книги / Резание материалов
..pdf
411
Рис. 240. Показатели обрабатываемости
2. Возможность получения необходимой точности обработки при чистовых и отделочных операциях, характеризуемой главным образом интенсивностью размерного износа инструмента, возникающего под действием сил резания и их изменения по мере затупления инструмента.
3. Возможность получения обработанных поверхностей с минимальной или заданной шероховатостью, степенью и глу-
биной наклепа и других характеристик качества поверхностного слоя при отделочных операциях.
4.Силы резания и потребляемая мощность.
5.Характер образования стружки и ее деформация (усадка).
6.Температура резания.
7.Легкость ломания и отвода стружки, определяемые ее деформацией и характером стружкообразования.
При исследовании каждого из указанных параметров обрабатываемость металла сопоставляется с обрабатываемостью другого материала. При различных видах обработки и условиях эксплуатации инструмента главенствует один из перечисленных показателей. Например, при окончательных операциях (чистовое точение, протягивание, развертывание и т.д.) большое значение имеет каче-
ство обработанной поверхности (шероховатость, наклеп и др.), а при нарезании резьб в глубоких отверстиях – вид стружки и легкость ее отвода (то же и при работе на автоматах). Однако во всех случаях, независимо от особенностей технологического процесса и требований к качеству обрабатываемых поверхностей, производительность и стоимость обработки определяются целесообразными скоростями резания. Чем большую скорость резания при прочих равных условиях допускает режущий инструмент при обработке данного металла, тем лучше его обрабатываемость.
Для оценки обрабатываемости можно использовать также другие показатели.
Единой универсальной характеристики обрабатываемости нет. Металл, обладающий хорошей обрабатываемостью с точки зрения уровня целесообразных скоростей, не может иногда обеспечивать требуемой шероховатости поверхности, при этом возникают
412
слишком большие силы резания, и наоборот. Кроме того, необходимо учитывать, что оценка обрабатываемости имеет всегда относительный характер. Например, допускаемая скорость зависит не только от свойств обрабатываемого материала, но и от качества режущего инструмента. Шероховатость обработанной поверхности тесно связана с геометрическими параметрами инструмента и с условиями резания, в частности со скоростью резания, при изменении которых можно получить самые различные результаты.
Сравнительная оценка обрабатываемости металлов в зависимости от специфических особенностей процесса резания (показатели приведены по убыванию значимости) представлена в табл. 27.
Таблица 2 7
Сравнительная оценка значимости влияния различных факторов на обрабатываемость
Сте- |
|
|
|
пень |
Черновая |
Чистовая |
Обработка |
значи- |
обработка |
обработка |
на автоматах |
мости |
|
|
|
1 |
Стойкость |
Шероховатость |
Стружкообразование |
2 |
Затраты энергии |
Стружкообразование |
Шероховатость |
3 |
Стружкообразование |
Стойкость |
Стойкость |
4 |
Шероховатость |
Затраты энергии |
Затраты энергии |
Для черновой обработки наиболее важным является показатель стойкости инструмента. Для чистовой обработки на первом месте стоитпоказатель качества поверхностного слоя– шероховатость.
Обрабатываемость может также сильно отличаться у таких разнородных процессов, как точение проходными резцами, зубодолбление, фрезерование, протягивание и т.д.
Проблемы обрабатываемости в последнее время возрастают в связи с появлением в машиностроении новых еще более труднообрабатываемых материалов, таких как композиционные материалы на керамической, металлической и бакелитовой основе с упрочняющими углеродными или стеклянными волокнами и др. (рис. 241).
413
Рис. 241. Новые обрабатываемые материалы ХХI века
Таким образом, нельзя говорить об обрабатываемости без конкретного указания на то, какая сторона этого комплексного понятия имеется в виду икаковыособенностипроизводимой операции.
6.1.2.Анализ и выбор рациональных скоростей резания для оценки обрабатваемости материалов
Количественной характеристикой обрабатываемости при точении принято считать скорость резания VT, соответствующую определенному периоду стойкости Т.
