Metalskæring: Betydning, historie og principper

Efter at have læst denne artikel vil du lære om: - 1. Betydning af metalskæring 2. Metalskæringens historie 3. Typer af skæreprocesser 4. Faktorer 5. Metoder 6. Principper 7. Hastigheder.

Betydning af metalskæring:

Metalskæring er "processen med at fjerne uønsket materiale i form af chips, fra en metalblok, ved hjælp af skæreværktøj". En person, der specialiserer sig i bearbejdning kaldes en maskinfører. Et rum, en bygning eller et firma, hvor bearbejdning er udført, kaldes en maskinbutik.

De grundlæggende elementer i denne proces er:

(i) En metalblok (arbejdsstykke).

(ii) Skæreværktøj.

(iii) Maskinværktøj.

(iv) Skærevæske.

(v) Skærehastighed (Primary Motion).

(vi) Feed (sekundær bevægelse).

(vii) Chips.

(viii) Arbejdshold og Fixturing.

(ix) Force and Energy Dissipated, og

(x) Overfladefinish.

De væsentlige betingelser for succesfuld metalskæring er:

(a) Relativ bevægelse mellem arbejde og skæreværktøj.

(b) Værktøjsmaterialet skal være sværere end arbejdsmateriale.

c) Arbejde og værktøj skal være stift fastholdt af jig og armaturer.

(d) Skarp skærekant af skæreværktøj.

(e) Primær bevægelse (skærehastighed).

(f) Sekundær bevægelse (skærefoder).

Næsten alle produkter fremstillet ved metal fjernelse, enten direkte eller indirekte. De største ulemper ved fremgangsmåden er tab af materiale i form af chips.

Historie af metalskæring:

Historien om metalskæring startede i Egypten, hvor en roterende enhed kaldet buebånd blev brugt til at bore huller i sten.

Historien om metalskæring er angivet i tabel 9.1:

Typer af skæreprocesser (Operationer):

Bearbejdning er ikke kun en proces; det er en gruppe af processer. Der findes mange former for bearbejdning. Hver især er specialiseret til at generere en vis del geometri og overfladefinish kvalitet.

Nogle af de mere almindelige skæreprocesser er vist i figur 9.1:

(i) Drejning:

Drejning bruges til at generere en cylindrisk form. I denne proces roteres arbejdsstykket og skæreværktøjet fjerner det uønskede materiale i form af chips. Skæreværktøjet har en enkelt skærekant. Hastighedsbevægelsen tilvejebringes af det roterende arbejdsstykke, og fremføringsbevægelsen opnås ved at skæreværktøjet bevæger sig langsomt i en retning parallelt med arbejdsstykkeets rotationsakse.

ii) boring:

Boring bruges til at skabe et rundt hul. I denne proces drejes skæreværktøjet og mates mod arbejdsstykket fastgjort i en holdeelement. Skæreværktøjet har typisk to eller flere skærekanter. Værktøjet fødes i en retning parallelt med dets rotationsakse i arbejdsstykket for at danne det runde hul.

(iii) Boring:

Boring bruges til at forstørre et allerede boret hul. Det er en fin efterbehandling, der anvendes i sidste fase af produktfremstilling.

(iv) Fræsning:

Fræsning bruges til at fjerne et lag af materiale fra arbejdsfladen. Det bruges også til at fremstille et hulrum i arbejdsfladen. I det første tilfælde er det kendt som slib-fræsning, og i andet tilfælde er det kendt som endefræsning. Grundlæggende er fræsningsprocessen brugt til at producere en plan eller lige overflade. Det anvendte skæringsværktøj har flere skærekanter. Hastighedsbevægelsen er tilvejebragt af den roterende fræsere. Foderbevægelsens retning er vinkelret på værktøjets rotationsakse.

(v) Afskæring:

Afskæring bruges til at skære metalet i to dele. I denne operation drejes arbejdsstykket og skæreværktøjet bevæger sig radialt indad for at adskille komponenterne.

Faktorer, der påvirker metalskæringsprocessen:

Forskellige faktorer eller parametre, der påvirker skæreprocessen og overfladen og præcisionen af ​​delgeometri, er angivet i tabel 9.2:

Uafhængige variabler:

De største uafhængige variabler er:

(a) Skæreværktøjsmateriale, form, geometri, vinkler.

(b) Arbejdsstykke materiale, tilstand, temperatur.

(c) Skæreparametre, såsom hastighed, fødning og dybde.

