ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.04.2024
Просмотров: 177
Скачиваний: 1
А. М. ВУЛЬФ
РЕЗАНИЕ МЕТАЛЛОВ
Издание второе, переработанное и дополненное
Ленинград «Маши построен ие»
Ленинградское отделение 1973
6П4.6 |
|
|
УДК |
621. 91 |
|
В88 |
Вульф А. М. |
м е т а л л о в . Изд. 2-е. Л., «Машиностроение» |
|
• Р е з а н и е |
|
|
(Ленингр. отд-ние), 1973, 496 с. |
|
|
В книге изложены закономерности процесса резания металлов, |
|
|
дано описание режущих инструментов применительно ко всем видам |
|
|
обработки (точению, сверлению, фрезерованию, шлифованию и др.). |
|
|
Значительное внимание уделено обрабатываемости высокопрочных |
|
|
сталей и сплавов, применяемых в отечественном машиностроении. |
|
|
Рассмотрены современные средства быстрого расчета оптимального |
|
|
режима резания с учетом экономических факторов. |
|
|
В отличие от предыдущего издания (1963 г.) в данной книге зако |
|
|
номерности процесса резания более полно поясняются на основе |
|
|
металлофизики. |
|
|
Книга предназначена для инженерно-технических работников |
|
|
металлообрабатывающей промышленности. Она может быть также |
|
|
полезна студентам машиностроительных вузов. |
|
|
Табл. 64. Ил. 279. Список лит. 184 назв. |
|
|
|
6П4.6 |
|
|
Гос. |
v:"чая |
|
|
Hav*-":'- |
|
В |
3126— 108 |
С |
|
108 |
|
||
|
038(01) —73 |
|
|
Р е ц е н з е н т д-р техн. наук В. Г. Подпоркин
© Издательство «Машиностроение», 1973 г.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Директивами X X I V съезда КПСС по пятилетнему плану раз вития народного хозяйства страны на 1971—1975 гг. намечено повысить производительность труда в промышленности на 36—40% и получить за счет этого 80—85% общего прироста продук ции. Важнейшим условием выполнения этой задачи является не только форсированное развитие машиностроения, но и улучшение качества и тем самым значительное повышение ресурсов выпу скаемой продукции.
Для осуществления этой обширной программы инженернотехнические работники должны своевременно получать новейшую научно-техническую информацию в области профессиональных знаний и фундаментальных наук.
В настоящем труде ставится задача осветить закономерности резания металлов на основе физических представлений о про цессе, а также показать рациональные формы режущего инстру мента. Достижения в области резания металлов в большой мере связаны с инструментальными материалами, обладающими разно образными физико-механическими свойствами. Надо знать их специфические особенности и использовать с наибольшим успехом. Для этого изложению законов резания предпосланы некоторые элементарные сведения из физики твердого тела, имеющие непо средственное отношение к процессу резания.
Несомненно, что физика металлов будет занимать все большее место в науке о резании металлов, и можно вполне согласиться с проф. В. Д . Кузнецовым, утверждавшим, что «зная свойства ка кого-либо металла и его поведение при каком-либо виде деформа ции, мы можем более или менее точно предсказать поведение дан ного металла и при резании. Специалисту по резанию металлов необходимо прежде всего хорошо знать свойства обрабатываемых металлов, чтобы предвидеть протекание процесса резания при тех или иных условиях» 148].
Сказанное особенно справедливо в нашу эпоху интенсификации технологических процессов, когда высокопрочные и труднообра батываемые материалы и скоростные режимы резания получают широкое распространение. Очевидно, что в этих условиях созна тельное управление производственным процессом невозможно без понимания его теоретических основ.
Многочисленные исследования советских и зарубежных уче ных достаточно пространно осветили механическую модель про цесса резания. Большинство исследователей рассматривает реза-
1* |
3 |
ние металлов как процесс пластической деформации срезаемого слоя, однако у одних деформационная теория построена на мето дах теории упругости (Гука), другие считают, что в процессе реза ния происходит большая пластическая деформация, сопровождаю щаяся значительным упрочнением металла. При этом рассматри вают резание металлов как процесс последовательного сдвига элементов среза или как разновидность сжатия срезаемого слоя.
Изучая резание металлов как процесс большой пластической деформации, ряд исследователей воспользовались идеями и мето дами математической теории пластичности. Однако при этом не учитывали всей сложности процесса резания, где, помимо плас тической деформации срезаемого -слоя металла, имеют место и вязкое течение и разрушение его, развивающиеся в условиях физико-химического взаимодействия обрабатываемых и инстру ментальных материалов. Это взаимодействие сопровождается различными контактными явлениями и структурными изменениями.
