1. Ришення задачі по визначенню найвигідніших режимів різання

Під терміном «оброблюваність» різанням розуміється комплекс характеристик, відображуючих здатність матеріалів обмежувати продуктивність їхньої обробки і затрудняти одержання необхідної шорсткості і точності обробленої поверхні виробів. До таких характеристик можна віднести: величини зносу і стійкості різальних інструментів, оптимальні величини параметрів режиму різання і геометрії ріжучої частини інструментів, що забезпечують його найбільшу стійкість і найменший опір різанню.

Стійкість Т і швидкість різання V зв'язані між собою співвідношенням:

де А — експериментальний коефіцієнт, що враховує вплив умов обробки, режимів різання і властивостей матеріалів;

m — показник ступеня при стійкості для сталей.

Звичайно розрізняють:

а) стійкість і швидкість різання, що забезпечують максимальну продуктивність (Т_{пр мах} ; V_{пр мах} ) верстата;

б) стійкість і швидкість різання, що забезпечують мінімальну собівартість продукції, тобто максимальну економічність (Т_{є мах} ; V_{є мах} )

в) стійкість і швидкість різання, що забезпечують максимальну площу обробленої поверхні деталі і мінімальні витрати інструмента (Т_{обр мах} ; V_{обр мах} )

На практиці для визначення оброблюваності використовуються економічні швидкості різання, що відповідають стійкостям, при яких досягається мінімальна вартість обробки. При відносно низьких швидкостях різання (обробка високоміцних і тугоплавких матеріалів) оброблюваність може оцінюватися довжиною шляху різання до затуплення або відповідною площею обробленої поверхні.

У деяких випадках для зручності розрахунків оброблюваність металів оцінюється відношенням припустимої швидкості різання якого-небудь металу до допускаємої швидкості різання еталонного металу.

Це відношення називається коефіцієнтом відносної оброблюваності К. На величину К впливають умови обробки, режими різання і властивості оброблюваного і інструментального матеріалів. Як методи поліпшення оброблюваності можно привести наступні:

а) з підігрівом або глибоким охолодженням (у залежності від властивостей металу);

б) термообробка заготівель перед обробкою різанням;

в) застосування ефективних мастильно-охолодних речовин.

На мал. 2 показані криві, що характеризують вплив швидкості різання на продуктивність і економічність процесу обробки.

Мал. 2. Вплив швидкості різання на продуктивність і економічність процесу обробки.

При оцінці продуктивності і економічності процесу виготовлення деталі користаються поняттям «штучний час»:

Т_шт=Т_о+Т_доп+Т_обс+Т_перер

де Т_о=L/nS основний час (машинне, технологічне), що проходить безпосередньо на процес різання, хв.

L — довжина проходу ріжучого інструмента, мм

S — подача, мм /об;

n — число обертів заготовки, об/хв;

Т_доп — допоміжний час (установка і зняття деталі, керування верстатом і т.і.);

Т_обс — час, що йде на технічне і організаційне обслуговування робочого місця;

Т_перер — час, що витрачається на перерви в роботі. Для збільшення продуктивності праці і зменшення витрат па виготовлення деталі необхідно зменшувати Т_шт. Основним резервом зменшення Т_шт є зменшення Т_о за рахунок вибору найвигіднішого сполучення величин t, S, V, тобто рішення задачі про так називане найвигідніше різання. Необхідно в кожнім конкретному випадку обробки знайти таке сполучення t, S, V, що:

а) забезпечує найбільшу стійкість інструмента, що ріже;

б) відповідає тривалої міцності інструмента і механізмів верстата, а також його потужності;

в) забезпечує необхідну точність і шорсткість обробленої поверхні;

г) забезпечує високу продуктивність і найменші витрати на виготовлення деталі. Існують різні способи вибору оптимальних режимів обробки:

1. Аналітичні і графічні методи розрахунку t, S, V по спеціальних емпіричних формулах з урахуванням характеру обробки (чорнова чи чистова), умов обробки (геометричні параметри ріжучого інструмента, і його стійкість, вплив змащення й охолодження, жорсткість верстата і т.п.) та властивостей оброблюваного й інструментального матеріалів. Для полегшення розрахунку застосовують спеціальні програми й ЕОМ, які маються на кафедрі.

2. Вибір режимів різання по спеціальних нормативних довідниках, що відбиває сучасний рівень теорії і практики механічної обробки.

У першому випадку (рішення задачі про найвигідніше різання) порядок розрахунку наступний.

Виходячи з заданих розмірів заготовки, її фізико-механічних властивостей, припуску на обробку (після лиття, кування, штампування і т.п.) і знаючи остаточні розміри виробу і вимоги до шорсткості обробленої поверхні вибирають глибину різання t мм. Величина t, а отже, і кількість металу, що переходить у стружку, цілком залежать від припуску на обробку. Не завжди вдається зняти весь припуск за один прохід. Тому на практиці застосовують різання за декілька проходів: при чорновій обробці — 50—70%. Найбільшу трудомісткість представляє вибір величини подачі S і швидкості різання V. Розрахунок робиться за кілька етапів:

1. Знаючи задану шорсткість і точність обробленої деталі, по довідниках вибирають величину подачі, припустиму «по чистоті» (S_чист). Найчастіше при гострінні шорсткість обробленої поверхні лежить у межах R_a=5-0.4 мкм.

