Типичные дефекты при токарной обработке и методы их устранения
Токарная обработка — один из самых распространенных методов обработки металлов резанием. Несмотря на высокую точность современных станков, в процессе работы могут возникать различные дефекты, ухудшающие качество готового изделия. В этой статье рассмотрены два распространенных дефекта: свивание и нарост, а также методы борьбы с ними.
Свивание (задиры и следы вибрации)
Свивание — это один из наиболее распространенных дефектов, возникающих при токарной обработке, который проявляется в виде регулярных волнистых рисок, задиров и неровностей на обрабатываемой поверхности. Этот дефект напрямую связан с возникновением вибраций (дребезжания) в системе «станок—приспособление—инструмент—деталь» (СПИД).
Механизм возникновения свивания
Дефект возникает, когда резец в процессе резания начинает совершать неконтролируемые колебательные движения. Эти вибрации вызывают периодическое изменение глубины резания и геометрии снимаемой стружки, что и отпечатывается на поверхности детали в виде волн или грубой шероховатости.
Классификация причин возникновения свивания
1. Причины, связанные с инструментом
- Чрезмерный вылет резца: Самый распространенный виновник. Чем больше вылет, тем ниже жесткость и выше амплитуда колебаний.
- Недостаточное сечение или износ державки резца: Ослабленный или изношенный инструмент не обладает необходимой жесткостью.
- Неправильная геометрия заточки резца: Слишком маленькие передний или задний углы, неоптимальная форма режущей кромки.
- Затупление режущей кромки: Тупой резец требует большего усилия резания, что провоцирует вибрации.
2. Причины, связанные с заготовкой и ее креплением
- Недостаточная жесткость заготовки: Длинные и тонкие детали (валки) особенно склонны к прогибу и вибрациям.
- Ненадежное крепление в патроне: Слабо затянутые кулачки, загрязнение или износ кулачков и центров.
- Неравномерность приложения усилия: Неправильная установка люнетов или их износ.
- Неравномерная структура материала: Литейная корка, твердые включения, раковины.
3. Причины, связанные с режимами резания
- Слишком высокая подача (S): Увеличивает силу резания и толщину стружки, что может вывести систему из равновесия.
- Неоптимальная скорость резания (V): Часто вибрации возникают в определенном диапазоне скоростей.
- Большая глубина резания (t): Значительно увеличивает нагрузку на всю систему СПИД.
4. Причины, связанные со станком
- Износ узлов станка: Люфты в шпинделе, суппорте, подшипниках.
- Недостаточная жесткость станка: Особенно актуально для старых или сильно изношенных станков.
- Дисбаланс вращающихся частей: Несбалансированный патрон, планшайба или сама заготовка.
Методы устранения и профилактики свивания
| Метод устранения | Конкретные действия | Эффект |
|---|---|---|
| Уменьшение вылета резца | Сократить вылет до минимально возможного (максимум 1.5 высоты резца). | Кардинально повышает жесткость инструмента, снижая амплитуду вибраций. |
| Повышение жесткости крепления заготовки |
|
Убирает биение и прогиб заготовки, стабилизируя процесс резания. |
| Оптимизация режимов резания |
|
Снижает усилие резания и выводит систему из резонансной частоты. |
| Правильный выбор и заточка инструмента |
|
Острый и геометрически правильный инструмент режет, а не рвет материал, снижая усилие. |
| Применение демпфирующих устройств | Установка противовибрационных опор, резиновых демпферов на деталь или специальных резцов с демпфированием. | Активно гасит уже возникшие вибрации, предотвращая их развитие. |
| Изменение направления подачи | Попробовать выполнить обработку с встречной подачей (справа налево). | Меняет вектор усилия и может вывести систему из резонанса. |
Практические советы по диагностике
- Характерный звук: Процесс сопровождается высокочастотным или низкочастотным гудением, дребезжанием.
- Вид стружки: Толщина стружки может периодически меняться — это верный признак вибрации.
- Визуальный осмотр: После остановки станка на поверхности детали видны четкие регулярные волны или грубые риски.
Борьба со свиванием — это всегда поиск компромисса и наиболее «слабого звена» в технологической системе. Методичное исключение возможных причин — от проверки крепления инструмента до оптимизации режимов — позволяет полностью устранить этот дефект и добиться высокого качества обработанной поверхности.
Свивание проявляется в виде неровной, волнистой поверхности на обрабатываемой детали. Этот дефект возникает из-за вибраций (дребезжания) резца или самой заготовки.
Нарост на резце
Нарост на резце — это явление, при котором частицы обрабатываемого материала привариваются к режущей кромке инструмента в процессе точения. Этот дефект значительно ухудшает качество обработки и может привести к преждевременному выходу инструмента из строя.
