714

Размерную стойкость инструмента может характеризовать и скорость размерного износа Vн. Под скоростью размерного износа понимается скорость укорочения инструмента в радиальном направлении в периоде нормального износа, стойкости при принятом критерии затупления.

Все отмеченные характеристики размерной стойкости являются частными и в общем случае оказываются непригодными для проведения анализа вопросов, связанных с проблемой размерной стойкости инструмента, так как первая характеристика Т (время работы без подналадки или замены инструмента) имеет ограничения со стороны скорости резания V, подачи S, величины износа инструмента hз или hr; вторая характеристика N – количество обработанных деталей без подналадки инструмента размера обрабатываемой детали и износа (hз или hr); третья – l – ограничения со стороны подачи S, величины износа hз или hr; четвертая – П (площадь обработанной поверхно-

241

сти) – со стороны величины износа hз или hr; пятая – hо.л – со стороны подачи; шестая – Vh (скорость размерного износа) – со стороны скорости резания V и подачи S; наконец, последние две характеристики – поверхностный относительный износ hо.п и удельная размерная стойкость Туд. Поверхностный относительный износ – это радиальный износ инструмента, отнесенный к 1000 см2 обработанной поверхности. Удельная размерная стойкость инструмента Туд – площадь поверхности, которую способен обрабатывать инструмент при затуплении в радиальном направлении на 1 мкм.

Последние две характеристики являются универсальными, так как на них не накладываются ограничения ни со стороны скорости резания, ни со стороны подачи, критерия затупления и т.д.

Поэтому поверхностный относительный износ и удельная размерная стойкость могут быть использованы для сравнительной оценки размерной стойкости выбираемых режущих инструментов, для анализа точности и экономичности вариантов технологических процессов и режимов резания, а также для конструирования систем автоматического управления технологическими системами.

4.3.6. Влияние скорости (температуры) резания на характеристики размерной стойкости. Зависимость стойкость–скорость (Т–V)

При изменении скорости резания в широком диапазоне для различных процессов обработки резанием при обработке деталей из различных материалов инструментами из быстрорежущих сталей и твердых сплавов зависимость Т = f (V) носит или экстремальный, или монотонно убывающий характер. Зависимость длины пути резания от скорости l = f(V) носит экстремальный характер (l = V · Т).

Положение точек максимума на кривых l = f(V) зависит от физи- ко-механических свойств обрабатываемого материала и материала инструмента, сечения среза и других условий резания. При повышении режущих свойств инструментальных материалов наблюдается повышение оптимальных скоростей резания, соответствующих максимуму пройденного инструментом пути резания или минимуму ин-

242

тенсивности износа инструмента. При экстремальной зависимости размерной стойкости инструмента от скорости резания зависимость периода стойкости от скорости резания Т = f(V) может носить как экстремальный, так и монотонно убывающий характер (рис. 108). Максимум размерной стойкости инструмента ТМ и общей стойкости наблюдается при разных скоростях резания, а следовательно, и температурах в

зоне резания. Для определения оптимальной скорости резания Vо, соответствующей максимуму пути резания, надо первую производную пути по скорости резания приравнять к нулю:

l = ТV = f(V);

(l)V′ = T + (Т)V′ V = 0,

откуда,

V = Vо = – T/ (Т)1V .

Так как Vо и Т являются положительными величинами, то равенство может наблюдаться при отрицательном значении (Т)1V , что

возможно лишь для ниспадающей ветви кривой. Следовательно, оптимальная скорость резания соответствует правой ниспадающей ветви кривой T = f(V). Поэтому всегда справедливо неравенство VМ <Vо, где VМ – скорость резания, соответствующая максимуму периода стойкости инструмента ТМ.

Даже в тех случаях, когда период стойкости ТМ, наблюдаемый при VМ, выше периода стойкости То, – наблюдаемого при более высокой оптимальной скорости резания Vо, работа на скорости VМ по сравнению со скоростью Vо является нерациональной, так как это привело бы к снижению производительности обработки, размерной стойкости инструмента и ухудшению качества обрабатываемой поверхности.

