Обработка резанием

Общие сведения. Практически все детали машин и приборов приобретают окончательные формы и размеры, заданные чертежом, только после механической обработки, т. е. после обработки резанием. До обработки будущая деталь называется заготовкой; в процессе обработки с заготовки необходимо удалить лишний металл, который называется припуском на обработку.

Движения, при которых с заготовки срезается припуск или изменяется состояние обработанной поверхности, называются основными или движениями резания. Основных движений два: главное движение и движение подачи. Главное движение определяет скорость отделения стружки. Его скорость значительно больше скорости движения подачи. Движение подачи обеспечивает возможность непрерывного врезания режущего инструмента в новые слои металла и снятия стружки со всей обрабатываемой поверхности.

Различают следующие виды обработки резанием:

токарная обработка (точение), предназначенная для точения наружных и внутренних цилиндрических и конических поверхностей, нарезания наружных и внутренних резьб, подрезания торцов и т. д. При токарной обработке заготовка совершает вращательное движение, а режущий инструмент (резец, сверло) — поступательное, параллельно (рис. 1. 22, а), перпендикулярно или под углом к оси вращения заготовки;
фрезерная обработка (фрезерование), применяемая для получения плоских, фасонных и винтовых поверхностей многолезвийными режущими инструментами — фрезами, совершающими вращение при поступательном движении заготовки (рис. 1. 22, б);
сверлильная обработка (сверление), предназначенная для получения и обработки отверстий с помощью сверла, зенкера, развертки и метчика, совершающих вращательное и поступательное движения (рис. 1. 22, в);
строгальная обработка (строгание), позволяющая получать плоские и фасонные поверхности, канавки, пазы и выемки. Особенностью процесса строгания является возвратно-поступательное движение обрабатываемой заготовки или инструмента (резца), который поочередно совершает рабочий и холостой ход (рис. 1. 22, г). Производительность строгания ниже, чем фрезерования;
шлифование, относящееся к отделочным (доводочным) операциям механической обработки, позволяющее достичь высокой точности и низкой шероховатости обработанных поверхностей. В качестве режущего инструмента при шлифовании используют шлифовальные круги (рис. 1. 22, д, е) и бруски, режущая способность которых обеспечивается острыми гранями абразивных зерен и их связкой, а также структурой абразивного инструмента;
протягивание, представляющее собой высокопроизводительный процесс обработки отверстий, нарезания пазов, шлицов и канавок с помощью многолезвийного инструмента — протяжки (рис. 1. 22, ж). Режущая кромка каждого последующего зуба у протяжки выше, чем у предыдущего, что обеспечивает съем большого количества тонких стружек и высокую чистоту обработанных поверхностей.

Рис. 1. 22. Схемы обработки металлов резанием:
а — точение; б — фрезерование; в — сверление; г — строгание; д — круглое шлифование; е — плоское шлифование; ж — протягивание; D_г — главное движение; D_S_пр, D_S_п — движения подачи

Токарная обработка. К числу наиболее распространенных методов обработки резанием относится токарная обработка. В общем парке металлорежущего оборудования доля токарных станков составляет 30…40%. Работа резания любого режущего инструмента основана на действии клина, который внедряется в тело заготовки и последовательно скалывает заданные участки припуска. В зависимости от метода обработки (точение, сверление, фрезерование и т. д. ) режущие инструменты значительно различаются по конструкции, однако правила формирования их режущих элементов практически одинаковы. Поэтому изучение геометрических параметров режущих инструментов удобно рассматривать на примере наиболее простого токарного проходного резца.

Токарный резец (рис. 1. 23) состоит из двух частей: рабочей, осуществляющей работу по срезанию стружки, и присоединительной — стержня, служащего для закрепления инструмента на станке. Рабочая часть резца состоит из нескольких элементов: передняя поверхность, по которой сходит образующаяся в процессе резания стружка; главная задняя поверхность, обращенная в сторону поверхности резания; вспомогательная задняя поверхность, обращенная в сторону обработанной поверхности. Эти поверхности, пересекаясь под заданными углами, образуют режущие кромки.

