2.Вывод новых закономерностей для количественной оценки эффективности операций механической обработки по технологическим показателям

2.1Обзор базовых и прикладных исследований по созданию технологических рекомендаций по эффективному использованию операций механической обработки. Обоснование новых теоретических положений

В имеющейся литературе по теории резания [1,2,9,12,13,14,28] справочниках по режимам резания [88], указываются, что при черновой обработке глубина резания t и подача S выбираются максимально возможными исходя из жесткости и прочности системы СПИД, а скорость резания рассчитывают по эмпирическим формулам, установленным для каждого вида обработки, которые имеют общий вид

где скорость резания м/мин;

коэффициент вида обработки;

коэффициент, учитывающий свойства обрабатываемого металла;

коэффициент, учитывающий влияние поверхности заготовки;

коэффициент, учитывающий влияние инструментального материала и т.п.;

При чистовой обработке режимы резания выбираются также эмпирически исходя из требований точности и шероховатости поверхности.

Из приведенной формулы, стойкость инструмента определяется также экспериментально:

Т.Е. Стойкость инструмента при прочих равных условиях стремиться к нулю с увеличением условного объема ( ) снимаемого металла ( -действительный объем).

Измененные условия резания (твердость или марка стали, инструментальный материал, СОС, геометрия заточки и другие) учитываются посредством поправочных, также эмпирических, коэффициентов (их свыше 50). Если зависимость стойкость-скорость имеет экстремальный характер, то либо отдельные участки апроксимируются той же зависимостью с другими коэффициентами, либо подбирается другая математическая модель, но также с эмпирическими коэффициентами, не связанными с физическими константами.

В технической литературе установилось общее мнение:

-после достижения определённой скорости сила резания считается независящей от скорости, а температура резания с повышением скорости монотонно возрастает.

-разные виды износа – абразивный, адгезионный, диффузионный и химический определяются контактными напряжениями, температурой резания, условиями трения и деформации, которые в свою очередь зависят главным образом от скорости резания;

-физические процессы резания при разных видах обработки одинаковы. Учитываются лишь специфические особенности, например, ударные нагрузки, разные параметры жесткости, условия стружкоотвода, переменность среза и другие.

Н.Н. Зорев [28] предложил обобщенную схему образования сливной стружки, согласно которой перед поверхностью инструмента расположена зона первичной деформации, имеющая форму клина. Семейство поверхностей скольжения заменяется условной плоскостью сдвига. Вторичная зона деформации на передней поверхности связана с трением и по длине равна половине ширины контакта стружки с этой поверхностью.

Процесс образования элементной стружки В.Ф. Бобров [15] связывает с разрушением по плоскости скалывания и с последующим течением металла по передней поверхности резца и с соответствующим укорочением поверхности скалывания, обращенной к обрабатываемому слою.

В работе [64] показано, что при высоких скоростях резания плоскость сдвига и плоскость скалывания совпадают, сильно деформированный слой очень тонок, в то время как остальная часть элемента стружки практически не деформируема.

Положения новой теории резания основаны на обобщенной модели стружкообразования с единственной плоскостью сдвига. Определенные количественные характеристики – частота сдвигов, энергия, затрачиваемая на образовании одного элемента стружки, суммарная энергия на резание и др. Считается, что в этой плоскости сдвига и далее на передней поверхности металл содержит пластичную (размягчённую) фазу.

А.Д. Макаров [81] исследовал экстремальное влияние скорости резания и толщины среза на стойкость и температуру резания, ввел понятие оптимальной температуры как определяющего фактора стойкости, связанной с размерным износом.

А.Н. Резников [86] на основании решения дифференциального уравнения теплопроводности определил температурные поля в заготовке детали, в стружке и в инструменте, а также на границах их контактов. При этом источник, имитирующий тепло принят постоянной интенсивности.

Т.Н. Лоладзе [63] дал самую развернутую картину износа разных видов инструментов с учетом как абразивного и усталостного, так и высокотемпературных адгезионного, диффузионного и химического воздействия на инструментальный материал.

Г.И. Грановский [20] показал, что между трением и износом инструментальных материалов в условиях чистого трения и резания непосредственной связи не существует.

Что касается энергетических зависимостей при резании, то они преимущественно базируются на предположении, что потребляемая от станка мощность резания определяется по формуле

,

где главная сила резания, Н;

скорость резания, м/с;

мощность резания, Вт.

При этом вся мощность превращается в теплту, которое и формирует тепловые источники и тепловые потоки.

Однако в работе [13] в качестве основного критерия обрабатываемости выдвигается удельная энергия резания ( Дж/см³ ). Для расчета этой энергии используется эмпирическая регрессия, в которой выделяется разное влияние скорости резания на энергию разрушения и энергию трения. Минимальному значению указанной энергии соответствует максимальная производительность при одинаковой потребляемой мощности.

