Metallskärning: Betydelse, historia och principer

Efter att ha läst den här artikeln kommer du att lära dig om: - 1. Betydelsen av metallskärning 2. Historia av metallskärning 3. Typer skärprocesser 4. Faktorer 5. Metoder 6. Principer 7. Hastigheter.

Betydelsen av metallskärning:

Metallskärning är "processen att avlägsna oönskat material i form av chips, från ett metallblock, med skärverktyg". En person som specialiserat sig på bearbetning kallas en maskinist. Ett rum, en byggnad eller ett företag där bearbetning sker är kallad en maskinshop.

De grundläggande elementen som ingår i denna process är:

(i) Ett metallblock (arbetsstycke).

(ii) skärverktyg

(iii) Maskinverktyg.

(iv) skärvätska

(v) Skärhastighet (Primary Motion).

(vi) Feed (sekundärrörelse).

(vii) Chips.

(viii) Arbetsförmedling och Fixturing.

(ix) Kraft och energi Dissipated, och

(x) Ytbehandling.

De väsentliga förutsättningarna för framgångsrik metallskärning är:

(a) Relativ rörelse mellan arbete och skärverktyg.

(b) Verktygsmaterial måste vara hårdare än arbetsmaterial.

c) Arbeten och verktyget måste styvas stilla av jig och armaturer.

(d) Skarp skärning av skärverktyg.

(e) Primär rörelse (skärhastighet).

(f) Sekundärrörelse (skärande foder).

Nästan alla produkter som tillverkas av metallavlägsnande, antingen direkt eller indirekt. De största nackdelarna med processen är förlust av material i form av chips.

Historia av metallskärning:

Historien om metallskärning började i Egypten där en roterande anordning kallad bågstring användes för att borra hål i stenar.

Metallskärningens historia ges i tabell 9.1:

Typer av skärningsprocesser (Operationer):

Bearbetning är inte bara en process; Det är en grupp processer. Det finns många typer av bearbetningsoperationer. Var och en är specialiserad för att skapa en viss delgeometri och ytfinish kvalitet.

Några av de vanligaste skärprocesserna visas i figur 9.1:

(i) Turning:

Turning används för att generera en cylindrisk form. I denna process roteras arbetsstycket och skärverktyget tar bort det oönskade materialet i form av chips. Skärverktyget har en enda skärkant. Hastighetsrörelsen tillhandahålls av det roterande arbetsstycket och matningsrörelsen uppnås genom att skärverktyget rör sig långsamt i en riktning parallellt med arbetsstyckets rotationsaxel.

(ii) Borrning:

Borrning används för att skapa ett runt hål. I detta förfarande roteras skärverktyget och matas mot arbetsstycket fixerat i en hållaranordning. Skärverktyget har typiskt två eller flera skäreggar. Verktyget matas i en riktning parallellt med dess rotationsaxel i arbetsstycket för att bilda det runda hålet.

(iii) Boring:

Boring används för att förstora ett redan borrat hål. Det är en fin avslutningsoperation som används i slutstadiet av produkttillverkning.

(iv) Fräsning:

Fräsning används för att ta bort ett lager av material från arbetsytan. Det används också för att producera ett hålrum i arbetsytan. I det första fallet är det känt som plattfräsning och i andra fall är det känt som fräsning. I princip används fräsningsprocessen för att skapa en plan eller rak yta. Det skärverktyg som används har flera skäreggar. Hastighetsrörelsen tillhandahålls av den roterande fräsen. Matningsrörelsens riktning är vinkelrätt mot verktygets rotationsaxel.

(v) Avskärning:

Avskärning används för att skära metall i två delar. I denna operation roteras arbetsstycket och skärverktyget rör sig radiellt inåt för att separera komponenterna.

Faktorer som påverkar metallskärningsprocessen:

Olika faktorer eller parametrar som påverkar skärprocessen och så ytfinishen och noggrannheten av delgeometrin ges i Tabell 9.2:

Oberoende variabler:

De viktigaste oberoende variablerna är:

(a) Skärverktygsmaterial, form, geometri, vinklar.

(b) Arbetsstyckets material, tillstånd, temperatur.

(d) Skärvätskor.

(e) Maskinverktygsspecifikationer.

f) Arbetshållare och fixturer.

