Выбор рациональных скоростей резания

Количественной характеристикой обрабатываемости при точении принято считать скорость резания V_T,соответствующую определенному периоду стойкости Т.

Определять и сравнивать обрабатываемость металлов по скоро­сти резания V_T наиболее правильно при периоде стойкости, обеспе­чивающем наивысшую производительность общественного труда
и наименьшую себестоимость обработки, т.е. при экономическом пе­риоде стойкости. Но один и тот же инструмент (например, резец) можно использовать в различных условиях производства. Следовательно, инструмент может иметь различные экономические периоды стойкости.

Теоретический анализ, выполненный А.Д. Макаровым, и проведенные большие экспериментальные исследования показали, что наиболее объективными и ценными для современного производ­ства характеристиками обрабатываемости применительно к чистовой обработке являются оптимальная скорость резания V_T и оптималь­ный поверхностный относительный износ h _о.п.о Указанные характери­стики обладают следующими преимуществами перед V_T:

1) оптимальная скорость резания V _осоответствует критической
точке (точке минимума) на кривой h _о.п = f (V),в то время как V_T
ни с какой критической точкой кривой Т = f (V) не связана;

2) оптимальным скоростям резания V _опри работе на различных
подачах (для заданной пары инструмент–деталь) соответствует по­стоянная оптимальная температура резания, в то время как скоростям резания V_T для разных подач в общем случае не соответствуют по­стоянные температуры резания;

3) на основе ТЭДС, зафиксированной при оптимальной скорости
резания V _о,можно осуществлять автоматические процессы обработки на оптимальных режимах. Автоматические процессы обработки резанием на основе сохра­нения постоянства ТЭДС, зафиксированной при V_T,найденной для одной из подач, не дают удовлетворительных результатов, так как одной и той же ТЭДС при работе на различных подачах соответству­ют различные периоды стойкости, различающиеся в ряде случаев в 2…5 раз;

4) скорости V _о,являющиеся оптимальными по интенсивности
размерного износа, являются оптимальными и по шероховатости обработанной поверхности;

5) при работе на V _ообеспечиваются и другие лучшие (стабильные) характеристики (показатели) поверхностного слоя – наклеп, остаточные поверхностные напряжения, микроструктура поверхностного слоя и т.д.;

6) оптимальная скорость резания V _ои величина h _о.п.о не зависят от абсолютных величин износа резца h _зи h_r, принимаемых в качестве критерия затупления, а скорость V_T и период стойкости Т явля­ются функцией величины h _з. Например, при обработке стали 13Х14Н3В2ФР резцом Т14К8 для периода стойкости Т = 30 минпри изменении величины h _з на 0,3 мм,что считается критерием затупления, скорость резания изменяется в 1,67 раза (более чем
в 1,5 раза). Независимость величин V _o и h _о.п.о от критерия затупления позволяет резко сократить продолжительность стойкостных исследований;

7) количественной характеристикой обрабатываемости металла
принято считать скорость резания, соответствующую периоду стойкости Т = 60 мин, т.е. V_{T 60}. Однако при обработке ряда материалов,
особенно труднообрабатываемых, невозможно вообще получить период стойкости, равный 60 мин, при самом широком изменении
скорости резания;

8) скорости V_T неудобны и при сравнении режущих свойств инструментальных (различных) материалов, так как эти скорости могут
(для разных марок сплавов) соответствовать различным ветвям кривой Т = f (V);

9) в отличие от скорости V _oскорость V_T не раскрывает резервов повышения размерной стойкости инструмента.

вместе с тем обрабатываемость металлов резанием нельзя харак­теризовать только оптимальной скоростью резания V _o. При обработке различных металлов при одной и той же V _o интенсивность
износа инструмента h _о может быть различной. Например, при обработке (чистовой) сплавов ЭИ437А и ЭП220 резцом ВК6М она различается почти в 50 раз.

Таким образом, для полного представления об обрабатываемости металлов резанием необходимо знать величину как оптимальной скорости резания, так и поверхностного относительного износа, наблюдаемого при этой скорости.

