Резание материалов

При этом скорость резания постоянно возрастает, и при некоторой скорости наступает затупление резца.

Параметры уравнения T = f(V) определяют следующим образом:

ТV µ = Cµ.						(7)
		V
При переменной скорости резания
ТV µ	= Cµ .
cp		V
В пределах изменения скорости реза-							Рис. 143. Схема способа
ния от V0 до Vn									торцовой обточки
			Vn
	µ		∫ V µdV		V µ+1	−V µ+1
V		=	0	=	n	0			,
			Vn −V0		(µ+1)(Vn −V0 )
cp

где V0, Vn – скорость соответственно начала резания и момента затупления резца.

После преобразований при условии, что Vnµ+1 >>V0µ+1 , получим уравнение

1000V µ+1	≈ 2πn2S(µ+1)Cµ.	(8)
n	V

В уравнении (8) два неизвестных (СV и µ), которые можно найти, сделав проточку торца до затупления резца при разной частоте вращения заготовки n1 и n2. Решив систему уравнений, получим:

µ = 2lg(n1 / n2 )/ lg(Vn1 /Vn2 );

			1
		1000V µ+1
				µ
CV	=	n	.
		2πn2S(µ+1)

(9)

(10)

Подставив значения, полученные из уравнений (9) и (10), в уравнение (7), можно определить скорость резания для данного се-

311

чения стружки, соответствующую экономически выгодной для данных условий стойкости инструмента:

	Dn		1
			µ
VT =Vn				,	(11)
	2Sn (µ +1)T

где Dn – диаметр заготовки, на котором затупился резец.

Близкими к способу торцовой обточки являются такие, как продольное точение заготовок ступенчатой формы, конической формы или точение цилиндрических заготовок при бесступенчатом монотонном возрастании частоты вращения шпинделя. В последнем случае формула (11) преобразуется в

µ+1		µ	µ
VT =Vmax				,
		(µ+1)Tq

где Vmax – максимальная скорость резания, при которой достигнут заданный износ; q – ускорение, м/мин2.

Положение о постоянстве интенсивности изнашивания на участке равномерного изнашивания лежит в основе способа А.Д. Макарова. Он заключается в построении кривых износа только на начальном участке с последующей их экстраполяцией до значения hз.кр

(рис. 144).

Во второй группе способов оценки обрабатываемости физическими параметрами процесса резания являются силы резания, уровень температур в зоне резания (или термоЭДС), угол сдвига, угол трения, усадка стружки и др.

По термоЭДС оценивается обрабатываемость в известном способе двух резцов. Резание заготовки 3 (рис. 145) производится одновременно двумя резцами 2 из различных инструментальных материалов, например из быстродействующей стали и твердого сплава. Геометрия заточки и режим резания одинаковы. Поэтому можно считать, что на режущих кромках каждого резца возникает приблизительно одинаковая температура резания. Но, так как резцы изготовлены из разных материалов, их можно рассматривать как элементы

312

термопары, и включенный между ними гальванометр 1 будет показывать ЭДС, которая тем больше, чем выше θ. Здесь обрабатываемый материал служит только электрическим проводником и на показания гальванометра не влияет. Если один раз такое устройство протарировать, можно оценивать температуру резания при обработке различных металлов. Абсолютная точность показаний здесь не очень велика, так как θ на резцах будут отличаться из-за разной их теплопроводности и разных сил резания. Поэтому в основном такое устройство используется для относительной оценки θ и сравнения ее при обработке различных металлов.

Рис. 144. Экстраполяция кривой	Рис. 145. Схема способа
изнашивания	двух резцов

Перспективным направлением является определение обрабатываемости материала с использованием одновременно способов первой и второй групп. Первая группа, как отмечалось выше, основана на оценке интенсивности изнашивания при различных скоростях резания. В конечном итоге коэффициент обрабатываемости нового материала Kм = VT/VТэ, где VT и VТэ рассматривают соответственно для нового и эталонного материалов.

