Скорость резанья обработка металлов

Режимы резания при токарной обработке

При токарной обработке с заготовки за определенное число проходов снимается лишний металл, называемый припуском. В результате получается изделие заданной формы с требуемыми размерами и классом шероховатости поверхностей. В общем виде операция точения детали на токарном станке выглядит следующим образом: резец последовательно перемещается с заданной подачей вглубь металла вращающейся заготовки, при этом его режущая кромка за каждый оборот удаляет с заготовки заданную толщину металла.

Режимы резания при токарной обработке определяют на основании ряда технических показателей, среди которых самые значимые — это подача инструмента и частота вращения детали, закрепленной в шпинделе станка. Правильный выбор и применение режимов обработки гарантируют не только геометрическую точность и экономичность изготовления, но и сохранность детали, инструмента и оборудования, а также безопасность станочника.

Основные параметры

Одна из главных задач технологической подготовки производства при токарных работах — это определение рациональных режимов резания. При их расчете должны учитываться особенности обрабатываемого изделия и возможности станочного парка, а также наличие соответствующего инструмента, приспособлений и оснастки. Компоновка узлов и агрегатов токарного станка позволяет реализовать два определяющих вида движения, которые формируют заданную конфигурацию поверхностей детали: вращение заготовки (главное движение) и перемещение резца вглубь и вдоль поверхности детали (подача). Поэтому основными технологическими параметрами для токарного оборудования являются:

• глубина резания;
• подача и обороты шпинделя;
• скорость резания.

Существует взаимовлияние режимов резания и основных элементов производственной экономики. Среди них самые значимые — это:

• производительность оборудования;
• качественные показатели производства;
• стоимость выпускаемых изделий;
• износ оборудования;
• стойкость инструмента;
• безопасность труда.

Понятие о режимах резания

Точение на предельных режимах повышает производительность токарного оборудования. Однако такая работа станков не всегда возможна и целесообразна, т.к. существуют ограничения в виде предельной мощности главного привода, жесткости и прочности обрабатываемых изделий, а также технологических параметров инструмента и оснастки.

Еще одним ограничением являются характеристики отдельных материалов. К примеру, титан и нержавеющая сталь для токарной обработки являются одними из наиболее сложных материалов и требуют особого подхода при определении параметров технологической операции.

При неправильном расчете или подборе технологических параметров работа на высоких скоростях может вызвать повышенную вибрацию и разбалансировку отдельных механизмов токарного станка. Это приводит к понижению точности и повторяемости размеров изделий. Кроме этого повышается риск поломки инструмента и выхода из строя станка.

Глубина

Припуск — это толщина металла, удаляемого токарным резцом с заготовки до достижения ею чистового размера. При обточке и расточке он удаляется поэтапно за заданное число резов. Толщина металла, удаляемого за единичный проход резца, в механообработке носит название глубина резания и измеряется в миллиметрах. В технологических расчетах и таблицах этот параметр обозначают буквой t.

При операциях обточки она равна 1/2 разности диаметров перед и после обточки детали и вычисляется по формуле:

где t – глубина резания; D — диаметр заготовки; d – заданный диаметр детали.

При операциях подрезки — это размер слоя металла, удаляемого с торца заготовки за единичный проход резца, а при проточке и отрезке — глубина канавки.

В идеальном случае на удаление припуска требуется один проход резца. Но в реальности токарный процесс, как правило, включает в себя черновой и чистовой этап обработки (а для поверхностей с повышенной точностью – и получистовой). При хороших характеристиках и форме заготовки обе эти операции выполняются за два-три прохода.

Подача

Подача при токарной обработке — это длина пути при поперечном перемещении режущей кромки резца, совершаемом ей за единичный оборот шпинделя. Ее измеряют в мм/об, в технологической документации обозначают буквой S и подбирают по технологическим справочникам. Величина подачи зависит от мощности главного привода, значения t, габаритов и физических свойств обрабатываемой заготовки. При точении она рассчитывается по формуле:

Производительность токарного оборудования напрямую связана с величиной подачи.

При операции точения подача на токарном станке должна устанавливаться на максимально возможное число, но с учетом технологических параметров станка и применяемого инструмента. При операциях по черновому точению она зависит от мощности главного привода и устойчивости детали. А при чистовом точении основным критерием является заданный класс шероховатость поверхности.

