Metaalsnijden: betekenis, geschiedenis en principes

Na het lezen van dit artikel leert u over: - 1. Betekenis van het snijden van metaal 2. Geschiedenis van het snijden van metaal 3. Soorten snijprocessen 4. Factoren 5. Methoden 6. Principes 7. Snelheden.

Betekenis van Metal Cutting:

Metaal snijden is "het proces van het verwijderen van ongewenst materiaal in de vorm van chips, van een blok metaal, met behulp van een snijgereedschap". Een persoon die gespecialiseerd is in verspaning heet een machinist. Een kamer, gebouw of bedrijf waar machinewerkt wordt, wordt een machinewerkplaats genoemd.

De basiselementen die bij dit proces zijn betrokken zijn:

(i) Een blok metaal (werkstuk).

(ii) Snijgereedschap.

(iii) Werktuigmachine.

(iv) Snijvloeistof.

(v) Snijsnelheid (primaire beweging).

(vi) Feed (secundaire beweging).

(vii) Chips.

(viii) Vasthouden van werk en inrichten.

(ix) Geforceerde kracht en energie, en

(x) Oppervlakteafwerking.

De essentiële voorwaarden voor succesvol metaalsnijden zijn:

(a) Relatieve beweging tussen werk en snijgereedschap.

(b) Materiaal van gereedschap moet harder zijn dan werkmateriaal.

(c) Werk en gereedschap moeten strak worden vastgehouden door mal en armaturen.

(d) Scherpe snijkant van snijgereedschap.

(e) Primaire beweging (snijsnelheid).

(f) Secundaire beweging (snijvoer).

Vrijwel alle producten geproduceerd door metaalverwijderingsproces, direct of indirect. De belangrijkste nadelen van het proces zijn verlies van materiaal in de vorm van chips.

Geschiedenis van het snijden van metaal:

De geschiedenis van het snijden van metaal begon in Egypte, waar een roterend apparaat genaamd bowstring werd gebruikt om gaten in stenen te boren.

De geschiedenis van het snijden van metaal wordt gegeven in tabel 9.1:

Typen snijprocessen (bewerkingen):

Verspanen is niet slechts één proces; het is een groep processen. Er zijn veel soorten bewerkingen. Elk is gespecialiseerd om een ​​bepaalde deelgeometrie en oppervlakteafwerkingskwaliteit te genereren.

Enkele van de meer gebruikelijke snijprocessen worden getoond in Fig. 9.1:

(i) Draaien:

Draaien wordt gebruikt om een ​​cilindrische vorm te genereren. In dit proces wordt het werkstuk geroteerd en verwijdert het snijgereedschap het ongewenste materiaal in de vorm van chips. Het snijgereedschap heeft een enkele snijrand. De snelheidsbeweging wordt verschaft door het roterende werkstuk, en de toevoerbeweging wordt bereikt door het snijwerktuig dat langzaam beweegt in een richting evenwijdig aan de rotatieas van het werkstuk.

(ii) Boren:

Boren wordt gebruikt om een ​​rond gat te maken. In dit proces wordt het snijgereedschap geroteerd en aangevoerd tegen het werkstuk dat is vastgezet in een vasthoudinrichting. Het snijwerktuig heeft typisch twee of meer snijranden. Het gereedschap wordt in een richting evenwijdig aan zijn rotatieas in het werkstuk gevoerd om het ronde gat te vormen.

(iii) Saai:

Boring wordt gebruikt om een ​​reeds geboord gat te vergroten. Het is een fijne afwerking die wordt gebruikt in de laatste fase van de productie van het product.

(iv) Frezen:

Frezen wordt gebruikt om een ​​laag materiaal van het werkoppervlak te verwijderen. Het wordt ook gebruikt om een ​​holte in het werkoppervlak te produceren. In het eerste geval is het bekend als plaatfrezen en in tweede geval is het bekend als kopfrezen. In principe wordt het freesproces gebruikt om een ​​vlak of recht oppervlak te produceren. Het gebruikte snijgereedschap heeft meerdere snijranden. De snelheidsbeweging wordt verzorgd door de roterende frees. De richting van de invoerbeweging staat loodrecht op de rotatie-as van het gereedschap.