Необходим более общий и широкий взгляд на резание метал лов как процесс разрушения, сопровождаемый пластическими деформациями большей или меньшей интенсивности, изгибом и вязким течением снимаемого слоя металла. Здесь сложные соот ношения между многочисленными параметрами резания познаются пока качественно, но и это открывает перспективы более правиль ной ориентации в оптимальном решении вопросов производитель ности и экономичности процессов.
При современном уровне физических представлений о резании металлов невозможно создать единую математическую модель, учитывающую всю сложность напряженного состояния обрабаты ваемого материала в зоне резания. Подобная модель оказалась бы слишком громоздкой и нереальной для практических решений. Поэтому приходится прибегать к методам оптимальных решений, построенным на так называемой рандомизации, когда действую щие факторы рассматриваются как случайные и потому учиты ваются статистически. На этом основан многомерный регрессион ный анализ, применяемый при многофакторном планировании эксперимента. Он экономен, но может привести к неправильным решениям, если создаются математические модели, охватывающие лишь часть из множества переменных величин к тому же закореллированных.
Учение |
о резании металлов — сравнительно |
молодая наука, |
в которой |
научное обобщение пока еще не стоит |
на должной вы |
соте. Трудности выявления единых законов усугубляются неста бильностью системы — обрабатываемый материал, режущий ин струмент, станок и пр., в значительной степени влияющих на про цесс резания. И все же современные исследования позволяют познать основные закономерности обрабатываемости металлов и на их основе создать средства оптимальных решений при выборе режимов резания, а также рациональных конструкций режущего инструмента и станка.
Г л а в а I
НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Резание металлов — очень сложный процесс, часто протекаю щий при высоких скоростях, температурах и давлении. Снимае мый слой металла подвергается значительным упругим и пласти ческим деформациям в результате взаимодействия его с режущим инструментом. Это сопровождается структурными изменениями, течением и разрушением снимаемого слоя, трением, большой усад кой стружки, образованием налипа, нароста на режущем инстру менте.
Большие изменения претерпевает обработанная поверхность изделия и подповерхностный слой, где возникают остаточные напряжения различных знаков и интенсивности, а также наклеп, определяющие их геометрические и физико-механические свой ства и тем самым ресурсы изготовляемых машин и приборов.
Попытки одностороннего объяснения чрезвычайно сложного процесса резания элементарными механическими схемами или на основе математической теории пластичности нельзя признать удачными. Здесь имеется еще достаточно дискуссионного и неяс ного, хотя в последнее время выполнены интересные исследования механизма пластической деформации на микроскопическом и макроскопическом уровнях.
Положение усложняется еще и тем, что процесс резания сопро вождается температурными и физико-химическими явлениями, природа которых еще не выявлена настолько, чтобы можно было принимать инженерные решения на основе теоретических расче тов. Однако грамотный технический анализ явлений на базе физики твердого тела поможет специалистам правильно ориенти роваться в деле повышения производительности и качества про цесса резания.
Более того, на базе физики твердого тела не только облег чается решение практических задач, но и раскрываются широкие перспективы плодотворного развития самой науки о резании металлов, ибо «физика твердого тела — неисчерпаемый источник идей, на которых базируется развитие важнейших отраслей тех ники» (акад. Л. А. Арцимович).
5
2. ПОНЯТИЕ О КРИСТАЛЛЕ
Все металлы и их сплавы имеют кристаллическую структуру. Кристаллы представляют собой тела в форме многогранников с определенным внутренним строением, характеризуемым правиль ным расположением атомов, размещенных в узлах пространствен ной решетки. Последняя состоит из ряда параллельных кристал лографических плоскостей, отстоящих друг от друга на опреде ленных расстояниях.
Плотность расположения атомов различна в разных плоско стях кристалла, что вызывает анизотропное строение, которому присущи в разных направлениях неодинаковые физико-механи ческие свойства -— прочность, тепловое расширение, электрическое сопротивление и пр.
Как правило, чистые монокристаллы обладают высокой пла стичностью и низкой прочностью (серебро, алюминий). Чистые кристаллы алюминия сохраняют упругость лишь до деформации порядка 10~5, а затем при увеличении нагрузки пластически деформируются. Мелкие кристаллы чистого теллура деформи руются при комнатной температуре под действием собственного веса. Теоретические оценки предела упругости идеальных кри сталлов нередко в 102 —103 превышают их экспериментальные значения. Имеются кристаллические тела, которые почти не обладают пластичностью, например кристаллы особо чистого германия и кремния в условиях комнатной температуры при наложении напряжений дают типичную картину хрупкого раз рушения.