Скорость

Скорость резания при токарной обработке — это суммарная траектория режущей кромки резца за единицу времени. Ее размерность — в м/мин, а в таблицах и расчетах ее обозначают буквой v и подбирают по технологической документации или рассчитывают по формулам. В последнем случае расчет происходит в следующей последовательности:

• вычисляется величина t;
• по справочнику выбирается значение S;
• определяется табличное значение vт;
• рассчитывается уточненное значение vут (умножением на корректирующие коэффициенты);
• с учетом скорости вращения шпинделя выбирается фактическое значение vф.

Этот параметр является одной из основных характеристик производительности металлорежущего оборудования и напрямую влияет на эксплуатационные режимы работы токарного станка, износ инструмента и качество обрабатываемой поверхности.

Выбор режима на практике

Расчет режимов резания при токарной обработке производится специалистами отдела главного технолога предприятия или технологического бюро цеха. Полученные результаты заносят в операционную карту, в которой приводится последовательность этапов, перечень инструмента и режимы изготовления требуемой детали на конкретном токарном станке. Заводские и цеховые технологи рассчитывают параметры технологического процесса и выбирают соответствующие инструмент и оснастку, используя конструкторские чертежи, эмпирические формулы и табличные показатели из технологических справочников. Но на практике реальные условия точения могут отличаться от нормативных по следующим причинам:

• снижение точности оборудования в результате износа;
• отклонения в геометрических размерах и физических характеристиках заготовки.
• несоответствие характеристик материала расчетным.

Элементы резания при токарной обработке

Поэтому для уточнения расчетных технологических режимов применяют метод пробных проходов: точение небольших участков поверхности с подбором режимов и последующим замером геометрии и качества поверхности. Главные недостатки такой отладки технологического процесса — это возрастание трудозатрат и сверхнормативное использование производственных ресурсов. Поэтому его используют только в особых случаях:

• единичное изготовление без операционной карты;
• определение точности работы токарного оборудования перед запуском партии;
• работа с неполноценными заготовками (брак и неточность размеров);
• обточка литейных и кованых заготовок, не прошедших предварительную обдирку;
• запуск в производство изделий из новых материалов.

При первом запуске в производство нового изделия, обрабатываемого на автоматизированном оборудовании, также производят пробное точение и подбирают вручную режимы резания. Токарный станок с ЧПУ выполняет все операции по программе, поэтому оператор не всегда может корректировать параметры его работы.

Кроме углеродистых сталей на токарном оборудовании обрабатывают такие металлы как легированная сталь, чугун, титан, сплавы алюминия, бронза и другие сплавы меди. Помимо этого, такую обработку используют для точения материалов с низкой температурой плавления и воспламенения, таких как пластики и дерево. При работе с пластмассами токарные станки чаще всего применяют при обработке деталей из фоторопласта, полистирола, полиуретана, оргстекла, текстолита, а также эпоксидных и карбомидовых композитов. Все перечисленные группы материалов имеют свои особенности расчета и практического применения режимов точения. Это хорошо видно на примере токарной обработки нержавейки — самого распространенного после углеродистой стали конструкционного материала.

Нержавеющая сталь характеризуется низкой теплопроводностью, вязкостью, коррозионной стойкостью, сохранением прочности и твердости при высоких температурах, а также неравномерным упрочнением. Кроме того, в состав некоторых сортов нержавеющей стали входят легирующие добавки повышенной твердости с абразивными характеристиками. Поэтому при работе с ней на практике применяют специальные режимы точения и методы охлаждения и смазки детали.

Обработка нержавейки ведется на повышенных оборотах при уменьшенной подаче. Высокая вязкость этого материала способствует созданию непрерывной вьющейся стружки.

Для решения этой проблемы применяют резцы со стружколомом. Для отвода тепла и смазки обрабатываемой поверхности в рабочую зону подается специальная СОЖ (смазочно-охлаждающей жидкости) на основе олеиновой кислоты. Это уменьшает нагрев заготовки и снижает износ резца. В последнее время все чаще применяют современные методы, которые также уменьшают износ инструмента: направление в рабочую зону ультразвуковых волн и подвод к металлу слаботочных импульсов.

Вычисление скорости резания

Время точения металла (tосн, основное время) — самая затратная составляющая в суммарном времени изготовления единичного изделия. Поэтому от скорости выполнения этой технологической операции напрямую зависит экономическая эффективность использования токарного оборудования. Правильный расчет скорости резания при токарной обработке важен не только с точки зрения стоимостных показателей производственной операции. Ошибки в расчете и применении этого параметра может привести не только к браку детали, но и к повреждению токарного оборудования, оснастки и инструмента. Далее приводится последовательность расчета этого показателя для самой распространенной операции — обточки цилиндрической поверхности.

Основные факторы, влияющие на скорость резания

Скорость резания v имеет размерность м/мин и в общем виде вычисляется по формуле:

где D — диаметр заготовки в мм; n — скорость шпинделя в об/мин.

