eng
Выпуск #2/2020
Ю. РАКУНОВ, В. АБРАМОВ, А. РАКУНОВ
РОЛЬ СКОРОСТИ РЕЗАНИЯ И РАДИУСА ОКРУГЛЕНИЯ РЕЖУЩЕГО КЛИНА В ЭФФЕКТИВНОСТИ ТОНКОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ТРУДНООБРАБАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ. Часть 2
РОЛЬ СКОРОСТИ РЕЗАНИЯ И РАДИУСА ОКРУГЛЕНИЯ РЕЖУЩЕГО КЛИНА В ЭФФЕКТИВНОСТИ ТОНКОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ТРУДНООБРАБАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ. Часть 2
Просмотры: 1108
10.22184/2499-9407.2020.19.02.76.81
Рассмотрены научно-технические подходы к проблеме определения скорости резания
при механической обработке рабочих поверхностей деталей машин и изделий
унифицированным инструментом на токарных станках с ЧПУ. Произведено
сопоставление оптимальных температур резания, полученных при точении сталей,
с температурами их структурно-фазовых α–γ-превращений. Показано, что закон
постоянства оптимальной температуры резания обеспечивает максимальную стойкость инструмента, наивысшую точность обработки при оптимальной скорости резания, как для конструкционных, так и труднообрабатываемых материалов.
Рассмотрены научно-технические подходы к проблеме определения скорости резания
при механической обработке рабочих поверхностей деталей машин и изделий
унифицированным инструментом на токарных станках с ЧПУ. Произведено
сопоставление оптимальных температур резания, полученных при точении сталей,
с температурами их структурно-фазовых α–γ-превращений. Показано, что закон
постоянства оптимальной температуры резания обеспечивает максимальную стойкость инструмента, наивысшую точность обработки при оптимальной скорости резания, как для конструкционных, так и труднообрабатываемых материалов.
Теги: cutting conditions economic tool life optimal cutting efficiency optimal cutting speed optimal cutting temperature tool life wear rate интенсивность износа оптимальная скорость резания оптимальная температура резания режимы резания стойкость инструмента экономическая стойкость инструмента эффективность оптимального резания
РОЛЬ СКОРОСТИ РЕЗАНИЯ И РАДИУСА ОКРУГЛЕНИЯ РЕЖУЩЕГО КЛИНА В ЭФФЕКТИВНОСТИ ТОНКОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ТРУДНООБРАБАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ
Часть 2
Юрий РАКУНОВ, Валерий АБРАМОВ, Александр РАКУНОВ
Рассмотрены научно-технические подходы к проблеме определения скорости резания при механической обработке рабочих поверхностей деталей машин и изделий унифицированным инструментом на токарных станках с ЧПУ. Произведено сопоставление оптимальных температур резания, полученных при точении сталей, с температурами их структурно-фазовых α–γ-превращений. Показано, что закон постоянства оптимальной температуры резания обеспечивает максимальную стойкость инструмента, наивысшую точность обработки при оптимальной скорости резания как для конструкционных, так и труднообрабатываемых материалов.
Знание оптимальных скоростей резания(Vо) является совершенно необходимым для технически грамотной и эффективной эксплуатации унифицированного режущего инструмента (УРИ) в многообразных условиях его применения. Таким образом, использование VТ позволяет исключать все еще имеющиеся на практике случаи неправильной (или преднамеренной), технически неграмотной эксплуатации инструмента, когда в погоне за высокой стойкостью РИ на производстве в ряде случаев используют заниженные скорости резания VТ [6, 7] (см. табл. 2). К сожалению, в погоне за производительностью часто жертвуют стойкостью инструмента, назначая завышенную скорость резания VТ, соответствующую по давно устаревшей и несправедливой формуле Ф. Тейлора произвольно выбранному периоду стойкости ТЭ [3–6]. При этом повышение производительности на 33‒46% приводит к снижению стойкости в 4‒6 раз [6, 14], что недопустимо, как по причине низкого качества обработки, так и высокой инструментоемкости процесса, частоты смены и наладки РИ, что нарушает режим станков с ЧПУ «настройки и коррекции размеров» обрабатываемых поверхностей деталей и приводит к экономическим потерям [10, 14].
С этой точки зрения весьма показательным является пример, приведенный в статье, которую написал Патрик де Вос (Patrick de Vos) – управляющий по корпоративному техническому обучению компании Seco Tools [11]. «Упрощенный пример непредвиденного взаимодействия факторов обработки: при обработке детали 2 мин требуется на резание и 2 мин – на загрузку и разгрузку заготовки. На смену РИ уходит 1 мин; период стойкости инструмента Т = 10 мин – пять заготовок, то есть время индексации инструмента (настройки на размер) составляет 0,2 мин на деталь. Для каждой детали требуется 4,2 мин времени обработки, следовательно, производительность немного превышает 14 заготовок в час. Стоимость РИ составляет 15 евро, а его стойкость, равная пяти заготовкам, означает, что для производства 14 заготовок требуется 2,8 инструмента (стоимость – 42 евро).