243

Оптимальные скорости резания могут быть выявлены на основе обычных испытаний по кривым Т = f(V), при исследовании интенсивности размерного износа инструмента по кривым hо.л = f(V) и hо.п = f(V), а также при исследовании интенсивности износа с помощью радиоактивных изотопов. Главным фактором, обуславливающим экстремальный характер зависимостей l = f(V) и hо.п = f(V), является рост температуры контактных поверхностей и изменение характера износа.

Построив зависимости Т–V в двойной логарифмической сетке координат, можно определить величину оптимальной скорости резания путем проведения касательной к кривой Т–V, проходящей под углом 45° к осям Т и V. Касательную ОК можно назвать линией постоянной размерной стойкости, так как для любой ее точки l = соnst l (l = VТ). Зависимость Т = f(V) для правой ветви может быть выражена формулой

V = CV/Tm,

где СV – постоянная величина, зависящая от обрабатываемого и инструментального материалов, t, S и прочих условий; Т – стойкость инструмента, в минутах; m – показатель относительной стой-

кости, m = a/b = tg α.

При α = 45° m = 1, т.е. Vо = C/T 1, а С = V – Т1 при lmax.

Для любой точки линии MN lm = VM TM (см. рис. 108). Если MN ближе к оси ординат, то VM TM меньше. Несмотря на то, что ТM >То, lo > lM. Поэтому Vо – это тот предел, до которого можно снижать скорость резания в целях повышения точности и производительности обработки.

Показатель относительной стойкости т характеризует степень изменения скорости резания с изменением стойкости резца. Он определяется опытным путем и зависит от материала детали и инструмента, толщины среза, вида и условий обработки. Чем ниже износостойкость режущей части инструмента и тяжелее условия резания, вызывающие повышение тепловыделения, тем меньше т.

Для быстрорежущих инструментов т << 0,125. 244

Для твердосплавных инструментов т << 0,2.

Для минералокерамических инструментов т >> 0,5.

4.3.7. Положение о постоянстве оптимальной температуры резания

Большинство факторов, влияющих на интенсивность износа инструмента, являются функцией температуры. Это позволило проф. А.Д. Макарову в 1961 году сформулировать следующее положение: оптимальным скоростям резания (для заданного материала режущей части инструмента при различных комбинациях скорости резания, подачи, глубины резания и геометрии инструмента) соответствует постоянная температура в зоне резания – оптимальная температура резания, например 700 °С при протягивании сплава ЭИ787-ВД (рис. 109).

Из положения о постоянстве оптимальной температуры резания вытекает ряд важных для науки и практики следствий.

Например, для инструментов с любой комбинацией геометрических параметров режущей части (r, α, ϕ, ϕ1, γ и др.) точкам минимума кривых, выражающих зависимость интенсивности износа от скорости резания, соответствует одна и та же оптимальная температура резания, хотя уровень оптимальных скоростей резания при этом может колебаться весьма существенно (рис. 110). Большое значение указанного следствия состоит в том, что на его основе путем поддержания постоянства оптимальной температуры резания То можно осуществить процесс резания в оптимальном режиме при использовании инструментов с любой комбинацией геометрических параметров режущей части без проведения весьма трудоемких и дорогостоящих стойкостных исследований. С физической точки зрения объяснение природы появления минимумов интенсивности износа связано с появлением так называемых зон провала пластичности обрабатываемого материала с увеличением температуры (скорости) резания. С целью определения влияния температуры на основные механические свойства исследуемых обрабатываемых материалов проводились испытания при одноосном растяжении круглых стандартных

245

б

Рис. 109. Влияние скорости резания V на изменение температуры резания Т (а) и интенсивности износа протяжек hо.з.л (б) при протягивании жаропрочного сплава ЭИ787-ВД с различными подачами на зуб: 0,02 мм/зуб; 0,06 мм/зуб;

0,1 мм/зуб

образцов на прессе Амслера с записью кривой деформации в диапазоне температур 293…1273 К. На рис. 111 приведены графики изменения механических свойств жаропрочного сплава ЭИ787-ВД в зависимости от температуры испытаний.

246

в

Рис. 110. Влияниe λ(а), α(б) и r(в) на температуру резания и поверхностный относительный износ резцов с различными геометрическими параметрами.

