На шорсткість поверхні, обробленої різанням, впливає велика кількість чинників, пов'язаних з умовами виготовлення заготовки. Зокрема, висота і форма нерівностей, а також характер розташування й напрямок оброблювальні рисок залежать від прийнятого виду і режиму обробки; умов охолодження і мастила інструменту; хімічного складу і мікроструктури оброблюваного матеріалу; конструкції, геометрії і стійкості ріжучого інструменту; типу і стану використовуваного обладнання, допоміжного інструменту та пристосувань.
Всі різноманітні фактори, що зумовлюють шорсткість обробленої поверхні, можна об'єднати в три основні групи: причини, пов'язані з геометрією процесу різання; пластичної і пружної деформаціями оброблюваного матеріалу і виникненням вібрацій ріжучого інструменту щодо оброблюваної поверхні.
Переважний вплив на формування шорсткості поверхні надає (як правило) одна з трьох зазначених груп причин, яка і визначає характер і величину шорсткості. Однак в окремих випадках шорсткість виникає в результаті одночасного і майже рівнозначного впливу всіх зазначених причин і внаслідок цього не має чітко виражених закономірностей.
Геометричні причини утворення шорсткості
За один оборот заготовки різець переміщається на величину подачі S1 (мм / об) і переходить з положення 2 в положення 1 (рис. 1, а). При цьому на обробленої поверхні залишається деяка частина металу, що не знята різцем і утворює залишковий гребінець m. Цілком очевидно, що величина і форма нерівностей поверхні, що складаються з залишкових гребінців, визначаються подачею S1 і формою ріжучого інструменту.
Наприклад, при зменшенні подачі до значення S2 висота Rz нерівностей знижується до Rz (рис. 1, б). зміна кутів # 966; і # 966; 1 в плані впливає не тільки на висоту, але і на форму нерівностей поверхні (рис. 1, в).
При використанні різців із закругленою вершиною досить великого радіуса r1 форма нерівностей стає відповідно також закругленою (рис. 1, г). При цьому збільшення радіусу заокруглення вершини різця до r2 призводить до зменшення висоти Rz шорсткості (рис. 1, д).
Мал. 1. Геометріческіке причини утворення шорсткості при точінні
Формула розрахунку подачі враховує геометричні причини утворення шорсткості:
де So - подача на оборот; Ra - шорсткість, мкм; r - радіус при вершині інструменту, мм.
При виготовленні ріжучого інструменту і при його затуплении на ріжучому лезі інструменту утворюються нерівності і щербини, певним чином збільшують шорсткість оброблюваної поверхні. Вплив нерівностей леза інструменту на шорсткість обробленої поверхні особливо істотно при тонкому точінні з малими подачами, коли нерівності леза порівнянні з величиною Rz. В окремих випадках повного копіювання профілю зазубрин леза на оброблювану поверхню може і не відбутися, тому що пластично деформований метал стружки і оброблюваної поверхні іноді затікає в щербини ріжучої кромки, частково гальмуючи в їх площині, і робить їх як би більш дрібними. В результаті цього зростання висоти шорсткості обробленої поверхні в деяких випадках відстає від збільшення глибини зазубрин ріжучого леза. Однак і в цих випадках вплив зазубрин леза на шорсткість оброблюваної поверхні може бути значним.
За наявними практичним даними при затуплении ріжучого інструменту і появі на ньому зазубрин шорсткість обробленої поверхні зростає при точінні - на 50-60%, фрезеруванні циліндричними фрезами - на 100-115%, фрезеруванні торцевими фрезами - на 35-45%, свердління - на 30 -40% і розгортанні - на 20-30%. Зазначене збільшення шорсткості оброблюваної поверхні при затуплении ріжучого інструменту пов'язано не тільки з геометричним впливом зазубрин, що виникають у цій механічній лезі, а й зі зростанням радіусу округлення леза. Збільшення радіусу округлення леза підвищує ступінь пластичної деформації металу поверхневого шару, що призводить до зростання шорсткості поверхні. Для усунення впливу зазубрин і притуплення різального леза рекомендуються ретельна (бажано алмазна) доведення інструментів і своєчасна їх переточування.