Стоимость станка – 50 евро в час. Итого стоимость производства 14 заготовок за 1 ч составляет 92 евро. Затем, пытаясь ускорить выработку и производительность, цех увеличивает V на 10%. Это сокращает время резания на 10% (до 1,8 мин), но при этом снижает стойкость инструмента примерно вдвое. Это значит, что одна режущая кромка обработает только 2,5 заготовки до того, как потребуется индексация. Время индексации РИ по-прежнему составляет 1 мин, загрузка/разгрузка заготовки – 2 мин. Время производства одной заготовки остается 4,2 мин (1,8 мин резания, 2 мин перемещение заготовки и 0,4 мин индексации инструмента) или 14 заготовок в час. Стоимость станка и РИ неизменны, поэтому требуется использовать в час 5,6 инструмента (стоимость – 84 евро). Несмотря на попытку повысить производительность, время обработки 14 заготовок остается прежним, а затраты повышаются с 92 до 134 евро (в 1,45 раза)! В данном случае увеличение V не повышает производительность перехода. Изменение времени резания влияет на другие факторы в системе обработки: в данном примере – на стойкость и время индексации РИ. Поэтому, цех должен тщательно учитывать все последствия изменений процесса».
Другая форма скрытых затрат включает выполнение вспомогательных переходов в процессе. Например, на многих предприятиях классическим примером скрытых затрат является время, затраченное на индексацию сменных пластин. Время, отводимое на индексацию пластины, может составлять 1 мин. Однако время, фактически измеряемое в производственном помещении на рабочем месте, может быть на 2, 3 или 10 мин больше, что означает разницу от 60 до 600 с в зависимости от точности размеров детали (заготовки), особенно, при финишной контурной обработке нескольких точных поверхностей за один установ в одном переходе (одним РИ).
Зарубежные исследователи еще в 1960‒70-х годах 20-го столетия убедились в несправедливости формулы Ф. Тейлора, которая не дает точного выражения зависимости T = f(V) при стойкостях РИ меньших 120 мин. Соответствующие ей формулы экономических стойкости ТЭ и скорости резания VЭ неверны. Их использование дает очень малые экономические стойкости. Поэтому была предложена зависимость T–V, которая выражается формулой:
V(С + T) = L,
где С – постоянная для данной пары материалов (обрабатываемый-инструментальный). Эта формула более точно определяет ТЭ в диапазоне 120–10 мин [4, 5, 21].
Важно отметить, что как снижение, так и повышение скоростей резания по сравнению с оптимальными Vо приводит к значительному повышению интенсивности износа и снижению размерной стойкости инструмента. Например, полуторакратное повышение скоростей резания по сравнению с Vо при чистовом точении стали 12Х18Н10Т унифицированными резцами Т30К4 на подачах (0,1–0,15) мм/об приводит к более чем двадцатикратному снижению размерной стойкости, а уменьшение V в два раза по сравнению с оптимальными в ряде случаев вызывает снижение размерной стойкости в 6–36 раз. Использование параметрических уравнений максимальной размерной стойкости во многих случаях позволяет повысить размерную стойкость инструмента (в 1,15–3,34 раза) при одновременном повышении производительности обработки (в 1,17–2,57 раза) и снизить себестоимость изготовления деталей (в 1,19–2,56 раза) по сравнению с нормативными данными [3, 6, 14, 20].
Для определения оптимальных Vо обычно проводят стойкостные исследования на 6–8 скоростях резания, и скорость резания, при которой обеспечивается максимальная размерная стойкость РИ или наименьшая интенсивность его износа, и принимают за оптимальную – Vо. Этот метод определения Vо является достаточно надежным, но обладает очень высокой трудоемкостью и требует большого расхода исследуемых на обрабатываемость материалов.
Использование же оптимальной температуры резания θ0, являющейся физической константой обрабатываемого материала, позволяет определять Vо для любых видов обработки лишь на основе температурных исследований без постановки и организации трудоемких стойкостных испытаний [6, 7, 10, 14, 15].
Для облегчения практического использования возможностей быстрого подбора режимов оптимального резания (РОР) в производственных условиях разработаны специальные номограммы [6, 14, 24], в основе которых лежат параметрические уравнения максимальной размерной стойкости, данные о высоте неровностей обработанной поверхности при оптимальных сочетаниях V и S, а также экономические расчеты (рис. 4).
Описанные способы послужили методической и технологической базой для разработки первичной подсистемы многоуровневой базовой технологии и способствовали созданию подсистемы синтезирования переходов, позиций и установов токарной групповой технологии в условиях серийного и мелкосерийного многономенклатурного производства [6, 14–16].
Номограммы позволяют по заданной высоте неровностей обработанной поверхности и принятой величине радиуса сопряжения задних поверхностей резца определить максимально допустимую величину подачи SK. Работа на подачах S > SK не обеспечит требуемой чистоты обработки, а на подачах S < SK нерациональна, так как снижает производительность труда, повышает себестоимость обработки и поверхностный относительный износ (т. е. снижает точность обработки), а также увеличивает расход УРИ.