Единичные показатели обрабатываемости, которые рассматриваются во второй группе способов, – силы резания, шероховатость обработанной поверхности – в значительной степени зависят от подачи. Они характеризуют обрабатываемость материала с точки зре-

313

ния особенностей стружкообразования и формирования поверхностного слоя. Объединив две эти группы, можно найти комплексный коэффициент обрабатываемости

	V		F		1−yV
					y F
	T		э			,
Kм =			F
VTэ

где VТэ, VT – скорость резания, обеспечивающая заданную стойкость соответственно для эталонного и исследуемого материалов;

Fэ, F – единичные показатели обрабатываемости соответственно эталонного и исследуемого материалов.

Использование сведений о физических и механических свойствах материалов в третьей группе способов оценки обрабатываемости (рис. 146) является перспективным направлением. Общим преимуществом таких способов является существенное снижение трудоемкости и расхода обрабатываемого материала, а в качестве анализируемых параметров используются температуры максимального электросопротивления, провала пластичности, структурнофазового превращения α-железа в γ-железо, магнитная проницаемость, коэффициент внутреннего трения, сопротивление внедрению инденторов и др.

Аналогичным образом оценивают обрабатываемость по изменению магнитных свойств. По графикам зависимости Т = f(V), построенным для заготовок из одной и той же марки стали, но с различными градиентами остаточного магнитного поля ∆HR, находят значения VT′, VT′′ ... (см. рис. 146). Затем строят график зависимости VT =

= С/∆HR, по которому в дальнейшем можно определять VT для любой заготовки, подвергаемой действию импульсного магнитного поля для нахождения ∆HR.

Все рассмотренные выше способы определения обрабатываемости можно эффективно применять в условиях лаборатории. В производственных же условиях первая группа способов практически не применима из-за сложности определения интенсивности изнашивания и тем более расчетов. Вторая и третья группы вполне прием-

314

лемы при работе на оборудовании гибких автоматизированных производств. Если в память системы ЧПУ или блока сравнения заложить сведения об эталонном показателе обрабатываемости, по результатам обработки конкретной детали будет изменяться режим резания. При использовании третьей группы способов необходим входной контроль на загрузочной позиции.

Рис. 146. Определение оптимальной скорости резания по изменению градиента остаточного магнитного поля

При оценке показателей обрабатываемости, как правило, необходимо найти зависимости этого показателя от сочетания элементов сечения среза, геометрии инструмента, свойств инструментального, обрабатываемого материалов и других факторов. Это ответственная и трудоемкая работа. В настоящее время существует несколько путей получения таких экспериментальных зависимостей. Широко распространено использование однофакторных планов проведения эксперимента. В этом случае для нахождения общей зависимости от n переменных факторов необходимо сначала получить п частных зависимостей, в которых изменяется только один фактор, а затем с помощью расчетов вывести общую зависимость, например:

		CV
V =						KмKиKγKϕ... .
		m	xV	S	yV
T		t

315

6.1.4.Методы улучшения обрабатываемости

1.Подбор оптимальных составов технологической среды.

Известно что технологическая среда снижает температуру в зоне резания, трение на площадках контакта, охрупчивает металл в зоне пластической деформации и т.д. Правильно подбирая состав технологической среды, можно резко снизить интенсивность изнашивания

иулучшить качество обработанной поверхности.

2.Подвод в зону резания дополнительной энергии. Этот спо-

соб широко применяется при резании труднообрабатываемых материалов. В частности, производится их обработка в нагретом состоянии, с наложением электрических и магнитных полей, принудительных колебаний строго определенной частоты и т.д. Вследствие этого изменяется интенсивность изнашивания режущих кромок и период стойкости возрастает в несколько раз.

3.Регулирование микроструктуры за счет подбора режимов термической обработки. Для каждой группы материалов можно подобрать такой режим термообработки, который обеспечивает получение строго определенной микроструктуры и уровня механических свойств.

