Анохина Анастасия Юрьевна

    В современных условиях повсеместного стремления к повышению производительности труда и наращивании объёмов производства актуальной становится разработка и внедрение новых и прогрессивных методов обработки. Такие методы должны позволять осуществлять обработку заготовок получаемых по новейшим технологиям, основной тенденцией развития которых является уменьшение припусков на механическую обработку. В технологии машиностроения одним из наиболее крупных и принципиальных достижений в области разработки описанных выше методов на протяжении уже длительного периода времени явилась обработка металлов с весьма высокими скоростями резания, получившая название скоростной обработки резанием.
     Резание металлов на больших скоростях (скоростное резание), возникшее в СССР в 50-х годах прошлого столетия, к настоящему времени получило теоретическое обоснование и применяется на металлорежущих станках. Это достигнуто объединенными усилиями ученых, инженеров-производственников (А. В. Кривоухова, А. И. Исаева, П. П. Грудова и др.) и токарей-новаторов (Г. С. Борткевича, П. Б. Быкова, В. М. Бирюкова, В. Н. Трутнева, В. Я. Карасева, В. К. Семинского, Д. И. Рыжкова, В. А. Колесова и многих других).
     Возможность скоростного резания металлов стала результатом, как усовершенствования твёрдых сплавов, так и развития новых принципов конструирования и эксплуатации режущих инструментов.
     Основными видами скоростного резания металлов являются: скоростное точение и растачивание, фрезерование, зубофрезерование, строгание и сверление.
     Отличительной особенностью всех видов высокоскоростной обработки является применение инструментальных материалов отличающихся повышенной прочностью и износостойкостью. Широкое распространение получили такие инструментальные материалы как твердые сплавы и минералокерамика.
     Минералокерамические материалы для изготовления режущих инструментов стали применять сравнительно недавно. Наиболее широкое распространение получил минералокерамический материал марки ЦМ332, состоящий в основном из окиси алюминия Al₂0₃ с небольшой добавкой окиси магния МgО. Минералокерамика, не содержащая дорогостоящих и дефицитных элементов, имеет следующие основные преимущества: повышенную производительность и качество обработки, стабильность цен и практически неограниченные сырьевые ресурсы исходных материалов.
     Основываясь на результатах исследований, можно сделать вывод о том, что скоростное резание позволяет обеспечить повышение производительности лезвийной обработки при высоком качестве обработанной поверхности. Появление новых инструментальных материалов позволяет значительно повысить скорости резания, однако требует проведения дополнительных исследований для изучения закономерностей высокоскоростного резания.

     Высокоскоростное резание за последние годы совершило революционный переворот в методах механообработки. Решающий фактор в оценке процесса высокоскоростной обработки металлов резанием — производительность станков, которые определяют стоимость производства и, таким образом, амортизацию инвестиций. Технология высокоскоростной обработки резанием относится к числу наиболее прогрессивных и быстро развивающихся. Однако, несмотря на более чем полувековую историю своего развития, эта технология не везде получила широкое применение. Этот вид обработки резанием является относительно новым технологическим процессом, и опыт его применения в нашей стране весьма ограничен. В большинстве случаев это связано с несовершенством технической базы отечественного производства, а также со специфическими требованиями, предъявляемыми к станкам, системам с ЧПУ, режущему инструменту, вспомогательному инструменту с системой закрепления инструмента, средствам технического оснащения, системам программирования, квалификации технолога программиста и оператора станка с ЧПУ. Пренебрежение одним из этих составляющих может свести к нулю все предыдущие усилия.
     Кроме этого следует отметить, что скоростная обработка резанием преимущественно применяется для точения закалённых и труднообрабатываемых материалов. В то же время одной из тенденций развития современного машиностроения является разработка и применение прогрессивных инструментов на основе высококачественных инструментальных материалов, в частности, минералокерамики. В связи с этим возникает вопрос о рациональном использовании таких инструментальных материалов при обработке конструкционных сталей, имеющих наиболее широкое распространение.

    Цель работы — анализ возможности использования режущего инструмента с минералокерамикой для обработки конструкционных сталей в условиях высокоскоростного точения.
     Основная задача работы: определение наиболее рациональных режимов обработки конструкционных сталей режущим инструментом с минералокерамикой в условиях высокоскоростного точения.