Номограммы избавляют рабочего и нормировщика, технолога и конструктора при выборе оптимального режима резания от власти случайного выбора, приводящего обычно к непредсказуемым результатам [3–6]. Подобные номограммы необходимы при проектировании автоматических линий, где скорости рабочих движений устанавливаются неизменными. Также они необходимы для успешной разработки управляющих программ для станков с ЧПУ [24]. Номограммы наглядно показывают, что при соблюдении постоянства оптимальной температуры резания повышение подачи (в диапазоне, характерном для получистового, чистового и тонкого точения) всегда повышает не только производительность обработки, но и размерную стойкость УРИ, а, следовательно, точность и качество обрабатываемых поверхностей ответственных деталей (см. рис. 5).
При оптимальных скоростях резания, обеспечивающих отсутствие нароста, устойчивое резание возможно при отрицательных γ, но не более 45о. В точке i (т. В на рис. 1) поток металла раздваивается: часть его течет по передней поверхности РЭ, а часть – по задней, деформируясь при этом и упрочняясь [12–14]. Очевидно, что чем больше ρ, тем больше должна быть величина αi, при этом оптимальное соотношение аi /ρ можно считать равным 3–4 [1, 6, 14, 15].
В действительности на практике при величине ρ, соизмеримой с толщиной срезаемого слоя α металла, процесс стружкообразования происходит даже при отрицательных передних углах. Величина отрицательного переднего угла может быть рассчитана следующим образом:
|–γ| = arcsin (1 – аi / ζ), (4)
где аi – толщина среза в точке i; ζ – коэффициент усадки стружки.
Из этого равенства при ρ = 10 мкм и аi = 5 мкм, величина переднего угла γi = –30о. Несмотря на большие отрицательные передние углы, процесс стружкообразования при обработке эластичных материалов происходит устойчиво при достаточной жесткости системы ЗИПС (заготовка – инструмент – приспособление – станок) даже при весьма малых толщинах среза. Например, устойчивый процесс резания на скоростях 5÷6 м/мин при протягивании возможен с толщиной среза а = 2 мкм [8].
Для достоверной экспериментальной проверки УРИ проведена обработка безцентрошлифованных нагартованных прутковых заготовок ∅10,5-B-h10-H-9XC длиной 2,5 м на токарном автомате продольного точения с ЧПУ Tornos ENC264. Партии по 600 шт. деталей типа «Толкатель» ∅7,5h7(–0,012) с переходом на ∅8,2-0,1 общей длиной 47,2–0,05 мм обтачивали на режимах, рекомендованных ТP 1 80050-90 для труднообрабатываемых материалов [12‒14, 15, 19].
Унифицированные резцы 2105-0026 для наружной обработки с механическим тангенциально-клеммовым креплением цилиндрических стержневых (проволочных) многократно перетачиваемых РЭ с продольной радиусной канавкой или накладным стружколомом в режиме максимальной стойкости обеспечивают качество обработанной поверхности ∅7,5h7 (разброс в партии деталей 613 шт. – 10 мкм при шероховатости Ra < 1,25 мкм), при этом стойкость резца составляет 1000 мин (16,67 ч) до переточки, что соответствует ресурсостойкости F/∆p = 23,3/3,7 = 6,27 дм2/мкм до ввода коррекции в 5 мкм и Fп/∆pп = 47,94/7,5 = 6,39 дм2/мкм до переточки.
Эти значения превышают стойкость паяных нормализованных резцов в 3,5÷10 раз (из-за разброса в параметрах стойкости паяных резцов). По сравнению с паяными резцами фирмы Precitool (Швейцария) ресурсостойкость повышается в 1,8÷2 раза по критерию «интенсивность размерного износа на единицу площади обработанной поверхности заданного качества», то есть мкм/дм2. Ресурсостойкость наружного резца 2105-0016 на станке Tornos-ENC164 составила 57,94/7 = 8,28 дм2/мкм, что превышает этот показатель для паяного резца фирмы Precitool – 36,32/30 = 1,21 дм2/мкм – в 6,8 раза. Эти данные подтверждены актами внедрения [12, 13]. Ресурсостойкость отрезного резца 2139-0016 составила в длине отрезки 1р = 41,88 дм – при отрезке заготовок, и 6,26 дм2 – при торцовке, что в 8,3 раза больше, чем у паяных нормализованных резцов.
В заключение необходимо отметить, что, основываясь на физических причинах появления оптимальных температурных зон при резании всех конструкционных сталей и жаропрочных сплавов, способах определения оптимальных скоростей резания разработаны методы направленного формирования свойств новых обрабатываемых материалов при обработке резанием. Внедрение указанных методов в производство высокотехнологичных изделий оказывается весьма эффективным. Детали, обработанные на Vо, как показали многочисленные исследования, имеют более высокую жаропрочность, длительную прочность, коррозионную стойкость и износостойкость по сравнению с деталями, обработанными на более низких или более высоких скоростях резания. Работа на режимах оптимального резания приводит к достижению наиболее высокой точности чистовой и финишной обработки конструкционных и труднообрабатываемых материалов и повышает надежность ее обеспечения на автоматизированном оборудовании и станках с ЧПУ.