Но на токарном оборудовании невозможно количественно задать v в качестве параметра управления. При работе на токарных станках предусмотрена регулировка только оборотов шпинделя и подачи инструмента, которые зависит не только от значения v, но и от ряда других факторов: материала детали, мощности главного привода, вида точения и характеристик режущего инструмента. Поэтому при расчете режимов в первую очередь определяют расчетные обороты шпинделя:

На основании полученного результата по таблицам справочной литературе выбирают соответствующее значение v, которое зависит глубины точения, подачи, материала, типа резца и вида операции.

Для расчета теоретической глубины резания t на основании чертежа определяют размерные характеристики детали и заготовки, а затем с учетом геометрических параметров инструмента вычисляют ее по формуле:

где D — диаметр заготовки; d – конечный диаметр детали.

После вычисления величины t по справочникам определяют табличное значение подачи S в мм/об. В справочных таблицах учтены: вид материала (различные стали, бронза, чугун, титан, алюминиевые сплавы), тип точения (черновое, чистовое), параметры резца и геометрия его подхода к обрабатываемой поверхности. Затем по технологическим таблицам на основании полученных величин t и S определяют vτ — табличное значение скорости резания.

Далее vτ должна быть скорректирована в соответствии с реальными условиями точения, к которым относят: период стойкости и технические параметры резца, прочностные характеристики материала, физическое состояние обрабатываемых поверхностей, геометрия резания.

Корректировка vт осуществляется с помощью группы поправочных коэффициентов:

где v_ут — уточненная скорость резания; K1 — коэффициент, зависящий от времени работы резца; K2, K4 — коэффициенты, зависящие от технических параметров резца; K3 — коэффициент, зависящий от состояния обрабатываемой поверхности; K4 — коэффициент, зависящий от материала резца; K5 — коэффициент, зависящий от геометрии обработки.

После расчета vут вычисляют уточненную скорость вращения шпинделя nут по следующей формуле:

Значение nут должно лежать в диапазоне паспортных скоростей главного привода станка, которые приведены в заводской документации токарного оборудования. Если полученная в результате расчетов nут не имеет точного соответствия в таблицах станка, то необходимо применить ближайшее самое меньшее число.

Формулы для токарной обработки

На последнем этапе рассчитывают фактическую скорость резания v_ф:

V_ф напрямую связана с мощностью главного двигателя станка. Поэтому она является основным параметром при выборе конкретного типа токарного станка для обработки требуемой детали.

Источник

Скорость резания при токарной обработке и ее влияние на шероховатость детали

Скорость резания при токарной обработке зависит от принятой стойкости его, материала обрабатываемой детали, материала резца, его углов, формы и размеров, подачи, глубины резания, охлаждения и других факторов.

При уменьшении стойкости материала заготовки, скорость резания, допустимая резцом, незначительно повышается. К примеру, если при стойкости быстрорежущего резца, равной 90 мин, возможна скорость резания 15 м/мин, то при тех же прочих условиях работы токарного резца, но при стойкости 20 мин возможна скорость резания 18 м/мин. Более наглядна, однако, обратная зависимость, т. е. стойкости от скорости резания на токарном станке. Стойкость токарного резца при увеличении скорости резания быстро уменьшается. Так, например, если быстрорежущий резец, работающий на скорости резания 15 м/мин, затупляется через 90 мин после начала токарной обработки, то тот же резец при той же глубине резания и подаче, но при скорости резания 18 м/мин затупится через 20 мин.

Большое влияние на скорость резания при токарной обработке оказывают механические свойства обрабатываемого металла. Чем тверже металл заготовки, тем больше должна быть сила, отделяющая от него стружку, тем больше сила трения ее о переднюю поверхность резца, тем выше температура, поступающая в резец и ускоряющая его износ.

Скорость резания на токарном станке и стружка

Стружка, образующаяся при обработке твердых металлов, давит на небольшой участок передней поверхности резца (рис. 1, б), вследствие чего теплота резания поступает главным образом в часть головки резца, близкую к его режущей кромке. Стружка, которая получается при точении мягких и вязких металлов, опирается (рис. 1, в) на сравнительно больший участок передней поверхности токарного резца, это обеспечивает хорошее поглощение теплоты резания частью головки резца, удаленной от режущей кромки.

Поэтому, скорость резания при обработке используя токарный станок сравнительно мягкого металла может быть выше, чем при твердой.

