2.4. Критерии оценки эффективности резания

В своем труде «Об искусстве резания металлов» Ф. Тэйлор впервые поставил перед технологом три важнейших вопроса: «Какие глубина, подача и скорость резания должны использоваться при резании метал­лов?» [31].

Эти вопросы, развитые в более поздних работах, формулируются так: «Какие скорость резания, сечение стружки и геометрические пара­метры инструмента должны быть выбраны?» Несмотря на кажущуюся простоту этих вопросов, ответить на них оказалось очень сложно. Тэйлор полагал, что в основном это удастся сделать в течение шести месяцев, но и спустя 26 лет он не смог до конца на них ответить. Ответ на эти вопро­сы в каждом случае означает решение сложнейшей математической зада­чи, которая, как установил Тэйлор, включает двенадцать независимых переменных. Их сочетание, как отмечалось в п. 1.3, дает астрономическое число вариантов взаимодействия.

В настоящее время наилучший способ обработки выбирают по об­щим показателям, выражающим экономическую и технологическую сущность процесса: производительность, мощность, качество и себе­стоимость обработки. Максимальный съем материала можно обеспечить несколькими способами.

1. Силовое резание, т.е. срезание припуска с максимальными пода­чей и толщиной среза (протягивание, продольное точение по методу Ко­лесова, тангенциальное точение). Наиболее эффективными являются способы с компенсацией сил резания, например продольное точение мно­голезвийной гребенкой или охватывающей многорезцовой головкой, протягивание.

2. Скоростное резание - срезание припуска с максимально допусти­мой скоростью резания, достигающей при точении и фрезеровании 20 м/с, при шлифовании - 60 ... 100 м/с.

3. Резание с максимальной производительностью. Критерий «произ­водительность процесса резания» - 1000 Sv впервые введен В.А.Кривоуховым в 1931 г. при исследовании износостойкости режущего инструмен­та. В дальнейшем критерий был представлен в виде произведения толщи­ны среза на скорость резания av и назван А.О. Этин разрешающей способ­ностью. Разрешающая способность пригодна для сравнения способов од­ного вида обработки, но дает ошибки для различных видов. Например, при сравнении протягивания (а = 10^-5 м, v = 0,5 м/с, av = 5 • 10^-5 м² /с), шлифо­вания (а = 10^-5 м, v = 30 м/с, av =3•10^-4 м² /с) и точения (а = 5 • 10^-4 м, v = 2,5 м/с, av = 1,25•10^-3 м² /с) выясняется, что протягивание менее эффективно, чем точение и шлифование. В действительности при обработке заготовок со сложными поверхностями протягивание является наиболее производительным способом. Это указывает на субъективность критерия av. Кроме того, разрешающая способность не учитыва­ет многократное возрастание удельной силы резания с уменьшением толщины среза, поэтому даже в пределах одного вида обработки разброс характеристик способов может быть значительным.

4. Критерий обрабатываемости наряду с разрешающей способно­стью довольно широко используют для сравнения режимов обработки. Под обрабатываемостью понимают совокупность нескольких факторов, основным из которых является скорость резания, допустимая по стойко­сти. Наряду со скоростью резания сопоставляются силы резания, мощ­ность, качество обработанной поверхности и характер стружки. Обраба­тываемость какого-либо материала сравнивается с эталонной, равной единице для

стали 45.

В настоящее время разработаны методы определения режимов реза­ния, в которых учитываются механические и теплофизические свойства материалов заготовки и инструмента, влияние на них температуры. Расчет­ные методы оценки обрабатываемости получили название теории подобия.

5. В качестве физического критерия оптимизации режимов по ско­рости резания используется температура резания. Одни исследователи (А.Д. Макаров) утверждают, что оптимальная скорость резания соответ­ствует температуре провала пластичности обрабатываемого металла, другие (Л.И. Белоусов), что средняя температура всей зоны резания θ_ср = = 0,43θ_пр, где θ_пр - температура плавления чистых металлов, а для спла­вов температура выше линии солидус. Сложное взаимодействие всех факторов в процессе резания отрицает доминирующее влияние темпера­туры на изнашивание инструмента.

6. Энергетический критерий все чаще используют для сравнитель­ной оценки эффективности способов. При оценке производительности различных способов на этапах технологического процесса и всего про­цесса в целом были введены понятия абсолютной производительности как мощности, используемой на формообразование и другие необходи­мые операции рабочего цикла; производительности резания как удельной энергии металлосьема, производительности формообразо­вания как площади поверхности при постоянной глубине резания, снятой в единицу времени; штучной производительности.

