12.3. Оптимизация функционирования системы резания

12.3.1. Инструментальный материал и оптимальная геометрия лезвия инструментов

Выбор инструментального материала. Режущая часть токарных проходных резцов в большинстве случаев выполняется из металлокерамических твердых сплавов. Выбор группы твердого сплава определяется родом и механическими свойствами обрабатываемого материала. Обработка чугунов по сравнению с обработкой сталей характеризуется меньшими температурами резания. Поэтому при обработке чугунов используют менее теплостойкие, но более дешевые сплавы группы ВК. Предпочтение этой группе в этом случае отдается и вследствие их повышенной прочности, вязкости, что чрезвычайно важно при обработке чугунов, когда образуется элементная стружка надлома и ударная пульсирующая нагрузка концентрируется на малой площадке контакта стружка –инструмент в непосредственной близости от режущей кромки – наиболее уязвимого места лезвия резца.

При резании конструкционных углеродистых и легированных сталей, когда температура резания высока, для обеспечения более высокой производительности обработки целесообразнее использовать более теплостойкие, более твердые и износостойкие сплавы группы ТК, которые, кроме того, имеют меньший коэффициент трения и меньшую слипаемость со стальной стружкой, что при сливном стружкообразовании способствует менее интенсивному износу режущего инструмента.

При выборе марки твердого сплава в пределах каждой группы необходимо руководствоваться следующим основным правилом: чем тяжелее условия работы инструмента в силовом отношении, тем больше кобальта должен содержать твердый сплав. Свойства твердых сплавов определяются не только их составом, но и размером зерен карбида вольфрама. Уменьшение размеров зерен несколько снижает прочность, но повышает твердость и износостойкость сплава.

В табл. 12.4 приведены рекомендации по выбору марок твердых сплавов при обтачивании заготовок из стали и чугуна.

Таблица 12.4

Рекомендации по выбору марок твердого сплава

Условия обработки	Марка твердого сплава при точении
	стали	чугуна
Черновое точение с большими сечениями среза, точение по литейной или штамповочной корке, точение с ударами Непрерывное черновое точение со средними сечениями среза, получистовое точение Чистовое точение с малыми сечениями среза при высоких скоростях резания	Т5К12В Т5К10 Т14К8 Т15К6 Т30К4	ВК8 ВК8В ВК6 ВК6М ВК3М ВК4

Выбор геометрических элементов лезвия резца.

Выбор величины переднего угла. Механические свойства обрабатываемого материала и условия его обработки определяют форму передней поверхности лезвия резца и величину его переднего угла. Увеличение переднего угла приводит к уменьшению деформации срезаемого слоя и, следовательно, к уменьшению сил и температуры резания, интенсивности износа инструмента (см. рис. 3.10). С другой стороны, при этом уменьшается угол заострения, что приводит к увеличению тепловой напряженности и снижению прочности лезвия резца. Поэтому для каждого обрабатываемого материала есть свое оптимальное значение переднего угла, при котором стойкость резца, а следовательно (при одинаковой стойкости), и скорость резания будут наибольшими. При назначении величины переднего угла обязательно необходимо учитывать свойства и инструментального материала. У резцов из инструментальных сталей передние углы целесообразно назначать только положительными, так как инструментальные стали допускают большие напряжения на изгиб.

У металлокерамических твердых сплавов предел прочности на изгиб (_и = 1000…1400 МПа) почти в три раза ниже, чем у быстрорежущих сталей, поэтому положительные значения передних углов у твердосплавленных резцов значительно меньше, чем у быстрорежущих, вдоль режущей кромки затачивается фаска с отрицательным значением угла, при тяжелых условиях резания передний угол принимается отрицательным.

При выборе формы передней поверхности и назначении величины переднего угла для резцов, оснащенных пластинками твердого сплава, существуют следующие рекомендации.

Форма I – криволинейная с отрицательной фаской предназ-начена для резцов, обрабатывающих пластичные материалы с _в  800 МПа при получистовом режиме обработки, передний угол равен 10…20.

Форма II – плоская с отрицательной фаской _ƒ = (3…5) применяется в тех же случаях, что и форма I, а также для резцов, обрабатывающих хрупкие материалы при прерывистом резании.

Форма III – плоская с положительным передним углом предназначена для резцов, обрабатывающих хрупкие материалы, передний угол равен 5…15.

Форма IV – плоская с отрицательным передним углом пред-назначена для резцов, обрабатывающих пластичные металлы с _в  800 МПа. Передний угол  = (5…10).

