Режимы резания и охлаждения при фрезеровании
Режим резания. Для обработки деталей фрезерный станок настраивают на определенный режим резания, который состоит из четырех элементов (рис. 13): ширины фрезерования В, глубины резания t, подачи s и скорости резания v.
Шириной фрезерования В считается ширина поверхности, обрабатываемой за один проход заготовки относительно фрезы (мм).
Глубиной резания t называется толщина слоя металла, срезаемого за один проход заготовки относительно фрезы (мм).
Для всех видов фрезерных работ ширина фрезерования измеряется вдоль оси фрезы, а глубина резания — в радиальном направлении (рис. 14, а, г, д, е, ж, з), за исключением обработки плоскостей торцовыми и концевыми фрезами, когда их ось перпендикулярна обрабатываемой поверхности (см. рис. 14, б, в).
Подачей s называется путь, проходимый заготовкой относительно фрезы в единицу времени. Различают три вида подач: на зуб, на оборот и минутную.
Подача на зуб sz — это путь перемещения заготовки за время поворота фрезы на один зуб (мм/зуб).
Подачей на оборот so является путь перемещения заготовки за время поворота фрезы на один оборот (мм/об).
Минутной подачей sм называют путь перемещения заготовки за одну минуту (мм/мин).
Зависимости указанных подач выражаются формулами:
где z — число зубьев фрезы; n — частота вращения фрезы в минуту, об/мин.
Скоростью резания v называется путь, проходимый наиболее удаленной от оси вращения точкой режущей кромки фрезы в минуту. В технике скорость резания принято измерять в метрах в минуту (м/мин).
Формула для расчета скорости резания в данных условиях работы фрезы может быть выведена из следующих рассуждений.
За каждый оборот точка режущей кромки фрезы диаметром D (мм) совершит путь, равный длине окружности пD (мм). За п оборотов в минуту этот путь будет равен пDn(мм/мин). Для перевода размерности скорости резания в метры в минуту полученное выражение делится на 1000. После этого формула скорости резания примет окончательный вид:
где п — число, равное 3,14.
Сокращая постоянные числа я и 1000, можно получить упрощенную формулу, вполне достаточную для практических целей:
Охлаждение и смазка при резании. Для уменьшения износа фрезы вследствие высокой температуры нагрева и трения в процессе резания рекомендуется применять смазывающе-охлаждающие жидкости (СОЖ). Для этой цели наиболее часто используются эмульсии, представляющие собой 5. 10% раствор эмульсола в воде. Благодаря наличию в эмульсоле минерального масла и поверхностно-активных веществ эмульсии наряду с хорошим охлаждением оказывают также смазывающее действие.
При общепринятом способе охлаждения поливом жидкость подводится к фрезе сверху или сбоку плоской непрерывной струей. Подавать ее следует одновременно с началом резания при среднем расходе жидкости 10. 20 л/мин. Такой способ охлаждения рекомендуется применять при обработке сталей и цветных металлов быстрорежущими фрезами.
Источник
Охлаждение металлов при резании
В связи с обработкой стали и других металлов, имеющих высокую температуру плавления, применение охлаждающих жидкостей становится существенным. Это наиболее важно при резании стальными инструментами, хотя охлаждающие жидкости часто применяются также и при резании твердосплавными инструментами. Типичным примером условий применения охлаждающих жидкостей является обработка сравнительно небольших деталей на токарных автоматах одновременно несколькими резцами или с небольшим интервалом.
Два основных источника теплообразования при резании — плоскость сдвига и поверхность раздела инструмент — заготовка (особенно в зоне пластического течения на передней поверхности инструмента) — были рассмотрены ранее. Работа, совершаемая при срезании материала заготовки в этих двух зонах, превращается в теплоту, тогда как работа, совершаемая при трении скольжения, имеет второстепенное значение для теплообразования в большинстве условий резания. Охлаждающие жидкости не препятствуют выделению теплоты и не имеют прямого доступа в зоны, являющиеся источниками теплообразования. Теплота, выделяющаяся в зоне сдвига, в основном уносится стружкой, и незначительная ее часть уходит в заготовку. Охлаждающие жидкости на водной основе эффективно снижают температуру как заготовки, так и стружки, после того как стружка сходит с инструмента.