Стружка надлома, образующаяся при обработке хрупких металлов, давит (рис. 1, г) на переднюю поверхность токарного резца у самой режущей кромки. В данном случае резец больше изнашивается от истирающего воздействия стружки, чем от влияния теплоты резания. Это относится особенно к обработке корки чугунных деталей, т. е. поверхностного слоя отливки, в котором всегда имеются частицы песка, истирающие переднюю поверхность резца при токарной обработке и затрудняющие отвод тепла.

Рис. 1. Виды стружки: а, б, в — стружка скалывания; г — стружка надлома

Влияние скорости токарной обработки на шероховатость поверхности

В отличии от одноосного нагружения испытуемых стальных образцов на разрывных машинах и определения характера разрушения (определения доли хрупкого или вязкого разрушения) по фрактограмам, даже сверхвысокое увеличение фрагментов обработанной резанием поверхности не позволяет дать однозначный ответ, поскольку радиус закругления вершины резца отчасти «сглаживает» на обработанной поверхности заготовки фрагменты разрушения металла активной частью главной режущей кромкой.

При помощи электронного микроскопа Versa 3D удалось провести визуальное наблюдение и сравнение зон деформаций под обработанной поверхностью на различных скоростях резания при токарной обработке (рис. 2 – 5).

Рис. 2. Зона деформации под обработанной поверхностью на скорости резания V=10 м/мин (увеличение 25000 раз). Rа = 6 мкм

На рисунках 2 – 4 чётко просматривается тонкие прослойки деформированного слоя металла размером в несколько микрометров, с уменьшающейся степенью деформации зёрен по мере углубления в матричный слой. Деформационное состояние этого тонкого слоя металла в зоне А на участке 3 формирует «деформационную» составляющую высоты микронеровности обработанной поверхности. Свой вклад в интегральное значение Rz или Ra вносит геометрия инструмента, состояние его рабочих поверхностей, уровень вибрации, условия резания. Технические возможности микроскопа Versa 3D позволяют оценить выборочно степень деформации зёрен стали под обработанной поверхностью.

Рис. 3. Зона деформации под обработанной поверхностью на скорости резания V=30 м/мин (увеличение 25000 раз). Rа = 2 мкм

Для примера её количественное значение для данных условий эксперимента, полученное путем измерения недеформированных зёрен в матричном слое металла с размером зерна в зоне деформации, лежит в интервале 5 – 10 единиц. Размеры зёрен проставлены на рисунках справа.

В результате визуального анализа снимков (рисунки 2 – 4) зон деформации стали 14Х17Н2 под обработанной поверхностью на различных скоростях резания при токарной обработке можно сделать следующие выводы.

Первое. Для данных режимов обработки (t = 1 мм, S = 0,11 мм/об) и трёх значениях скорости резания просматривается различная глубина зоны деформации. При скорости резания 10 м/мин (рис. 2) она составляет 4,22 мкм, на скорости резания 30 м/мин () её значение равно 2,741 мкм, на скорости резания 40 м/мин – 3,186 мкм (рис. 4).

Второе. Значения глубины зоны деформации стали под обработанной поверхностью, измеренной в одном и том же сечении, повторяют характер изменения величины шероховатости поверхности детали (см. «Как скорость резания токарного станка влияет на шероховатость поверхности детали«, рис. 2.) от скорости резания.

Рис. 4. Зона деформации под обработанной поверхностью на скорости резания V=40 м/мин (увеличение 25000 раз). Rа = 3 мкм.

В свою очередь, глубина зоны деформации под обработанной поверхностью на различных скоростях резания является следствием воздействия различного уровня нормальных и касательных напряжений. В таком случае, следует ожидать, что характер изменения сил резания в исследуемом диапазоне скоростей должен соответствовать виду зависимости шероховатости поверхности детали от скорости резания при токарной обработке. Эксперименты по измерению составляющих силы резания при обработке стали 14Х17Н2 резцом ТТ7К12 в диапазоне скоростей 10 – 100 м/мин ( t=1 мм, S=0,11 мм/об ) подтвердили эти предположения (см. «Сила резания при токарной обработке нержавеющей стали«, рис. 3).

Рассматривая особенности контактных процессов при токарной обработке коррозионностойких сталей с механизмом формирования высоты микронеровностей обработанной поверхности в низком скоростном диапазоне (10 – 30 м/мин) следует предположить, что деформационная составляющая высоты микронеровностей (механизм лезвийного разрушения металла при резании) взаимосвязана с глубиной деформированного слоя под обработанной поверхностью и величиной касательных напряжений на участке 3 режущего лезвия (см. «Шероховатость обработки поверхностей на токарном станке,» зона А, рис. 3), т.е. со значением составляющих силы резания Py и Px.