Радиус округления режущего клина ρ, шероховатость режущих поверхностей и кромок, геометрия резцов принципиально важны при финишном точении, так как определяют минимально возможное сечение среза. Твердосплавные УРИ, заточенные и доведенные алмазными кругами и пастами, обеспечивают радиус округления в пределах 2‒5 мкм, что дает на 40‒50% меньшую шероховатость и большую размерную стойкость (в 2‒3 и более раз), чем резцы, заточенные без последующей доводки [13‒15]. Особенно эта разница наблюдается при сравнении с резцами, оснащенными неперетачиваемыми сменными пластинами [4, 5, 20, 21]. Импортозамещение инструмента должно заключаться в замене покупного МРИ на УРИ при соответствующей организации его серийного производства на основе проведенных разработок [9, 12‒17].
Литература
1. Волгарев Л. Н. Исследование некоторых вопросов оптимального резания при тонком точении жаропрочных материалов: Автореф. дисс… к.т.н. – М.: МАМИ, 1970. 23 с.
2. Захарченко И. П. Основы алмазной обработки твердосплавного инструмента. – Киев: Наукова думка, 1981. 300 с.
3. Звонцов И. Ф., Иванов К. М., Серебреницкий П. П. Разработка управляющих программ для станков с ЧПУ: Учебное пособие / 2-е изд., стер. – СПб: Издательство «Лань», 2018. 588 с. (Учебники для вузов. Специальная литература).
4. Klocke F. Manufacturing Processes. Cutting. Springer, 2011. 500 p.
5. Machining: fundamentals and recent advances / Ed. J. Paulo Davim. Springer, 2008. 361 p.
6. Макаров А. Д. Оптимизация процессов резания. – М.: Машиностроение, 1976. 278 с.
7. Макаров А. Д., Самигуллин Р. З. О связи оптимальных температур резания с температурами структурно-фазовых превращений в обрабатываемых материалах // Межвуз. науч. сб. – Уфа: УАИ, 1981, вып. 6. Оптимизация процессов резания жаро- и особопрочных материалов.
8. Маргулис Д. К. Роль нароста при протягивании с малыми подачами // Станки и инструмент. 1960. № 12. С. 14–18.
9. Ракунов Ю. П., Хрульков В. А., Золотова Н. А., Тихонов Н. А. Многократно перетачиваемый резец: Патент РФ № 2226453. – Бюл. № 10, 2004.
10. Безъязычный В. Ф., Кожина Т. Д., Константинов А. В. и др. Оптимизация технологических условий механической обработки деталей авиационных двигателей. – М.: Изд-во МАИ, 1993. 184 с.
11. Патрик де Вос (Patrick de Vos). Десять простых шагов для максимального увеличения эффективности и производительности // Машиностроитель. 2017. № 3. С. 40–47.
12. Ракунов Ю. П., Абрамов В. В., Золотова Н. А. Прогрессивные конструкции и технологические процессы изготовления унифицированных твердосплавных резцов к станкам с ЧПУ // Станочный парк. 2011. № 5. С. 71–75.
13. Ракунов Ю. П., Абрамов В. В. Аналитический метод определения сил резания при тонкой механической обработке // Перспективные научные исследования. Мат-лы междунар. конф. Изд-во: Бял ГРАД-БГ (г. София, Болгария) 17-25.02.2014.
14. Ракунов Ю. П. Управление качеством токарной обработки высокоточных деталей машин // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2013. № 2. С. 36–48.
15. Ракунов Ю. П. Первичная подсистема многоуровневой базовой технологии // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2012. № 3. С. 23–31.
16. Ракунов Ю. П. Подсистема синтезирования многоуровневой базовой технологии // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2012. № 10. С. 36–46.
17. Резец: Патент РФ № 2170160 / Калмыков В. И., Ракунов Ю. П., Хрульков В. А., Петровская Т. М., Золотова Н. А., Борисенко Н. Н. – Бюл. № 19, 2001.
18. Реченко Д. С. Повышение эффективности твердосплавного лезвийного инструмента путем сверхскоростного затачивания и разработки комплекса условий его эксплуатации // Автореф. дисс. д.т.н. Томск, 2018. 37 с.
19. Рыкунов А. Н. Повышение эффективности тонкого точения исходя из достижимых показателей качества деталей и технологических возможностей процессов: Автореф. дисс. ... д.т.н. – М.: МГТУ «СТАНКИН», 1999. 30 с.
20. Sandvik Coromant. Рекомендации по режимам резания. Токарная обработка. http://www.coroguide.com/CuttingDataModule/CDMTurning.asp (дата обращения 24.12.2018).
