Расчет параметров и показателей процесса резания


С. В. ГРУБЫЙ







РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ И ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ

Учебное пособие

















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2020

УДК 621.941.1
ББК 34.5
       Г90


Рецензенты:
заведующий кафедрой металлорежущих станков и инструментов Кузбасского государственного технического университета им. Т. Ф. Горбачева доктортехнических наук, профессор А. Н. Коротков;
заслуженный работник высшей школы РФ, заведующий кафедрой станков и инструментов Тюменского индустриального университета доктор технических наук, профессор Е. В. Артамонов




           Грубый, С. В.
Г90           Расчет параметров и показателей процесса резания : учебное пособие /
         С. В. Грубый - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2020. - 192 с. : ил., табл.
              ISBN978-5-9729-0463-1



      Рассмотрен порядок расчета параметров и показателей процесса резания металлов: параметров стружкообразования, силы, температуры свободного прямоугольного резания; параметров срезаемого слоя, направления схода стружки; параметров неровностей профиля (шероховатости); параметров изнашивания, стойкости сборных резцов и режимов точения. Даны методические указания для выполнения домашних заданий по учебным дисциплинам «Основы теории резания», «Финишные и абразивные методы обработки поверхностей деталей машин».
      Для студентов, обучающихся по направлениям подготовки «Проектирование технологических машин и комплексов», «Технологические машины и оборудование», «Машиностроение».

      The tasks of calculating the parameters and indicators of the process of cutting metals are considered: the parameters of chip formation, force, temperature of free rectangular cutting; the parameters of the layer being cut, the direction of chip flow, the component forces for the free-cutting oblique cutting; profile irregularities (roughness); wear parameters of precast cutters and turning modes. Set out guidelines for homework on academic disciplines: «Fundamentals of cutting theory», «Finishing and abrasive methods ofprocessing surfaces ofmachine parts».
      The manual is intended for students enrolled in the areas of training: «Designing technological machines and complexes» (specialist), «Technological machines and equipment» (master), «Mechanical Engineering» (graduate student).


                                                                         УДК 621.941.1
                                                                         ББК 34.5





ISBN 978-5-9729-0463-1

      © Грубый С. В., 2020
                             © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020
                             © Издательство «Инфра-Инженерия», 2020

            ОГЛАВЛЕНИЕ



ПРЕДИСЛОВИЕ...................................................5
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.............................6
ВВЕДЕНИЕ......................................................9
1. ПАРАМЕТРЫ СТРУЖКООБРАЗОВАНИЯ, СИЛЫ
И ТЕМПЕРАТУРЫ РЕЗАНИЯ........................................11
  1.1. Расчетные параметры для сливной стружки по схеме с единственной плоскостью сдвига.................................11
  1.2. Домашнее задание по дисциплине «Основы теории резания» -параметры стружкообразования и силы резания......................17
  1.3. Расчет сил через давления на контактных поверхностях инструмента... 26
  1.4. Расчет параметров теплофизики резания.................34
  1.5. Домашнее задание по дисциплине «Основы теории резания» -параметры теплофизики резания..............................41
  1.6. Характеристики и расчетные параметры для элементной стружки.47
  1.7. Обоснование условий прочности режущего клина..........57
  1.8. Примеры решения задач.................................62
2. РАСЧЕТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ДЛЯ НЕСВОБОДНОГО КОСОУГОЛЬНОГО РЕЗАНИЯ........................................72
  2.1. Параметры срезаемого слоя и направление схода стружки.72
  2.2. Составляющие силы резания.............................82
  2.3. Параметры шероховатости обработанной поверхности......86
    2.3.1. Эмпирические уравнения и экспериментальные зависимости..86
    2.3.2. Расчет высоты неровностей профиля при точении.....99
  2.4. Домашнее задание по дисциплине «Финишные и абразивные методы обработки»............................105
  2.5. Примеры решения задач................................109

