Шероховатость обработки поверхностей при точении на токарном станке образуется в виде множества неровностей подобных винтовым выступам и винтовым канавкам (рис. 1, а), напоминающим резьбу, которые вполне отчетливо заметны при крупной подаче S и выявляемые лишь при помощи специальных приборов, если подача невелика.
Рис. 1. Поперечная (а) и продольная (б) шероховатости, получающиеся при токарной обработке поверхностей.
Подобные неровности расположены в направлении подачи и образуют поперечную шероховатость в отличие от продольной шероховатости (рис. 1, б), образуемой неровностями в направлении скорости резания V.
При обработке на токарном станке, наибольшее значение имеет поперечная шероховатость обработанной поверхности. Поэтому чистота поверхностей, при токарной обработке, характеризуется главным образом формой и размерами винтовых выступов, называемых микронеровностью. Высота микронеровности зависит в разной степени от очень многих факторов, участвующих в процессе резания и действующих в разных случаях различно, и поэтому не может быть определена расчетом, а находится лишь опытным путем. При токарной обработке более вязких металлов, например малоуглеродистых сталей, высота шероховатости получается большей, чем при обработке хрупких металлов, например чугуна. При обработке хрупких металлов (при стружке надлома) на обработанной поверхности получаются иногда очень заметные углубления, образующие продольную шероховатость. Шероховатость поверхности уменьшается, если материал (сталь) подвергнут термической обработке, что повышает однородность его структуры.
Действительная высота шероховатости зависит от величины подачи. При крупных подачах эта высота значительно отличается от расчетной и превышает ее в несколько раз. Глубина резания практически не влияет на шероховатость поверхности.
Скорость резания существенно влияет на образование шероховатости поверхности. При скорости резания до 3—5 м/мин размеры шероховатости незначительны; с увеличением скорости резания неровности возрастают; при повышении скорости резания до 60—70 м/мин высота неровностей уменьшается, и при скорости около 70 м/мин шероховатость поверхности получается наименьшей.
Дальнейшее повышение скорости резания незначительно влияет на шероховатость обработанной поверхности. Наличие нароста на резце увеличивает шероховатость поверхности, обработанной данным резцом.
Влияние теплопроводности контактируемых пар на шероховатость обработанной поверхности связано с передачей количества выделенного при резании тепла в инструмент и заготовку, т.е. через коэффициент теплоусвоения m , представляющий собой отношение теплофизических характеристик инструмента и стальной заготовки. Строго физически, это «неполный коэффициент теплоусвоения», но он даёт достаточную информацию о сочетании теплофизических свойств инструмента и заготовки. Для примера в таблице 1 приведены его значения и величина шероховатости (Ra).
Таблица.1 Влияние коэффициента теплоусвоения m на высоту шероховатости детали Ra
Количество тепла, перешедшего в объём срезаемого металла, определяет долю хрупкого и вязкого разрушения в механизме стружкообразования и оказывает влияние на механизм образования микронеровностей через температурную прочность металла. Схема влияния коэффициента теплоусвоения на образование микронеровностей приведена на рис. 2.
Рис. 2. Механизм образования шероховатости при точении c позиций перераспределения тепла между инструментом и стальной заготовкой
Согласно положениям реальной схемы резания, высоту шероховатости поверхности детали определяют процессы, происходящие не на всей активной части режущей кромки, а на боковой полосе участка 3 передней грани инструмента.
На рис. 3 показана зона А, где формируется окончательно микропрофиль обработанной поверхности. В эту зону имеется доступ СОТС (если таковая используется при точении), там происходят окислительные и адгезионные явления, взаимосвязанные с качеством обработанной поверхности.
Рис. 3. Формирование окончательного профиля поверхности детали
Контактные процессы, происходящие в этой зоне (участок 3), принципиально отличаются от тех, что имеют место в середине активной части режущей кромки (участок 2).
Талантов Н.В. в работе указывает на наличие «краевого эффекта» по ширине стружки (участок 1 и участок 3), связанного с неравномерностью распределения нормальных контактных напряжений по ширине контакта на передней грани инструмента с максимальным значением их в средней части активной режущей кромки и таким же характером распределения температуры по ширине контакта. В работе отмечается, что ширина этих участков (полос) увеличивается с увеличением теплопроводности обрабатываемого и инструментального материалов. Существование различных механизмов контактного взаимодействия на участках 1,2,3 наглядно подтверждается внешним видом надрезцовой поверхности стружки. На участке 2 она имеет глянцевый вид, на участках 1, 3 поверхность шероховатая.
Значительное влияние на шероховатость обработки поверхностей оказывает применяемый при обработке состав охлаждающей жидкости. Наилучшие результаты получаются, если в охлаждающей жидкости содержатся минеральные масла, мыльные растворы и другие вещества, повышающие ее смазочные свойства.
Опыты ряда исследователей показали, что неровности режущей кромки резца, получившиеся вследствие некачественности доводки его, переносятся на обработанную поверхность в увеличенных размерах.
Состояние резца также влияет на шероховатость поверхности. При небольшом затуплении резца обработанная поверхность часто получается даже несколько чище, чем при остром резце. При дальнейшем затуплении резца шероховатость поверхности увеличивается. Материал режущего инструмента в рассматриваемом случае также имеет значение. Так, например, резцами из твердых сплавов ВК6, ВК8 очень трудно получить чистую поверхность при обработке вязких материалов, что объясняется склонностью этих сплавов к выкрашиванию при указанных условиях работы. Применение при этих же условиях твердых сплавов, например марок Т5КЮ, Т15К6, и др., а также быстрорежущих резцов позволяет улучшать чистоту поверхности.
На шероховатость обработанной поверхности влияют вибрации, возникающие в процессе резания. Особое значение в этом случае приобретают чрезмерные зазоры в направляющих суппорта и в подшипниках, неточности зубчатых передач станка, плохая балансировка вращающихся частей станка, нежесткость обрабатываемой детали, углы резца, его вылет и многие причины, отмеченные в разных главах книги. Все эти вредные явления при токарной обработке вызывают продольную шероховатость поверхности.
Следует учитывать, что лезвийная обработка представляет собой процесс высокоскоростного пластического деформирования элементарного объёма металла в условиях всестороннего сжатия при воздействии простого сдвига. Процесс резания, с точки зрения разрушения, следует рассматривать с присущими ему особенностями воздействия режущего клина на состояние срезаемого объёма металла за счет впереди идущей деформационной волны и на состояние металла под обработанной поверхностью. Характер протекания пластической деформации в зоне А (рис. 3) и механизм деформационного упрочнения определяет количественные значения параметра шероховатости обработки поверхностей.