21. Shaw M. C., Crowell J. A. Finish machining. Ann. C.I.R.P., 1965, 13, No. 1, 5–21, Discuss.
22. Хает Г. Л., Василюк Г. Д. Влияние округления режущей кромки твердосплавных резцов на их прочность и износостойкость // Вестник машиностроения. 1970. № 4. С. 71–73.
23. Янюшкин А. С., Лобанов Д. В., Кузнецов А. М., Стлидзан М. В. Анализ методов определения радиуса округления режущей кромки // Труды Братского гос. Ун-та: Серия «Естественные и инженерные науки». Т. 2. Братск: БрГУ, 2006. С. 256–260.
24. Ракунов Ю. П., Абрамов В. В., Ракунов А. Ю. Номограммы выбора подач и скоростей резания исходя из требуемой шероховатости обработки и износа унифицированных резцов // Школа Науки. 2019. № 11(22). С. 7–12.
РАКУНОВ Юрий Павлович –
кандидат технических наук, доцент, Национальный исследовательский
Московский государственный строительный университет
АБРАМОВ Валерий Васильевич –
доктор технических наук, профессор, Национальный исследовательский
Московский государственный строительный университет
РАКУНОВ Александр Юрьевич –
инженер, Национальный исследовательский Московский государственный строительный
университет
Часть 2
Юрий РАКУНОВ, Валерий АБРАМОВ, Александр РАКУНОВ
Рассмотрены научно-технические подходы к проблеме определения скорости резания при механической обработке рабочих поверхностей деталей машин и изделий унифицированным инструментом на токарных станках с ЧПУ. Произведено сопоставление оптимальных температур резания, полученных при точении сталей, с температурами их структурно-фазовых α–γ-превращений. Показано, что закон постоянства оптимальной температуры резания обеспечивает максимальную стойкость инструмента, наивысшую точность обработки при оптимальной скорости резания как для конструкционных, так и труднообрабатываемых материалов.
Знание оптимальных скоростей резания(Vо) является совершенно необходимым для технически грамотной и эффективной эксплуатации унифицированного режущего инструмента (УРИ) в многообразных условиях его применения. Таким образом, использование VТ позволяет исключать все еще имеющиеся на практике случаи неправильной (или преднамеренной), технически неграмотной эксплуатации инструмента, когда в погоне за высокой стойкостью РИ на производстве в ряде случаев используют заниженные скорости резания VТ [6, 7] (см. табл. 2). К сожалению, в погоне за производительностью часто жертвуют стойкостью инструмента, назначая завышенную скорость резания VТ, соответствующую по давно устаревшей и несправедливой формуле Ф. Тейлора произвольно выбранному периоду стойкости ТЭ [3–6]. При этом повышение производительности на 33‒46% приводит к снижению стойкости в 4‒6 раз [6, 14], что недопустимо, как по причине низкого качества обработки, так и высокой инструментоемкости процесса, частоты смены и наладки РИ, что нарушает режим станков с ЧПУ «настройки и коррекции размеров» обрабатываемых поверхностей деталей и приводит к экономическим потерям [10, 14].
С этой точки зрения весьма показательным является пример, приведенный в статье, которую написал Патрик де Вос (Patrick de Vos) – управляющий по корпоративному техническому обучению компании Seco Tools [11]. «Упрощенный пример непредвиденного взаимодействия факторов обработки: при обработке детали 2 мин требуется на резание и 2 мин – на загрузку и разгрузку заготовки. На смену РИ уходит 1 мин; период стойкости инструмента Т = 10 мин – пять заготовок, то есть время индексации инструмента (настройки на размер) составляет 0,2 мин на деталь. Для каждой детали требуется 4,2 мин времени обработки, следовательно, производительность немного превышает 14 заготовок в час. Стоимость РИ составляет 15 евро, а его стойкость, равная пяти заготовкам, означает, что для производства 14 заготовок требуется 2,8 инструмента (стоимость – 42 евро).
Стоимость станка – 50 евро в час. Итого стоимость производства 14 заготовок за 1 ч составляет 92 евро. Затем, пытаясь ускорить выработку и производительность, цех увеличивает V на 10%. Это сокращает время резания на 10% (до 1,8 мин), но при этом снижает стойкость инструмента примерно вдвое. Это значит, что одна режущая кромка обработает только 2,5 заготовки до того, как потребуется индексация. Время индексации РИ по-прежнему составляет 1 мин, загрузка/разгрузка заготовки – 2 мин. Время производства одной заготовки остается 4,2 мин (1,8 мин резания, 2 мин перемещение заготовки и 0,4 мин индексации инструмента) или 14 заготовок в час. Стоимость станка и РИ неизменны, поэтому требуется использовать в час 5,6 инструмента (стоимость – 84 евро). Несмотря на попытку повысить производительность, время обработки 14 заготовок остается прежним, а затраты повышаются с 92 до 134 евро (в 1,45 раза)! В данном случае увеличение V не повышает производительность перехода. Изменение времени резания влияет на другие факторы в системе обработки: в данном примере – на стойкость и время индексации РИ. Поэтому, цех должен тщательно учитывать все последствия изменений процесса».