2 Теоретическая часть

    Характерной особенностью высокоскоростной обработки металлов резанием является снижение сил резания в некотором диапазоне скоростей. Однако наиболее важным фактором является перераспределение тепла в зоне резания. При небольших сечениях среза, в данном диапазоне скоростей основная масса тепла концентрируется в стружке, не успевая переходить в заготовку. Именно это позволяет вести обработку закаленных сталей не опасаясь отпуска поверхностного слоя. Отсюда основной принцип ВСО — малое сечение среза, снимаемое с высокой скоростью резания, и соответственно высокие обороты шпинделя и высокая минутная подача.
     Сущность этого способа обработки металлов заключается в том, что с повышением скорости резания уменьшается степень деформации металла в процессе стружкообразования, что подтверждается, в частности, уменьшением усадки стружки и силы резания при скоростном точении. Уменьшение деформации в отдельных частицах стружки обусловливает уменьшение количества теплоты, образующейся в процессе резания в каждой частице. Кроме того, каждая частица стружки при высокой скорости резания соприкасается с передней поверхностью резца в течение меньшего времени, чем при сравнительно низкой скорости. Благодаря этому при скоростном точении из каждой отдельной частицы стружки в резец поступает меньше теплоты, чем при низкой скорости резания.
     При увеличении скорости обработки уменьшается и количество теплоты, переходящей из стружки в обрабатываемую деталь. Опытами многих исследователей, занимавшихся этим предметом (А. В. Кривоухов, В. К. Семинский, В. А. Колесов и другие), хорошо подтверждается, что при высоких скоростях резания обработанная поверхность нагревается лишь незначительно.
     Таким образом, в условиях высокоскоростного точения распределение образовавшейся теплоты благоприятнее, чем при умеренных скоростях; в стружке, получившейся при высокой скорости резания, остается теплоты больше, чем при низкой скорости.
     Основные закономерности, характерные для процесса высокоскоростной обработки резанием представлены на рисунке 1.
    

    Несмотря на положительное значение повышения скорости обработки, условия работы режущей кромки резца при скоростном точении тяжелее, чем при менее высоких скоростях. Хотя количество теплоты, поступающей в резец из каждой частицы стружки, при скоростном резании меньше, чем при умеренных скоростях резания, общее количество теплоты, которое поступит в резец за одно и то же время его работы, будет больше при высокой скорости обработки, чем при низкой. Это объясняется тем, что в первом случае резец получит теплоту из большего количества частиц стружки, чем за такое же время при невысокой скорости.
     В результате при скоростном резании резец нагревается значительно больше, чем при работе с умеренной скоростью резания. Поэтому развитие скоростного резания обусловило необходимость дальнейшего повышения прочности и стойкости твердосплавных резцов.
     Одним из мероприятий, направленных к достижению этой цели, явилось улучшение качества твердых сплавов. Другое направление — создание новых высококачественных инструментальных материалов, известным представителем которых является минералокерамика.
    