2. 3а обраним значенням t і S розраховують по емпіричних формулах припустиму швидкість різання V. Величина швидкості різання залежить від багатьох факторів: стійкості різця, величини обсягу металу, що зрізується, геометричних параметрів різця, якості інструментального матеріалу і властивостей оброблюваного металу, ефективності змащення та охолодження і т.п.

Тому рівняння для визначення швидкості різання досить складне:

(3)

де С_V - коефіцієнт, що характеризує властивості оброблюваного й інструментального матеріалів і умови обробки;

Т— період стійкості інструмента, хв;

m — емпіричний «показник відносної стійкості»;

X_V, y_V — емпіричні «показники ступенів» при t і S;

k_V — поправочний коефіцієнт, що враховує зміни умов обробки по

відношенню до обраного коефіцієнта С_V.

Величини всіх коефіцієнтів знаходяться у відповідних таблицях довідників по режимах різання [2; 4], та ін. Особлива увага тут приділяється вибору періоду стійкості інструмента. На підставі експериментальної залежності між швидкістю різання і стійкістю інструмента для різних умов різання і різних матеріалів заготовок у довідниках даються рекомендації з вибору оптимальних значень Т. Наприклад, для токарних різців, оснащених металокерамічними пластинками, рекомендується вибирати Т в межах від 60 до 90 хв.

3. По обраній швидкості різання визначають припустиме число обертів шпинделя верстата:

об/хв.. (4)

після чого приймають найближче значення n за паспортом верстату і розраховують фактичну скорость різання.

3. Розрахунок подачі, що допускається потужністю верстата S_ст. Крутячий момент, що розвивається шпинделем верстата, залежить від діаметра заготовки D_заг і сили різання Р_z:

(5)

Сила різання при точінні розраховується по емпіричній формулі

(6)

де коефіцієнти , що характеризують умови обробки і властивості матеріалів, знаходяться по довідниках.

Проробивши нескладні перетворення, з формул (5), (6) знайдемо

(7)

Але тому, що М_кр=716200 , то одержимо остаточно

Потужність верстата визначається по його паспортним даним у залежності від потужності двигуна N_дв і к. к. д, верстата η_ст:

N_ст=N_дв ∙ η_ст

де η_ст=0,7 – 0,9

Звичайно розрахункове значення S_ст не збігається з паспортними даними. Тому для найбільшого наближення розрахункової величини S_ст до наявного в паспорті вибирають три чи чотири ступіні чисел обертів шпинделя (n₁, n₂, n₃, n₄), близьких до розрахункового. Для кожного числа обертів шпинделя розраховують S_ст1, S_ст2, S_ст3, S_ст4.

5. Розраховується подача, що допускається властивостями інструмента,

його міцністю (S_інстр).

При обраній стійкості інструмента Т швидкість різання визначається в залежності від t, S_інстр, n_шп, D_заг умов обробки:

м/хв.

або

(9)

Далі розраховують значення S_інстр, для обраних раніше (п. 4) чисел обертів шпинделя n₁, n₂, n₃, n₄ і одержують кілька значень S_ст1, S_ст2, S_ст3, S_ст4.

6. Усі результати розрахунків зводяться в одну таблицю (табл. 4). Аналізуючи дані таблиці, вибирають величину подачі S_вибр, найменшу серед розрахункових (S_чист, S_ст, S_ін ) для кожної ступені, і знаходять максимальне значення числа обертів шпинделя на , тобто ( ∙ )_max

Таблиця 4

Результати розрахунків

Матеріал	Питома вага, г/см3	Мікротвердість, кг/мм2	Твердість за шкалою Маоса	Модуль пружності, кГ/мм2	Межа міцності на вигиб, кГ/мм2	Межа міцності на стиск, кГ/мм2	К – т лінійного розширення, 10-6	Теплопровідність, кал/см·сек·град
Алмаз	3,01-3,56	7000-10500	10	90000-100000	30	200	0.73-1,45	0,35
Твердий сплав	10-15	1400-2100	9,0-9,5	44000-60000	88-190	400-500	4,7-7,0	0,053-0,19
Швидкоріжуча сталь	8,7	700-1000	6-7	2200-2400	200-400	300-400	11,5-15	0,055-0,068

7.Визначається найменший машинний (основний) час, затрачуваний на обробку різанням:

хв. (10)

Приведена методика розрахунку режимів різання досить трудомістка навіть при використанні різних лічильно-вирішальних пристроїв і ЕОМ, але дає більш точні результати.

Більш доцільним для використання на практиці є метод вибору режимів по нормативних довідниках.

2. Призначення режимів різання по нормативних довідниках

Вибір матеріалу ріжучої частини інструмента. Продуктивність обробки пов’язана в основному, зі стійкістю інструмента, тобто здатністю зберігати свої ріжучі властивості в період визначеного часу. Вибір матеріалу ріжучої частини інструмента, є важливим чинником, що визначає рівень режиму різання.