(d) Skærevæsker.

(e) Maskinværktøjs specifikationer.

(f) Arbejdshold og Fastgørelse.

Afhængige variabler:

Afhængige variabler påvirkes af ændringer i uafhængige variabler.

De væsentligste afhængige variabler er:

(a) Typer af chips dannet.

(b) Temperaturzone på arbejdsværktøjsgrænsefladen.

(c) Værktøjsslitage og fejl.

(d) Overfladebehandling.

(e) Kraft og energi i skæreprocessen.

Metoder til metalskæring:

Der er to grundlæggende metoder til metalskæring baseret på skærekant og retning af relativ bevægelse mellem værktøj og arbejde:

(i) Ortogonal skæreproces (to-dimensionel)

(ii) Skarp skæreproces (tredimensionel)

(i) Ortogonal skæreproces:

Ved ortogonal skæreproces er skærekanten vinkelret (90 grader) i retningen af ​​fodret. Chippen strømmer i en retning, der er normal til skærekant af værktøjet. Et perfekt skarpt værktøj vil skære metalet på stativoverfladen.

Den ortogonale skæreproces er vist i figur 9.3. (en):

(ii) Skrå skæreproces:

Ved skrå skæreproces er skærekanten skråtstillet i en spids vinkel (mindre end 90 grader) i retning af tilførslen. Chippen strømmer sidelæns i en lang krølle. Chippen strømmer i en retning i en vinkel med normal til værktøjets skærekant.

Nogle af de vigtigste komparative egenskaber ved begge processerne er angivet i tabel 9.3:

Princippet om metalskæring:

En typisk metalskæreproces ved enkeltpunktsskæringsværktøj er vist i figur 9.2. I denne proces bevæger et kileformet værktøj i forhold til arbejdsstykket i en vinkel a. Da værktøjet kommer i kontakt med metalet, udøver det tryk på det. På grund af det tryk, der udøves af værktøjsspidsen, vil metal skære i form af chips på skæreplanet AB. En chip produceres foran skæreværktøjet ved at deformere og skære materialet kontinuerligt langs skæreplanet AB.

Skæreplanet er faktisk en smal zone og strækker sig fra værktøjets skærekant til arbejdsstykkets overflade. Værktøjets skærekant er dannet af to skærende overflader.

En detaljeret om forskellige terminologier er angivet nedenfor:

(i) Rack Overflade:

Det er overfladen mellem skæreværktøjets chip og topoverflade. Det er overfladen, hvorigennem chippen bevæger sig opad.

(ii) flankoverflade:

Det er overfladen mellem arbejdsstykket og bunden af ​​skæreværktøjet. Denne overflade er tilvejebragt for at undgå gnidning med den bearbejdede overflade.

(iii) Rackvinkel (α):

Det er vinklen mellem rackoverfladen og den normale til arbejdsstykket. Rackvinklen kan være positiv eller negativ.

(iv) Flankvinkel / Clearance Angle / Relief vinkel (γ):

Det er vinklen mellem flankeoverfladen og den vandrette maskinflade. Det er tilvejebragt til en vis afstand mellem flankoverfladen og den bearbejdede overflade af arbejdsstykket for at undgå gnidning af skæreværktøj til den færdige overflade.

(v) Primær deformationszone:

Det er zonen mellem værktøjstip og skæreplan AB.

vi) Sekundære deformationszone:

Det er zonen mellem værktøjets og chipets rackoverflade.

(vii) Tertiær deformationszone:

Det er zonen mellem værktøjets flankeoverflade og maskinens overflade.

Næsten alle skæreprocesserne involverer den samme forskydningsteori. Skæreværktøjet, der anvendes i skæreprocessen, kan være enkeltpunkts- eller multipunktskæringsværktøj. Drejning, træsning og formgivning, kedelig, afskalning og vendende er nogle skæreoperationer udført af enkeltpunktskæringsværktøj. Fræsning, boring, slibning, reaming og broaching er nogle skæreoperationer udført af multi-point skæreværktøj.

Mekanik af chipformation:

En typisk metalskæreproces ved enkeltpunktsskæringsværktøj er vist i figur 9.5. I denne proces bevæger et kileformet værktøj i forhold til arbejdsstykket i en vinkel a. Da værktøjet kommer i kontakt med metalet, udøver det tryk på det. På grund af det tryk, der udøves af værktøjsspidsen, vil metal skære i form af chips på skæreplanet AB. En chip produceres foran skæreværktøjet ved at deformere og skære materialet kontinuerligt langs skæreplanet AB.