    При отрицательном переднем угле выкрашивания пластинки, как правило, не происходит, что объясняется следующими факторами:
     1) при точении резцами с отрицательным передним углом (- ) направление действующей силы Р обусловливает сжатие (рис. 2, а) и обеспечивает более благоприятные условия работы пластинки твердого сплава в сравнении с условиями работы резца с положительным (+ ) передним углом (рис. 2, б);
     2) при отрицательном переднем угле и положительном угле наклона режущей кромки вершина резца предохранена от ударов при обтачивании прерывистых поверхностей.
     Все сказанное выше относится главным образом к обработке стали. Резание чугуна и цветных металлов требует значительно меньших затрат; преимущества отрицательных углов в данном случае сказываются слабее. Вследствие этого при обработке указанных материалов резцы с отрицательными передними углами применяются реже.
     Наряду с достоинствами резцы с отрицательным передним углом имеют ряд существенных недостатков.
     1) При точении резцами с отрицательным передним углом возрастает сила трения стружки о резец, вследствие чего увеличивается и потребная мощность. Поэтому при работе на недостаточно мощных станках приходится уменьшать скорость резания или подачу, а вместе с тем и производительность.
     2) При работе рассматриваемыми резцами возрастает радиальная сила Ру, что приводит к искажению формы обрабатываемой детали (при ее недостаточной жесткости), вибрациям и т. д.. Ввиду этого резцы с отрицательным передним углом применяются лишь для обработки стали с повышенной и высокой прочностью (бв = 800 МПа и больше), при резании с ударной нагрузкой и при обработке заготовок с очень твердым поверхностным слоем. В последнее время стремятся и в таких случаях пользоваться резцами с положительным передним углом.
     Наблюдение за внешним видом стальной стружки, снимаемой резцами с положительными и отрицательными передними углами (+ 20°; + 10°; 0°; - 20°) показывает, что во всех случаях увеличение скорости резания приводит к увеличению радиуса завитков стружки. При снимаемом сечении стружки t х s= 3,0 х 0,1 мм² и работе резцами с положительными передними углами на небольших скоростях резания (порядка 20 м/мин) стружка имеет вид туго закрученных архимедовых спиралей. По мере же увеличения скорости резания она приобретает форму сплошной спиральной ленты, диаметр завитка которой вырастает от 15 до 20 мм. при скоростях порядка 100 м/мин и до 50 см при скоростях 300 м/мин. Одновременно с этим происходит и изменение цвета стружки от светлого (стального) до синего. При работе резцами с отрицательными передними углами на небольших скоростях резания (порядка 20 м/мин) стружка сходит завитками, длиной не более одного завитка; при больших скоростях резания стружка имеет форму сплошной спиральной ленты, радиус завитков, которой растет значительно быстрее, чем для резцов с положительными передними углами. Так, при отрицательном переднем угле = - 10° на скоростях резания более 200 м/мин стружка сходит в виде прямой (неспиральной) ленты. При угле = - 20° и скорости резании V = 60 м/мин стружка ломается на отрезке в 2 — 4 завитка, и уже при скорости резания более 75 м/мин она сходит в виде прямой (неспиральной) ленты.
    

Рисунок 3 — Формирование стружки при скорости резания V = 15 м/сек	Рисунок 4 — Формирование стружки при скорости резания V = 45 м/сек