Определять и сравнивать обрабатываемость металлов по скорости резания VT 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 и проведенные комплексные экспериментальные исследования показали, что наиболее объективными и ценными для современного производства характеристиками обрабатываемости применительно к чистовой обработке являются оптимальная скорость резания Vо и оптимальный поверхностный относительный износ hо.п.о. Указанные характеристики обладают следующими преимуществами перед VT:
414
1)оптимальная скорость резания Vо соответствует критической точке (точке минимума) на кривой hо.п = f(V), в то время как VT ни с какой критической точкой кривой Т = f(V) не связана;
2)оптимальным скоростям резания Vо при работе на различных подачах (для заданной пары инструмент–деталь) соответствует постоянная оптимальная температура резания, в то время
как скоростям резания VT для разных подач в общем случае не соответствуют постоянные температуры резания;
3)на основе термоЭДС, зафиксированной при оптимальной
скорости резания Vо, можно осуществлять автоматические процессы обработки на оптимальных режимах. Автоматические процессы обработки резанием на основе сохранения постоянства термоЭДС, за-
фиксированной при VT, найденной для одной из подач, не дают удовлетворительных результатов, так как одной и той же термоЭДС при работе на различных подачах соответствуют различные периоды стойкости, различающиеся вряде случаев в2…5 раз;
4)скорости Vо, являющиеся оптимальными по интенсивности размерного износа, являются оптимальными и по шероховатости обработанной поверхности;
5)при работе на Vо обеспечиваются и другие лучшие (стабильные) характеристики (показатели) поверхностного слоя – наклеп, остаточные поверхностные напряжения, микроструктура поверхностного слоя и т.д.;
6)оптимальная скорость резания Vо и величина hо.п.о не зависят от абсолютных величин износа резца hз и hr, принимаемых в качестве критерия затупления, а скорость VT и период стойкости Т являются функцией величины hз. Например, при обработке стали 13Х14Н3В2ФР резцом Т14К8 для периода стойкости Т = 30 мин при
изменении величины hз на0,3 мм, что считается критерием затупления, скорость резания изменяется в 1,67 раза (более чем в 1,5 раза).
Независимость величин Vo и hо.п.о от критерия затупления позволяет резко сократить продолжительность стойкостныхисследований;
7)количественной характеристикой обрабатываемости металла принято считать скорость резания, соответствующую периоду стойкости Т = 60 мин, т.е. VT60. Однако при обработке ряда
415
материалов, особенно труднообрабатываемых, невозможно вообще получить период стойкости, равный 60 мин, при самом широком изменении скорости резания;
8)скорости VT 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 Vo скорость VT не раскрывает резервов повышения размерной стойкости инструмента.
Вместе с тем обрабатываемость металлов резанием нельзя
характеризовать только оптимальной скоростью резания Vo. При обработке различных металлов при одной и той же Vo интенсивность износа инструмента hо 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 реза-
ния VT. Необходимо, однако, отметить, что скорость резания VT , 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 за-
висимости от уровня скорости VT не всегда правильно можно оценить их относительную износостойкость; скорость VT 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 VT, имеет и скорость Vэ, поскольку она зависит от организационно-технических
416
условий производства, модели станка, конструкции и способа заточки инструмента, разряда рабочего и др. Скорость Vэ стабилизируется только для конкретных условий. Более перспективным с этих позиций является оптимальная скорость резания Vo, которая не базируется на абсолютных показателях. К сожалению, подробная систематизация уровней Vo и hо.п для различных обрабатываемых материалов в настоящее время отсутствует. Это заставляет пользоваться в качестве основного показателя обрабатываемости значением VT.
Допустимая скорость VT, или обрабатываемость металла с точки зрения уровня скоростей резания, определяется двумя характеристиками обрабатываемого металла. Это, во-первых, истирающая способность kист, во-вторых, степень нагрева рабочей части инструмента при снятии стружки, характеризуемая температурой резания , поскольку они связаны с двумя указанными особенностями, т.е. VT = f( , kист).