Охлаждение стружки имеет второстепенное значение, тогда как поддержание низкой температуры заготовки оказывает существенное влияние на обеспечение размерной точности.
Отвод теплоты, выделяющейся в первичной зоне сдвига, не оказывает заметного влияния на стойкость или качество режущих инструментов. Как — было показано, теплота, выделяющаяся на поверхности раздела инструмент — заготовка и в прилегающей к ней зоне, имеет гораздо большее значение, особенно при высоких скоростях резания, когда источником тепловыделения является тонкая зона пластического течения, находящаяся в условиях схватывания с инструментом. Охлаждающая жидкость не может непосредственно воздействовать на тонкую зону, являющуюся источником тепловыделения, а способствует отводу теплоты с поверхностей стружки, заготовки и инструмента, доступных для охлаждающей жидкости и расположенных возможно ближе к источнику тепловыделения. Отвод теплоты в стружку и заготовку, по-видимому, оказывает небольшое влияние на температуру на поверхности раздела инструмент — заготовка вследствие того, что непрерывно перемещающаяся заготовка и стружка находятся очень мало времени на площадке контакта с инструментом. Например, при обработке со скоростью резания 30 м/мин время, необходимое для прохождения стружки через зону контакта с инструментом, равно примерно 0,005 с.
Инструмент является единственным стационарным элементом системы. Именно инструмент подвергается воздействию высокой температуры, и поэтому в большинстве случаев охлаждение наиболее эффективно может быть осуществлено через инструмент. Инструмент охлаждается наиболее эффективно за счет подачи жидкости на те доступные его поверхности, которые имеют наиболее высокую температуру, так как здесь происходит наиболее быстрый отвод теплоты, а также потому, что повреждение этих поверхностей наиболее вероятно. Знание распределения температуры в инструменте может помочь рациональному применению охлаждающих жидкостей. Это подтверждается экспериментальными данными лабораторных испытаний инструментов при обработке стали с очень низким содержанием углерода и технически чистого никеля.
На рис. 8.1 приведены сечения по режущей кромке инструментов после обработки низкоуглеродистой стали с высокой скоростью резания: всухую и с подачей масляной эмульсии свободно падающей струей, а также с подачей тонкой струей, направленной на вспомогательную заднюю поверхность. Инструменты были разрезаны и подвергнуты травлению для определения градиентов температуры методами, изложенными ранее. Температурные поля в инструментах в той последовательности, в которой они расположены на рис. 8.1, представлены на рис. 8.2. На рис. 8.3 показаны температурные поля на передней поверхности инструментов, применявшихся для резания при условиях, аналогичных условиям, представленным на рис. 8.2. На них видны важные особенности, относящиеся к действию охлаждающих жидкостей.
Во-первых, применение охлаждающей жидкости не препятствовало возникновению высокой температуры на поверхности раздела инструмент — заготовка вследствие того, что выделение теплоты происходило в зоне пластического течения, недоступной прямому воздействию охлаждающей жидкости. Максимальная температура на передней поверхности инструмента составляла выше 900° С независимо от того, протекал ли процесс резания всухую, с подачей охлаждающей жидкости поливом или тонкой струей, направленной на вспомогательную заднюю поверхность. Во-вторых, применение охлаждающей жидкости уменьшило нагрев режущего инструмента. Струя, направленная на вспомогательную заднюю поверхность, была в этом отношении гораздо эффективнее, чем свободный полив охлаждающей жидкости на переднюю поверхность. Градиенты температуры в инструменте были гораздо круче при применении охлаждающей жидкости. В-третьих, не происходило повреждения вспомогательной задней поверхности, вызванного деформацией инструмента при обработке всухую, или при поливе охлаждающей жидкостью, когда температура этой поверхности была снижена за счет подачи охлаждающей жидкости через сопло. Более широкая холодная зона на режущей кромке на этом инструменте дает возможность предположить, что скорость диффузионного износа задней поверхности возможно также уменьшится при таком способе охлаждения.