Beroende variabler:

Beroende variabler påverkas av förändringar i oberoende variabler.

De huvudsakliga beroende variablerna är:

(a) Typer av chips bildade.

(b) Temperaturzon vid arbetsverktygsgränssnitt.

(d) Ytbehandling.

e) Kraft och energi vid skärningsprocessen.

Metoder för metallskärning:

Det finns två grundläggande metoder för metallskärning baserat på skäregg och riktning av relativ rörelse mellan verktyg och arbete:

(i) Ortogonal skärningsprocess (tvådimensionell)

(ii) Skarp skärningsprocess (tredimensionell)

(i) Ortogonal skärningsprocess:

Vid ortogonal skärningsprocess är skäreggen vinkelrätt (90 grader) till matningsriktningen. Chippet flödar i en riktning som är normal mot verktygets skärkant. Ett perfekt skarpt verktyg kommer att skära metall på rackytan.

Den ortogonala skärprocessen visas i figur 9.3. (en):

(ii) Skarpskärningsprocess:

Vid sned skärningsprocessen lutar skäreggen i en spetsig vinkel (mindre än 90 grader) till matningsriktningen. Chippet flödar i sidled i en lång krökning. Chippet flödar i en riktning i en vinkel med normalt mot verktygets skärkant.

Några av de viktigaste jämförande egenskaperna hos båda processerna ges i Tabell 9.3:

Principen för metallskärning:

En typisk metallskärningsprocess med ettpunktsskärverktyg visas i figur 9.2. I detta förlopp rör ett kilformat verktyg i förhållande till arbetsstycket i en vinkel a. Eftersom verktyget kommer i kontakt med metallen utsätts det för tryck på det. På grund av det tryck som utövas av verktygsspetsen, kommer metall att skjuva i form av chips på skjuvplanet AB. En chip produceras före skärverktyget genom att deformera och skära materialet kontinuerligt längs skjuvplanet AB.

Skjuvplanet är faktiskt en smal zon och sträcker sig från verktygets skärkant till arbetsstyckets yta. Verktygets skärkant är formad av två skärande ytor.

En detaljerad beskrivning av olika terminologier ges nedan:

(i) Rackytan:

Det är ytan mellan skärverktyget och chipets toppyta. Det är ytan längs med vilken chipet rör sig uppåt.

(ii) flankytan

Det är ytan mellan arbetsstycket och botten av skärverktyget. Denna yta är anordnad för att undvika gnidning med den bearbetade ytan.

(iii) Rackvinkel (a):

Det är vinkeln mellan rackytan och det normala till arbetsstycket. Rackvinkeln kan vara positiv eller negativ.

(iv) Flankvinkel / Klarvinkel / Reliefvinkel (γ):

Det är vinkeln mellan flankytan och den horisontella bearbetade ytan. Den är försedd med något utrymme mellan flankytan och den bearbetade ytan på arbetsstycket för att undvika gnidning av skärverktyget till den färdiga ytan.

(v) Primär deformationszon:

Det är zonen mellan verktygstips och skjuvplan AB.

vi) Sekundär deformationszon:

Det är zonen mellan rackytan på verktyget och chipet.

(vii) Tertiär deformationszon:

Det är zonen mellan flankytan på verktyget och bearbetad yta på arbetsstycket.

Nästan alla skärprocesser innefattar samma skjuvdeformationsteori. Skärverktyget som används vid skärningsprocessen kan vara enpunkts- eller flerpunktsskärverktyg. Vridning, gängning och formning, tråkig, avfasning och vändning är några skärningsoperationer gjorda med ettpunkts skärverktyg. Fräsning, borrning, slipning, rening och broaching är några skärningsoperationer gjorda av flerspets skärverktyg.

Mekanik av chipformation:

En typisk metallskärningsprocess med ettpunktsskärverktyg visas i figur 9.5. Vid detta förlopp rör ett kilformat verktyg i förhållande till arbetsstycket i en vinkel a. Eftersom verktyget kommer i kontakt med metallen utsätts det för tryck på det. På grund av det tryck som utövas av verktygsspetsen, kommer metall att skjuva i form av chips på skjuvplanet AB. En chip produceras före skärverktyget genom att deformera och skjuva materialet kontinuerligt längs skjuvplanet AB.

