9.5. Зависимость стойкости от факторов процесса резания

Стойкость - важнейший показатель качества режущего инструмента. В сочетании с режимом резания, который данный инструмент допускает, она является показателем совершенства инструмента. Кроме этого, стойкость - величина, часто служащая критерием оптимизации режимов резания, геометрии режущего инструмента. При выборе геометрии инструмента, инструментального материала и других факторов исходят из условия обеспечения наибольшей стойкости: в качестве оптимального значения фактора принимается то, которое обеспечивает наибольшую стойкость инструмента. Поэтому стойкость является постоянным предметом исследования в науке о резании.

В исследованиях стойкости доминирует эксперимент, что объясняется чрезвычайной сложностью связей стойкости с факторами, множеством этих факторов, явных и неявных, большими трудностями математического описания стойкости. Исследование и нахождение зависимости стойкости от переменных факторов могут быть выполнены как по методу однофакторного, так и по методу многофакторного эксперимента. В первом случае проводится серия экспериментов, в каждой из которых изменяется лишь один фактор, а все остальные факторы сохраняются постоянными. В итоге проводится столько серий экспериментов, сколько факторов исследуется. Хотя этот метод более трудоемок, однако имеет предпочтение тогда, когда нет достаточных сведений о характере связей между стойкостью и факторами и когда факторы в эксперименте необходимо изменять в широких интервалах. Метод многофакторного эксперимента заключается в том, что в экспериментах одновременно изменяются все факторы и принимается ограниченное количество значений, не более трех. Применяется в тех случаях, когда факторы изменяются в небольших интервалах и заранее известен характер зависимости стойкости от факторов и то, что эта зависимость является монотонной.

Рис.9.6. Графики изменения ширины

фаски износа с течением времени при обработке

с различными скоростями резания

Независимо от метода проведения эксперимента, стойкость определяется по графикам износа (см. рис.9.6). Для этого при фиксированных значениях факторов производят резание, через определенные промежутки времени измеряют износ и по результатам измерения строят графики износа для каждой комбинации уровней факторов. Такие графики показаны на рис.9.6 в виде семейства линий, в котором каждому значению скорости резания соответствует одна линия. Отложив на оси h_З величину критерия затупления h₀, получим значения стойкости Т₁, Т₂, Т₃, Т₄, Т₅, Т₆ соответственно для скоростей резания V₁, V₂, V₃, V₄, V₅, V₆. По найденным значениям построим графическую зависимость стойкости от скорости, которая для интервала, охватывающего все возможные скорости резания от минимальной до максимальной, показана на рис.9.7. График имеет немонотонный характер с несколькими экстремальными точками. Как видно, стойкость по мере увеличения скорости резания вначале уменьшается, затем возрастает, а затем снова уменьшается. Конкретного и полного научного обоснования такой зависимости пока не дано, что объясняется сложностью физического процесса изнашивания инструмента. Однако установлено, что немонотонный характер зависимости Т - V (см. рис.9.7) обусловлен различным характером изменения физико-механических свойств обрабатываемого и инструментального материалов по мере увеличения температуры резания, обусловленного возрастанием скорости резания.

Рис.9.7. Зависимость стойкости от скорости резания	Рис.9.8. Зависимость стойкости от скорости резания в логарифмических координатах для интервала оптимальных скоростей резания

На практике применяются скорости резания, превышающие V_м. Если на координатных осях отложить логарифмы значений стойкости и логарифмы скоростей, превышающих V_м, то получим экспериментальные точки 1, 2, 3, 4 (см. рис.9.8). Практика показывает, что эти точки близко располагаются к одной прямой, которая может быть принята в качестве графической зависимости стойкости от скорости. Уравнение такой прямой в соответствии с рис.9.8 записывается так:

lg T = lg C – tg Ψ lg V,

где С - некоторая постоянная величина, не зависящая от V. Обозначив tg Ψ = Z и выполнив потенциирование, получим

Эта зависимость свидетельствует о том, что увеличение скорости резания в ограниченном интервале скоростей резания неизменно приводит к уменьшению стойкости. Чтобы выяснить степень влияния скорости на стойкость, обратимся к экспериментальным данным для показателя Z в зависимости (9.1), приведенным в табл. 9.1.

Таблица 9.1

Обрабатываемый материал	Инструментальный материал
	быстрорежущая сталь Р6М5	твердый сплав ВК8
Алюминиевый сплав Д16Т	3	2
Cталь марки 45 – отожженная	5	3
Сталь марки 45 – закаленная	8	5
Жаропрочный сплав	12	8

Из табл.9.1 можно сделать следующий вывод, если заметить, что в ней показатели прочности обрабатываемых материалов увеличивается сверху вниз, а для инструментальных материалов твердость и теплостойкость - слева направо: чем меньше превосходство инструментального материала над обрабатываемым в твердости и теплостойкости, тем больше Z. Поэтому большая величина Z, получаемая в экспериментах, это свидетельство как плохой обрабатываемости материала, так и несовершенства применяемого инструментального материала. Практически показатель Z изменяется от 1 до 12. Обычно для инструментов, оснащенных алмазом или эльбором Z =1, т.к. эти инструментальные материалы во много раз превосходят обрабатываемые в твердости.

Аналогичное влияние, но в меньшей степени, на стойкость оказывают подача и глубина резания. Установлено, что скорость резания, подача и глубина оказывают на стойкость качественно такое же влияние, какое они оказывают на температуру резания. Этот факт свидетельствует о том, что скорость резания, подача и глубина резания оказывают влияние на изнашивание инструмента главным образом через температуру резания.

Общая зависимость стойкости от элементов режима резания имеет вид

, (9.2)

где С_Т - некоторая постоянная величина.

Экспериментально установлено следующее соотношение z = 2y = 4x.

Влияние на стойкость любого угла, составляющего геометрию инструмента, имеет экстремальный характер: существуют такие оптимальные значения γ, α, λ и φ, при которых стойкость инструмента максимальна.

Зависимость (9.2) применяется для определения скорости резания. Решив (9.2) относительно скорости V, получим

.

Обозначив С_Т^1/Z = С_V, 1/Z = m, Y/Z = Y_V, X/Z = X_V, получим

. (9.3)

Величина m называется показателем относительной стойкости. Он изменяется от 0,08 до 1.

В справочной и технической литературе формула для расчета скорости резания дается в следующем виде

(9.4)

где К_V - поправочный коэффициент, учитывающий влияние на скорость резания других факторов, кроме S и t. Он определяется произведением факторных коэффициентов:

К_V = К_VМ К_Vγ К_Vφ К_VR К_VП К_VИ К_Vφ1,

где индексы указывают, какой фактор учитывает данный коэффициент, например М - обрабатываемый материал, γ - передний угол, φ - угол в плане, φ₁- вспомогательный угол в плане,R - радиус при вершине резца, П - состояние обрабатываемой поверхности, И - инструментальный материал и др.

В литературе значения С_V, m, Y_v, X_v приводятся для стандартных условий обработки, а факторные коэффициенты - в зависимости от значений факторов. Их выбирают в соответствии с конкретными значениями факторов для данного случая обработки.