Во всех случаях необходимо помнить, что передний угол зависит от прочности и твердости обрабатываемого материала, уменьшаясь и переходя в область отрицательных значений при увеличении _в и НВ.

Выбор задних углов. Задние углы обеспечивают зазор между трущимися поверхностями резца, поверхностью резания и обработанной поверхностью детали. Величина их мало зависит от механических свойств обрабатываемого материала и определяется в основном величиной подачи. Чем больше подача, тем меньше значения задних углов, при которых стойкость резца наибольшая. Объясняется это тем, что при большей подаче (а следовательно, и большей толщине среза) на лезвие будут действовать большие силы, и во избежание его выкрашивания необходим больший угол заострения, что и достигается уменьшением задних углов. У резцов, оснащенных твердым сплавом, при s  0,3 мм/об задние уг- лы  = ₁ = 10…12, а при s  0,3 мм/об  = ₁ = 6…8.

Выбор углов в плане. Величина главного угла в плане влияет на соотношение между шириной в и толщиной а срезаемого слоя при равных значениях глубины резания и подачи (см. рис. 3.10). Следовательно, угол  будет оказывать влияние на интенсивность деформации срезаемого слоя, силы и температуры резания, шероховатость обработанной поверхности.

Чем больше угол , тем меньше отношение в/а (см. рис. 3.10), выше температура резания, выше термодинамическая нагрузка на единицу длины режущей кромки, интенсивнее изнашивание резца и, следовательно, меньше его стойкость. Поэтому резцы с малыми углами  допускают (при прочих равных условиях) большую скорость резания, а также обеспечивают малую шероховатость обработанной поверхности.

С другой стороны, с уменьшением угла  значительно увеличивается сила резания, особенно ее радиальная составляющая, снижается точность обработки, могут возникнуть вибрации. Поэтому угол в плане целесообразно назначать в зависимости от жесткости технологической системы СПИД.

Для проходных резцов  = 30 в случае обработки в условиях особо жесткой системы СПИД, при отношении длины детали L к ее диаметру D меньше 6 (L/D  6) и при малых глубинах резания;  = 45 берется в условиях достаточно жесткой системы и при L/D = 6…12;  = 60…75 принимается при обработке в условиях недостаточной жесткости системы СПИД при L/D = 12…15;  = 90 берется при обтачивании в условиях нежесткой системы, при L/D  15.

Вспомогательный угол в плане, уменьшая участие вспомогательной режущей кромки в резании, влияет на допускаемую скорость резания и шероховатость обработанной поверхности. У проходных резцов при чистовой обработке ₁ = 5…10, при черновой обработке ₁ = 10…15.

Выбор угла наклона главной режущей кромки . Угол  влияет на направление отходящей стружки и определяет точку первоначального контакта режущей кромки и срезаемого слоя при прерывистом резании (см. рис. 3.10). При работе проходным резцом с  = 0 стружка будет несколько отклоняться в сторону обработанной поверхности (из-за наличия угла схода стружки). При угле + стружка может контактировать с обработанной поверхностью, повышая ее шероховатость. Поэтому у резцов, предназначенных для чистовой обработки, рекомендуется отрицательное значение угла  = (2…4).

При черновой обработке предпочтительнее положительные значения угла : при точении стали  = 0…5, чугуна  = 10, при точении с ударами  = 12…15.

Объясняется это тем, что при положительных значениях угла  лезвие резца более массивное и стойкое, а точка первоначального контакта режущей кромки со срезаемым слоем удалена от вершины – наиболее уязвимой точки режущей кромки. Все это благоприятно сказывается при точении с большими силовыми нагрузками, особенно при работе с ударами.

2. Последовательность выбора элементов режима резания

Режимом резания называют совокупность глубины резания, подачи, скорости резания и периода стойкости инструмента. Рациональным режимом резания называют такой, который при выполнении всех требований, предъявляемых к качеству обрабатываемой детали, обеспечивает при минимальной себестоимости операции максимально возможную для данной себестоимости производительность. При назначении режима резания для конкретной операции прежде всего возникает вопрос: в какой последовательности нужно определять элементы режима резания? Решим указанную задачу поэтапно.