Цвет стружки изменяется так же, как и при положительных передних углах.
    На стружках, снятых резцом с отрицательным передним углом = - 20° заметны весьма сильные сдвиги отдельных элементов (наружная поверхность стружки пилообразна) даже при подаче s = 0,l мм/об. При больших скоростях резания эти сдвиги становятся менее заметными и при скоростях, превышающих 200 м/мин, стружки, снятые резцом = - 20° почти не отличаются по виду от стружек, снятых резцом с положительным передним углом. При подачах (толщинах стружки) больших, чем 0,1 — 0,3 мм/об, и невысоких скоростях резания (V = 40 — 50 м/мин) стружка, снимаемая инструментами с отрицательными передними углами, разделена на отдельные элементы, т. е. представляет типичную стружку скалывания.
     Можно сделать вывод, что усадка стружки в пределах скоростей резания до 40 м/мин, в особенности при работе с отрицательными передними углами, имеет несомненную тенденцию к увеличению. При увеличении же скорости резания выше 40 м/мин происходит уменьшение усадки стружки, причем особенно интенсивно при работе с отрицательными передними углами. Большой интерес представляет изучение влияния скорости резания на изменение тангенциальных усилий при работе резцами с положительными и отрицательными углами. Американские ученые, производившие измерение тангенциальных усилий при резании сталей резцами с положительными и отрицательными передними углами в широком диапазоне изменения скоростей резания (от 30 до 350 м/мин), установили, что при больших скоростях резания тангенциальное усилие с увеличением скорости резания возрастает в случае положительных передних углов и, наоборот, уменьшается в случае отрицательных передних углов. По данным этих исследований величина тангенциального усилия для обоих случаев будет одинаковой, и далее, по мере увеличения скорости резания, усилие резания при отрицательных передних углах будет меньше, чем при положительных. Опыты проводились по стали 50 и чугуну Нв = 143 в условиях свободного резания резцами с углами = + 20°; + 10°; 0°, - 10° и - 20° при заднем угле 3°, при подаче s = 0,1 мм; резцами с углами = + 10° и - 10° и задним углом 3°, при подачах 0,2 мм; резцами с углами = + 10° и - 10° и задним углом 8° при подаче 0,05 мм.
     Результаты опытов позволяют сделать следующие выводы.
     А. При резании сталей:
     1) увеличение скорости резания при работе резцами с положительными передними углами вызывает увеличение тангенциального усилия резания;
     2) при резании резцами с нулевым передним углом скорость резания в диапазоне от 50 до 350 м/мин на величину тангенциального усилия резания не влияет;
     3) увеличение скорости резания в диапазоне 50 — 400 м/мин при работе резцами с отрицательными передними углами вызывает уменьшение тангенциального усилия резания;
     4) значение скорости резания, при которой усилия резания становятся одинаковыми для резцов с отрицательными и положительными передними углами, при обработке стали 50 достигает приблизительно 400 м/мин.
     5) в диапазоне скоростей резания от 10 до 40 — 50 м/мин при работе инструментами с нулевым и отрицательным передним углом наблюдается большой разброс экспериментальных данных при общей тенденции к росту усилий с увеличением скорости резания, т. е. имеют место явления, повторяющие изменение усадки стружки в этом диапазоне.
     Естественным объяснением такого явления представляется влияние на процесс резания нароста, образование которого в указанном диапазоне скоростей резания протекает наиболее интенсивно.
     Б. По чугуну:
     1) при работе резцами как с отрицательными, так и с положительными передними углами тангенциальные усилия резания по мере увеличения скорости резания сначала падают, а затем остаются неизменными;
     2) при невысоких скоростях резания усилия резания для резцов с отрицательными передними углами больше, чем для резцов с положительными передними углами;
     3) при достаточно высоких скоростях резания (более 100 м/мин) усилия резания при работе инструментами с отрицательным передним углом ( = - 10°) оказываются меньшими, чем при работе с положительным передним углом ( = + 10°).
    

3 Практическая часть

    Одной из основополагающих частей магистерской работы является практическая часть, которая предполагает проведение эксперимента. При выполнении практической части своей магистерской работы мне предстоит оценить влияние подачи и глубины резания при скоростном точении на шероховатость обрабатываемой поверхности.
     Для этого предварительно выполняется планирование эксперимента, которое предполагает определение следующих исходных данных:
     1) Предстоит провести 3-х факторный эксперимент;
     2) В качестве независимых переменных факторов принимаются скорость резания (изменяется в диапазоне от 178,4 до 780 м/мин), подача (0,05 — 0,2 мм/об) и глубина резания (0,15 — 0,5 мм);
     3) Критерием оптимизации является шероховатость обрабатываемой поверхности заготовки Ra, мкм;
     4) В ходе эксперимента проводится 15 опытов при различных сочетаниях режимов резания и каждый опыт выполняется трижды с целью получения результатов высокого уровня достоверности.
     Эксперимент, который я и мой руководитель планируем провести заключается в следующем:
     1) На токарном станке с ЧПУ модели 16К20Ф3 провести обработку одинаковых заготовок при различных сочетаниях режимов обработки;
     2) Провести статистическую и аналитическую обработку полученных экспериментальных данных;
     3) Сделать выводы о том какие режимы являются наиболее рациональными при обработке конструкционных сталей режущим инструментом с минералокерамикой в условиях высокоскоростной обработки резанием.