В противоположность кристаллам аморфные тела являются изотропными, имеющими одинаковые свойства в разных направ лениях. Они могут быть и пластичными и хрупкими. Так, стекло при комнатной температуре отличается хрупкостью, причем считают, что это обусловлено концентрацией напряжений на микротрещинах.
Отдельные зерна в виде кристаллов с неправильной огранкой называются кристаллитами. Почти всякий чистый металл пред ставляет собой совокупность кристаллов,- или поликристалл. При этом в металле, как и всяком реальном кристаллическом теле, кристаллы ориентированы различно, и, следовательно, средние показатели физико-механических свойств в разных направлениях могут быть одинаковыми (квазиизотропные металлы). Однако, если в результате пластической деформации (например, при прокатке листов) в структуре металла создается одинаково на правленная ориентация кристаллов (текстура), то появляется типичная анизотропия свойств, чем пользуются нередко для получения определенных физико-механических свойств металла в необходимых направлениях. Это же имеет место и при резании пластичных металлов, где снимаемый слой в результате его дефор мации приобретает форму стружки с резко выраженной тексту-
6
оказывая существенное влияние на характеристику электронной структуры, определяют физико-механические свойства материа лов. В частности, отмеченные элементарные нарушения периоди ческой структуры облегчают протекание пластической деформа ции, играющей большую роль в процессе резания металлов.
3. МЕХАНИЗМ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ
Деформацией называется процесс изменения формы тела под действием внешних сил или каких-либо физико-химических явлений (теплоты, электромагнитного поля, диффузии и др.). Деформация может быть упругой, исчезающей после прекращения
действия |
силы, и |
пластической — остаточной, |
сохраняющейся |
|||||||||||||||
|
|
|
и после |
снятия |
нагрузки. |
Пластическая |
||||||||||||
|
|
|
деформация |
заключается |
в |
|
сдвигах |
и |
||||||||||
|
|
|
перемещенихя |
групп |
атомов |
относительно |
||||||||||||
|
|
|
друг друга. При этом происходит |
|
сколь |
|||||||||||||
|
|
|
жение, |
|
т. е. |
параллельное |
перемещение |
|||||||||||
|
|
|
частей |
кристалла |
вдоль |
одной |
или |
не |
||||||||||
|
|
|
скольких кристаллографических |
плоскос |
||||||||||||||
|
|
|
тей на дистанции, |
превосходящие по вели |
||||||||||||||
|
|
|
чине расстояние между атомами (пара |
|||||||||||||||
|
|
|
метры |
кристаллической |
решетки |
1—6 |
А) |
|||||||||||
|
|
|
в |
1000 |
|
раз. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Скольжение в зернах часто осущест |
||||||||||||||
|
|
|
вляется |
вдоль |
очень |
большого |
|
числа |
||||||||||
|
|
|
плоскостей, |
что |
заметно |
на |
|
полирован |
||||||||||
|
|
|
ной поверхности обрабатываемого |
металла |
||||||||||||||
|
|
|
по |
многочисленным |
параллельным |
поло |
||||||||||||
|
|
|
сам, |
расположенным |
|
в |
направлении |
|||||||||||
Рис. 3. Схема двойнико- |
максимальных |
|
сдвигающих |
напряжений. |
||||||||||||||
вания |
|
Так, |
скольжение |
|
происходит |
у |
стали, |
|||||||||||
|
|
|
меди, |
золота. У других |
|
металлов |
(цинк, |
|||||||||||
олово, свинец) при достижении |
предела |
текучести начинается |
не |
|||||||||||||||
скольжение в зернах, |
а перемещение |
|
зерен |
относительно друг |
||||||||||||||
'друга. У алюминия |
происходит |
и |
скольжение |
в зернах, |
и |
пере |
||||||||||||
мещение самих зерен, что заметно |
отличает процесс |
деформации. |
||||||||||||||||
При |
пластической |
деформации |
происходит |
и |
так |
называемое |
двойникование, заключающееся в сдвиге частей кристалла сим метрично относительно некоторой плоскости (рис. 3). Этот процесс часто наблюдается в аустенитных сталях, а также у некоторых цветных металлов и сплавов. При большой степени деформации он сопровождается искривлением кристаллографических плоско стей и изменением межатомных расстояний.
Наряду с отмеченными явлениями при пластической деформа ции изменяется положение атомов также вследствие их теплового движения. Тепловые колебания атомов при высокой температуре играют значительную роль в пластической деформации металлов,
8