Выясним, что выгоднее увеличивать в первую очередь: глубину резания или подачу. Пусть при точении валика длиной l (рис. 12.7) необходимо срезать припуск размером Н. Произведем обработку при двух режимах резания.

l_вр

H t₁= H t₂ = H/2

s₁= s s₂ = 2s

II I

Рис. 12.7. Два варианта срезания припуска размером Н

При первом режиме глубина резания t₁ = t будет равна припуску на обработку Н, а подача s₁ = s. При втором режиме глубина резания t₂ = t/2 будет равна Н/2, а подача s₂ = 2s. При этих режимах резания площадь сечения срезаемого слоя будет одинаковой и равной t  s. Производительность обработки можно характеризовать основным технологическим временем обработки t₀. Если обработка ведется за один проход, то основное технологическое время, мин,

t₀ = L/ns, (12.2)

где L = l + l_вр + l_п .

Чем меньше основное технологическое время, тем выше производительность обработки, и наоборот. Определим основное технологическое время для обоих режимов:

– для первого режима

t_{0 I} = L/n_I s;

– для второго режима

t_{0 II} = 2L/n_II 2s = L/n_II s,

где частота вращения детали при первом и втором режимах соответственно равна:

n_I = 1000V_I /D,

n_II = 1000V_II /D .

Скорости резания для первого и второго режимов зависят от глубины резания и подачи и соответственно равны:

V_I = C_V /( t^xV s^yV ),

V₂ = C_V /( t /2)^xV (2s) ^yV.

Для первого режима отношение глубины резания к подаче равно t/s, а для второго t/4s. Так как t/s  t/4s, то скорости резания V_I  V_II и n_I  n_II. Поэтому основное технологическое время при первом режиме меньше, чем при втором. При работе со вторым режимом необходимо дополнительное время для возвращения резца в исходное положение перед осуществлением второго прохода. Таким образом, первый режим является более производительным, чем второй. Следовательно, глубину резания увеличивать целесообразнее, чем подачу.

Выясним далее, что выгоднее в первую очередь увеличивать: подачу или скорость резания? Производительность обработки можно характеризовать количеством деталей n_д, шт, обрабатываемых за период стойкости T инструмента. Без учета времени холостых ходов

n_д =T/t₀ . (12.3)

Так как t₀ = L/ ns, а n = 1000V/D, то

n_д = T1000Vs/DL.

Для конкретных условий операции дробь 1000T/DL постоянна. Обозначим ее через С. Тогда n_д = СVs , откуда следует, что наибольшему произведению Vs соответствует наибольшее n_д. Однако это не означает, что скорость резания и подача одинаково влияют на количество деталей, обрабатываемых за период стойкости инструмента. При постоянном периоде стойкости скорость резания и подача связаны зависимостью t^xVs ^yVV = С_V и нельзя без изменения периода стойкости изменять, например, подачу, оставляя постоянной скорость резания, и наоборот.

Выразим число обрабатываемых за период стойкости деталей только через подачу. При t = const

V = ,

где C^’_V = C_V /(t^xV).

Тогда

n_д = C C^’_V s/s^yV = C = .

Из выражения следует, что с увеличением подачи число деталей n_Д возрастает. Например, если y_V = 0,4, а подача увеличена в 2 раза, то количество обработанных деталей возрастет в 1,32 раза. Выразим число обрабатываемых за период стойкости деталей только через V.

Так как

s = (C^’_V )^{1/yV –1} / V^{1/ yV –1},

то

n_д = C(C^’_V )^1/yV (V / V^1/yV) = C(C^’_V ) ^1/yV /V ^{(1/yV –1 )} = C₂ /V ^{(1/yV –1)} .

Из выражения следует, что с увеличением скорости резания число деталей n_д не возрастает, а уменьшается. При x_V = 0,4 и увеличении скорости резания в 2 раза количество обработанных деталей уменьшится на 60 %. Таким образом, увеличивать подачу выгоднее, чем скорость резания.

На основании изложенного можно сформулировать основные положения о назначении рационального режима резания. Для повышения производительности при заданном периоде стойкости инструмента необходимо работать с возможно большей площадью сечения срезаемого слоя t  s и соответствующей этому сечению скоростью резания. При выбранной площади сечения срезаемого слоя необходимо увеличивать глубину резания за счет уменьшения подачи.

Таким образом, при назначении режима резания:

1) задаются максимально возможной, технологически допустимой глубиной резания;

2) по выбранной глубине резания назначают максимальную, технологически допустимую подачу;

3) по выбранным глубине резания и подаче, задавшись определенной величиной периода стойкости инструмента, определяют допускаемую скорость резания.