По имеющимся отрывочным данным в США, Германии, Франции, Японии, Швеции и других странах, явления, связанные со стружкообразованием и износом изучаются достаточно серьёзно. Одним из фрагментов такого изучения является установление циклических процессов при резании. Но в силу самого характера капиталистических отношений, когда ценится конечный результат, т.е. конкурентоспособные станки, инструменты, технологии, а не методы исследований, которые часто являются секретом фирмы, указанные сведения носят не систематический характер.

В нашей стране выявлен целый ряд зависимостей стойкости инструмента от различных факторов, с нахождением оптимальных значений, обеспечивающих наибольшую производительность.

Грудов А.А., Ермаков Ю.М., Зипунников Н.А., Хаги Г.Я. [22] считают, что с целью повышения эффективности обработки металлов в затрудненных условиях осевым инструментом, дополнительно определяют зависимость амплитуды колебаний от различных скоростей резания и обработку ведут с толщиной срезаемого слоя, соответствующей минимальной амплитуде колебаний, не превышающей значения, которое определяют по зависимости:

где коэффициент, учитывающий условия резания ( ; для метчиков ; для сверл );

радиальная жесткость инструмента;

толщина срезаемого слоя металла.

По справочным данным для обработки конструкционных материалов выбирают скорость резания. Назначенная подача определяет толщину срезаемого слоя.

В выбранном интервале скоростей (10-25 м/мин) строят зависимость P=f(V) динамометром 4КДС-1200 и в этих же точках определяют амплитуду колебаний этим же динамометром на осциллографе и строят зависимость A=f(V) и находят скорость V_опт при P_мин .

Стойкость инструмента будет наивысшей при A<A_кр ; если стойкость мала, увеличивают или снижают , при этом V_опт может быть выше, стойкость больше и производительность увеличивается.

Ермаков Ю.М. , Зипунников Н.А. и др. [22] предлагают с целью повышения производительности обработки и стойкости инструмента путем оптимизации скорости резания, определять зависимость твердости инструментального и обрабатываемого материалов от их температуры в заданном диапазоне скоростей и обработку вести со скоростью резания, которой соответствует температура наибольшей разности твёрдости.

Выбранный режим резания создает наиболее благоприятные условия для работы режущих лезвий: обрабатываемый материал имеет высокую пластичность, в то время как инструментальный материал сохраняет сравнительно высокую твердость, что обуславливает минимальную динамическую силу на лезвие. Этим обеспечивается наименьшая интенсивность протекания износа режущих кромок и гарантируется без проведения испытаний высокая стойкость инструмента, выраженная количеством обработанных деталей. За последнее время выпущен ряд справочников содержащих условия обработки конкретных поверхностей заготовок деталей [88]. Проверка рекомендованных режимов резания по установленным нами теоретическим зависимостям показала в большинстве случаев полное их совпадение. Однако получить такие же результаты при обработке заготовок деталей, отличающихся по размерам и свойствам обрабатываемого и инструментального материалов геометрии инструмента, смазочной – охлаждающей среды(СОС) и т. п. Не удается даже при сохранении таких же режимов, так как. резко снижается стойкость инструментов и производительность труда.

В новых выдвигаемых нами теоретических положениях предлагаем дальнейшее развитие энергетического метода и в связи с этим новые количественные зависимости, которые выводятся не на основе эмпирических коэффициентов, а на базе теоретических расчетов физических параметров.

Сущность выдвигаемых положений заключается в выявлении нелинейного распределения энергии и существования для каждого сочетания обрабатываемого металла, размера обрабатываемой поверхности, вида обработки (роторная или линейная), материала и геометрии инструмента, применяемой смазочной – охлаждающей среды и состояния оборудования, оптимальных условий резания, при которых резко увеличивается стойкость инструмента, величина снимаемого объема металла и снижаются затраты энергии по сравнению с существующими режимами обработки

Для определения оптимальной стойкости инструмента и скорости резания вводятся неизвестные ранее такие понятия как роторная и линейная обработка, частота импульсов силы резания и её отношение к траектории резания (радиусу при роторной и длине при линейной обработкам), ускорение резания, выведены аналитические зависимости, составлены программы для расчета оптимальных условий обработки на ЭВМ. В результате предлагается изменить взгляды на коренные положения теории резания металла, изменить и методологию проектирования металлорежущих станков, инструментов и режимов резания.

Практическое значение изменений заключается в возможности увеличения производительности труда на большинстве существующих станков по сравнению с нормативными режимами в 2 – 5 раз, создании новых типов станков, не имеющих аналогов в мировом станкостроении: зубообрабатывающих, токарных, строгальных, протяжных и других, повышающих производительность труда в 3 – 60 раз; новых типов инструментов и материалов повышенной стойкости, получения обработанной поверхности высокого качества, обработки резанием закаленных сталей твердостью до НRC = 60…65, жаропрочных, нержавеющих, титановых и других трудно обрабатываемых материалов. Создания одно-операционных, ресурсосберегающих технологий без черновых и получистовых операций.