Колодная зона на режущей кромке, являющаяся характерной особенностью инструментов, применяемых для обработки стали, отсутствует при обработке никеля, как было показано ранее. Высокая температура на главной режущей кромке способствует ее износу и выходу из строя под действием деформации. Было найдено что при обработке никеля эффективность охлаждения увеличивается, если подавать охлаждающую жидкость через сопло в виде тонкой струи на заднюю поверхность инструмента на участок, расположенный под главной режущей кромкой. На рис. 8.4, а приведено сечение по инструменту после обработки технически чистого никеля всухую, а на рис. 8.4, б — соответствующий резец после обработки с подачей охлаждающей жидкости через сопло на заднюю поверхность. Соответствующие градиенты температуры показаны на рис. 8.5. Приведенные рисунки свидетельствуют о значительном уменьшении температуры и износа инструмента на режущей кромке вследствие подачи охлаждающей жидкости непосредственно к определенному участку инструмента.
Источник
Способ охлаждения зоны резания
Изобретение относится к обработке материалов резанием, в частности к способам охлаждения зоны резания, и может найти применение в различных отраслях машиностроения. В зону резания подают газообразную смазочно-охлаждающую среду , обработанную в ионизаторе в поле коронного разряда. Эту среду подают в ионизатор под давлением не менее 0,04 атм, и формируют из нее струю. Длину струи устанавливают меньше 30 ее диаметров на выходе из ионизатора. Такое сочетание параметров давления и длины струи позволяет оптимизировать параметры направленного потока смазочно-охлаждающей среды, а именно, повышается устойчивость струи конвенционным потокам, которые приводят к разрушению. Это способствует образованию устойчивой равномерной окисной пленки на поверхности режущего инструмента и обрабатываемой поверхности. В результате повышается износостойкость инструмента и одновременно снижается шероховатость обрабатываемой поверхности. 4 ил.
Изобретение относится к способам обработки материалов резанием, а именно к способу охлаждения зоны резания.
Известен способ охлаждения зоны резания (RU, A, 203788), при котором газообразную смазочно-охлаждающую среду подают в зону резания через ионизатор с коронирующим разрядом. Под действием электрического поля коронирующего разряда происходит ионизация и озонирование смазочно-охлаждающей среды. Ионизированный и озонированный поток смазочно-охлаждающей среды подается в зону резания со скоростью не менее скорости резания. Для возбуждения коронного разряда используют регулируемый электрический ток. Величину тока изменяют в соответствии с изменением скорости подачи газообразной смазочно-охлаждающей среды, что позволяет регулировать физико-химические параметры газообразной смазочно-охлаждающей среды. В результате окисная пленка, образуемая на взаимодействующих поверхностях обрабатываемого материала и режущего инструмента, имеет достаточную и равномерную толщину, а также происходит эффективный отвод тепла из зоны резания.
Однако такой способ не может обеспечить достаточной размерной стойкости инструмента.
В основу изобретения положена задача создания способа охлаждения зоны резания, который обеспечил бы подачу в зону резания газообразной смазочно-охлаждающей среды с оптимальными физико-химическими параметрами, при которых обеспечивается повышенная размерная износостойкость инструмента, а также создание устройства для осуществления этого способа.
Поставленная задача решается тем, что в способе охлаждения зоны резания, при котором в зону резания подают газообразную смазочно-охлаждающую среду, обработанную в ионизаторе в поле коронного разряда, согласно изобретению, газообразную смазочно-охлаждающую среду подают в ионизатор под давлением не менее 0,04 ат, в котором формируют из газообразной смазочно-охлаждающей среды струю, длину которой устанавливают меньше 30 ее диаметров на выходе из ионизатора.
Соотношение между длиной сформированной струи и ее диаметром на выходе из ионизатора получено экспериментальным путем. Длина струи, выбранная из данного соотношения, и величина давления, под которым подается в ионизатор газообразная смазочно-охлаждающая среда, позволяют оптимизировать параметры направленного потока смазочно-охлаждающей среды, а именно, повышается устойчивость струи конвенционным потокам, которые приводят к ее разрушению. Это способствует образованию устойчивой равномерной окисной пленки на поверхности режущего инструмента и обрабатываемой поверхности. Образовавшаяся окисная пленка служит смазкой в процессе обработки. В результате чего повышается износостойкость инструмента, а именно размерная износостойкость, что особенно важно при обработке поверхностей с минимальными геометрическими допусками, одновременно снижается шероховатость обрабатываемой поверхности. Минимальная длина струи ограничена конструктивными параметрами установки, реализующей предлагаемый способ, а также размерами зоны резания. Так как процесс обработки происходит не в точке, а на определенной поверхности, необходимо, чтобы и окисная пленка образовывалась на всей обрабатываемой в данный момент времени поверхности. При увеличении длины струи свыше 30 ее диаметров на выходе ионизатора сформированная струя разрушается образующимися конвенционными потоками, что приводит к образованию неравномерной окисной пленки, а это влечет за собой снижение стойкости инструмента, его неравномерный износ и повышение шероховатости обрабатываемой поверхности. Т.е. струя смазочно-охлаждающей среды не оказывает влияния на результат обработки.