2. Аналитический расчет рациональных режимов резания

Максимально возможная глубина резания равна припуску, оставленному на обработку. Если нет ограничений по точности обработки, то весь припуск срезают за один проход. В противном случае припуск разбивают на черновые и чистовые проходы. При этом глубина резания черновых проходов должна быть возможно большей, а на чистовой проход следует оставлять такой минимальный припуск, который обеспечит изготовление детали с заданным допуском.

Максимально допустимая подача, как правило, ограничивается: 1) эффективной мощностью или крутящим моментом станка; 2) прочностью слабого звена механизма подачи станка; 3) прочностью и жесткостью обрабатываемой детали; 4) прочностью и жесткостью инструмента; 5) шероховатостью обработанной поверхности.

Максимальная подача, мм/об, допускаемая мощностью станка N_ст :

s _{N ст} =.

Максимальная подача, мм/об, допускаемая крутящим моментом станка М_ст:

s _{M ст} =.

Максимальная подача, мм/об, допускаемая прочностью слабого звена механизма подачи станка:

.

Максимальная подача, мм/об, допускаемая прочностью детали:

,

где _и_д – допускаемое напряжение при изгибе для материала детали, Н/мм²; K_п – коэффициент, учитывающий метод закрепления детали на станке; l_д – длина детали, мм.

Максимальная подача, мм/об, допускаемая жесткостью детали:

s_жд = ,

где Е_д – модуль упругости обрабатываемого материала, Н/мм²; f_д – допускаемая стрела прогиба детали, мм; K_ж – коэффициент, учитывающий метод закрепления детали.

Максимальная подача, мм/об, допускаемая прочностью резца:

s_пр = ,

где В и Н – высота и ширина державки резца, мм; _и_р – допускаемое напряжение изгиба для материала державки резца, Н/мм²; l_р – вылет резца, мм.

Максимальная подача, мм/об, допускаемая жесткостью резца:

s_жр = ,

где E_p – модуль упругости материала державки резца, Н/мм²; f_p – допускаемая стрела изгиба резца, мм.

Максимальная подача, мм/об, допускаемая шероховатостью обработанной поверхности:

.

Из всех рассчитанных значений подачи выбирают минимальное, которое корректируют по паспорту станка, принимая действительную подачу s_д.

Выбор периода стойкости инструмента. Прежде чем приступить к расчету скорости резания, допускаемой режущими свойствами резца, необходимо задаться периодом его стойкости. Различают период стойкости, соответствующий минимальной себестоимости операции Т_эк, и период стойкости, соответствующий максимальной производительности операции Т_нп.

Экономический период стойкости Т_эк определяют по формуле

Т_эк = (1 – т)/т (t_c + Э_и /E),

где т – показатель относительной стойкости; t_c – время простоя станка в связи с заменой инструмента; Э_и – затраты, связанные с эксплуатацией инструмента за его период стойкости; E – себестоимость 1 мин работы технологического оборудования.

Экономический период стойкости Т_эк должен быть возможно меньшим. Уменьшить его можно за счет снижения времени t_c простоя станка в связи с заменой инструмента и затрат Э_и, связанных с эксплуатацией (бесподналадочная смена инструмента, удешевление его изготовления, совершенствование операций заточки и т.д.). Величина экономического периода стойкости Т_эк будет различной для разных предприятий. Чем выше техническая культура производства завода, цеха, тем меньше Т_эк.

Если учитывать только прямые затраты труда, связанные с выполнением операции, т.е. не учитывать стоимости изготовления и эксплуатации инструмента (принять Э_и = 0), то формула для расчета стойкости примет вид

Т_нп = [(1 – т)/т t_c].

Период стойкости, определяемый по этой формуле, называют периодом стойкости, соответствующим максимальной производительности.

На рис. 12.8 показано влияние периода стойкости на себестоимость С и производительность П операции. Видим, что Т_нп  Т_эк. Поэтому, работая со скоростью резания, соответствующей Т_эк, мы проигрываем в производительности, а работая со скоростью, соответствующей Т_нп, несколько повышаем себестоимость операции. При нормальном ходе технологического процесса режим резания должен соответствовать экономическому периоду стойкости Т_эк, а Т_нп используют в исключительных случаях, когда, не считаясь с затратами, необходимо в единицу времени выпустить максимальное количество деталей.