В нормативно-справочной литературе обрабатываемость оценивается в первую очередь интенсивностью затупления режущих инструментов и уровнем целесообразных скоростей резания V_T. Необходимо, однако, отметить, что скорость резания V_T как характеристика обра­батываемости имеет ряд недостатков: не известен предел допустимого снижения скоростей резания, проводимого в целях повышения периода стойкости; при сравнении режущих свойств различных инструментальных материа­лов в зависимости от уровня скорости V_T не всегда правильно можно оценить их относительную износо­стойкость; скорость V_T зависит от принятого критерия затупления. Эту характеристику невозможно использовать для автоматического регулирования процесса резания, так как разным комбинациям v, S, t будут соответство­вать резко отличающиеся периоды стойкости.

Основные недостатки, присущие скорости V_T, имеет и ско­рость V _э, поскольку она зависит от организационно-технических
условий производства, модели станка, конструкции и способа заточки инструмента, разряда рабочего и др. Скорость V _э стабилизируется только для конкретных условий. Более перспективным с этих позиций является оптимальная скорость резания V _o, которая не бази­руется на абсолютных показателях. К сожалению, подробная систематизация уровней V _o и h _о.п для различных обрабатываемых
материалов в настоя­щее время отсутствует. Это заставляет поль­зоваться в качестве основного показателя обрабатываемости значением V_T.

Допустимая скорость V_T, или обрабатываемость метал­ла с точки зрения уровня скоростей резания, определяется двумя характеристиками обрабатываемого металла. Это, во-первых, истирающая способность k _ист, во-вторых, степень нагрева рабочей части инструмента при снятии стружки, характеризуемая температурой резания q, поскольку они связаны с двумя указанными особенностями, т.е.
V_T = f (q, k _ист).

 

 

6.1.3. Способы определения обрабатываемости

В настоящее время разработаны различные способы оценки обрабатываемости. Условно их можно подразде­лить на три основные группы (рис. 142).

К первой группе прежде всего надо отнести «классический» способ. Он заключается в определении зависимостей V = f (T) для различных материалов. Путем измерения износа резца через небольшие промежутки времени, задавшись определенным периодом стойкости Т, можно найти соответствующие ему скорости резания V_{T 1},
V_{T 2}, … и определить коэффициент обрабатываемости: K _м = V_{T 1}/ V_{T 2}.

 

 

Рис. 142. Способы определения обрабатываемости и об­ласти их применения (пунктирная линия обозначает необходимость контроля на загру-

зочной позиции технологической системы)

 

Данный способ наиболее точно и объективно отражает влияние обрабатываемого материала на интенсивность изнашивания инструмента, однако он очень трудоемок и требует большого расхода обрабатываемого матери­ала и инструментов. Поэтому в настоящее время разра­ботаны ускоренные способы определения обрабатывае­мости.

Ряд из них основан на постоянном увеличении скорости резания в пределах рабочего хода. Наиболее распространен способ торцовой обточки: диск, изготовлен­ный из испытуемого материала, обтачивают на токарном станке по торцу от центра к периферии с постоянной частотой вращения (рис. 143).

При этом скорость резания постоянно возрастает, и при некоторой скорости наступает затупление резца.

Параметры уравнения T = f (V) определяют следующим образом:

(7)

При переменной скорости реза­ния

.

В пределах изменения скоро­сти резания от V ₀ до V_n

,

где V ₀, V_n – скорость соответст­венно начала резания и момента затупления резца.

После преобразований при условии, что , получим уравнение

(8)

В уравнении (8) два неизвестных (С_v и m), которые можно найти, сделав проточку торца до затупления резца при разной частоте вращения заготовки n ₁ и n ₂. Решив систему уравнений, получим:

; (9)

(10)

Подставив значения, полученные из уравнений (9) и (10),
в уравнение (7), можно определить скорость резания для данного сечения стружки, соответствующую экономически выгодной для данных условий стойкости инструмента:

(11)

где D_n – диаметр заготовки, на котором затупился резец.

Близкими к способу торцовой обточки являются такие, как продольное точение заготовок ступенчатой формы, конической формы или точение цилиндрических заготовок при бесступенчатом монотон­ном возрастании частоты вращения шпинделя. В последнем случае формула (11) преобразуется в

,

где V _max – максимальная скорость резания, при которой достигнут заданный износ; q – ускорение, м/мин².

Положение о постоянстве интенсивности изнашивания на участке равномерного изнашивания лежит в основе способа А.Д. Макарова. Он заключается в построении кривых износа только на начальном участке с после­дующей их экстраполяцией до значения h _з.кр
(рис. 144).

Во второй группе способов оценки обрабатываемости физическими параметрами процесса резания являются силы резания, уровень темпе­ратур в зоне резания (или термоЭДС), угол сдвига, угол трения, усадка стружки и др.