3

3. РАСЧЕТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ИЗНАШИВАНИЯ
СБОРНЫХ РЕЗЦОВ И ВЫХОДНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ТОЧЕНИЯ.......................128
  3.1. Геометрические параметры и элементы сечения срезаемого слоя.128
  3.2. Углы сдвига, силы и температуры резания............136
  3.3. Расчетные параметры и выходных показателей точения.152
  3.4. Расчетные степенные уравнения......................160
  3.5. Примеры решения задач..............................164
ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................182
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ................................185
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.........................................188

4

            ПРЕДИСЛОВИЕ



    Учебное пособие разработано в обеспечение программ учебных дисциплин «Основы теории резания» и «Финишные и абразивные методы обработки поверхностей деталей машин» в соответствии с Самостоятельно устанавливаемым образовательным стандартом МГТУ им. Н. Э. Баумана, основной профессиональной образовательной программой для специальности 15.05.01_02 «Проектирование технологических машин и комплексов - Проектирование механообрабатывающих и инструментальных комплексов в машиностроении».
    Целью учебных дисциплин является формирование у студентов соответствующих знаний по теории резания, финишным и абразивным методам обработки. Учебное пособие дополняет литературные источники и лекции прежде всего в части решения расчетных задач, а также является методическим обеспечением для выполнения домашних заданий по этим учебным дисциплинам.
    Освоение учебного пособия предполагает предварительное изучение следующих дисциплин учебного плана: информатика, математический анализ; технология конструкционных материалов, металлорежущее оборудование. В свою очередь, учебное пособие рассматривается как предшествующее для последующих дисциплин образовательной программы: проектирование операций механической обработки, основы технологии машиностроения, оптимизация механической обработки, основы проектирования режущих инструментов, научно-исследовательская работа, выпускная квалификационная работа.
    В методическом плане учебное пособие является самостоятельным и самодостаточным по тексту и содержанию. Рекомендуемые литературные источники содержат дополнительный материал, который не включен из-за ограничений по объему соответствующих учебных курсов. Для решения расчетных задач студентам рекомендовано использовать программирование на алгоритмическом языке высокого уровня, в частности, Delphi, входящее в учебную программу университета.

5

            УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ



ОМ - обрабатываемый материал;
ИМ - инструментальный материал;
РИ - режущий инструмент;
ТС - твердый сплав;
СМИ - сменная многогранная пластина;
a - толщина сечения срезаемого слоя, мм;

b - ширина сечения срезаемого слоя, мм;
Р, го - угол сдвига, угол действия, град;
у, а, X, ф, ф| - углы передний, задний, наклона кромки, главный в плане, вспомогательный в плане, град;
r, р - радиус закругления вершины, радиус округления кромки, мм;

KL, Kₐ, Kb - коэффициенты укорочения, утолщения, уширения стружки;
тp, тp ।, тp2 - касательные напряжения в плоскости сдвига, МИа;
стₘ, qz, тz - максимальное нормальное давление на режущей кромке, нормальное, касательное давление на задней поверхности, МИа;
pₚ, fₜᵣ - коэффициенты трения на передней поверхности, на задней поверхности лезвия;
£ - относительный сдвиг;
l]_,hz, 12 - длина контакта стружки с передней поверхностью, износ задней поверхности, полная длина контакта по задней поверхности, мм;