(v) Cutting-Off:

Afsnijden wordt gebruikt om het metaal in twee delen te snijden. In deze bewerking wordt het werkstuk geroteerd en beweegt het snijgereedschap radiaal naar binnen om de componenten te scheiden.

Factoren die het metaalsnijproces beïnvloeden:

Verschillende factoren of parameters die van invloed zijn op het snijproces en dus de oppervlakteafwerking en de nauwkeurigheid van de geometrie van de onderdelen, worden gegeven in Tabel 9.2:

Onafhankelijke variabelen:

De belangrijkste onafhankelijke variabelen zijn:

(a) Materiaal snijgereedschap, vorm, geometrie, hoeken.

(b) Werkstukmateriaal, toestand, temperatuur.

(c) Snijparameters, zoals snelheid, toevoer en snijdiepte.

(d) Snijvloeistoffen.

(e) specificaties van werktuigmachines.

(f) Vasthouden en fixeren.

Afhankelijke variabelen:

Afhankelijke variabelen worden beïnvloed door wijzigingen in onafhankelijke variabelen.

De belangrijkste afhankelijke variabelen zijn:

(a) Typen chips gevormd.

(b) Temperatuurzone op de interface van het uitrustingsstuk.

(c) slijtage van het gereedschap en storingen.

(d) Oppervlakteafwerking.

(e) Kracht en energie in het snijproces.

Methoden voor het snijden van metaal:

Er zijn twee basismethoden voor het snijden van metaal op basis van het snijvlak en de richting van de relatieve beweging tussen gereedschap en werk:

(i) Orthogonaal snijproces (tweedimensionaal)

(ii) Schuin snijproces (driedimensionaal)

(i) Orthogonaal snijproces:

Bij orthogonaal snijproces staat de snijkant loodrecht (90 graden) op de richting van het voer. De chip stroomt in een richting loodrecht op de snijkant van het gereedschap. Een perfect scherp gereedschap snijdt het metaal op het rackoppervlak.

Het orthogonale snijproces wordt getoond in Fig. 9.3. (een):

(ii) Schuin snijproces:

Bij een schuin snijproces helt de snijkant onder een scherpe hoek (minder dan 90 graden) in de richting van het voer. De chip stroomt zijwaarts in een lange krul. De chip stroomt in een richting onder een hoek met loodrecht op de snijkant van het gereedschap.

Enkele van de belangrijkste vergelijkende kenmerken van beide processen zijn weergegeven in tabel 9.3:

Principe van metaal snijden:

Een typisch metaalsnijproces met een snijgereedschap met één punt wordt getoond in Fig. 9.2. Bij dit proces beweegt een wigvormig gereedschap ten opzichte van het werkstuk onder een hoek a. Als het gereedschap contact maakt met het metaal oefent het druk uit op het metaal. Als gevolg van de druk die wordt uitgeoefend door de punt van het gereedschap, zal het metaal afscheuren in de vorm van chips op het afschuifvlak AB. Voor het snijgereedschap wordt een chip geproduceerd door het materiaal continu te vervormen en af ​​te knippen, langs het afschuifvlak AB.

Het afschuifvlak is in feite een smalle zone en strekt zich uit van de snijrand van het gereedschap tot het oppervlak van het werkstuk. De snijkant van het gereedschap wordt gevormd door twee elkaar snijdende oppervlakken.

Hieronder volgt een gedetailleerde beschrijving van verschillende terminologieën:

(i) Rekoppervlak:

Het is het oppervlak tussen de chip en het bovenoppervlak van het snijgereedschap. Het is het oppervlak waarlangs de chip naar boven beweegt.

(ii) Flankoppervlak:

Het is het oppervlak tussen het werkstuk en de onderkant van het snijgereedschap. Dit oppervlak is voorzien om wrijving met het bewerkte oppervlak te voorkomen.

(iii) Rekhoek (α):

Het is de hoek tussen het rackoppervlak en het normaal om te werken. Rekhoek kan positief of negatief zijn.