Рис. 1. 23. Схема токарного резца:
I — рабочая часть (головка резца); II — присоединительная часть (державка, тело резца); ABCDB₁ — передняя поверхность; ABEF, AB₁E₁F — задние поверхности; AB — главная режущая кромка; АВ₁ — вспомогательная режущая кромка

Главная режущая кромка образуется пересечением передней и главной задней поверхностей. Вспомогательная режущая кромка образуется пересечением передней и вспомогательной задней поверхностей. Точка пересечения главной и вспомогательной режущих кромок образует вершину резца. Так как острая вершина резца хрупкая, на практике ее несколько притупляют.

В процессе резания могут образоваться три вида стружки: сливная, скалывания и надлома (рис. 1. 24). Сливная стружка (рис. 1. 24, а) образуется при обработке пластичных материалов (мягкой стали, меди, алюминия и т. п. ) и имеет вид сплошной гладкой ленты. Отдельные элементы стружки довольно прочно связаны с другом. Стружка скалывания (рис. 1. 24, б) образуется при обработке менее вязких материалов (сталей повышенной твердости, некоторых видов латуней). У нее отчетливо видны плоскости скалывания между отдельными элементами, а верхняя сторона имеет пилообразную форму.

Рис. 1. 24. Виды стружки:
а — сливная; б — скалывания; в — надлома; D_г — главное движение

Главными характеристиками процесса являются скорость резания, глубина резания и скорость подачи. Скорость резания определяется расстоянием, пройденным точкой режущей кромки инструмента относительно заготовки в направлении главного движения в единицу времени.

Между стружкой и поверхностью резца возникает трение, приводящее к разогреву и разупрочнению режущей кромки. Поэтому инструментальные материалы должны обладать твердостью, износостойкостью и теплостойкостью. Для уменьшения отрицательного влияния нагрева применяют смазочно-охлаждающие жидкости.

Фрезерная обработка. С помощью фрезерования обрабатывают плоские поверхности, пазы, уступы, канавки. При фрезеровании режущий инструмент (фреза) совершает вращательное движение, а заготовка — поступательное движение подачи. Фреза представляет собой многолезвийный инструмент. Зубья фрезы отделяют от обрабатываемой детали стружку. Различные типы фрез приведены на рис. 1. 25.

Рис. 1. 25. Типы фрез:
а — концевая; б — угловая; в — шпоночная; г — фасонная; д — сборная

Сверлильная обработка. Сверлением (рис. 1. 26, а) обрабатывают цилиндрические отверстия за счет вращательного движения инструмента (главного движения) и одновременного движения инструмента вдоль оси (движение подачи).

Рис. 1. 26. Сверление (а), зенкерование (б), развертывание (в):
1 — заготовка; 2 — кондукторная плита; 3 — втулка; 4 — сверло; 5 — зенкер; 6 — развертка

При сверлении заготовки 1 для выдерживания определенного направления оси отверстия обычно используют кондукторную плиту 2 с втулкой 3. Применение втулки 3 уменьшает смещение заданного положения оси отверстия. Обычно число режущих кромок у сверла 4 равно двум, а спиральные канавки служат для отвода стружки.

Для увеличения точности и повышения качества обработки внутренней поверхности отверстия применяют операцию, называемую зенкерованием (рис. 1. 26, б). Зенкер 5 является многолезвийным инструментом с числом режущих кромок 3—6, поэтому при обработке обеспечивается более высокая точность, a шероховатость снижается в два раза.

После зенкерования часто применяют финишную обработку, которую называют развертыванием (рис. 1. 26, в). Развертка 6 имеет число режущих кромок 6—12. При развертывании снимается очень тонкий слой металла.

Строгальная обработка. Обработка строганием характеризуется прямолинейным возвратно-поступательным главным движением и прерывистым движением подачи. Главное возвратно-поступательное движение состоит из двойных ходов. Во время прямого хода с заготовки срезается стружка (рабочий ход), а во время обратного (холостого хода) происходит возвращение исполнительных органов (стола или резца) в исходное положение и стружка не снимается.

В зависимости от конструктивного исполнения различают поперечно- и продольно-строгальные станки. На поперечно-строгальном станке (рис. 1. 27, а) главное возвратно-поступательное движение совершает режущий инструмент, а заготовка — периодическое движение подачи поперек направления главного движения. При обработке вертикальных или наклонных поверхностей периодическое движение подачи сообщается режущему инструменту. Поперечно-строгальные станки применяют для обработки малых и средних заготовок.