Mikroskopisk undersøgelse viser, at chips fremstilles af skæreprocessen. Skæreprocessen i chipformation svarer til bevægelsen af ​​kort i et dæk, som glider mod hinanden, som vist i figur 9.5. Afskæring foregår langs en forskydningszone (skæreplan). Skæreplanet er virkelighed en smal zone. Den strækker sig fra værktøjets skærekant til arbejdsstykkefladen.

Dette plan er i en vinkel kaldet forskydningsvinklen (φ), med overfladen af ​​arbejdsstykket. Skærezonen har stor indflydelse på kvaliteten af ​​den bearbejdede overflade. Under skæreplanet er arbejdsstykket under dannet, mens over skæreplanet chippen allerede er dannet og bevæger sig opad til værktøjsfladen.

Forholdet mellem tykkelse af chip før skæring (t _o ) til tykkelsen af ​​chip efter skæring (t _c ) er kendt som chip tykkelsesforhold.

Det er generelt repræsenteret af r, som kan udtrykkes som:

Chippens tykkelse efter snit (tc) er altid større end chiptykkelsen før skæring (t _o ). Derfor er værdien af ​​r altid mindre end enhed. Den gensidige af r er kendt som chip-kompressionsforhold eller chipreduktionsforhold (1 / r). Chippedannelsesforholdet er et mål for, hvor tyk chippen er blevet sammenlignet med skæringsdybden (t ₀ ). Således er chipreduktionsforholdet altid større end enhed.

Afledning til beregning af skærevinkler:

I betragtning af ortogonal skæreproces for at udlede ekspressionen til beregning af forskydningsvinkel, som vist i figur 9.6. Skæreværktøjet er defineret ved rakevinkel (α) og clearance eller reliefvinkel (γ). Chippen er dannet vinkelret på værktøjets skærekant.

Nedenfor er nogle antagelser foretaget til mekanikken af ​​chipformationer:

(i) Værktøj bør kontakte chippen på dens rakeflade.

(ii) Overvejelser om almindelig belastning. Det betyder, at der ikke er nogen sidestrøm af chippen under skæring.

(iii) Deformationszonen er meget tynd (i størrelsesordenen ^10-2 til 10 ^-3 mm) ved siden af ​​forskydningsplanet AB.

I ovenstående 9.6. Følgende symboler anvendes:

α - Rake vinkel

γ - Clearance (relief) vinkel

φ - Skærevinkel

AB - Skæreplan

t ₀ - Uncut chip tykkelse

t _c - Chip tykkelse (deformeret)

Område DEFG - Område med ubeskåret chip

Område HIJK - Chipområde efter skæring.

Dette er det nødvendige forhold til at beregne forskydningsvinklen (φ). Dette forhold viser, at φ afhænger af t ₀, t _c og α (rakevinkel). Det betyder ved at måle t ₀, t _c og a af værktøjet, forskydningsvinkel (φ) kan bestemmes under anvendelse af ovenstående udtryk.

Chippetykkelsesforholdet (r) kan bestemmes ved følgende metoder:

(i) Ved anvendelse af kontinuitetsligning

(ii) Ved at veje en kendt længde af chip.

(iii) Ved at kende chiphastighed (Vc) og arbejdsstykkehastighed (V).

(i) Ved at bruge kontinuitetsligning:

Originalvægt af chip før skæring = vægt af chip efter skæring.

(ii) Ved at veje en kendt længde af chip:

Hvis længden af ​​snit ikke er direkte kendt, kan vi estimere ved at veje en kendt længde af chip; derefter

beregne 'r' og ɸ fra ovenstående ligninger.

(iii) Ved at kende chiphastighed (VC) og arbejdsstykkehastighed (V):

Anvendelse af kontinuitetsligning som:

Ved at sætte værdien af ​​r og α, kan vi opnå skærevinklen (φ).

Hastigheder i metalskæringsprocessen:

På grund af relativ bevægelse mellem værktøjstip og arbejdsstykke og chip fjernet, er der tre typer hastigheder, der kommer til virkelighed.

Disse følger:

(i) Skærehastighed eller hastighed (V):

Det er skæreværktøjets hastighed i forhold til arbejdsstykket.

(ii) Skærehastighed (V _s ):

Det er hastigheden af ​​chip i forhold til arbejdsstykket. På anden måde sker den hastighed, hvormed forskydningen finder sted.

