В книге рассмотрен механизм разрушения и износа режущего инструмента в различных условиях обработки, а также вопросы хрупкой и пластической прочности режущей части инструмента. Приведены методы расчёта на прочность. Изложена теория адгезионно-усталостного и диффузионного износа инструментов. Даны рекомендации по повышению стойкости инструментов и повышению производительности обработки резанием.

Книга предназначена для инженерно-технических работников машиностроительных заводов.

ВВЕДЕНИЕ

Решениями XXVI съезда КПСС предусматривается повышение технического уровня продукции машиностроения на основе программы широкого использования достижений науки и техники. По мере развития науки и техники конструктивно совершенствуются машины и приборы, повышаются требования к долговечности и надёжности узлов и их деталей. В связи с этим непрерывно растут и требования, предъявляемые к точности изготовления и качеству
поверхности деталей.
Детали на производстве изготовляют последовательной обработкой заготовок в результате осуществления технологических
процессов. Методы обработки заготовок по своему целевому назначению можно классифицировать следующим образом: дозирование и разделение, соединение, формоизменение и изменение физико-механических свойств материалов. При выполнении процессов разделения, соединения, формообразования и формоизменения способами литья, давления, сварки и пайки, при изменении физико-механических свойств материалов способами термической обработки в заготовках деталей возникают технологически «наследственные» погрешности размеров, формы и дефекты качества поверхности. Эти погрешности и дефекты столь значительны, что для обеспечения заданного качества деталей во многих случаях необходимо применять уточняющие процессы, называемые процессами размерной и финишной обработки поверхности.
Современные способы литья и обработки давлением за некоторым исключением обеспечивают 5—10-й классы точности и шероховатость поверхности Ra = 80 - 5 мкм; 2—4-й классы точности и шероховатость Ra = 10 - 0,08 мкм достигаются в сравнительно редких случаях некоторыми способами: холодной штамповкой, объёмной штамповкой, выдавливанием, литьём
под давлением и т.д. Для достижения более высоких классов
точности размеров детали и качества ее поверхности наиболее
целесообразным оказывается оставление на заготовке определенного припуска, при удалении которого процессами размерной обработки и достигаются требуемые точность формы и качество поверхности. Именно поэтому 80 % заготовок деталей в машиностроении подвергаются размерной обработке.
Размерная обработка материалов в основном осуществляется процессами резания на станках, а также различными физическими, электрохимическими и химическими методами удаления припуска. В этих процессах высокая точность обработки деталей достигается обеспечением малой разности температур между обрабатываемой деталью и окружающей средой и сравнительно малыми действующими силами и деформациями системы станок—деталь—инструмент. При обработке деталей на токарных, фрезерных, расточных и других станках достигается 4-й, изредка 3-й класс точности обработки и шероховатость Ra = 10 - 0,63 мкм. Обработка деталей по 3-му — 1-му классам точности при шероховатости поверхности Ra от 1,25 до 0,08 мкм достигается еще большим уменьшением действующих сил и деформаций системы станок — деталь — инструмент на шлифовальных, координатно-расточных и других прецизионных станках.
Прогрессивные способы формообразования, например объёмная прецизионная штамповка, ротационная ковка и выдавливание, прецизионная прокатка, накатка, литье по выплавляемым моделям и в оболочковые формы, а также применение порошковой металлургии для получения заготовок деталей позволяют уменьшить припуск на размерную обработку, а в ряде случаев исключить его. Несмотря на это имеется ещё много случаев, когда припуски на заготовках деталей столь велики, что появляется необходимость разделения обработки резанием на первичную и окончательную.
Непрерывный рост объема размерной обработки резанием в машиностроении наряду с увеличением масштаба выпуска про-
дукции обусловливается следующими обстоятельствами: 1) повышением точности и качества поверхности деталей, требующих увеличения объёма точных способов размерной обработки; 2) усложнением формы деталей и увеличением трудоёмкости размерной обработки; 3) применением новых жаропрочных, жаростойких, коррозионностойких, магнитных, антимагнитных и других конструкционных материалов, характеризующихся низкой обрабатываемостью и значительным повышением трудоёмкости обработки резанием; 4) применением полупроводниковых, диэлектрических и других материалов (кремний, кварц, сапфир, рубин, германий, индий, керамика и др.) для изготовления деталей из монокристаллических слитков путем ориентированной резки на пластины и последующей тщательной обработки.
