Одной из основных предпосылок повышения качества деталей и точности обработки труднообрабатываемых конструкционных материалов является создание и эффективное применение новых сверхтвердых материалов, в связи с чем, оптимизация процессов механической обработки с использованием инструментов из сверхтвердых материалов весьма актуальна.

      Сверхтвердые материалы на основе сверхтвердых модификаций нитрида бора, немного уступая алмазу по твердости, характеризуются высокой термостойкостью, которая достигает 15000С, высоким сопротивлением термическим ударам и циклическим нагрузкам, а также слабым химическим взаимодействием с железом. Установлено, что в процессе резания эльборовыми резцами стружкообразование, силы резания и тепловые явления имеют специфические особенности. На усадку стружки, кроме скорости резания, подачи и твердости обрабатываемого материала, большое влияние оказывает износ резца. При обработке эльборовыми резцами закаленных сталей возникают высокие удельные силы и температуры резания, при которых резец достигает в некоторых случаях красностойкости. Они влияют не только на стойкость инструмента, но и на точность и качество поверхностного слоя деталей через термические деформации.

      Цель представляемой работы – установить взаимосвязь оптимальных режимов резания с условиями механообработки и показателями качества обработанной поверхности при токарной обработке инструментами из сверхтвердых материалов.

      Целевая функция - производительность обработки, максимум которой достигается при минимуме основного времени, или максимуме произведения n∙s→max. (n, s - частота вращения и подача).

При токарной обработке инструментами из сверхтвердых материалов рассматриваются ограничения по возможностям режущего инструмента, по предельно допустимой шероховатости обработанной поверхности R_aдоп, по предельно допустимой температуре резания Q_доп, кинематические ограничения, которые могут быть представлены в следующем виде:

В результате линеаризации целевой функции и ограничений путем логарифмирования определена математическая модель процесса резания при токарной обработке инструментами из сверхтвердых материалов, выраженная системой линейных неравенств, графически представленных рис. 1:

Примеры определения оптимальных режимов резания приведенные для тонкой токарной обработки вала диаметром D=200мм, длиной L =300мм из стали Р18 (НRC 62...64) и из стали 45 ХВГ (НRC 60...62) резцами из эльбора (геометрические параметры: передний угол 5°, радиус при вершине r = 0,5мм; стойкость T = 300мин., глубина резания t = 0,5мм); шероховатость обработанной поверхности R_aдоп = 0,32 мкм.

Для заданных условий обработки принятые следующие коэффициенты и показатели:
коэффициенты и показатели, характеризующие степень влияния глубины, подачи и стойкости на скорость резания: C_V =2,933 103; K_V = 1,1 (Р18); K_V = 1,2 (ХВГ); x_v= 0,182; y_v= 0,303; m = 0,606 [2];
коэффициенты и показатели, которые характеризуют степень влияния подачи, переднего угла, радиуса при вершине и скорости v на шероховатость обработанной поверхности: k₀= 0,68; k₁=0,77;k₂= 0,28; k₃=0,24; k₄= 0,56;
коэффициенты и показатели, которые характеризуют степень влияния глубины, подачи и стойкости на температуру резания:
- для стали Р18: C_t =278; x_t = 0,08; y_t= 0,23; n_t = 0,42; Q_доп= 1000°С;
- для стали ХВГ:C_t =490; x_t = 0,09; y_t= 0,12; n_t = 0,2; Q_доп= 800°С.

С их учетом определены следующие значения параметров b_i:
- для стали Р18: b₁= 5,213; b₂ = -2,932; b₃= -2,996; b₄= 1,03; b₅= 2,526; b₆ = 7,601;
- для стали ХВГ: b₁ = 5,3; b₂= -2,932; b₃ = -2,996; b₄ = 1,03; b₅ = 2,526; b₆ = 7,601. На рис. 1 графически представленная схема определения оптимальных режимов резания тонкой токарной обработки стали ХВГ и стали Р18.

Точка С в многоугольниках АВС, в которой целевая функция принимает максимальное значение, является точкой пересечения ограничений по возможностям режущего инструмента и по допустимой температуре резания, когда максимально допустимое из условий структурно-фазовых преобразований обрабатываемой поверхности температура для стали ХВГ Q_доп= 800°С; в то же время она является точкой пересечения ограничений по возможностям режущего инструмента и по предельно допустимой шероховатости обработанной поверхности, когда максимально допустимая из условий структурно-фазовых преобразований обрабатываемой поверхности температура для стали Р18 Q_доп= 1000°С.

Для заданных условий механообработки определены следующие результаты расчета оптимальных режимов резания:

Согласно паспортным данным станка принятые следующие режимы резания: n_опт = 315об/мин; s_опт= 0,15мм/об; v_опт = 200м/мин.

На основании выполненного анализа ограничений, для любых условий токарной обработки инструментами из сверхтвердых материалов оптимальная подача и скорость резания могут быть определены следующим образом:

Таким образом, с использованием метода линейного программирования установлены аналитические взаимосвязи оптимальных режимов резания с условиями механообработки и показателями качества обработанной поверхности при токарной обработке инструментами из сверхтвердых материалов с учетом весьма важных для них температурных ограничений. На основании полученных результатов разработаны рекомендации по выбору оптимальных режимов резания в любых условиях токарной обработки инструментами из сверхтвердых материалов.