Скорость резания. Расчет скорости резания, допускаемой режущими свойствами резцов, производится по обобщенному уравнению, связывающему все факторы процесса резания с искомым фактором, т.е. скоростью резания. Обобщенное уравнение состоит из условного уравнения, справедливого только для определенных условий работы, и ряда поправочных коэффициентов, учитывающих конкретные условия резания. При точении резцами, оснащенными пластинками твердого сплава, уравнение для расчета скорости резания, м/мин, имеет вид

V = ,

где C_V – постоянная, характеризующая условия обработки, при которых получена зависимость V = f (T, s, t) (все поправочные коэффициенты при этом равны единице); x_V и y_V – показатели степени; т – показатель относительной стойкости; K_м – коэффициент, учитывающий свойства обрабатываемого материала: для стали – K_м = 750/_в, для чугуна – K_м = (190/НВ)^1,25; K_с – коэффициент, учитывающий состояние обрабатываемой поверхности (при отсутствии литейной корки K_с =1); K_и – коэффициент, учитывающий марку инструментального материала; K_ – коэффициент, учитывающий главный угол в плане.

Рис. 12.8. Схема влияния периода стойкости инструмента на себестоимость С и производительность П операции

В формуле скорости резания могут быть другие коэффициенты, учитывающие применение СОТС, форму передней поверхности резца, величину его износа и т.д. Эти коэффициенты приводятся в справочниках.

После расчета скорости резания подсчитывают частоту вращения детали, мин^–1, по формуле

n = 1000V/D,

которую корректируют по паспорту станка, принимая ближайшее меньшее значение частоты вращения. Затем пересчитывают действительную скорость резания, м/мин, по формуле

V_д = Dn_д /1000.

Тангенциальная составляющая силы резания P_z. Сила P_z рассчитывается по обобщенному уравнению, построение которого аналогично обобщенному уравнению для расчета скорости резания. Формула для расчета касательной составляющей силы резания при точении имеет вид

P_z = ,

где C_p, х_p, y_p, n_p – постоянная и показатели степени, характеризующие условия обработки и влияние t, s, V на силу P_z. В справочниках значения C_p, х_p, y_p, n_p приводятся для стали с _в = МПа и чугуна с твердостью 190 НВ.

При обработке материалов, отличных от приведенных в справочнике, изменении геометрических элементов лезвия рассчитанные силы резания P_z следует умножить на поправочные коэф-фициенты K_м K_ K_: при точении твердосплавным резцом стали K_м = (_в /750)^0,35 ; чугуна – K_м = (НВ/190)^0,4 ; K_ и K_ приводятся в справочниках.

Мощность резания. Мощность, кВт, определяется по формуле

N_э = P_z V_д /60 000.

Тогда расчетная мощность электродвигателя станка равна

N_ст = N_э /,

где  – коэффициент полезного действия станка.

Расчетная мощность должна быть меньше действительной мощности станка N_ст  N_{ст д}.

Основное (машинное) время. Основное (машинное) время, мин, подсчитывается по формуле

t₀ = (l +l₁ +l₂ ) / n_д s_д,

где l – длина обрабатываемой поверхности (детали), мм; l₁ – величина врезания, мм; l₁ = t ctg + (0,5…2), мм; l₂ – величина перебега, l₂ = 1…3 мм; n_д – действительная частота вращения шпинделя, мин^–1; s_д – действительная подача, мм/об.

Ключевые слова и понятия

Внешние факторы, действующие при резании; упругие деформации, пластические деформации, внутренние факторы, контактные явления, взаимосвязь факторов, износ инструментов, непосредственное влияние факторов, тепловые явления, косвенное влияние факторов, температура резания, передний угол, система управления процессом резания, скорость резания, адаптивная система управления, оптимизация функционирования системы резания, толщина среза, система резания, режим резания, параметры системы резания на входе, последовательность выбора элементов режима резания, параметры системы резания на выходе, кинематика процесса резания.

Контрольные вопросы

1. В чем заключается непосредственное и косвенное влияние переднего угла и скорости резания на процесс резания?

2. Расскажите о системе резания. Назовите параметры на входе и выходе этой системы.

3. Назовите физические процессы, сопровождающие процесс резания.

4. Назовите системы управления процессом резания.

5. Из каких соображений производится выбор инструментального материала и углов заточки режущих инструментов?

6. Какова последовательность выбора элементов режима резания?

7. С учетом чего назначают период стойкости инструмента?

8. Охарактеризуйте технические ограничения при расчете элементов режима резания.

75