В последующем изобретение поясняется подробным описанием конкретного примера его выполнения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых: на фиг. 1 изображена схема устройства для охлаждения зоны резания; на фиг. 2 — схема расположения нескольких ионизаторов; на фиг. 3 — график зависимости износа инструмента; на фиг. 4 — график зависимости шероховатости обрабатываемой поверхности.
Устройство для охлаждения зоны резания (фиг. 1) содержит ионизатор 1 любой конструкции с коронирующим электродом 2, например отрицательным, источник 3 подачи газообразной смазочно-охлаждающей среды, источник 4 питания, подключенный к коронирующему электроду 2, регулятор 5 давления газообразной смазочно-охлаждающей среды.
Ионизатор 1 содержит полый корпус 6, являющийся, например, электродом положительной полярности, с соплом 7, направленным в зону резания. Между корпусом 6 и соплом 7 установлен трубопровод 8. В корпусе 6 по его продольной оси установлен коронирующий электрод 2, подключенный к источнику 4 питания, в качестве которого использован источник переменного тока, или источник тока отрицательной полярности, или источник тока положительной полярности, выбор которого зависит от материала заготовки, режущего инструмента, режимов резания и состава газообразной смазочно-охлаждающей технологической среды.
Корпус 6 сообщен магистралью 9 с источником 3 подачи газообразной смазочно-охлаждающей среды, например сжатого воздуха, который при прохождении через корпус 6 и взаимодействии с полем коронного разряда, возбуждаемым между коронирующим электродом 2 и корпусом 6, ионизируется с одновременным образованием озона и в виде сформированной струи подается через сопло 7 в зону резания.
Регулятор 5 давления газообразной смазочно-охлаждающей среды включен в магистраль 9 и выполнен в виде известного устройства, обеспечивающего поддержание в заданных пределах давления подачи этой среды, в качестве которого можно использовать, например, вентиль, управление исполнительным (запорным) органом которого можно осуществлять вручную по показаниям прибора.
Источник 4 питания и ионизатор 1 подключены к шинам 10 нулевого потенциала.
Трубопровод 8 может быть выполнен из гибкого материала, что позволит расположить выходное отверстие сопла 7 на любом расстоянии от зоны резания и таким образом установить необходимую длину струи.
При фрезеровании, зубофрезеровании или сверлении, т.е. когда зона резания имеет значительные размеры, недостаточно иметь только один ионизатор 1, необходимо расположить несколько ионизаторов 1, как это показано на фиг. 2.
Способ осуществляется следующим образом.
При обработке резанием обрабатываемую деталь 11 приводят во вращение с заданной скоростью V, подводят к ее поверхности режущий инструмент 12 и при их контакте и взаимном относительном перемещении производится обработка детали 11 резанием. Скорость резания устанавливают в соответствии с выбранной технологией и изменяют в зависимости от материала заготовки и режущего инструмента, от типа используемого оборудования и так далее.
Корпус 6 ионизатора 1 устанавливают вблизи зоны обработки детали 11 так, чтобы с помощью трубопровода 8 сформированная соплом 7 струя имела длину, не превышающую 30 ее диаметров.
Одновременно с обработкой детали 11 в ионизатор 1 подают газообразную смазочно-охлаждающую среду под давлением не менее 0,04 ат, которое устанавливается с помощью регулятора 5 давления. Обработанная известным образом в поле коронного разряда ионизатора 1 газообразная смазочно-охлаждающая среда, попадая в трубопровод 8 и выйдя через сопло 7, формируется в струю, которая и подается в зону резания. Сформированная струя из газообразной смазочно-охлаждающей среды охлаждает режущий инструмент 12 и обрабатываемый материал детали 11, кроме того, такая струя ускоряет образование тонкой окисной пленки на поверхности обрабатываемого материала детали 11 и режущего инструмента 12, которая служит смазкой и снижает тепловыделение в зоне резания.