Наведені вище відомості про геометричні причини виникнення нерівностей при точінні дають підставу зробити наступні висновки.
1. Збільшення головного # 966; і допоміжного # 966; 1 кутів різця в плані призводить до зростання висоти нерівностей. При чистової обточуванні доцільно користуватися прохідними різцями з малими значеннями кутів # 966; і # 966; 1, не слід без особливої необхідності застосовувати підрізні різці.
2. Зростання радіуса заокруглення вершини різця знижує висоту шорсткості поверхні.
3. Зниження шорсткості ріжучих поверхонь інструмента за допомогою ретельної (бажано алмазної) доведення усуває вплив нерівностей ріжучого леза на оброблювану поверхню. Поряд зі зменшенням шорсткості оброблюваної поверхні доведення помітно підвищує стійкість різального інструмента, а отже, і економічність його використання.
Пластичні і пружні деформації металу поверхневого шару
При обробці різанням пластичних матеріалів метал поверхневого шару зазнає пластичну деформацію, в результаті якої значно змінюються розміри і форма нерівностей обробленої поверхні (зазвичай шорсткість при цьому збільшується).
При обробці крихких металів спостерігається виривання окремих частинок металу, що також веде до збільшення висоти і зміни форми нерівностей.
Швидкість різання є одним з найбільш істотних факторів, що впливають на розвиток пластичних деформацій при точінні.
Шорсткість обробленої поверхні в значній мірі пов'язана з процесами освіти стружки і в першу чергу з явищами наросту. У зоні малих швидкостей (v = 2 ÷ 5 м / хв), при яких наріст не утворюється, розміри нерівностей обробленої поверхні незначні.
Зі збільшенням швидкості розміри нерівностей поверхні зростають, досягаючи при 20-40 м / хв свого найвищого значення, багаторазово перевершує розрахункову величину.
Подальше підвищення швидкості різання зменшує наріст і знижує висоту шорсткості обробленої поверхні.
У зоні швидкостей (v> 70 м / хв), при яких наріст не утворюється, шорсткість поверхні виявляється мінімальною. В цьому випадку подальше збільшення швидкості різання лише незначною мірою зменшує висоту шорсткості поверхні.
При високій швидкості різання глибина пластично деформованого поверхневого шару незначна і розміри шорсткості наближаються до розрахункових.
У разі обробки крихких матеріалів (наприклад, чавуну) поряд зі зрізом окремих частинок металу відбуваються їх зрушення і безладне крихке відколювання від основної маси металу, що збільшує шорсткість поверхні. Підвищення швидкості різання зменшує відколювання частинок, і оброблювана поверхня стає більш гладкою.
При чистової обробки металів, коли стан і точність обробленої поверхні мають вирішальне значення, цілком природно прагнення вести обробку в зоні швидкостей, при яких наросту на інструменти не утворюється, а шорсткість поверхні виходить найменшою.
Подача - другий елемент режиму різання, який надає великий вплив на шорсткість, що пов'язано не тільки з зазначеними вище геометричними причинами, а й в значній мірі обумовлено пластичними і пружними деформаціями в поверхневому шарі.
Різання металів здійснюється інструментом, лезо якого завжди має деякий радіус округлення # 961 ;. При впровадженні різця в оброблюваний матеріал відбувається відділення стружки по площині сколювання А-А (рис. 2). При цьому частина металу, що лежить нижче точки В, не зрізається, а підминається округленої частиною різця, піддаючись пружною і пластичної деформації.
Мал. 2. Схема відділення стружки різцем
Після проходження різця незрізаною шар металу частково пружно відновлюється, викликаючи тертя по задній поверхні різця. Різниця ступеня пружного відновлення металу виступів і западин нерівностей зазвичай збільшує висоту шорсткості.
Найменша товщина tmin зрізаногошару (при перевищенні tmin відбувається різання, а при зниженні - тільки пластичне і пружне зминання металу округленої поверхнею леза інструменту) залежить від радіуса округлення ріжучого леза, властивостей оброблюваного матеріалу і швидкості різання (при скороченні радіуса округлення р і збільшенні швидкості різання tmin зменшується).