6

Rc, Pₙ, F] - сила стружкообразования, нормальная, касательная силы на передней поверхности, Н;
N2, /'э - нормальная, тангенциальная силы на задней поверхности, Н;
Pz, Py, Pₓ - тангенциальная, радиальная и осевая составляющие силы резания, Н;
E, Li - модуль Юнга, ГПа, коэффициент Пуассона;
сть, ст₀2, HB - предел прочности, предел текучести, твердость ОМ, МПа;
X₁₅ Х2 - коэффициенты теплопроводности ОМ и ТС, кал/(см-страд);
СО]. - коэффициент температуропроводности ОМ, см²/с;
qd, Q11, q21 - интенсивность тепловых источников в плоскости сдвига, от трения на передней и задней поверхности, кал/(см²-с);
Q1, q2 - интенсивность итоговых тепловых потоков на передней и задней поверхности, кал/(см²-с);
Td, T], T2, Tp - температуры в плоскости сдвига, на передней поверхности, на задней поверхности, резания, °С;
стekv, стi, Ст], Ст2, СТ3 - напряжение эквивалентное, интенсивность напряжений, напряжения главные, МПа;
стᵣ, kᵣₚ, kᵣz - радиальное напряжение, МПа, коэффициент запаса прочности на передней поверхности, на задней поверхности;
сть, ст_ь - предел прочности на растяжение, сжатие ИМ, МПа
Ac, цc, уc - углы схода стружки, передний угол в направлении схода стружки, град;
Rₐ, Rz, Rₘₐₓ - параметры шероховатости обработанной поверхности, мкм;
h], h2, h3, h4 - составляющие высоты неровностей профиля, мкм;
у₀, а₀, Хо, ф₀, е₀, аₚ - углы режущей части сборного резца, град;

7

уd, V, Л - углы установи СМП в корпусе (державке) сборного резца, град;
aef, bₑf, fd - эффективная толщина, ширина, мм, действительная площадь среза, мм²;
Iₙₜ - скорость изнашивания задней поверхности инструмента в тангенциальном направлении, мм/мин;
Iₜᵣ, Iₙ0 - интенсивность изнашивания в тангенциальном направлении, интенсивность изнашивания по нормали к площадке контакта;
т, T - период резания, стойкость инструмента, мин;
v, t, s - скорость резания, м/мин (м/с), глубина, подача, мм.

8

            ВВЕДЕНИЕ



    Теория резания является базовым курсом в учебном процессе для кафедры «Инструментальная техника и технологии» МГТУ им. Н. Э. Баумана при обучении студентов по специальности 15.05.01_02 «Проектирование технологических машин и комплексов - Проектирование механообрабатывающих и инструментальных комплексов в машиностроении». В исторической ретроспективе следует отметить ряд кафедральных учебников и учебных пособий по этой дисциплине, среди которых: «Основы теории резания металлов» заведующего кафедрой профессора Беспрозванного И. М. (1948 г.); «Резание металлов» авторов Грановского Г. И., Грудова П. П., Кривоухова В. А., Ларина М. Н., Малкина А. Я. (1954 г.); «Резание металлов» заведующего кафедрой профессора Грановского Г. И. в соавторстве с Грановским В. Г. (1985 г.). В этих учебниках сформирована основная предметная часть теории резания: геометрия режущей части инструментов, параметры сечения срезаемого слоя; кинематика резания; моделирование процесса резания внешним трением инструментального индентора по поверхности заготовки; физические особенности деформирования и разрушения материала в зоне стружкообразования; явление нароста; микрогеометрия обработанной поверхности, теплота и влияние факторов на температуру резания; усилия при резании; износостойкость и интенсивность изнашивания инструментальных материалов; подтверждение гипотезы адгезионного механизма износа лезвий; кривые износа, скорость резания и стойкость инструмента; обрабатываемость материалов; рациональные режимы обработки, отдельные виды обработки резанием. Список литературы дополняет указанные кафедральные источники изданиями других авторов, конкретизирующих и дополняющих рассматриваемые вопросы.
    В современном учебном плане МГТУ им. Н. Э. Баумана курс теории резания представлен тремя самостоятельными дисциплинами: «Основы теории резания», «Проектирование операций механической обработки», «Финишные и абразивные методы обработки поверхностей деталей машин». По каждой из этих дисциплин предусмотрены лекции, домашние задания, лабораторные работы.