(iv) Flankhoek / vrijloophoek / ontlastingshoek (γ):

Het is de hoek tussen het flankoppervlak en het horizontaal bewerkte oppervlak. Het is voorzien voor enige speling tussen het flankoppervlak en het machinaal bewerkte oppervlak van het werkstuk om wrijving van het snijgereedschap naar het afgewerkte oppervlak te voorkomen.

(v) Primaire vervormingszone:

Het is de zone tussen de gereedschapspunt en het afschuifvlak AB.

(vi) Zone voor secundaire vervorming:

Het is de zone tussen het rackoppervlak van het gereedschap en de chip.

(vii) Tertiaire vervormingszone:

Het is de zone tussen het flankoppervlak van het gereedschap en het bewerkte oppervlak van het werkstuk.

Bijna alle snijprocessen omvatten dezelfde shear-deformation theorie. Het snijgereedschap dat in het snijproces wordt gebruikt, kan een snijpunt voor één punt of meerdere punten zijn. Draaien, draadsnijden en vormgeven, boren, afkanten en aanliggen zijn enkele snijbewerkingen die worden gedaan met een snijgereedschap met één punt. Frezen, boren, slijpen, ruimen en kotteren zijn enkele snijbewerkingen die worden uitgevoerd door een meerpuntssnijgereedschap.

Mechanica van chipvorming:

Een typisch metaalsnijproces door een snijwerktuig met één punt wordt getoond in Fig. 9.5. Bij dit proces beweegt een wigvormig gereedschap ten opzichte van het werkstuk onder een hoek a. Als het gereedschap contact maakt met het metaal oefent het druk uit op het metaal. Als gevolg van de druk die wordt uitgeoefend door de punt van het gereedschap, zal het metaal afscheuren in de vorm van chips op het afschuifvlak AB. Een chip wordt geproduceerd vóór het snijgereedschap door het materiaal continu te vervormen en te scheuren langs het afschuifvlak AB.

Microscopisch onderzoek toont aan dat chips worden geproduceerd door het knipproces. Het scheerproces bij het vormen van chips is vergelijkbaar met de beweging van kaarten in een dek die tegen elkaar glijden, zoals weergegeven in figuur 9.5. Knippen vindt plaats langs een afschuifzone (schuifvlak). Het afschuifvlak is actualiteit een smal gebied. Het strekt zich uit van de snijkant van het gereedschap tot het oppervlak van het werkstuk.

Dit vlak staat onder een hoek die de afschuifhoek (φ) wordt genoemd, met het oppervlak van het werkstuk. De afschuifzone heeft een grote invloed op de kwaliteit van het bewerkte oppervlak. Onder het afschuifvlak is het werkstuk onder gevormd terwijl boven het afschuifvlak de chip al gevormd is en omhoog beweegt naar het gereedschapsoppervlak.

De verhouding van de dikte van de chip vóór het snijden (to) tot de dikte van de chip na het snijden ( _tc ) staat bekend als de spaandikte-verhouding.

Het wordt over het algemeen weergegeven door r, wat kan worden uitgedrukt als:

De spaandikte na het snijden (t _c ) is altijd groter dan de spaandikte vóór het snijden (t _o ). Daarom is de waarde van r altijd kleiner dan één. De reciproke van r staat bekend als chip compressieratio of chipreductieverhouding (1 / r). De verhouding van de chipsreductie is een maatstaf van hoe dik de chip is geworden in vergelijking met de snedediepte (t ₀ ). Aldus is de chipreductieverhouding altijd groter dan een.

Afleiding om afschuifhoeken te berekenen:

Overwegend orthogonaal snijproces om de uitdrukking af te leiden voor het berekenen van de afschuifhoek, zoals getoond in Fig. 9.6. Het snijgereedschap wordt gedefinieerd door de hellingshoek (α) en de speling of ontlastingshoek (γ). De chip wordt loodrecht op de snijrand van het gereedschap gevormd.