Нерівності поверхні в цьому випадку утворюються не стільки під впливом геометричних причин, скільки в результаті пружних і пластичних деформацій, швидкості різання і радіуса округлення ріжучого леза різця. У зв'язку з цим для забезпечення найменшої шорсткості обробленої поверхні і високої продуктивності чистове точіння вуглецевих конструкційних сталей слід проводити при s = 0,05 ÷ 0,12 мм / об.
При точінні кольорових сплавів добре доведеними або алмазними різцями tmin зменшується, тому для зниження висоти шорсткості може виявитися корисним зменшення подачі до 0,01-0,02 мм / об.
Спостереженнями численних дослідників встановлено, що при звичайному точінні вплив глибини різання на шорсткість мізерно і практично може не братися до уваги. При зменшенні глибини різання до 0,02 мм (внаслідок наявності на ріжучої кромці різця округлення) нормальне різання припиняється і різець, віджимаючись від вироби, починає ковзати по оброблюваної поверхні, періодично врізаючись в неї і вириваючи окремі ділянки. Тому глибину різання при роботі звичайними різцями не слід брати занадто малою.
При глибині різання менше подачі глибина надає геометричне вплив на висоту шорсткості. У цьому випадку зменшення глибини різання знижує висоту шорсткості.
Опрацьований матеріал і його структура істотно впливає на характер і висоту нерівностей обробленої поверхні. Більш в'язкі і пластичні матеріали (наприклад, малоуглеродистая сталь), схильні до пластичних деформацій * дають при їх обробці різанням грубі і шорсткі поверхні.
Застосування мастильно-охолоджуючих рідин, що запобігають схоплювання, що зменшують тертя і полегшують процес стружкообразования, сприяє зниженню висоти нерівностей поверхні.
Вібрації ріжучого інструменту, верстата і заготовки
У процесі різання виникають вимушені коливання системи верстат-заготовка-інструмент, що викликаються дією зовнішніх сил, і автоколебания системи, поява яких пов'язана з періодичним зміцненням (наклепом) зрізаного шару металу і зміною умов тертя або різання. Вимушені коливання системи обумовлюються дефектами окремих механізмів верстата (неточністю зубчастих передач, поганий балансуванням обертових частин, незадовільною зшивкою ременя, надмірними зазорами в підшипниках і ін.), Які є причиною нерівномірності його руху.
Вібрація леза ріжучого інструменту щодо оброблюваної поверхні є додатковим джерелом збільшення шорсткості обробленої поверхні. Очевидно, що висота шорсткості поверхні буде тим значніше, чим більше подвоєна амплітуда коливання леза інструменту щодо оброблюваної поверхні.
Великий вплив на шорсткість обробленої поверхні надає стан верстата. Нові та добре відрегульовані верстати, встановлені на масивних фундаментах або на віброопорах, добре ізольовані від вібрацій іншого обладнання, забезпечує мінімальну шорсткість.
Дуже важливим є створення досить високої жорсткості пристосувань для кріплення заготовок і допоміжних інструментів для установки ріжучого інструменту. Наприклад, в разі обробки заготовок на револьверному верстаті з прутка з закріпленням останнього в патрон, що самоцентрує висота шорсткості обробленої поверхні на 30-40% вище, ніж при затиску прутка в нормальному цангові патрони, що має велику поверхню зіткнення із заготівлею і створює тому велику її стійкість .
Особливо позначаються вібрації технологічної системи на шорсткість обробленої поверхні при тонкому розточуванні на алмазно-розточувальних верстатах. Нерівномірність припуску, що знімається при тонкому розточуванні, яка обумовлює коливання сил різання, також може бути причиною вібрації технологічної системи, що збільшують шорсткість обробленої поверхні.
Формування шорсткості поверхні при різних видах механічної обробки (фрезерування, свердління, шліфування, доведення і ін.) Підпорядковується загалом тим же закономірностям, що і при точінні. Характер цих закономірностей видозмінюється в залежності від зміни співвідношення впливу геометричних причин, пластичних деформацій і вібрацій, пов'язаних з особливостями окремих видів механічної обробки.