Другая форма скрытых затрат включает выполнение вспомогательных переходов в процессе. Например, на многих предприятиях классическим примером скрытых затрат является время, затраченное на индексацию сменных пластин. Время, отводимое на индексацию пластины, может составлять 1 мин. Однако время, фактически измеряемое в производственном помещении на рабочем месте, может быть на 2, 3 или 10 мин больше, что означает разницу от 60 до 600 с в зависимости от точности размеров детали (заготовки), особенно, при финишной контурной обработке нескольких точных поверхностей за один установ в одном переходе (одним РИ).
Зарубежные исследователи еще в 1960‒70-х годах 20-го столетия убедились в несправедливости формулы Ф. Тейлора, которая не дает точного выражения зависимости T = f(V) при стойкостях РИ меньших 120 мин. Соответствующие ей формулы экономических стойкости ТЭ и скорости резания VЭ неверны. Их использование дает очень малые экономические стойкости. Поэтому была предложена зависимость T–V, которая выражается формулой:
V(С + T) = L,
где С – постоянная для данной пары материалов (обрабатываемый-инструментальный). Эта формула более точно определяет ТЭ в диапазоне 120–10 мин [4, 5, 21].
Важно отметить, что как снижение, так и повышение скоростей резания по сравнению с оптимальными Vо приводит к значительному повышению интенсивности износа и снижению размерной стойкости инструмента. Например, полуторакратное повышение скоростей резания по сравнению с Vо при чистовом точении стали 12Х18Н10Т унифицированными резцами Т30К4 на подачах (0,1–0,15) мм/об приводит к более чем двадцатикратному снижению размерной стойкости, а уменьшение V в два раза по сравнению с оптимальными в ряде случаев вызывает снижение размерной стойкости в 6–36 раз. Использование параметрических уравнений максимальной размерной стойкости во многих случаях позволяет повысить размерную стойкость инструмента (в 1,15–3,34 раза) при одновременном повышении производительности обработки (в 1,17–2,57 раза) и снизить себестоимость изготовления деталей (в 1,19–2,56 раза) по сравнению с нормативными данными [3, 6, 14, 20].
Для определения оптимальных Vо обычно проводят стойкостные исследования на 6–8 скоростях резания, и скорость резания, при которой обеспечивается максимальная размерная стойкость РИ или наименьшая интенсивность его износа, и принимают за оптимальную – Vо. Этот метод определения Vо является достаточно надежным, но обладает очень высокой трудоемкостью и требует большого расхода исследуемых на обрабатываемость материалов.
Использование же оптимальной температуры резания θ0, являющейся физической константой обрабатываемого материала, позволяет определять Vо для любых видов обработки лишь на основе температурных исследований без постановки и организации трудоемких стойкостных испытаний [6, 7, 10, 14, 15].
Для облегчения практического использования возможностей быстрого подбора режимов оптимального резания (РОР) в производственных условиях разработаны специальные номограммы [6, 14, 24], в основе которых лежат параметрические уравнения максимальной размерной стойкости, данные о высоте неровностей обработанной поверхности при оптимальных сочетаниях V и S, а также экономические расчеты (рис. 4).
Описанные способы послужили методической и технологической базой для разработки первичной подсистемы многоуровневой базовой технологии и способствовали созданию подсистемы синтезирования переходов, позиций и установов токарной групповой технологии в условиях серийного и мелкосерийного многономенклатурного производства [6, 14–16].
Номограммы позволяют по заданной высоте неровностей обработанной поверхности и принятой величине радиуса сопряжения задних поверхностей резца определить максимально допустимую величину подачи SK. Работа на подачах S > SK не обеспечит требуемой чистоты обработки, а на подачах S < SK нерациональна, так как снижает производительность труда, повышает себестоимость обработки и поверхностный относительный износ (т. е. снижает точность обработки), а также увеличивает расход УРИ.
Номограммы избавляют рабочего и нормировщика, технолога и конструктора при выборе оптимального режима резания от власти случайного выбора, приводящего обычно к непредсказуемым результатам [3–6]. Подобные номограммы необходимы при проектировании автоматических линий, где скорости рабочих движений устанавливаются неизменными. Также они необходимы для успешной разработки управляющих программ для станков с ЧПУ [24]. Номограммы наглядно показывают, что при соблюдении постоянства оптимальной температуры резания повышение подачи (в диапазоне, характерном для получистового, чистового и тонкого точения) всегда повышает не только производительность обработки, но и размерную стойкость УРИ, а, следовательно, точность и качество обрабатываемых поверхностей ответственных деталей (см. рис. 5).
При оптимальных скоростях резания, обеспечивающих отсутствие нароста, устойчивое резание возможно при отрицательных γ, но не более 45о. В точке i (т. В на рис. 1) поток металла раздваивается: часть его течет по передней поверхности РЭ, а часть – по задней, деформируясь при этом и упрочняясь [12–14]. Очевидно, что чем больше ρ, тем больше должна быть величина αi, при этом оптимальное соотношение аi /ρ можно считать равным 3–4 [1, 6, 14, 15].