По термоЭДС оценивается обрабатываемость в известном способе двух резцов. Резание заготовки 3 (рис. 145) производится одновременно двумя резцами 2 из различных инструментальных материалов, например из быстродействующей стали и твердого сплава. Геометрия заточки и режим резания одинаковы. Поэтому можно считать, что на режущих кромках каждого резца возникает приблизительно одинаковая температура резания. Но, так как резцы изготовлены из разных материалов, их можно рассматривать как элементы термопары, и включенный между ними гальванометр 1 будет показывать ЭДС, которая тем больше, чем выше q. Здесь обрабатываемый материал служит только электрическим проводником и на показания гальванометра не влияет. Если один раз такое устройство протарировать, можно оценивать температуру резания при обработке различных металлов. Абсолютная точность показаний здесь не очень велика, так как q на резцах будут отличаться из-за разной их теплопроводнос­ти и разных сил резания. Поэтому в основном такое устройство используется для относительной оценки q и сравнения ее при обработке различных металлов.

 

Рис. 144. Экстраполяция кривой изнашивания	Рис. 145. Схема способа двух резцов

 

Перспективным направлением является определение обрабатываемости материала с использованием одновременно способов первой и второй групп. Первая группа, как отмечалось выше, основана на оценке интенсивности изнашивания при различных скоростях резания. В конеч­ном итоге коэффициент обрабатываемости нового мате­риала K _м = V_T / V_{Т э}, где V_T и V_{Т э}рассматривают соответст­венно для нового и эталонного материалов.

Единичные показатели обрабатываемости, которые рассматриваются во второй группе способов, – силы реза­ния, шероховатость обработанной поверхности – в значи­тельной степени зависят от подачи. Они характеризуют обрабатываемость материала с точки зрения особенностей стружкообразования и формирования поверхностного слоя. Объединив две эти группы, можно найти комплекс­ный коэффициент обрабатываемости

,

где V_{Т э}, V_T – скорость резания, обеспечивающая заданную стойкость соответственно для эталонного и исследуемого материалов;

F _э, F – единичные показатели обрабатываемости соответственно эталонного и исследуемого материалов.

Использование сведений о физических и механических свойствах материалов в третьей группе способов оценки обрабатываемости (рис. 146) является перспективным направлением. Общим
преимуществом таких способов является существенное снижение трудоемкости и расхода обрабатываемого материала, а в качестве анализируемых параметров используются температуры максимального электросопротивления, провала пластич­ности, структурно-фазового превращения a-железа в g-железо, магнитная проницаемость, коэф­фициент внутреннего трения, сопротивление внедре­нию инденторов и др.

Аналогичным образом оценивают обрабатываемость по изменению магнитных свойств. По графикам зависимости Т = f (V), построенным для заготовок из одной и той же марки стали, но с различными градиентами остаточного магнитного поля D H_R, находят значения ... (см. рис. 146). Затем строят график зависимости V_T = = С /D H_R, по которому в дальнейшем можно определять V_T для любой заготовки, подвергаемой действию импульс­ного магнитного поля для нахождения D H_R.

Все рассмотренные выше способы определения обрабатываемости можно эффективно применять в условиях лаборатории. В производственных же условиях первая группа способов практически
не применима из-за сложности определения интенсивности изнашивания и тем более расчетов. Вторая и третья группы вполне приемлемы при работе на оборудовании гибких автоматизированных производств. Если в память системы ЧПУ или блока сравнения заложить сведения об эталон­ном показателе обрабатываемости, по результатам обра­ботки конкретной детали будет изменяться режим резания. При использовании третьей группы способов необходим входной контроль на загрузочной позиции.

 

Рис. 146. Определение оптимальной скорости резания по изменению градиента остаточного магнитного поля

 

При оценке показателей обрабатываемости, как пра­вило, необходимо найти зависимости этого показателя от сочетания элементов сечения среза, геометрии инстру­мента, свойств инструментального, обрабатываемого мате­риалов и других факторов. Это ответственная и трудоем­кая работа. В настоящее время существует несколько путей получения таких экспериментальных зависимостей. Широко распространено использование однофакторных планов проведения эксперимента. В этом случае для нахождения общей зависимости от n переменных факторов необходимо сначала получить п частных зависимостей, в которых изменяется только один фактор, а затем с по­мощью расчетов вывести общую зависимость, например:

.