Трудность определения абсолютной производительности способст­вовала разработке других показателей производительности, в первую очередь производительности резания. Согласно последней работа А реза­ния состоит из работ деформирования А_Д срезаемого слоя и трения А_тп и А_тз

соответственно по передней и задней поверхностям инструмента. При известной тангенциальной составляющей силы резания F_t работа резания А = F_t v. Удельная работа (Дж/мм³)

A_УД= F_tv / (abv)

где abv - объем слоя металла, срезаемого за единицу времени: минуту, секунду.

Удельная работа принята за энергетический критерий, который назы­вают удельной энергоемкостью процесса резания [32] или удельной энер­гией резания. Критерий удельной энергоемкости процесса резания в отли­чие от разрешающей способности, позволил сопоставить энергозатраты различных по физической сущности способов обработки. Наименьшие энергозатраты у способов пластического деформирования - прокатки, штамповки, прессования. В обработке резанием наибольшие энергозатраты при абразивной обработке, они почти на два порядка выше, чем при лез­вийной. Энергозатраты физических и химических способов обработки на три порядка выше, чем при лезвийной обработке.

7. Наиболее общим показателем, отражающим многофакторность процесса формообразования, является сила резания, непосредственно связанная со стойкостью инструмента и энергетической напряженностью процесса резания. Удельная сила резания, Н/мм², как конечный результат преобразований удельной работы резания, является истинным выражением сущности энергетического критерия

p = F/(ab) (2.13)

Впервые показатель удельной силы резания был введен Ф. Тэйлором как давление резания k_s [31] и уточнялся в дальнейшем для различных сечений среза Фишером, Никольсоном, Шлезингером, Фридрихом: k_s = р_о+ c/(ab), где р_о и с - постоянные. Чем меньше толщина среза, тем больше удельная сила и работа резания, причем в степенной зависимости, что подтвержда­ется экспериментальными данными по силам резания с пересчетом на удельную по площади среза силу (рис. 2.9).

Несмотря на огромную разницу в удельных энергоза­тратах, все известные способы имеют свои целесообразные области применения. Наиме­нее энергоемким способом при кажущейся выгоде не удается вытеснить способы с колос­сальными затратами энергии.

Расхождения в оценке критериев оптимизации объ­ясняются отсутствием ясно выраженной взаимосвязи меж­ду удельной энергией резания и стойкостью инструмента, хотя, казалось бы, чем выше скорость, тем меньше удельная энергия резания и тем лучше протекает процесс обработки. Ведь удельная энергия реза­ния, так же как и сила резания, с ростом скорости в обычном диапазоне скоростей имеет тенденцию к снижению, не­смотря на отдельные всплески.

Уменьшение удельной энергии резания не может однозначно характеризовать эффективность процесса, так как неопределен­ной остается стойкость инструмента. На практике возможен такой слу­чай, когда удельные энергозатраты минимальны, а стойкость инструмен­та близка к нулю. Установление связи между силовой и стойкостной за­висимостями позволило определить универсальный критерий оценки эффективности резания. Таким критерием является удельная по объему срезаемого металла в единицу времени сила резания, Н/мм³, при скорости резания, соответствующей оптимальной размерной стойкости инструмента:

Pv_l =F_t /V (2.14)

Рис. 2.9. Зависимости касательной состав­ляющей силы резания F_t и удельной силы резания p_t толщины среза:1 - v = 1,5 м/с; 2 - v = 2 м/с; 3 - v = 2,5 м/с

где V = abv_l - объемная производительность (v_l - скорость резания, соот­ветствующая экономической линейной стойкости T_l). Сравнение удель­ной силы резания по площади (2.13) с удельной силой резания по объему срезаемого металла (2.14) показывает их соотношение через скорость резания:

p_vt = p / (v_l τ)

Используя известное выражение для силы резания

F_t=C_F a^y b^x v^ki (2.15)

получим при х = 1 значение удельной по объемной производительности силы резания

p_vt =С_Fа^у-1v_l ^ki-1 (2.16)

Исключив постоянную С_F для заданной пары заготовка-инструмент, получим оператор удельной разрешающей силы

p_v = a^y-1 v_l^ki-1 (2.17)

С помощью оператора оценивают способ обработки по минималь­ной энергии резания при экономичной стойкости, он пригоден для раз­личных способов механической обработки вследствие реальных значе­ний показателей степеней для различных толщин среза и скоростей. Зна­чения показателя у и удельной разрешающей силы резания р_v для загото­вок из среднеуглеродистых сталей приведены в табл. 2.3.

В общем случае для конструкционных сталей при а ≤ 0,1 мм зави­симость у от толщины среза имеет вид y = 0,3 + 4а.