Так, например, стали для хорошей обрабатываемости должны иметь следующую микроструктуру: 1) малоуглеродистые (С < 0,3 %) – пластинчатый перлит и феррит. Резко выраженная строчечность

феррита и крупные скопления его ухудшают обрабатываемость; 2) со средним содержанием углерода (С = 0,35...0,55 %) – пластинчатый перлит и феррит в виде сетки или некрупных зерен; 3) высокоуглеродистые конструкционные (С > 0,55 %) и инструментальные стали – зернистый перлит.

Соответствующим образом подбираются виды термообработки (нормализация, отжиг) и их режимы.

Обрабатываемость чугуна можно улучшить графитизирующим или сфероидизирующим отжигом, исключающим появление сетки карбидов и обеспечивающим округлую форму зерен.

Термообработка труднообрабатываемых материалов определяет фазовый состав, процентное содержание фаз, их дисперсность и рас-

316

пределение, а также размеры зерен твердого раствора. При этом требуется выдерживать на строго определенном уровне число упрочняющих избыточных фаз, поскольку от них зависит и обрабатываемость, и жаропрочность материала. Для термообработки рекомендуется использовать двойную закалку с последующим высокотемпературным старением.

4. Введение в состав обрабатываемого материала специаль-

ных присадок. Известны два механизма действия присадок, способствующих улучшению обрабатываемости. В первом случае снижается коэффициент трения на контактных площадках и интенсивность изнашивания, поскольку присадки образуют в металле твердые смазочные вещества (сульфиды, селениды, сульфоселениды и др.). Во втором – присадки, являясь концентраторами напряжений, способствуют охрупчиванию обрабатываемого материала, снижают силы резания и уровень температур.

Наиболее характерными присадками являются элементы, относящиеся к VI группе таблицы Менделеева, – сера, селен, теллур, которые образуют в стали неметаллические включения, а также свинец. Примером сталей повышенной обрабатываемости могут служить автоматные с повышенным содержанием серы (А11...А35), серы и фосфора (А12), серы и свинца (АС14). Свинец в последнем случае присутствует в стали в двух модификациях: в виде мелких обособленных частиц, произвольно расположенных в матрице металла, и в виде комплексных соединений MnS–Pb. Свинец характеризуется низкой температурой плавления, поэтому, кроме охрупчивающего действия, он может создать на площадках контакта жидкую пленку. Установлено, что для резкого снижения склонности к схватыванию достаточно образования пленки толщиной около 2 мкм.

На состав, форму, размеры и распределение избыточных фаз существенным образом влияет такой этап выплавки стали, как раскисление, для чего используются кремний, алюминий, марганец и кальций. Кальций позволяет существенно улучшить обрабатываемость сталей. В их структуру входят силикаты или алюминаты кальция в сульфидной оболочке, что резко снижает изнашивание инстру-

317

мента. Содержание кальция строго определенное. Такие стали успешно применяются на Волжском автозаводе (АЦ20ХГНМ (вместо 20ХГМ), АЦ40Х (вместо 40Х)), обеспечивая повышение периода стойкости до 3 раз.

6.1.5. Особенности обрабатываемости резанием различных материалов

Обрабатываемость сталей. Обрабатываемость сталей следует рассматривать с точки зрения их истирающей способности и уровня температур резания. Влияние химического состава, механических свойств, микроструктуры и других факторов обусловлено их влияни-

ем на kист и θ.

Рассмотрим роль основных химических элементов в обрабатываемости конструкционных и инструментальных сталей.

При обработке материалов с весьма малым содержанием углерода (сталь 08, армко-железо) трудно обеспечить высокое качество обработанной поверхности. Оптимальным с точки зрения периода стойкости инструмента считают содержание углерода 0,10...0,20 %. При его повышении до 0,20...0,30 % и более наблюдается заметное снижение стойкости, обусловленное появлением в микроструктуре абразивных частиц цементита. Улучшить обрабатываемость можно путем изменения микроструктуры.