Механизм образования нароста
Образование нароста — сложный физический процесс, происходящий при определенных условиях резания:
- В зоне резания создаются высокие давление и температура
- Частицы материала заготовки под действием трения и давления «прихватываются» к передней поверхности резца
- Постепенно нарастая, эти частицы формируют клин, который меняет геометрию инструмента
- Со временем нарост достигает критического размера, отламывается и уносится стружкой, после чего процесс повторяется
Факторы, способствующие образованию нароста
1. Свойства обрабатываемого материала
- Вязкие и пластичные материалы: низкоуглеродистые стали, алюминиевые сплавы, медь и ее сплавы
- Материалы со склонностью к налипанию: нержавеющие стали, титановые сплавы
- Материалы с низкой теплопроводностью: способствуют концентрации тепла в зоне резания
2. Параметры режима резания
| Параметр | Влияние на образование нароста |
|---|---|
| Скорость резания | Наиболее интенсивно нарост образуется при средних скоростях резания (15-50 м/мин для сталей) |
| Подача | Увеличение подачи способствует росту нароста из-за возрастания усилия резания |
| Глубина резания | Большая глубина резания увеличивает зону контакта и температуру, способствуя наростообразованию |
3. Геометрия инструмента
- Малый передний угол: увеличивает давление и трение в зоне резания
- Недостаточный задний угол: усиливает трение по задней поверхности
- Неправильная форма режущей кромки: способствует застою материала
4. Охлаждение и смазка
- Отсутствие СОЖ: значительно увеличивает температуру в зоне резания
- Несоответствие СОЖ материалу: неправильно подобранная жидкость не выполняет своих функций
- Неправильная подача СОЖ: недостаточное количество или неправильное направление подачи
Влияние нароста на процесс обработки
Негативные последствия
| Аспект обработки | Влияние нароста |
|---|---|
| Качество поверхности | Ухудшение шероховатости, появление задиров и рисок |
| Точность обработки | Изменение геометрии инструмента приводит к отклонениям размеров |
| Износ инструмента | Ускоренный износ режущей кромки, выкрашивание |
| Силы резания | Увеличение составляющих силы резания на 20-40% |
| Виброустойчивость | Появление вибраций из-за нестабильности процесса резания |
Временный положительный эффект
Интересно, что небольшой стабильный нарост может временно улучшать обработку:
- Увеличение фактического переднего угля
- Защита режущей кромки от износа
- Снижение теплового воздействия на резец
Однако этот эффект непредсказуем и нестабилен, так как нарост периодически отламывается.
Методы борьбы с образованием нароста
1. Оптимизация режимов резания
| Метод | Рекомендации | Эффект |
|---|---|---|
| Изменение скорости резания | Увеличить скорость выше критического диапазона (для сталей > 70-100 м/мин) | Температура в зоне резания повышается настолько, что материал нароста теряет прочность и сходит со стружкой |
| Увеличение подачи | Увеличить подачу в разумных пределах (с учетом качества поверхности) | Утолщение стружки способствует стабильному сходу нароста вместе со стружкой |
| Уменьшение глубины резания | Снимать припуск за несколько проходов | Снижение усилия резания и температуры в зоне контакта |
2. Правильный выбор и подготовка инструмента
- Выбор геометрии резца:
- Увеличение переднего угла
- Оптимизация угла наклона режущей кромки
- Применение острых режущих кромок без завалов
- Использование стружкозавивающих канавок: правильное завивание стружки способствует стабильному сходу нароста
- Использование острых и правильно заточенных резцов: регулярная проверка и восстановление режущей кромки
3. Эффективное применение СОЖ
| Тип СОЖ | Рекомендации по применению | Механизм действия |
|---|---|---|
| Смазывающие (активные) | Для труднообрабатываемых и вязких материалов | Создание защитной пленки, снижающей адгезию между инструментом и материалом |
| Охлаждающие (неактивные) | Для материалов с высокой теплопроводностью | Снижение температуры в зоне резания ниже критической для образования нароста |
| Комбинированные | Универсальное применение | Сочетание смазывающего и охлаждающего действия |
4. Альтернативные методы
- Ультразвуковая обработка: наложение колебаний высокой частоты предотвращает образование стабильного нароста
- Обработка с подогревом/охлаждением: локальное изменение температуры заготовки меняет ее свойства
- Использование специальных методов резания: переменные режимы, импульсное резание
Практические рекомендации по предотвращению нароста
| Материал | Склонность к наростообразованию | Рекомендации |
|---|---|---|
| Низкоуглеродистые стали | Высокая | Высокие скорости резания, острый инструмент с положительной геометрией, СОЖ с хорошими смазывающими свойствами |
| Нержавеющие стали | Очень высокая | Высокие скорости, малые подачи, использование стружколомателей, специальные покрытия инструмента |
| Алюминиевые сплавы | Средняя/высокая | Высокие скорости, большой передний угол, полированные передние поверхности резца, использование керосина или специальных СОЖ |
| Медь и ее сплавы | Высокая | Острый инструмент, большие передние углы, повышенные подачи, применение смазывающих СОЖ |
| Титановые сплавы | Очень высокая | Низкие скорости резания, повышенные подачи, жесткая технологическая система, специальные покрытия инструмента |
Признаки образования нароста
- Визуальный осмотр: периодически останавливать станок и осматривать режущую кромку
- Изменение характера стружки: неравномерная толщина, изменение цвета
- Ухудшение качества поверхности: появление задиров, ухудшение чистоты обработки
- Изменение звука резания: появление неравномерного шума, скрипа
- Увеличение усилия резания: рост потребляемого тока, вибрации
Борьба с наростом на резце — комплексная задача, требующая понимания физики процесса и учета множества факторов. Наиболее эффективный подход — профилактика, включающая правильный выбор инструмента, оптимизацию режимов резания и применение качественных СОЖ. При появлении признаков наростообразования необходимо оперативно принимать меры, так как стабильный процесс резания без нароста — залог высокой производительности и качества обработки.
Предотвращение дефектов при токарной обработке требует комплексного подхода, включающего правильный выбор инструмента, оптимизацию режимов резания, надежное крепление заготовки и использование качественных смазочно-охлаждающих жидкостей. Регулярный контроль процесса обработки и своевременное устранение возникающих проблем позволят значительно повысить качество готовой продукции и снизить процент брака.