Всё вышеизложенное позволяет заключить, что процессы размерной обработки материалов резанием еще долгое время будут являться основными и эффективными способами финишной обработки деталей в технологии машиностроения.
Показательно, что развитие технической кибернетики нашло своё первое практическое применение среди всех рабочих процессов машиностроения, именно в процессах размерной обработки в виде создания станков с ЧПУ. Более того, создаются и развиваются обрабатывающие системы, управляемые с помощью микро- и мини-ЭВМ, находит применение групповое управление станками от мощных ЭВМ. В связи с этим остро стоит вопрос о необходимости повышения износостойкости и надёжности работы режущего инструмента, разработки методов расчета его на прочность, определения стойкости и т.д.
Для решения этих задач важно раскрыть природу и механизм износа, изучить явления, происходящие в контактных слоях трущихся пар, выявить причины разрушения поверхностных слоёв инструмента и разработать конкретные требования, предъявляемые к материалам режущих инструментов, что позволит материаловедам найти новые, еще более эффективные материалы, соответствующие этим требованиям.
В гл. I—V изложены вопросы трибологии резания материалов. Рассмотрены вопросы хрупкой и пластической прочности режущего инструмента, даны приближённые формулы для определения стойкости при адгезионно-усталостном и диффузионном видах износа. Описаны требования, предъявляемые к свойствам инструментальных материалов и критерии их качества.
Трибология — это наука, которая комплексно изучает физико-химические явления, происходящие в контактных слоях при
относительном движении и взаимодействии поверхностей твёрдых тел. Её название происходит от греческого слова «трибос», означающего «трение». Задачи трибологии состоят в исследовании трения смазки, износа, механического контакта, физики и химии обработанных поверхностей с целью получения подробного представления об их взаимодействии и последующего усовершенствования применительно к заданным условиям [93, 102].
Прикладное значение трибологии проявляется в правильном выборе материалов контактирующих поверхностей, среды, в которой происходит соприкосновение, а также конструкций узлов соприкасающихся пар. Это в равной степени относится к проектированию подшипников, тормозных пар, зубчатых и фрикционных передач, различных колесных пар, к правильному подбору инструмента при обработке материалов давлением и резанием, а также твёрдых, жидких и газообразных смазочных материалов с учётом среды, в которой взаимодействуют соприкасающиеся поверхности.
Таким образом, трибология как наука соединяет в себе познания, накопленные физикой, химией, прикладной математикой,
механикой, материаловедением и рядом других инженерных дисциплин.
Прикладное значение трибологии для технологических процессов машиностроения заключается в повышении износостойкости и долговечности трущихся пар: обрабатываемый материал с режущим инструментом в процессе резания, с прокатными валками и прошивными пуансонами в процессах прокатки и прессования, со штампами и пресс-формами в процессах штамповки, с фильерами при волочении и др.
Процесс взаимодействия между инструментальным и обрабатываемым материалами существенно отличается от процесса взаимодействия между трущимися поверхностями деталей машин и механизмов вследствие наличия высоких контактных давлений, больших удельных сил трения и деформации, а также высоких контактных температур. Поэтому процесс формообразования методами давления и резания представляет собой самостоятельную часть трибологии.
Трибология резания материалов изучает процесс взаимодействия инструментального и обрабатываемого материалов, механизм износа, влияние физико-химических свойств обрабатываемых материалов и внешней среды на износ и стойкость инструмента и, обобщая все эти сведения, разрабатывает научные основы управления качеством обработанной поверхности, точностью и производительностью обработки, а также создания эффективных инструментальных материалов.
В гл. VI—IX освещён материал, имеющий в основном прикладное значение и содержащий предложения и рекомендации по
повышению производительности обработки деталей резанием на основе правильного выбора материала режущего инструмента, способов и режимов обработки, применения подогрева срезаемого слоя, адаптивного управления на станках с ЧПУ и других методов.
В книге, наряду с материалами собственных исследований, обобщаются результаты, полученные за последние годы в лабораториях кафедры Технологии машиностроения Ордена Ленина и Ордена Трудового Красного Знамени Грузинского политехнического института им. В. И. Ленина.
Предполагается, что основными читателями книги будут специалисты по обработке материалов резанием, материаловеды,
работающие над созданием инструментальных материалов.