(iii) Chiphastighed (Vc):

Det er chipets hastighed op på værktøjsfladen (rakeflade) under skæring.

Fig. 9.7. Velocities Metal Cutting Process.

Fig. 9.7 viser tre hastigheder og deres forhold:

Lad V - Skærehastighed

V _s - Skærehastighed

V _c - Chiphastighed

φ - Skærevinkel

α - Rake vinkel

r - Chippetykkelseforhold

γ - Clearance vinkel

Ved hjælp af kontinuitetsligning er volumenet af metalfjernelse før og efter det samme, derfor:

Vt = V _c t _c

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

I figur 9.7 kan vi ved hjælp af sinusregel til hastighedsvektorer skrive:

Fra kinematikteori er den relative hastighed af to kroppe (værktøj og chip) lig med vektorforskel mellem deres hastigheder i forhold til referencelegeme (arbejdsstykke), så

V = V _C + V _S

Forces, der handler på chip:

De forskellige kræfter, som virker på chippen under ortogonalt metalskæring, er vist i figur 9.8:

(i) Shear Force (F _s ):

Det virker langs skæreplan. Det er modstanden mod at skære af metal.

(ii) Normal kraft (Fn):

Den er vinkelret på skæreplanet, der frembringes af arbejdsstykket.

(iii) Normal Force (N):

Det udøves af værktøjsspidsen på chippen.

(iv) Fraktionel modstandskraft (F):

Det virker på chippen, og det virker mod chipbevægelsen langs værktøjsfladen.

Fig. 9.8 (b) angiver det fri kropsdiagram af chip, som er i ligevægt under virkningen af ​​resulterende kræfter, lige og modsatte i størrelse og retning.

Dermed,

Siden er chippen i ligevægtstilstand, så vi kan sige det

Typer af chips produceret i bearbejdning:

De chips, der produceres i metalskæring, er ikke ens. Den producerede type af chip afhænger af det materiale, der bearbejdes og skæringsbetingelserne.

Disse betingelser omfatter:

(a) Type skæreværktøj, der anvendes.

b) Hastighed og skærehastighed.

(c) Værktøjsgeometri og skæringsvinkler.

(d) Maskinens tilstand.

(e) Tilstedeværelse / fravær af skærevæske mv.

Undersøgelsen af ​​producerede chips er meget vigtig, fordi den type chips, der produceres, påvirker arbejdsstykkets overflade, værktøjets levetid, vibrationer, chatter, kraft og strømkrav mv.

Det er vigtigt at bemærke, at en chip har to overflader:

(a) skinnende overflade:

Det er overfladen, som er i kontakt med værktøjets rakeflade. Det skinnende udseende er forårsaget af gnidningen af ​​chippen, da den bevæger sig op over værktøjsfladen.

(b) Grov overflade:

Det er overfladen, der ikke kommer i kontakt med nogen fast krop. Det er den originale overflade af arbejdsstykket. Det grove udseende er forårsaget af skæreaktiviteten, som vist i figur 9.9.

Dybest set er der tre typer chips, der almindeligvis observeres i praksis som vist i figur 9.9:

Disse diskuteres nedenfor:

(i) Kontinuerlige chips.

(ii) Kontinuerlige chips med opbygget kant.

(iii) Discontinuous eller Segmental chips.

(i) Kontinuerlige Chips:

Kontinuerlige chips fremstilles ved bearbejdning af mere duktile materialer såsom mildt stål, kobber og aluminium.

På grund af stor plastisk deformation muligt med mere duktile materialer, produceres længere kontinuerlige chips. Det er forbundet med gode værktøjsvinkler, korrekte hastigheder og feeds og brugen af ​​skærende væsker.

Fordele:

1. De producerer generelt god overfladefinish.

2. De er mest ønskelige, fordi kræfterne er stabile og drift bliver vibration mindre.

3. De giver høje skærehastigheder.

Begrænsninger:

1. Kontinuerlige chips er vanskelige at håndtere og bortskaffe.

2. Kontinuerlige chips spoler i en spiral og krøller rundt om værktøjet og arbejder og endda kan skade operatøren, hvis pludselig pause løsner.

3. Kontinuerlige chips forbliver i kontakt med værktøjsoverfladen i længere tid, hvilket resulterer i, at mere friktionsvarme anvendes til at bryde den kontinuerlige chip i små sektioner, således at chipsene ikke kan krølle rundt om skæringsværktøjet.