Сталь ЭИ654; резцы ВК8

Анализ данных, приведенных на рис. 111, показывает, что изменение прочностных и пластических свойств этого сплава носит сложный характер: происходит снижение прочностных свойств с увеличением температуры испытаний (порядка 873…973 К). При этих температурах предел прочности снижается с 1100…1200 до

247

800…900 МПа, т.е. на 20…30 %. Аналогичную картину можно наблюдать и для других сплавов ЭИ437БУ-ВД, ЭП109-ВД.

Рис. 111. Влияние температуры механических испытаний Т на прочностные (σb) и пластические (δ, ψ) свойства жаропрочного деформируемого сплава ЭИ787-ВД

σb; ♦ ψ; • δ

Несколько иную картину дает изменение показателей пластичности (относительное удлинение δ и относительное сужение ψ). С повышением температуры наблюдается общая тенденция к первоначальному росту этих показателей в диапазоне температур 473…573 К, затем происходит снижение параметров пластичности до минимальных значений при определенных температурах, характерных для каждого исследуемого материала. После этого наблюдается резкий рост пластичности у всех материалов. Анализ графиков показывает, что для всех исследуемых жаропрочных сталей и сплавов есть определенная температурная зона низкой пластичности или повышенной хрупкости. Часто такую зону называют зоной провала пластичности металлов.

Сравнивая графики на рис. 109 и 111, можно видеть, что оптимальная температура То = 700 °С, при которой наблюдается минимум

248

интенсивности износа инструмента, совпадает с температурной зоной минимума пластичности – с температурой провала пластичности обрабатываемого материала Тп.п. Таким образом, можно с физической точки зрения объяснить необходимость обработки резанием данного сплава при заданных условиях с такой оптимальной скоростью резания Vo, при которой в зоне контакта инструмента и заготовки обеспечивается постоянная оптимальная температура То, совпадающая по величине с температурой провала пластичности Тп.п.

4.3.8.Экономическая скорость резания

искорость резания, соответствующая максимальной производительности на данном рабочем месте

Вобщем случае работа должна вестись на экономических скоростях резания, т.е. скоростях, когда себестоимость обработки минимальна. Скорость Vэ расположена на правой ветви зависимости

Т= f(V) и всегда соблюдается неравенство Vэ > VM (см. рис. 108). Переменная доля себестоимости операции, зависящая от скоро-

сти резания, определяется формулой

A = tм(aраб + aст) + tсм/Q(aраб + aст) + e/Q,

где tм – машинное время на операцию, мин;

aраб – минутная зарплата рабочего с начислениями, коп;

aст – затраты связанные с эксплуатацией станка в течение 1 минуты, коп;

aраб + aст = Е – стоимость станко-минуты, коп;

tсм – время на смену затупившегося инструмента и его подналадку за период стойкости, мин;

e – стоимость эксплуатации инструмента за период стойкости, коп.;

Q – количество обрабатываемых деталей за период стойкости, шт. Выразим Q и tм через период стойкости инструмента:

tм = πDLh/1000V·S·t,

где D – диаметр обрабатываемой детали, мм;

249

L – путь инструмента, мм; h – припуск на сторону, мм. С учетом формулы V = CV/Tm

tм = πDLh/1000V·S·t = πDLh Tm /1000V·S·t CV = CoTm.

Переменная доля себестоимости операции зависит от скорости резания. Для обеспечения максимальной производительности труда на данном рабочем месте обработку необходимо вести на Vм.п. При определении периода стойкости Тм.п, соответствующего скорости Vм.п, пренебрегают затратами на эксплуатацию инструмента за период его стойкости.

Так как Тм.п<Тэ, то скорость резания Vм.п, при которой достигается максимальная производительность труда на данном рабочем месте, выше экономической скорости резания, т.е. Vм.п >Vэ.

4.3.9. Возможные потери при выборе высоких периодов стойкости

Как было показано выше, зависимость Т–V в двойной логарифмической сетке имеет вид прямой линии лишь в узком диапазоне скоростей резания. Этот участок кривой Т–V (рис. 112), содержащий