9

    Содержание ученого пособия направлено прежде всего на поддержку теоретической части курса, в котором представлены соотношения, выражения и формулы, количественно раскрывающих базовые положения теории резания. Здесь разобраны вопросы: параметры стружкообразования, силы, температуры для свободного прямоугольного резания и обоснованы условия прочности режущего клина; параметры срезаемого слоя, направление схода стружки, составляющие силы для несвободного косоугольного резания; параметры шероховатости обработанной поверхности и составляющие высоты неровностей профиля; параметры изнашивания, износа и стойкости сборных резцов, выходные показатели и расчетные степенные уравнения при точении.
    Текст учебного пособия содержит варианты исходных данных и методические рекомендации для выполнения трех домашних заданий:
      -  параметры стружкообразования и силы резания (механика свободного прямоугольного резания);
      -  параметры теплофизики резания, расчет температур;
      -  расчет высоты неровностей профиля и шероховатости обработанной поверхности при точении.
    Каждая глава пособия имеет теоретическую часть и оканчивается примерами решения типовых задач. В силу ограниченности объема дисциплин в учебном пособии рассмотрен только определенный круг вопросов, которые непосредственно рассматриваются в лекциях и направлены на расчет или количественный анализ параметров и показателей процесса.
    Учебное пособие предназначено для студентов по направлению подготовки «Проектирование технологических машин и комплексов» (специалист - инженер) при подготовке к лекциям и выполнении домашних заданий.
    Учебное пособие может быть полезным студентам по направлению «Технологические машины и оборудование» (магистр) и аспирантам по научной специальности 05.02.07 при выполнении научной части выпускной квалификационной работы и диссертации.

10

            ГЛАВА 1. ПАРАМЕТРЫ СТРУЖКООБРАЗОВАНИЯ, СИЛЫ И ТЕМПЕРАТУРЫ РЕЗАНИЯ


    1.1. РАСЧЕТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ДЛЯ СЛИВНОЙ СТРУЖКИ ПО СХЕМЕ С ЕДИНСТВЕННОЙ ПЛОСКОСТЬЮ СДВИГА

    Основы современного расчета параметров стружкообразования и механики резания отражены в ряде учебников, монографий, научных статей. Например, в обобщенном виде со ссылками на литературные источники расчетные методики приведены в отечественных учебниках [1, 2]. Аналогичный подход изложен у зарубежных авторов, в частности в работах [3, 4].
    Расчетные схемы стружкообразования могут быть сведены к трем типам [1]: схема с единственной плоскостью сдвига, предложенная И. А. Тиме; схема с клиновой зоной, предложенная и рассмотренная в работах А. А. Брикса, Н. Н. Зорева, и схема с параллельными границами, предложенная В. И. Сад-чиковым. Третья схема по существу аналогична схеме с единственной плоскостью сдвига, но исключает стремящееся к нулю время деформации. По этой схеме зона деформации имеет некоторую усредненную толщину и непосредственно примыкает к условной плоскости сдвига, которая наклонена к вектору скорости резания под углом сдвига. Несмотря на кажущуюся простоту, подобная схематизация является эффективной для расчета ряда параметров стружкообразования и сил резания, которые находят хорошее экспериментальное подтверждение.
    По кинематике и геометрии инструмента можно выделить свободное прямоугольное резание, когда в резании участвует одна режущая кромка, лежащая в плоскости, перпендикулярной скорости резания - основной плоскости. При прямоугольном резании режущая кромка имеет нулевой угол наклона к основной плоскости. Общая схема геометрических параметров и сил на контактных поверхностях лезвия инструмента приведена на рис. 1.1.


11

Рис. 1.1. Схема для расчета параметров стружкообразования и сил для свободного прямоугольного резания

    Установлено, что для свободного прямоугольного резания угол сдвига прежде всего зависит от переднего угла инструмента и отношения ширины к толщине срезаемого слоя. Для этого отношения в пределах a > а₀ справедлива зависимость для расчета угла сдвига р :

Р = arcctg

k^ ■ ^(р₀Ejb I a) + cos у - sin у

cos у + sin у

(1.1)

где коэффициент k 1 отражает влияние скорости резания; упругая постоянная Ц(₍ .2\                     .2\
равна г]₀ = (1 - Ц| ) I Ej + (1 -р₂) I Ei ;E 1 , E2 - модули упругости ОМ и ИМ; щ, р₂ - коэффициенты Пуассона; а, b - толщина и ширина срезаемого слоя; у - передний угол инструмента.

12