Hieronder volgen enkele veronderstellingen over de mechanica van chipformaties:

(i) Gereedschap moet contact maken met de chip op het harkvlak.

(ii) Er wordt rekening gehouden met de omstandigheden van de gewone spanning. Het betekent dat er geen zijwaartse stroming van de chip is tijdens het snijden.

(iii) De vervormingszone is erg dun (in de orde van ^10-2 tot ^10-3 mm) grenzend aan het afschuifvlak AB.

In bovenstaande 9.6. volgende symbolen worden gebruikt:

α - Hellingshoek

γ - Vrije hoek (reliëf)

φ - Scheerhoek

AB - Scheervlak

t ₀ - Ongesneden chipdikte

t _c - Chipdikte (vervormd)

Gebied DEFG - Gebied van ongesneden chip

Gebied HIJK - Chipgebied na snijden.

Dit is de vereiste relatie om de afschuifhoek (φ) te berekenen. Deze relatie laat zien dat φ afhangt van de t ₀, t _c en α (hellingshoek). Het betekent dat door het meten van t ₀, t _c en a van het gereedschap, de afschuifhoek (φ) kan worden bepaald met behulp van bovenstaande uitdrukking.

De spaandikte-verhouding (r) kan worden bepaald door middel van de volgende methoden:

(i) Door continuïteitsvergelijking te gebruiken

(ii) Door een bekende lengte chip te wegen.

(iii) Door de chipsnelheid (V _c ) en de werkstuksnelheid (V) te kennen.

(i) Door gebruik te maken van de continuïteitsvergelijking:

Origineel gewicht van de chip vóór het snijden = gewicht van de chip na het snijden.

(ii) Door een bekende lengte van chip te wegen:

Als de lengte van de snede niet direct bekend is, kunnen we schatten door een bekende lengte van de chip te wegen; dan

bereken 'r' en ɸ van bovenstaande vergelijkingen.

(iii) Door het kennen van Chip Velocity (V _C ) en Work Piece Velocity (V):

Continuïteitsvergelijking toepassen als:

Door de waarde van r en α in te stellen, kunnen we de afschuifhoek (φ) verkrijgen.

Snelheden bij het snijproces van metaal:

Vanwege de relatieve beweging tussen de gereedschapspunt en het werkstuk en de verwijderde chip zijn er drie soorten snelheden ontstaan.

Deze volgen:

(i) Snijsnelheid of Velocity (V):

Het is de snelheid van het snijwerktuig ten opzichte van het werkstuk.

(ii) Afschuifsnelheid (V _s ):

Het is de snelheid van de chip ten opzichte van het werkstuk. Op een andere manier, de snelheid waarmee afschuiving plaatsvindt.

(iii) Spaansnelheid (V _c ):

Het is de snelheid van de chip op het gereedschapsoppervlak (harkvlak) tijdens het snijden.

Fig 9.7. Snelheden Metal Cutting Process.

De figuur 9.7 toont drie snelheden en hun relaties:

Laat V - Cutting Velocity

V _s - Afschuifsnelheid

V _c - Chipsnelheid

φ - Scheerhoek

α - Hellingshoek

r - Dikteverhouding chip

γ - Vrije hoek

Met behulp van continuïteitsvergelijking is het volume van metaalverwijdering voor en na hetzelfde, daarom:

Vt = V _c t _c

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

In figuur 9.7 kunnen we met behulp van de sinusregel de snelheidsvectoren schrijven:

Uit de kinematische theorie is de relatieve snelheid van twee lichamen (gereedschap en chip) gelijk aan het vectorverschil tussen hun snelheden ten opzichte van het referentielichaam (werkstuk), vervolgens

V = V _C + V _S

Krachten handelen op de chip:

De verschillende krachten die op de chip werken tijdens het orthogonale verspanen van metaal worden getoond in Fig. 9.8:

(i) Schuifkracht (F _s ):

Het werkt langs een afschuifvlak. Het is de weerstand tegen metaalschaar.

(ii) Normale kracht (F _n ):

Het staat loodrecht op het afschuifvlak dat door het werkstuk wordt gegenereerd.