В легированных сталях влияние углерода более сложное, поскольку связано с образованием карбидов различного состава, их размерами, твердостью и т.д.

Наличие в стали марганца упрочняет феррит, снижает пластичность стали. При сочетаниях С < 0,20 % и Мn < 1,5 % заметно улучшается процесс резания. При высоком содержании марганца (свыше 10 %) сталь приобретает склонность к наклепу под действием сил резания, вследствие чего резко возрастает прочность, снижается пластичность поверхностного слоя детали, по границам зерен образуются железомарганцовистые карбиды, а аустенит частично переходит в мартенсит. Обрабатываемость в этом случае чрезвычайно низкая. Повысить ее можно при нагреве заготовок до температуры 400...600 °С, ко-

318

гда снимаются вредные последствия наклепа. При наличии в стали некоторого содержания серы в ней образуются сульфиды марганца, играющие роль граничной смазки на поверхностях трения.

Фосфор, сера, свинец используются как присадки, улучшающие обрабатываемость.

Содержание кремния во всех случаях ухудшает обрабатываемость сталей вследствие образования силикатных абразивных включений.

Наличие молибдена, ванадия, хрома, вольфрама повышает прочность и вязкость сталей, ухудшая их обрабатываемость. Эти элементы образуют твердые растворы с железом и карбиды различного состава и твердости. Как следствие, возрастает истирающая способность материала. Хром, способствуя коагуляции карбидных частиц при отпуске, значительно снижает теплопроводность материала. Кобальт, наоборот, замедляет коагуляцию карбидов, повышая теплопроводность. Он несколько снижает прочность и вязкость стали, образуя твердый раствор с железом. Присутствие никеля в твердом растворе способствует его упрочнению, однако снижает обрабатываемость сталей.

Таким образом, обрабатываемость сталей ухудшается с увеличением содержания углерода и легирующих элементов, поскольку

вэтом случае увеличиваются kист и θ. В настоящее время принята классификация сталей по обрабатываемости резанием, приведенная

втабл. 20 (коэффициент Kм характеризует снижение уровня скоростей резания VT).

Впроизводственных условиях важно увязывать обрабатываемость материалов с их прочностью и твердостью. В общем случае существует связь между V и T и механическими свойствами металлов.

Однако никакое из механических свойств не оказывает самостоятельного влияния на относительный уровень скорости резания, поскольку интенсивность изнашивания режущих инструментов не зависит непосредственно от временного сопротивления, твердости, относительного удлинения и т.д.

319

			Таблица 20
	Коэффициенты обрабатываемости сталей и чугунов
	Материал	Марка		Kм
	Сталь конструкционная автоматная,	А11, А12, А20, А30, А35		1,2/–
	ГОСТ 1414–75
	Сталь углеродистая качественная,	08, 10, 15, 20…65, 60Г, 65Г, 70Г		1,0/0,85
	ГОСТ 1050–74
	Сталь конструкционная легированная,
	ГОСТ 4543–71:
	марганцовистая	15Г…70Г, 10Г2…50Г2		1,0/0,85
320	хромистая	15Х, 15ХА, 20Х…50Х		1,0/0,85
	хромоникелевая	20ХН, 40ХН, 50ХН, 12ХН2, 20ХН3А, 30ХН3А,		0,9/0,8
		12Х2Н4А
	хромомарганцовистая	18ХГ, 18ХГТ, 30ХГТ, 20ХГР		0,8/–
	хромокремнистая	30ХС, 38ХС, 40ХС		–/0,8
	хромованадиевая	15ХФ, 40ХФА		1,0/0,85
	хромомолибденовая	15ХМ…38ХМ, 35Х2МА		0,8/–
	хромоалюминиевая	38ХЮ, 35ХЮА, 38Х2Ю		0,8/–
	хромокремнемарганцовистая и	20ХГС, 30ХГС, 35ХГСА, 38ХГСА,		1,15/0,85
	хромокремнемарганцовоникелевая	30ХГСН2А…