Den enkleste form af chip breaker er lavet ved at male en rille på værktøjsfladen et par millimeter bag forkant. Nogle gange bruges en lille metalpladepind med skæreværktøjsflade som en chip breaker.

Gunstige skærebetingelser:

De gunstige skærebetingelser for produktion af kontinuerlige chips følger:

jeg. Bearbejdning af flere duktile materialer som kobber, aluminium.

ii. Høj skærehastighed med fint foder.

iii. Større rakevinkel.

iv. Skarpere kant.

v. Effektiv smøremiddel.

(ii) Kontinuerlige chips med indbygget kant:

Kontinuerlige chips med indbygget kant (BUE) fremstilles ved bearbejdning af duktile materialer under følgende betingelser:

jeg. Høj lokal temperatur i skærezonen.

ii. Ekstremt tryk i skærezonen.

iii. Høj friktion ved værktøj-chip interface.

Ovennævnte bearbejdningsbetingelser medfører, at arbejdsmaterialet klæber eller holder sig fast til værktøjets skærkant og udformet opbygget kant (BUE). Den opbyggede kant genererer lokaliseret varme og friktion, hvilket resulterer i dårlig overfladefinish, strømtab.

Den opbyggede kant ses almindeligvis i praksis. Den opbyggede kant ændrer sin størrelse under skæreoperationen. Det øges først, sænker derefter og øges igen, etc. Denne cyklus er kilde til vibrationer og dårlig overfladefinish.

Fordele:

Selvom den opbyggede kant er generelt uønsket, er en tynd, stabil BUE sædvanligvis ønskelig, fordi den reducerer slid ved at beskytte værktøjets rakeflade.

Begrænsninger:

jeg. Dette er en chip, der skal undgås.

ii. Fænomenet resulterer i en dårlig overfladefinish og beskadigelse af værktøjet.

Gunstige skærebetingelser:

De gunstige skærebetingelser for produktion af kontinuerlige chips med bebygget kant følger:

jeg. Lav skærehastighed.

ii. Lav rakevinkel.

iii. Høj foder.

iv. Utilstrækkelig tilførsel af kølevæske.

v. Højere affinitet (tendens til at danne obligation) af værktøjsmateriale og arbejdsmateriale.

Reduktion eller eliminering af BUE:

Tendensen til at danne BUE kan reduceres eller elimineres ved en af ​​følgende fremgangsmåder:

jeg. Forøgelse af skærehastigheden.

ii. Forøgelse af rakevinklen.

iii. Sænkning af dybden.

iv. Brug af en effektiv skærevæske.

v. Brug et skarpt værktøj.

vi. Lysnedskæringer ved højere hastigheder.

(iii) Discontinuous eller Segment Chips:

Diskontinuerlige chips fremstilles ved bearbejdning af mere sprøde materialer såsom gråstøbt jern, bronze, messing mv med små rakevinkler. Disse materialer mangler den duktilitet, der er nødvendig for mærkbar plastflisdeformation. Materialet fejler i en sprød brud foran værktøjskanten langs skærezonen. Dette resulterer i små segmenter af diskontinuerlige chips. Der er ikke noget galt med denne type chip under disse omstændigheder.

Fordele:

jeg. Da chipsene går i små segmenter, reducerer friktionen mellem værktøjet og chippen, hvilket resulterer i bedre overfladebehandling.

ii. Disse chips er nemme at samle, håndtere og bortskaffe.

Begrænsninger:

jeg. På grund af den diskontinuerlige karakter af chipdannelse varierer kræfterne konstant under skæreprocessen.

ii. Mere stivhed eller stivhed på skæreværktøjet, holderen og arbejdsholderen er påkrævet på grund af varierende skærekræfter.

iii. Hvis stivheden ikke er nok, kan maskinværktøjet derfor begynde at vibrere og snakke. Dette har igen negativ indvirkning på overfladen og præcisionen af ​​komponenten. Det kan beskadige skæreværktøjet eller forårsage for meget slitage.

Gunstige skærebetingelser:

De gunstige skærebetingelser for produktion af diskontinuerlige chips følger:

jeg. Bearbejdning af sprøde materialer.

ii. Små rakevinkler.

iii. Meget lave skærehastigheder.

iv. Lav stivhed af værktøjsmaskiner.

v. Højere dybde.

vi. Utilstrækkeligt smøremiddel.

vii. Materialer, der indeholder hårde indeslutninger og urenheder.