Механизм формирования микронеровностей во втором (высоком) скоростном диапазоне (30 – 100 м/мин) связан с увеличивающейся теплопроводностью этих сталей, точнее с изменением отношения λи/λст. Это отношение определяет долю (процентное отношение) хрупкого или вязкого разрушения в предложенной модели механизма формирования высоты микронеровности (см. «Шероховатость обработки поверхностей на токарном станке«, зона А, рис. 2) во взаимосвязи с температурной прочностью сталей. На рис. 5 приведены зависимости коэффициента теплопроводности и прочности стали 14Х17Н2 от температуры по данным справочника “Марочник сталей и сплавов” Зубченко А.С.

Рис. 5. Зависимость коэффициента теплопроводности и прочности стали 14Х17Н2 от температуры по данным справочника “Марочник сталей и сплавов” Зубченко А.С.

Характер графических зависимостей (рис. 5) объясняет увеличение параметра шероховатости поверхности детали при увеличении скорости резания от 30 м/мин до 100 м/мин во втором диапазоне, что на первый взгляд кажется «парадоксом». Это не парадокс, а особенность изменения коэффициента теплопроводности коррозионностойких сталей от температуры. В момент увеличения скорости резания при токарной обработке во втором скоростном диапазоне увеличивается температура в зоне резания, но одновременно с этим, по причине увеличения коэффициента теплопроводности, увеличивается отток тепла из зоны резания, (см. «Шероховатость обработки поверхностей на токарном станке«, зона А, рис. 3), что способствует повышению температурной прочности стали и увеличивает долю хрупкого разрушения в механизме формирования микронеровности обработанной поверхности.

Это согласуется с металловедческим аспектом Гуляева А.П. “Металловедение”, об изменении температурного интервала характера разрушения (порога хладноломкости нержавеющих сталей, имеющих объёмноцентрированную кубическую или гексогональную решётку, когда вязкое разрушение при высокой температуре сменяется хрупким.

Теплостойкость резца и скорость резания при токарной обработки

Главнейшим свойством материала резца, влияющим на скорость резания, является его «теплостойкость», т. е. способность сохранять необходимую твердость при нагреве теплотой резания.

Углы и другие элементы резца влияют на скорость резания следующим образом. При сравнительно небольшом угле резания стружка давит на переднюю поверхность резца с меньшей силой, чем при большем угле. Это способствует понижению выделяющейся теплоты и обеспечивает возможность повышения скорости резания. Но одновременно с уменьшением угла резания уменьшается и угол заострения резца, что приводит к понижению теплоотводящей способности резца и его прочности.

С уменьшением главного угла в плане скорость резания при токарной обработке, допускаемая резцом, увеличивается. Это объясняется тем, что одновременно с уменьшением главного угла в плане (при тех же глубине резания и подаче) увеличивается ширина среза, что обусловливает увеличение длины работающего участка режущей кромки резца и улучшает поглощение им теплоты резания. Однако с уменьшением главного угла в плане возрастает радиальная сила резания, что может вызвать вибрации, ускоряющие разрушение режущей кромки резца.

Увеличение радиуса закругления вершины резца способствует увеличению скорости резания, так как повышает теплоотводящую способность резца. Увеличение поперечного сечения резца способствует повышению допустимой им скорости резания, так как при этом возрастает способность резца поглощать теплоту резания.

Изменение толщины и ширины среза при неизменном его сечении по-разному влияет на скорость резания. При увеличении толщины среза и соответственном уменьшении его ширины, т. е. и длины работающего участка режущей кромки, ухудшаются условия поглощения теплоты резания резцом, его стойкость понижается. Наоборот, при увеличении ширины среза в резании участвует более длинный участок режущей кромки резца, что повышает его стойкость. Из сказанного вытекает, что для повышения скорости резания выгодно работать с тонкими и широкими стружками. Это может быть достигнуто без изменения сечения среза уменьшением подачи и соответствующим увеличением глубины резания или уменьшением главного угла в плане. Применение первого способа ограничивается припуском на обработку, а второго — вибрациями, возникающими вследствие увеличения радиальной силы резания.

Правильное применение охлаждения дает возможность повысить скорость резания при токарной обработке. Если жидкость поступает к месту образования стружки непрерывной струей в количестве 10—15 л/мин, то при обработке быстрорежущим резцом стали скорость резания может быть повышена в среднем на 20—25%, а при обработке чугуна — на 10—15%. Меньшее повышение скорости резания при обработке чугуна объясняется тем, что в данном случае основной причиной износа резца является его истирание, а не температура резания.

Источник