11.3. Оптимизация функционирования системы резания

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 содер­жат 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. 11.4 приведены рекомендации по выбору марок твердых сплавов при обтачивании заготовок из стали и чугуна.

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.

Таблица 11.4

Рекомендации по выбору марок твердого сплава

УСЛОВИЯ ОБРАБОТКИ	Марка твердого сплава при обтачивании
	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

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 н/мм²) 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 предназначена для рез­цов, обрабатывающих пластичные материалы с _в  800 н/мм² 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, α – плоская с положительным передним углом предназначена для резцов, обрабатывающих хрупкие материалы, передний угол равен 5…15.

Форма III, δ – плоская с отрицательным передним углом предназначена для резцов, обрабатывающих пластичные металлы с _в  800 н/мм². 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 углы  = 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. 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 , 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 Д меньше 6 (L/Д  6) и при малых глубинах резания;  = 45 берется в условиях достаточно жесткой системы и при L/Д = 6…12;  = 60…75 принимается при обработке в условиях недостаточной жесткости системы СПИД при L/Д = 12…15;  = 90 бе­рется при обтачивании в условиях нежесткой системы, при L/Д  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. 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.

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 обтачивании валика длиной l (рис. 11.7) необходимо срезать припуск размером Н. Произведем обработку при двух режимах резания.

При первом режиме глубина резания t_I = t будет равна припуску на обработку Н, а по­дача s_I = s. При втором режиме глубина резания t_II = t/2 будет равна Н/2, а подача s_II = 2s. При обоих 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

t₀ = L/ns мин , (11.1)

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_0I = L/n_Is;

Рис. 11.7. Два варианта срезания припуска размером Н

- для второго режима

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

где числа оборотов детали при первом и втором режимов соответственно равны:

n_I = 1000V_I /D,

n _II = 1000V_II /D .

Скорости резания для первого и второго режима 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, нежели подачу.

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

Q = T/t₀ шт (11.2)

Так как t₀ = L/ns, а n = 1000V/D,

то

Q = T1000Vs/DL.

Для конкретных условий операции дробь 1000T/DL постоянна. Обозначим ее через С. Тогда Q = СVs, откуда следует, что наибольшему произведению Vs со­ответствует наибольшее Q. 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 = (C^’_V)/(s^yV),

где C^’_V = C_V /(t^xV),

тогда

Q = CC^’_Vs/s^yV = CC^’_Vs^1-yV = C₁s^1-yV._.

Из выражения следует, что с увеличением подачи число деталей Q 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

Q = 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 Q 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.

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, допускаемая мощностью станка N_ст :

s_Nст = 1950000N_ст/(Dnt^xp)^{1/ yp} мм/об.

Максимальная подача, допускаемая крутящим моментом станка М_ст:

s_Mст = 2000М_ст/(С_рDt^xp)^{1/ yp} мм/об.

Максимальная подача, допускаемая прочностью слабого звена механизма подачи станка:

s_мn = P_мn/(С _р t^xp)^{1/ yp} мм/об.

Максимальная подача, допускаемая прочностью детали:

s_nд = K_пD³_u_д/l_дС_р t^xp)^1/yp мм/об.,

где _u_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, допускаемая жесткостью детали:

s_жд = К_жЕ_д_дD⁴/(l³_дС_рt^xp)^{1/ yp} мм/об.,

где Е_д - модуль упругости обрабатываемого материала, н/мм²;

_д - допускаемая стрела прогиба детали, мм;

К_ж - коэффициент, учитывающий метод закрепления детали.

Максимальная подача, допускаемая прочностью резца:

s_пр = ВН²_u_р/(6l_рС_рt^xp)^1/yp мм/об.,

где В и Н – высота и ширина державки резца, мм;

_u_р - допускаемое напря­жение изгиба для материала державки резца, н/мм²;

l_р - вылет резца, мм.

Максимальная подача, допускаемая жесткостью резца:

s_жр = ВН³E_p_p/(4l_p³С_pt^xp)^1/yp мм/об.,

где E_p- модуль упругости материала державки резца, н/мм²;

_p - допускаемая стрела изгиба резца, мм.

Максимальная подача, допускаемая шероховатостью обработанной поверх­ности:

s_ш = C_sR_z^yRr^uR/(t^xR^zR₁^ZR) мм/об.,

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 станка и станочника.

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)/тt_c]

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

Рис. 11.8. Схема влияния периода стойкости инструмента

на себестои­мость С и производительность П операции

На рис. 11.8 показано влияние периода стойкости на себестоимость С

С

и производительность операции. Видим, что Т_нп  Т_эк. Поэтому, работая со скоростью резания, соответствующей Т_эк, мы прогадываем 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 имеет вид:

V = C_v /(T^т t^хVs_ ^уV)K_м K_сK_иK_… м/мин,

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.

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

После расчета скорости резания подсчитывают расчетное число оборотов детали по формуле

n = 1000V/D мин,^-1

которое корректируют по паспорту станка, принимая ближайшее меньшее дей­ствительное число оборотов.

Затем пересчитывают действительную скорость ре­зания по формуле

V_д = Dn_д /1000 м/мин.

Касательная 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 = C_pt^xps_д^ypV_д^nрK_м K_K_…,

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 = 750 н/мм² и чугуна с НВ190.

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

Мощность, необходимая на резание. Мощность, потребная на резание, под­считывается по формуле:

N_э = P_zV_д/60000 Квт.

Тогда расчетная мощность электродвигателя станка:

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 подсчитывается по формуле

t₀ = (l + l₁ + l₂)/n_дs_д мин,

где l – длина обрабатываемой поверхности (детали), мм;

l₁ - величина врезания, мм; l₁ = tctg + (0,5…2), мм;

l₂ - величина перебега, l₂ = 1…3 мм ;

n_д - действи­тельное число оборотов шпинделя, об/мин;

s_д - действительная подача, мм/об.

Ключевые слова и понятия

Внешние факторы,	Упругие деформации
действующие при резании	Пластические деформации
Внутренние факторы	Контактные явления
Взаимосвязь факторов	Износ инструментов
Непосредственное влияние	Тепловые явления
факторов	Температура резания
Косвенное влияние факторов	Система управления
Передний угол	процессом резания
Скорость резания	Оптимизация функциониро-
Адаптивная система управления	вания системы резания
Толщина среза	Режим резания
Система резания	Последовательность
Параметры системы резания на	выбора элементов режима
входе	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.