(iii) Normale kracht (N):

Het wordt uitgeoefend door de tooltip op de chip.

(iv) Fractional Resistance Force (F):

Het werkt op de chip en werkt in tegen de spaanbeweging langs het gereedschap.

Fig. 9.8 (b) geeft het vrije lichaamsschema aan van de chip die in evenwicht is onder de werking van resulterende krachten gelijk aan en tegengesteld in grootte en richting.

Dus,

Omdat de chip in evenwichtstoestand is, kunnen we dat zeggen

Soorten chips die worden geproduceerd tijdens het verspanen:

De chips die in het metaalsnijproces worden geproduceerd, zijn niet hetzelfde. Het type geproduceerde chip hangt af van het materiaal dat wordt bewerkt en de snijomstandigheden.

Deze voorwaarden omvatten:

(a) Type gebruikt snijgereedschap.

(b) Snelheid en snelheid van snijden.

(c) Gereedschapsgeometrie en snijhoeken.

(d) Toestand van de machine.

(e) Aanwezigheid / afwezigheid van snijvloeistof, etc.

De studie van geproduceerde chips is erg belangrijk omdat het type chips dat wordt geproduceerd van invloed is op de oppervlakteafwerking van het werkstuk, de levensduur van het gereedschap, trillingen, gebabbel, kracht- en stroomvereisten, enz.

Het is belangrijk op te merken dat een chip twee oppervlakken heeft:

(a) glanzende oppervlak:

Het is het oppervlak dat in contact staat met het harkvlak van het gereedschap. Het glanzende uiterlijk wordt veroorzaakt door het wrijven van de chip wanneer deze omhoog beweegt over het gereedschapsoppervlak.

(b) Ruwe ondergrond:

Het is het oppervlak dat niet in contact komt met een vast lichaam. Het is het originele oppervlak van het werkstuk. Het ruwe uiterlijk wordt veroorzaakt door de afschuifwerking, zoals weergegeven in figuur 9.9.

In principe zijn er drie typen chips die vaak in de praktijk worden waargenomen, zoals weergegeven in figuur 9.9:

Deze worden hieronder besproken:

(i) Continue chips.

(ii) Continue chips met een opgebouwde rand.

(iii) Discontinue of Segmental-chips.

(i) Continuous Chips:

Continue spanen worden geproduceerd bij het bewerken van meer ductiele materialen zoals zacht staal, koper en aluminium.

Vanwege de grote plastische vervorming die mogelijk is met meer ductiele materialen, worden langere continue chips geproduceerd. Het hangt samen met goede gereedschapshoeken, correcte snelheden en voedingen en het gebruik van snijvloeistoffen.

voordelen:

1. Ze produceren over het algemeen een goede oppervlakteafwerking.

2. Ze zijn het meest wenselijk omdat de krachten stabiel zijn en de werking minder trillingen wordt.

3. Ze bieden hoge snijsnelheden.

beperkingen:

1. Continue chips zijn moeilijk te hanteren en af ​​te voeren.

2. Continuous chips wikkelen in een spiraal en krullen rond het gereedschap en werken en kunnen zelfs de operator verwonden als deze plotseling breekt.

3. Continue spanen blijven langere tijd in contact met het gereedschapsoppervlak, waardoor meer wrijvingswarmte wordt gebruikt om de continue chip in kleine delen te breken, zodat de spanen niet rond het snijgereedschap kunnen krullen.

De eenvoudigste vorm van een spaanbreker wordt gemaakt door een groef op het gereedschapsoppervlak enkele millimeters achter de snijkant te slijpen. Soms wordt een kleine metalen plaat met een snijgereedschap gebruikt als spaanbreker.

Gunstige knipvoorwaarden:

De gunstige snijomstandigheden voor de productie van continue chips volgen:

ik. Meer ductiele materialen bewerken zoals koper, aluminium.

ii. Hoge snijsnelheid met fijn voer.

iii. Grotere hellingshoek.

iv. Scherpere snijkant.

v. Efficiënt smeermiddel.

