в мм/об или мм/мин.

Для фрезерных работ подача может измеряться также в миллиметрах на один зуб фрезы.

Зависимость между величинами подач определяется по формулам:

S0=Sz- z мм/об; Sм= S0- z = Sг- n, мм/мин, где Sm - подача, мм/мин; S0 - подача, мм/об; Sz - подача, мм/зуб; z - число зубьев фрезы; n - число оборотов инструмента в минуту.

Площадь сечения стружки определяется по формуле:

f=S0-t-a-b мм2, где f площадь сечения стружки, мм2; a - толщина стружки, мм; b - ширина стружки, мм, t- глубина резанья, мм.

Толщина стружки зависит от подачи, а ширина - от глубины резания. При уменьшении главного угла в плане (<φ) толщина стружки уменьшается, а ширина ее увеличивается. Площадь сечения стружки при этом остается неизменной, если cохраняются подача и глубина резания.

Скорость резания v м/мин - скорость перемещения режущей кромки инструмента относительно обрабатываемой поверхности детали.За скорость резания принимают окружную скорость вращения обрабатываемой детали (например, для токарного и других станков) или режущего инструмента (например, для расточных станков).При обработке металлов резанием необходимо обеспечить наиболее полное использование режущих свойств твердого сплава, его высокую теплостойкость и сопротивление сжатию, а также и значительную хрупкость. В зависимости от обрабатываемого материала выбирается необходимая марка твердого сплава и геометрия инструмента. Обработка производится при наибольших допустимых значениях глубины резания и подачи. Скорость резания, благодаря высокой теплостойкости твердого сплава, выбирается такой, чтобы обеспечить нагрев стружки до 850-900°С. При этих температурах прочность обрабатываемого материала и сила резания резко уменьшаются, прочность твердого сплава почти не изменяется, а вязкость его увеличивается.

Наибольшая производительность при черновой обработке, соответствующая наибольшему объему стружки, снимаемой в минуту при нормативной стойкости инструмента, обеспечивается при выборе наибольшей возможной глубины резания (лимитируется припуском на обработку), затем подачи (лимитируется прочностью механизма подачи станка и прочностью резца) и в последнюю очередь - скорости резания (лимитируется стойкостью инструмента или мощностью на шпинделе станка).

Наибольшая производительность при чистовой обработке, соответствующая наибольшей поверхности обработки в минуту при нормативной стойкости инструмента, обеспечивается при выборе в первую очередь подачи (лимитируется точностью и шероховатостью обработанной поверхности), а затем уже скорости резания (лимитируется стойкостью инструмента).