Для подтверждения выбранных параметров способа на токарном станке осуществляли обработку резанием детали из сплава 12Х18Н10Т, использовали режущий инструмент ВК8, скорость резания установили 90 м/мин. Обработку проводили в течение 60 мин. Для возбуждения коронного разряда использовали силу электрического тока 60 мкА. Диаметр выходного отверстия сопла для подачи смазочно-охлаждающей среды 5 мм.
А) Изменяли расстояние L от выходного отверстия сопла до зоны резания от 10 мм до 200 мм, а газообразную смазочно-охлаждающую среду подавали в ионизатор под давлением Р = 0,04 атм.
При изменении расстояния L замеряли шероховатость R (мм) обрабатываемой поверхности и износ h (мм) инструмента. На фиг. 4 и 5 показаны данные зависимости в виде кривых А. Как видно из графиков, при соотношении больше 30 шероховатость R поверхности и износ h инструмента достигают максимума, т.е. использование смазочно-охлаждающей струи не сказывается на процессе обработки.
Б) Расстояние L от выходного отверстия сопла до зоны обработки устанавливали 40 мм, а давление Р газообразной смазочно-охлаждающей среды изменяли от 0 до 0,3 атм.
Как видно из графиков на фиг. 4 и 5 (кривая В), при значениях давления Р меньше 0,04 атм происходит интенсивный износ инструмента, а обрабатываемая поверхность имеет высокую шероховатость.
Пример 1. На токарном станке 16К20 осуществляли обработку резанием детали из стали 20 Г, использовали режущий инструмент МС 1460, скорость резания установили 160 м/мин. Для возбуждения коронного разряда используют силу электрического тока 50 мкА. Диаметр выходного отверстия сопла для подачи смазочно-охлаждающей среды 5 мм, при этом установили расстояние от выходного отверстия сопла до зоны обработки 40 мм, т.е. соотношение между длиной струи и ее диаметром составило 8. Газообразную смазочно-охлаждающую среду подавали в ионизатор под давлением 0,05 Атм.
В результате размерная стойкость инструмента (до износа по задней поверхности 0,4 мм) по прототипу составила 40 мин, а при обработке предлагаемым способом составила 70 мин.
Пример 2. На токарном станке DZ 500 осуществляли точение колец подшипников из стали 100 Сr 6 (ШХ15). Для обработки наружного диаметра кольца использовали режущий инструмент НМW РТ NMG 2204 12, а для обработки торцевой поверхности — SNMG 1204 12, при этом скорость резания 120 м/мин, подача 0,35 мм/об, а глубина резания 1,0 мм. Для каждого инструмента был установлен свой ионизатор с диаметром сопла 4 мм. Для обработки наружного диаметра кольца ионизатор был установлен таким образом, что расстояние от выходного отверстия сопла до зоны резания составило 10 мм, а для обработки торцевой поверхности кольца ионизатор был снабжен гибким трубопроводом длиной 120 мм, при этом расстояние от выходного отверстия сопла до зоны резания составило 15 мм. Для возбуждения коронного разряда в ионизаторах использовали силу электрического тока 60 мкА и газообразную смазочно-охлаждающую среду в ионизаторы подавали под давлением в 1,2 атм. Таким образом, используя предлагаемый способ, до замены инструмента из-за его размерного износа было обработано 470 колец. Аналогичные детали были обработаны по способу-прототипу. Одним инструментом до его замены было обработано 264 кольца.
Из приведенного примера видно, что стойкость инструмента увеличивается почти в 2 раза.
Способ охлаждения зоны резания, при котором в зону резания подают газообразную смазочно-охлаждающую среду, обработанную в ионизаторе в поле коронного разряда, отличающийся тем, что газообразную смазочно-охлаждающую среду подают в ионизатор под давлением не менее 0,04 атм, и формируют из газообразной смазочно-охлаждающей среды струю, длину которой устанавливают меньше 30 ее диаметров на выходе из ионизатора.
Источник