(ii) Doorlopende chips met bebouwde rand:

Continu-chips met Built-Up Edge (BUE) worden geproduceerd bij het bewerken van ductiele materialen onder de volgende omstandigheden:

ik. Hoge lokale temperatuur in de snijzone.

ii. Extreme druk in de snijzone.

iii. Hoge wrijving op tool-chip interface.

De bovenstaande bewerkingsomstandigheden zorgen ervoor dat het werkmateriaal hecht of blijft plakken aan de snijkant van het gereedschap en vormt de opbouwrand (BUE). De opgebouwde rand genereert gelokaliseerde warmte en wrijving, wat resulteert in een slechte oppervlakteafwerking, vermogensverlies.

De opgebouwde rand wordt vaak waargenomen in de praktijk. De opgebouwde rand verandert van grootte tijdens de snijbewerking. Eerst neemt het toe, vervolgens neemt het af en vervolgens neemt het weer toe, enz. Deze cyclus is een bron van trillingen en een slechte oppervlakteafwerking.

voordelen:

Hoewel opgebouwde rand in het algemeen ongewenst is, is een dunne, stabiele BUE gewoonlijk wenselijk omdat het slijtage vermindert door het harkvlak van het gereedschap te beschermen.

beperkingen:

ik. Dit is een chip die moet worden vermeden.

ii. Het fenomeen resulteert in een slechte oppervlakteafwerking en beschadiging van het gereedschap.

Gunstige knipvoorwaarden:

De gunstige snijomstandigheden voor de productie van continue chips met een opgebouwde rand volgen:

ik. Lage snijsnelheid.

ii. Lage hellingshoek.

iii. Hoge feed.

iv. Onvoldoende toevoer van koelvloeistof.

v. Hogere affiniteit (neiging tot binding) van gereedschapsmateriaal en werkmateriaal.

Vermindering of eliminatie van BUE:

De neiging om BUE te vormen kan worden verminderd of geëlimineerd door een van de volgende methoden:

ik. De snijsnelheid verhogen.

ii. De hellingshoek vergroten.

iii. De snedediepte verlagen.

iv. Met behulp van een effectieve snijvloeistof.

v. Een scherp hulpmiddel gebruiken.

vi. Lichte sneden bij hogere snelheden.

(iii) Discontinue of Segmental Chips:

Discontinue spanen worden geproduceerd bij het bewerken van meer brosse materialen zoals grijs gietijzer, brons, messing, enz. Met kleine hellingshoeken. Deze materialen missen de vervormbaarheid die nodig is voor aanzienlijke vervorming van de kunststof chips. Het materiaal faalt in een brosse breuk voor de gereedschapsrand langs de afschuifzone. Dit resulteert in kleine segmenten van discontinue chips. Er is niets mis met dit type chip in deze omstandigheden.

voordelen:

ik. Aangezien de chips uiteenvallen in kleine segmenten, vermindert de wrijving tussen het gereedschap en de chip, wat resulteert in een betere oppervlakteafwerking.

ii. Deze chips zijn handig om te verzamelen, verwerken en verwijderen.

beperkingen:

ik. Vanwege de discontinue aard van de spaanvorming variëren de krachten continu tijdens het snijproces.

ii. Meer stijfheid of stijfheid van het snijgereedschap, de houder en het werkvasthoudapparaat is vereist vanwege de variërende snijkrachten.

iii. Als de stijfheid niet genoeg is, begint de machine mogelijk te trillen en te trillen. Dit heeft op zijn beurt een nadelige invloed op de oppervlakteafwerking en nauwkeurigheid van het onderdeel. Het kan het snijgereedschap beschadigen of overmatige slijtage veroorzaken.

Gunstige knipvoorwaarden:

De gunstige snijomstandigheden voor de productie van discontinue chips volgen:

ik. Broze materialen bewerken.

ii. Kleine hellingshoeken.

iii. Zeer lage snijsnelheden.

iv. Lage stijfheid van gereedschapswerktuig.

v. Hogere snedediepte.

vi. Onvoldoende glijmiddel.

vii. Materialen die harde insluitsels en onzuiverheden bevatten.