Mikroskopisk studie visar att chips produceras av skjuvningsprocessen. Skärningsprocessen i chipformning liknar rörelsen av kort i ett däck som glider mot varandra, såsom visas i fig 9.5. Skärning sker längs en skjuvzon (skjuvplan). Skjuvplanet är aktuell en smal zon. Det sträcker sig från verktygets skärkant till arbetsstyckets yta.

Detta plan är i en vinkel som kallas skjuvvinkeln (φ), med ytan på arbetsstycket. Skjuvzon har stor inverkan på kvaliteten på den bearbetade ytan. Under skjuvplanet är arbetsstycket under bildning, under det att skjuvplanet ligger ovanför, chipet som redan bildats och rör sig uppåt mot verktygsytan.

Förhållandet mellan chipets tjocklek före skärning (t _o ) till tjockleken på chip efter skärning (tc) är känd som chiptjocklekförhållande.

Den representeras generellt av r, som kan uttryckas som:

Chiptjockleken efter snittet (tc) är alltid större än chiptjockleken innan den skärs (t _o ). Därför är värdet av r alltid mindre än enhet. Den ömsesidiga av r är känd som chipkompressionsförhållande eller chipreduceringsförhållande (1 / r). Chiptreduktionsförhållandet är ett mått på hur tjockt chipet har blivit jämfört med skärets djup (t ₀ ). Således är chipreduceringsförhållandet alltid större än enhet.

Derivation för att beräkna skjuvvinklar:

Med hänsyn till ortogonal skärningsprocess för att härleda uttrycket för att beräkna skjuvvinkeln, som visas i figur 9.6. Skärverktyget definieras av rakevinkeln (α) och avståndet eller avlastningsvinkeln (γ). Chippet är format vinkelrätt mot verktygets skärkant.

Nedan följer några antaganden till mekanismerna av chipformationer:

(i) Verktyget ska kontakta chipet på sitt rake-ansikte.

(ii) Ansvarsförhållanden för vanlig stamkänsla. Det betyder att det inte finns något sidflöde av chipet under skärning.

(iii) Deformationszonen är mycket tunn (i storleksordningen ^10-2 till 10 ^-3 mm) intill skjuvplanet AB.

I ovanstående 9.6. Följande symboler används:

a - Rake vinkel

γ - Clearance (lättnad) vinkel

φ - Skjuvvinkel

AB - Skjuvplan

t ₀ - Uncut chip tjocklek

t _c - Chiptjocklek (deformerad)

Område DEFG - Område med oklippt chip

Område HIJK - Chip area efter skärning.

Detta är det nödvändiga förhållandet för att beräkna skjuvvinkeln (φ). Detta förhållande visar att φ beror på t ₀, t _c och a (rakevinkel). Det betyder genom att mäta t ₀, t _c och a av verktyget, kan skjuvvinkeln (φ) bestämmas med användning av ovanstående uttryck.

Chocktjocklekförhållandet (r) kan bestämmas genom följande metoder:

(i) Genom att använda kontinuitets ekvation

(ii) Genom att väga en känd längd av chip.

(iii) Genom att känna till chiphastigheten ( _Vc ) och arbetsstyckets hastighet (V).

(i) Genom att använda Continuity Equation:

Originalvikt av chip före klippning = vikten av chip efter klippning.

(ii) Genom att väga en känd längd av chip:

Om längden på skärningen inte är direkt känd kan vi uppskatta genom att väga en känd längd av chip; sedan

beräkningen 'r' och ɸ från ovanstående ekvationer.

(iii) Genom att känna till chiphastighet (VC) och arbetsstyckshastighet (V):

Tillämpa kontinuitetsekvationen som:

Genom att sätta värdet på r och a kan vi få skjuvvinkeln (φ).

Hastigheter i metallskärningsprocessen:

På grund av relativ rörelse mellan verktygstips och arbetsstycke och chip borttagna, finns tre typer av hastigheter som uppstår.

Dessa följer:

(i) Snitthastighet eller hastighet (V):

Det är skärverktygets hastighet i förhållande till arbetsstycket.

(ii) Skjuvhastighet (V _s ):

Det är chipets hastighet i förhållande till arbetsstycket. På annat sätt sker den hastighet vid vilken skjuvning sker.