Рис. 1. 27. Схемы обработки на поперечно-строгальном (а), продольно-строгальном (б) и долбежном (в) станках:
D_г — главное движение; D_S — движение подачи

Схема обработки на продольно-строгальных станках (рис. 1. 27, б) характеризуется главным возвратно-поступательным перемещением заготовки и периодическим движением подачи режущего инструмента в горизонтальном, вертикальном и наклонном направлениях.

Разновидностью строгания является долбление (рис. 1. 27, в), которое характеризуется главным возвратно-поступательным движением режущего инструмента в вертикальном направлении, периодическим перемещением заготовки в горизонтальной плоскости.

Шлифование. Процесс резания материалов с помощью абразивного инструмента, режущими элементами которого служат зерна абразивных материалов называется шлифованием. Шлифование применяется как для черновой, так и для чистовой и отделочной обработки. При шлифовании главным движением является вращение режущего инструмента (чаще шлифовального круга) с очень большой скоростью. Каждое абразивное зерно, удерживаемое связующим материалом, работает как зуб фрезы, снимая стружку.

К естественным абразивным материалам относятся алмаз, корунд, наждак и др. Однако ввиду того, что свойства этих материалов нестабильны, а запасы их ограничены, основное применение в промышленности получили искусственные абразивные материалы: элекрокорунд, карбид бора, синтетические алмазы и сверхтвердые материалы, полученные на основе кубического нитрида бора.

Схема резания при шлифовании приведена на рис. 1. 28. Существует несколько схем шлифования.

Рис. 1. 28. Схема процесса резания при шлифовании:
1 — заготовка; 2 — связующие материалы; 3 — шлифовальный круг; 4 — абразивные зерна; D_г — главное движение; D_S_пр — движение подачи

При круглом шлифовании вращающаяся заготовка имеет возвратно-поступательное движение, в процессе которого обработка ведется с помощью вращающегося шлифовального круга.

Плоское шлифование может осуществляться периферией круга, вращающегося относительно перемещающейся возвратно-поступательно заготовки, которая обычно закрепляется на рабочем столе с помощью притягивающих магнитов. Для плоского шлифования применяют также обработку торцом вращающегося шлифовального круга. При этом заготовка имеет, как и в предыдущем случае, возвратно-поступательное движение.

К описанным методам шлифования можно отнести отделочные операции. Их выполняют для получения высокой точности и малой шероховатости обрабатываемой поверхности. К отделочным операциям относят хонингование, суперфиниширование и полирование.

С помощью хонингования можно получить высокую точность и очень малый параметр шероховатости. Хонингованием можно устранить весьма небольшие овальность и конусность отверстий, но нельзя исправить положение осей отверстий.

Хонингование применяют для обработки внутренних поверхностей отверстий с помощью абразивных брусков.

Схема хонингования представлена на рис. 1. 29, а. Отверстия в заготовке 4 обрабатывают специальными инструментами — хонами. Хон совершает одновременно два типа движений: вращательное и возвратно-поступательное. В результате совмещения движений на обрабатываемой поверхности образуется мелкая сетка пересекающихся рисок — следов резания абразивных зерен. Эта сетка хорошо удерживает смазочный материал.

Рис. 1. 29. Хонингование (а) и суперфиниширование (б):
1 — приводное звено; 2 — обойма; 3 — шлифовальный брусок; 4 — заготовка; 5 — державка; D_г — главное движение; D_S — движение подачи; D_ос — осциллирующее движение; F — усилие прижима

Для уменьшения параметров шероховатости и увеличения точности наружной цилиндрической поверхности применяют суперфиниширование (рис. 1. 29, б). Подвергаемая суперфинишной обработке поверхность заготовки 4 контактирует с шлифовальными брусками 3, закрепленными в специальной державке 5. При этом бруски прижимаются малым усилием. Обработка производится при колебательных движениях брусков.

Одним из самых распространенных методов снижения шероховатости обрабатываемой поверхности является полирование. При этом поверхности придается зеркальный блеск. Чаще всего полирование производят с помощью полировальных мягких (например, фетровых или войлочных) кругов с применением специальных паст, в состав которых входят мелкозернистые абразивные порошки.