4 Заключительная часть

    По данным различных исследований можно судить о том, что применение режущего инструмента с использованием минералокерамики наиболее рационально для точения закалённых и труднообрабатываемых материалов. Однако целью настоящей работы является изучение возможности использования режущего инструмента с минералокерамикой в условиях высокоскоростного точения для обработки конструкционных сталей, имеющих наиболее широкое распространение. И по этому поводу можно отметить, что применять режущий инструмент с использованием минералокерамики наиболее целесообразно при высоких скоростях резания порядка 600 — 800 м/мин, однако малых подачах (0,05 — 0,1 мм/об) и глубинах резания (0,15 — 0,25 мм). Наименее благоприятные условия обработки конструкционных сталей режущим инструментом с минералокерамикой в условиях высокоскоростного точения при скоростях до 300 м/мин, подачах свыше 0,15 мм/об и величине снимаемого припуска более 0,3 мм. При этом величина шероховатости обрабатываемой поверхности заготовки имеет достаточно большую величину. Такой результат можно объяснить следующим образом.
     Из физики процесса резания металлов известно, что режущий материал должен обладать большей твердостью, чем обрабатываемый. Однако следует отметить, что если такая разница чрезмерна, то это неизбежно повлечёт за собой снижение качества обработки. В нашем случае разница в твёрдости режущего материала, минералокерамики (90 HRA) и материала заготовки, незакалённой стали 40Х () достаточно существенна, поэтому можно сказать, что именно это и привело к получению низкого качества поверхности заготовки в ходе проведения эксперимента при низких скоростях резания. В процессе обработки твёрдая минералокерамика, не столько режет более мягкую и вязкую сталь 40Х, сколько, в буквальном смысле, обдирает поверхностный слой заготовки, вырывая из него отдельные частицы. Это также усугубляется большими подачей и глубиной резания.
     При увеличении скорости точения и уменьшении величины подачи и снимаемого припуска качество поверхности повышается, что, в свою очередь, объясняется уменьшением времени контакта режущего инструмента и заготовки.
     Помимо этого следует отметить преимущества применения режущего инструмента с использованием минералокерамики. Как было отмечено ранее, в условиях высокоскоростного точения тепло в зоне резания распределяется таким образом, что большая его часть остаётся в стружке и поступает в резец. В этом отношении режущий инструмент с использованием минералокерамики лучше твёрдосплавного, так как обладает большей теплостойкостью (до 1200°С) и износостойкостью.
     Таким образом, в заключение можно отметить, что использование режущего инструмента с минералокерамикой в условиях высокоскоростного точения для обработки конструкционных сталей имеет свои преимущества, однако только при определённых условиях обработки. Тем не менее, при создании такого рода благоприятных условий применение режущего инструмента с минералокерамикой для обработки конструкционных сталей в условиях высокоскоростного точения позволяет значительно повысить производительность при достаточно высоких показателях точности и качества обрабатываемых поверхностей деталей.

    1.  Клушин М. И. Скоростное резание металлов. — М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, — 1947, 124с.
    2.  Прейс Г.А. Скоростное резание металлов. — К. — М.: Машгиз, — 1950, 84с.
    3.  Скоростное резание металлов. — под. ред. Р. Д. Бейзельмана. М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной и судостроительной литературы, — 1953, 164с.
    4.  Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2005 by ASME. G. Sutter, A. Molinari.
    5.  Соловов А. Некоторые секреты высокоскоростной обработки металлов [Электронный ресурс] — Режим доступа к статье: http://www.obo-rt.ru/arhiv/3(3)/21%20Nekotorie%20sekrety.html
    6.  Мутылина И.Н. Технология конструкционных материалов. Обработка металлов резанием. Виды инструментальных материалов и области их применения. [Электронный ресурс] — Режим доступа к статье: http://window.edu.ru/window_catalog/pdf2txt?p_id=18616&p_page=15
    7.  Инструментальные материалы. Минералокерамические материалы. [Электронный ресурс] — Режим доступа к статье: http://www.info.instrumentmr.ru/instrum_material2.shtml
    8.  Инструментальные материалы. [Электронный ресурс] — Режим доступа к статье: http://www.bestreferat.ru/referat-57681.html
    9.  Твердые сплавы. Минералокерамические твердые сплавы. [Электронный ресурс] — Режим доступа к статье: http://m-met.ru/?Tverdye_splavy:Mineralokeramicheskie_tverdye_splavy
    10.  Высокоскоростная обработка. [Электронный ресурс] — Режим доступа к статье: http://www.delcam-ural.ru/cam/tehpodderjka
    11.  Теория токарной обработки. Точение с высокими скоростями. [Электронный ресурс] — Режим доступа к статье: http://tehno-line.ru/files/theory/Turning/3-2-1.htm