(iii) Chiphastighet ( _Vc ):

Det är chipets hastighet uppåt på verktyget (rakeytan) under skärning.

Fig 9.7. Velocities Metallskärningsprocess.

Fig 9.7 visar tre hastigheter och deras relationer:

Låt V - skärhastighet

V _s - Skjuvhastighet

V _c - Chiphastighet

φ - Skjuvvinkel

a - Rake vinkel

r - Chipt tjocklek förhållande

γ - Klarvinkel

Med hjälp av kontinuitetsjämförelse är volymen av metallborttagning före och efter samma, därför:

Vt = V _c t _c

V _{c / V =} t / t _c = r

I figur 9.7 kan vi använda sinusregel till hastighetsvektorerna:

Från kinematikteori är den relativa hastigheten hos två kroppar (verktyg och chip) lika med vektorns skillnad mellan deras hastigheter relativt referenskroppen (arbetsstycket), sedan

V = V _C + V _S

Krafter som handlar på chipet:

De olika krafter som verkar på chipet under ortogonal metallskärning visas i figur 9.8:

(i) Skjuvkraft (F _s ):

Det verkar längs skjuvplanet. Det är motståndet mot skjuvning av metall.

(ii) Normal kraft (Fn):

Det är vinkelrätt mot skjuvplanet som alstras av arbetsstycket.

(iii) Normal kraft (N):

Det utövas av verktygsspetsen på chipet.

(iv) Fraktionell motståndskraft (F):

Det verkar på chipet och det verkar mot chiprörelsen längs verktygsytan.

Fig. 9.8 (b) indikerar det fria kroppsdiagrammet för chip som är i jämvikt under verkan av resulterande krafter lika och motsatta i storlek och riktning.

Således,

Sedan är chipet i jämviktsförhållande, så vi kan säga det

Typer av Chips Tillverkad i Bearbetning:

De marker som produceras i metallskärningsprocessen är inte lika. Den typ av chip som produceras beror på materialet som bearbetas och skärförhållandena.

Dessa villkor inkluderar:

(a) Typ av skärverktyg som används.

b) Hastighet och hastighet för skärning.

d) maskinens tillstånd

(e) Närvaro / frånvaro av skärvätska etc.

Studien av producerade marker är mycket viktig eftersom den typ av chips som produceras påverkar arbetsstyckets ytfinish, verktygsliv, vibrationer, chatter, kraft och kraven etc.

Det är viktigt att notera att ett chip har två ytor:

(a) Glänsande yta:

Det är ytan som står i kontakt med verktyget. Det glänsande utseendet orsakas av chipets gnidning när det rör sig uppåt på verktygsytan.

(b) Grov yta:

Det är ytan som inte kommer i kontakt med någon fast kropp. Det är den ursprungliga ytan på arbetsstycket. Dess grova utseende orsakas av skärningsverkan, såsom visas i figur 9.9.

I grund och botten finns det tre typer av marker som vanligtvis observeras i praktiken, såsom visas i figur 9.9:

Dessa diskuteras nedan:

(i) Kontinuerliga chips.

(ii) Kontinuerliga chips med uppbyggd kant.

(iii) Discontinuous eller Segmental chips.

(i) Kontinuerliga chips:

Kontinuerliga chips produceras vid bearbetning av mer duktila material som mjukt stål, koppar och aluminium.

På grund av stor plastisk deformation möjlig med mer duktila material, produceras längre kontinuerliga marker. Den är förknippad med bra verktygsvinklar, korrekta hastigheter och flöden och användningen av skärvätskor.

fördelar:

1. De genererar generellt bra ytfinish.

2. De är mest önskvärda eftersom krafterna är stabila och driften blir vibration mindre.

3. De ger höga skärhastigheter.

begränsningar:

1. Kontinuerliga flisar är svåra att hantera och bortskaffa.

2. Kontinuerlig spån spole i en spiral och krulla runt verktyget och arbeta och även skada operatören om plötslig paus löser.

3. Kontinuerliga chips förblir i kontakt med verktygsytan under en längre period, vilket resulterar i att mer friktionsvärme används för att bryta det kontinuerliga chipet i små sektioner så att chipsen inte kan krulla runt skärverktyget.