В действительности на практике при величине ρ, соизмеримой с толщиной срезаемого слоя α металла, процесс стружкообразования происходит даже при отрицательных передних углах. Величина отрицательного переднего угла может быть рассчитана следующим образом:
|–γ| = arcsin (1 – аi / ζ), (4)
где аi – толщина среза в точке i; ζ – коэффициент усадки стружки.
Из этого равенства при ρ = 10 мкм и аi = 5 мкм, величина переднего угла γi = –30о. Несмотря на большие отрицательные передние углы, процесс стружкообразования при обработке эластичных материалов происходит устойчиво при достаточной жесткости системы ЗИПС (заготовка – инструмент – приспособление – станок) даже при весьма малых толщинах среза. Например, устойчивый процесс резания на скоростях 5÷6 м/мин при протягивании возможен с толщиной среза а = 2 мкм [8].
Для достоверной экспериментальной проверки УРИ проведена обработка безцентрошлифованных нагартованных прутковых заготовок ∅10,5-B-h10-H-9XC длиной 2,5 м на токарном автомате продольного точения с ЧПУ Tornos ENC264. Партии по 600 шт. деталей типа «Толкатель» ∅7,5h7(–0,012) с переходом на ∅8,2-0,1 общей длиной 47,2–0,05 мм обтачивали на режимах, рекомендованных ТP 1 80050-90 для труднообрабатываемых материалов [12‒14, 15, 19].
Унифицированные резцы 2105-0026 для наружной обработки с механическим тангенциально-клеммовым креплением цилиндрических стержневых (проволочных) многократно перетачиваемых РЭ с продольной радиусной канавкой или накладным стружколомом в режиме максимальной стойкости обеспечивают качество обработанной поверхности ∅7,5h7 (разброс в партии деталей 613 шт. – 10 мкм при шероховатости Ra < 1,25 мкм), при этом стойкость резца составляет 1000 мин (16,67 ч) до переточки, что соответствует ресурсостойкости F/∆p = 23,3/3,7 = 6,27 дм2/мкм до ввода коррекции в 5 мкм и Fп/∆pп = 47,94/7,5 = 6,39 дм2/мкм до переточки.
Эти значения превышают стойкость паяных нормализованных резцов в 3,5÷10 раз (из-за разброса в параметрах стойкости паяных резцов). По сравнению с паяными резцами фирмы Precitool (Швейцария) ресурсостойкость повышается в 1,8÷2 раза по критерию «интенсивность размерного износа на единицу площади обработанной поверхности заданного качества», то есть мкм/дм2. Ресурсостойкость наружного резца 2105-0016 на станке Tornos-ENC164 составила 57,94/7 = 8,28 дм2/мкм, что превышает этот показатель для паяного резца фирмы Precitool – 36,32/30 = 1,21 дм2/мкм – в 6,8 раза. Эти данные подтверждены актами внедрения [12, 13]. Ресурсостойкость отрезного резца 2139-0016 составила в длине отрезки 1р = 41,88 дм – при отрезке заготовок, и 6,26 дм2 – при торцовке, что в 8,3 раза больше, чем у паяных нормализованных резцов.
В заключение необходимо отметить, что, основываясь на физических причинах появления оптимальных температурных зон при резании всех конструкционных сталей и жаропрочных сплавов, способах определения оптимальных скоростей резания разработаны методы направленного формирования свойств новых обрабатываемых материалов при обработке резанием. Внедрение указанных методов в производство высокотехнологичных изделий оказывается весьма эффективным. Детали, обработанные на Vо, как показали многочисленные исследования, имеют более высокую жаропрочность, длительную прочность, коррозионную стойкость и износостойкость по сравнению с деталями, обработанными на более низких или более высоких скоростях резания. Работа на режимах оптимального резания приводит к достижению наиболее высокой точности чистовой и финишной обработки конструкционных и труднообрабатываемых материалов и повышает надежность ее обеспечения на автоматизированном оборудовании и станках с ЧПУ.
Радиус округления режущего клина ρ, шероховатость режущих поверхностей и кромок, геометрия резцов принципиально важны при финишном точении, так как определяют минимально возможное сечение среза. Твердосплавные УРИ, заточенные и доведенные алмазными кругами и пастами, обеспечивают радиус округления в пределах 2‒5 мкм, что дает на 40‒50% меньшую шероховатость и большую размерную стойкость (в 2‒3 и более раз), чем резцы, заточенные без последующей доводки [13‒15]. Особенно эта разница наблюдается при сравнении с резцами, оснащенными неперетачиваемыми сменными пластинами [4, 5, 20, 21]. Импортозамещение инструмента должно заключаться в замене покупного МРИ на УРИ при соответствующей организации его серийного производства на основе проведенных разработок [9, 12‒17].
Литература
1. Волгарев Л. Н. Исследование некоторых вопросов оптимального резания при тонком точении жаропрочных материалов: Автореф. дисс… к.т.н. – М.: МАМИ, 1970. 23 с.