Тому перш ніж призначати режими різання для конкретних умов обробки варто вибрати матеріал ріжучої частини інструмента. Вибір марки інструментального матеріалу в залежності від виду, характеру й умов обробки й оброблюваного матеріалу вибирається по додатку 1, [1, стор. 348]

Конструктивні параметри і тип інструмента вибираються у залежності від призначення інструмента, умов обробки і параметрів верстата, на якому проводиться обробка.

Геометричні параметри ріжучої частини інструмента, вибираються в

залежності від області застосування й умов обробки по додатку 2 [1, стор. 351].

Глибина різання і число проходів. Глибина різання робить відносно не великий вплив на стійкість інструмента і швидкість різання. Це дозволяє при чорновій обробці призначати можливо більшу глибину різання, що відповідає припуску на обробку. При цьому варто враховувати жорсткість системи СПІД і потужність верстата.

При чистовій обробці кількість проходів залежить від необхідного ступеня точності і шорсткості поверхні, а так само погрішності попередньої обробки. Шорсткість обробки до R_a=3,2 мкм досягається при глибині різання в межах від 0,5 до 2 мм. Якщо потрібно одержати шорсткість в межах R_a=2,5-0,8 мкм, то глибину різання варто вибирати від 0,1 до 1 мм.

Вибір подачі. При чорновій обробці варто призначати можливо більші подачі, що допускаються міцністю інструмента, міцністю механізму подачі і кінематичних можливостей верстата.

Подачі, що рекомендуються, для чорнового зовнішнього точіння і

розточування при обробці сталей, чавуна і мідних сплавів на токарно-гвинторізних верстатах приводиться в картах 1, 2 [1, стор. 36, 37]. Обрана для чорнового точіння з заданою глибиною різання подача перевіряється по силі подачі Р_х (див. додаток 7 і 8 [1 стор. 378-380]). При цьому повинна витримуватись умова Р_х<Р_ст, де Р_х - осьова складова сили різання (сила подачі); Р_ст - осьова сила, що допускається механізмом подачі верстата (визначається по паспорту верстата).

В окремих випадках на роботах з напруженими режимами різання при обробці різцями зі збільшеним вильотом державки (l_д>1,5Н), обрана подача повинна по міцності державки різця (див. додаток 9 [стор. 384]) і по міцності, що допускається пластинкою твердого сплаву (там же додаток 10 стор. 383). Якщо обрана подача не задовольняє цим умовам, необхідно встановлену по нормативах подачу знизити до величини, що допускається міцністю механізму верстата, державки різця і пластинки твердого сплаву.

При чистовому точінні подача вибирається в залежності від шорсткості обробленої поверхні по карті 3 [1 стор. 39] з урахуванням жорсткості системи верстат - деталь (там же додаток 11 стор. 384) і способу закріплення деталі (там же додаток 11, 12 стор. 384-388).

Подачі для прорізки і відрізки приведені в карті 18 [1, стор. 63]. Швидкість різання призначається по відповідних картах після вибору глибини

різання і подачі. У картах 5, 6, 9, 10 “Загальномашинобудівних нормативів режимів різання” [1] приводяться значення швидкості різання для точіння і розточування жароміцних, конструкційних (вуглецевих і легованих) сталей і чавунів різцями, оснащеними твердим сплавом. Швидкості різання для точіння і розточування різцями зі швидкорізальної стаді Р18 приводяться в карті 11 (конструкційні, вуглецеві і леговані сталі), карті 13 (жароміцні сталі), і карті 17 (мідні й алюмінієві сплави) [1].

Швидкості різання для прорізки і відрізки сталей і чавунів вибираються по карті 19 (при обробці різцями, оснащеними твердим сплавом) і карті 20 (при обробці швидкорізальними різцями) [1].

У картах приведені поправочні коефіцієнти на швидкість різанні, що враховують змінені умови роботи (стан матеріалу, стан поверхні заготовки, марку інструментального матеріалу й інші фактори).

Обраний режим різання повинний відповідати паспортним даним і динамічним можливостям верстата, тому обрану по відповідній карті швидкість різання варто коректувати по верстату Для цього треба по знайденій швидкості для заданого діаметра деталі D знайти число обертів шпинделя по формулі об/хв, потім вибирати найближче більше число обертів n_ст, що відповідає паспортним даним верстата. Дійсна швидкість різання знаходиться по формулі

м/хв

Режими різання на чорнових операціях перевіряються в основному по

потужності, а іноді і по силі подачі, що допускається, чи крутячому моменту верстата, з урахуванням у кожнім випадку конструктивних особливостей, зазначених у паспорті верстата.

Режими різання при чистовій обробці через незначні сили різання по потужності не перевіряються.

Розраховані по нормативах режими різання не слід вважати граничними. У крупносерійному і масовому виробництві рівень режимів різання повинен корегуватися відповідно до програми й в залежності від навантаження верстата. Однак збільшення режимів різання супроводжується зниженням стійкості інструмента. Тому при необхідності підвищення режимів різання варто вишукувати можливості застосування інструментів нових конструкцій, більш зносостійких інструментальних матеріалів і інших заходів.