Den enklaste formen av chip breaker är gjord genom att slipa ett spår på verktygsytan några millimeter bakom skäreggen. Ibland används en liten metallplatta med skärverktygsytan som en brytare.

Gynnsamma skärningsförhållanden:

De gynnsamma skärförhållandena för produktion av kontinuerliga chips följer följande:

jag. Bearbetning av mer duktila material som koppar, aluminium.

ii. Hög skärhastighet med bra matning.

III. Större rakevinkel.

iv. Skarpare skäregg.

v. Effektiv smörjmedel.

(ii) Kontinuerliga chips med uppbyggd kant:

Kontinuerliga chips med inbyggd kant (BUE) produceras vid bearbetning av duktila material under följande förhållanden:

jag. Hög lokal temperatur i skärzonen.

ii. Extrema tryck i skärningszonen.

III. Hög friktion vid verktyget-chip-gränssnittet.

Ovanstående bearbetningsförhållanden medför att arbetsmaterialet klibbar eller håller fast vid verktygets skärkant och formar inbyggd kant (BUE). Den uppbyggda kanten genererar lokaliserad värme och friktion, vilket resulterar i dålig ytfinish, strömförlust.

Den uppbyggda kanten observeras vanligen i praktiken. Den uppbyggda kanten ändrar sin storlek under skärningen. Det ökar först, minskar sedan och ökar sedan, etc. Denna cykel är en källa till vibration och dålig ytfinish.

fördelar:

Även om den uppbyggda kanten i allmänhet är oönskad, är en tunn, stabil BUE vanligtvis önskvärd eftersom den reducerar slitaget genom att skydda verktygets räfflade yta.

begränsningar:

jag. Detta är ett chip som bör undvikas.

ii. Fenomenet resulterar i dålig ytfinish och skada på verktyget.

Gynnsamma skärningsförhållanden:

De gynnsamma skärförhållandena för framställning av kontinuerliga chips med uppbyggd kant följer följande:

jag. Låg skärhastighet.

ii. Låg rakevinkel.

III. Hög matning.

iv. Otillräcklig tillförsel av kylmedel.

v. Högre affinitet (tendens att bilda bindning) av verktygsmaterial och arbetsmaterial.

Reduktion eller eliminering av BUE:

Tendensen att bilda BUE kan minskas eller elimineras med någon av följande metoder:

jag. Öka skärhastigheten.

ii. Öka rakevinkeln.

III. Minskar skärningsdjupet.

iv. Använda en effektiv skärvätska.

v. Använd ett skarpt verktyg.

vi. Ljusnedskärningar vid högre hastigheter.

(iii) Discontinuous eller Segment Chips:

Diskontinuerliga chips produceras vid bearbetning av mer spröda material såsom grågjutjärn, brons, mässing etc. med små rakevinklar. Dessa material saknar den duktilitet som krävs för märkbar plastflisdeformation. Materialet misslyckas i en spröd spricka framför verktygskanten längs skjuvningszonen. Detta resulterar i små segment av diskontinuerliga marker. Det finns inget fel med denna typ av chip under dessa omständigheter.

fördelar:

jag. Eftersom chipset bryts upp i små segment, minskar friktionen mellan verktyget och chipet, vilket resulterar i bättre ytfinish.

ii. Dessa marker är lämpliga att samla in, hantera och förfoga över.

begränsningar:

jag. På grund av skivbildningens diskontinuerliga natur varierar krafterna kontinuerligt under skärningsprocessen.

ii. Styvhet eller styvhet på skärverktyget, hållaren och arbetshållaren är nödvändig på grund av olika skärkrafter.

III. Följaktligen kan maskinverktyget börja vibrera och chatta om stiffheten inte räcker. Detta har i sin tur negativ inverkan på ytan och komponentens noggrannhet. Det kan skada skärverktyget eller orsaka överdriven slitage.

Gynnsamma skärningsförhållanden:

De fördelaktiga skärförhållandena för produktion av diskontinuerliga chips följer:

jag. Bearbetning av spröda material.

ii. Små rakevinklar.

III. Mycket låga skärhastigheter.

iv. Låg stelhet av verktygsmaskiner.

v. Högre skärningsdjup.

vi. Otillräckligt smörjmedel.

vii. Material som innehåller hårda inklusioner och föroreningar.