6.1.3.Способы определения обрабатываемости
Внастоящее время разработаны различные способы оценки обрабатываемости. Условно их можно разделить на три основные группы (рис. 242). Первая группа посвящена анализу изнашиваемости инструментов. Вторая группа оценивает физические параметры процесса резания, третья группа – физико-механические свойства материала.
К первой группе прежде всего надо отнести «классический» способ (рис. 243). Он заключается в определении зависимостей V = f(T) для различных материалов. Путем измерения износа резца через небольшие промежутки времени (см. рис. 243), задавшись оп-
ределенным износом hз для различных периодов стойкости Т(l), можно найти соответствующие ему скорости резания VT1, VT2, …
иопределитькоэффициент обрабатываемости: Kм = VT1/VT2.
Например, на рис. 243 при допустимом износе hз = 0,25 мм для стойкости l=10 м рациональная скорость V10 = V1, V28 = V2, V57 = V3. Данный способ наиболее точно и объективно отражает влияние обрабатываемого материала на интенсивность изнаши-
417
вания инструмента, однако он очень трудоемок и требует большого расхода обрабатываемого материала и инструментов.
Рис. 242. Способы определения обрабатываемости и области их применения
Рис. 243. Классический способ определения обрабатываемости
418
В настоящее время разра- |
|
|
ботаны ускоренные способы оп- |
|
|
ределения обрабатываемости. |
|
|
Ряд из них основан на постоян- |
|
|
ном увеличении скорости реза- |
|
|
ния в пределах рабочего хода. |
|
|
Наиболее распространен способ |
|
|
торцовой обточки: диск, изго- |
|
|
товленный из испытуемого ма- |
|
|
териала, обтачивают на токар- |
|
|
ном станке по торцу от центра |
Рис. 244. Схема способа |
|
к периферии с постоянной час- |
||
торцовой обточки |
||
тотой вращения (рис. 244). |
|
При этом скорость резания постоянно возрастает, и при некоторой скорости наступает затупление резца.
ПараметрыуравненияT = f(V) определяют следующимобразом:
ТV C . |
(7) |
V |
|
При переменной скорости резания |
|
ТVcp CV .
В пределах изменения скорости резания от V0 до Vn
|
|
Vn |
|
|
|
|
V |
|
V dV |
|
V 1 |
V 1 |
, |
0 |
n |
0 |
||||
|
1 Vn V0 |
|||||
cp |
|
Vn V0 |
|
|
||
|
|
|
|
|||
где V0, Vn – скорость соответственно начала резания и момента затупления резца.
После преобразований при условии, что Vn 1 V0 1 , получим уравнение
1000V 1 |
2 n2S 1 C . |
(8) |
n |
V |
|
В уравнении (8) два неизвестных (СV и ), которые можно найти, сделав проточку торца до затупления резца при разной частоте вращения заготовкиn1 иn2. Решив систему уравнений, получим
419
2lg n1 |
/ n2 / lg Vn |
/ Vn |
; |
||||
|
|
|
1 |
|
|
|
2 |
|
1000V 1 |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
||||
CV 2 n2 S |
1 . |
|
|||||
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(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:
|
Dn |
|
1 |
|
|
|
|
|
|||
VT Vn |
|
|
|
, |
(11) |
|
|
||||
|
2Sn ( 1)T |
|
|
|
|
где Dn – 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 формулу
|
|
|
|
|
|
|
V |
V 1 |
, |
||||
|
|
|
||||
|
||||||
T |
max |
|
|
|||
|
|
|
|
|||
|
|
|
1 Tq |
|
||
где Vmax – максимальная скорость резания, при которой достигнут заданный износ; q – ускорение, м/мин2.
Оптимальная температура и скорость резания. 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 hз.кр (рис. 245).
При обработке на оптимальных режимах технологическая производительность может быть повышена в 2…3 раза, а размерная стойкость инструмента – более чем в 2 раза по сравнению с работой на режимах, рекомендуемых нормативами. Нормативы рекомендуют работу на более низких скоростях резания (но вы-
420