2. Захарченко И. П. Основы алмазной обработки твердосплавного инструмента. – Киев: Наукова думка, 1981. 300 с.
3. Звонцов И. Ф., Иванов К. М., Серебреницкий П. П. Разработка управляющих программ для станков с ЧПУ: Учебное пособие / 2-е изд., стер. – СПб: Издательство «Лань», 2018. 588 с. (Учебники для вузов. Специальная литература).
4. Klocke F. Manufacturing Processes. Cutting. Springer, 2011. 500 p.
5. Machining: fundamentals and recent advances / Ed. J. Paulo Davim. Springer, 2008. 361 p.
6. Макаров А. Д. Оптимизация процессов резания. – М.: Машиностроение, 1976. 278 с.
7. Макаров А. Д., Самигуллин Р. З. О связи оптимальных температур резания с температурами структурно-фазовых превращений в обрабатываемых материалах // Межвуз. науч. сб. – Уфа: УАИ, 1981, вып. 6. Оптимизация процессов резания жаро- и особопрочных материалов.
8. Маргулис Д. К. Роль нароста при протягивании с малыми подачами // Станки и инструмент. 1960. № 12. С. 14–18.
9. Ракунов Ю. П., Хрульков В. А., Золотова Н. А., Тихонов Н. А. Многократно перетачиваемый резец: Патент РФ № 2226453. – Бюл. № 10, 2004.
10. Безъязычный В. Ф., Кожина Т. Д., Константинов А. В. и др. Оптимизация технологических условий механической обработки деталей авиационных двигателей. – М.: Изд-во МАИ, 1993. 184 с.
11. Патрик де Вос (Patrick de Vos). Десять простых шагов для максимального увеличения эффективности и производительности // Машиностроитель. 2017. № 3. С. 40–47.
12. Ракунов Ю. П., Абрамов В. В., Золотова Н. А. Прогрессивные конструкции и технологические процессы изготовления унифицированных твердосплавных резцов к станкам с ЧПУ // Станочный парк. 2011. № 5. С. 71–75.
13. Ракунов Ю. П., Абрамов В. В. Аналитический метод определения сил резания при тонкой механической обработке // Перспективные научные исследования. Мат-лы междунар. конф. Изд-во: Бял ГРАД-БГ (г. София, Болгария) 17-25.02.2014.
14. Ракунов Ю. П. Управление качеством токарной обработки высокоточных деталей машин // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2013. № 2. С. 36–48.
15. Ракунов Ю. П. Первичная подсистема многоуровневой базовой технологии // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2012. № 3. С. 23–31.
16. Ракунов Ю. П. Подсистема синтезирования многоуровневой базовой технологии // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2012. № 10. С. 36–46.
17. Резец: Патент РФ № 2170160 / Калмыков В. И., Ракунов Ю. П., Хрульков В. А., Петровская Т. М., Золотова Н. А., Борисенко Н. Н. – Бюл. № 19, 2001.
18. Реченко Д. С. Повышение эффективности твердосплавного лезвийного инструмента путем сверхскоростного затачивания и разработки комплекса условий его эксплуатации // Автореф. дисс. д.т.н. Томск, 2018. 37 с.
19. Рыкунов А. Н. Повышение эффективности тонкого точения исходя из достижимых показателей качества деталей и технологических возможностей процессов: Автореф. дисс. ... д.т.н. – М.: МГТУ «СТАНКИН», 1999. 30 с.
20. Sandvik Coromant. Рекомендации по режимам резания. Токарная обработка. http://www.coroguide.com/CuttingDataModule/CDMTurning.asp (дата обращения 24.12.2018).
21. Shaw M. C., Crowell J. A. Finish machining. Ann. C.I.R.P., 1965, 13, No. 1, 5–21, Discuss.
22. Хает Г. Л., Василюк Г. Д. Влияние округления режущей кромки твердосплавных резцов на их прочность и износостойкость // Вестник машиностроения. 1970. № 4. С. 71–73.
23. Янюшкин А. С., Лобанов Д. В., Кузнецов А. М., Стлидзан М. В. Анализ методов определения радиуса округления режущей кромки // Труды Братского гос. Ун-та: Серия «Естественные и инженерные науки». Т. 2. Братск: БрГУ, 2006. С. 256–260.
24. Ракунов Ю. П., Абрамов В. В., Ракунов А. Ю. Номограммы выбора подач и скоростей резания исходя из требуемой шероховатости обработки и износа унифицированных резцов // Школа Науки. 2019. № 11(22). С. 7–12.
РАКУНОВ Юрий Павлович –
кандидат технических наук, доцент, Национальный исследовательский
Московский государственный строительный университет
АБРАМОВ Валерий Васильевич –
доктор технических наук, профессор, Национальный исследовательский
Московский государственный строительный университет
РАКУНОВ Александр Юрьевич –
инженер, Национальный исследовательский Московский государственный строительный
университет
Отзывы читателей
