Механічні навантаження і геометрії різання, що застосовуються при токарній обробці »Ресурс машинобудування. Машинобудування: новини машинобудування, статті. Каталог: машинобудівний завод і підприємства.

Автор: Патрік де Вос (Patrick de Vos), керуючий з корпоративного технічного навчання компанії Seco Tools

Під час обробки металу інструмент деформує заготовку, поки матеріал не почне відділятися у вигляді стружки. Процес деформації вимагає істотних зусиль, і інструмент піддається потужним механічним, температурним, хімічним і трибологічних впливів. Такі навантаження можуть з часом привести до погіршення властивостей інструменту, його зносу і виходу з ладу. Отже, процес обробки повинен бути заснований на балансі зусиль, витрачених на зняття матеріалу, і здатності інструменту витримувати навантаження, зберігаючи надійність.

Правильне розуміння і застосування параметрів різання, геометрії, інструментальних матеріалів та інших факторів забезпечує продуктивну і економічну обробку. При токарній обробці на інструмент впливає статична механічна навантаження, а при фрезеруванні - динамічне навантаження, значення якої постійно збільшується і зменшується. Цей аналіз буде присвячений режимам різання і геометрії інструменту, що застосовуються при токарній обробці.

Механічний вплив призводить до швидкого зносу інструменту і його виходу з ладу. При переривчастому різанні (змінний припуск, ливарні раковини і включення) виникають ударні навантаження, в результаті яких інструмент фарбується або ламається.

Тепло, що виділяється при деформації матеріалу заготовки, є причиною температурних навантажень. Під впливом температури 800-900 ° C інструмент може деформуватися і затупитися.

Спільний вплив температурних і механічних навантажень також провокує хімічні реакції між матеріалом ріжучого інструменту і матеріалом заготовки, стаючи причиною таких видів зносу, як дифузія або лункообразованіе.

При терті інструменту і заготовки виникають трибологические навантаження, які призводять до абразивного зносу і ерозії. Трибология займається дослідженням поверхонь, що взаємодіють один з одним, щоб визначити ступінь їх взаємної деформації при певних температурах і тиску.

Інструмент піддається сумарному впливу цих чотирьох видів навантаження. Потужність верстата, надійність системи закріплення, а також особливості роботи оператора впливають на результати обробки. Спільний вплив навантажень може дати різні результати, але результат буде один: інструмент втрачає властивості, зношується або виходить з ладу.

Тривалість і передбачуваність терміну служби інструменту залежить від його здатності витримувати навантаження. Для забезпечення максимального терміну служби і безпеки обробки необхідно, щоб діючі на інструмент навантаження не перевищували максимально допустимих. Ключовими параметрами будуть - геометрія стружколомом, матеріал і покриття ріжучого інструменту.

Оброблюваність, як правило, визначається для конкретного матеріалу за допомогою коефіцієнтів, що дозволяє зрозуміти, наскільки важкою буде його обробка щодо якогось еталонного матеріалу.

Однак в даному випадку оброблюваність розглядається як показник підвищення інтенсивності знімання металу на одиницю потужності. Це ступінь надійності обробки при максимальній продуктивності і мінімальних витратах.

Найбільш простий підхід до підвищення швидкості обробки має на увазі використання підвищених режимів різання, а саме глибини, подачі і швидкості різання. Однак використання цих умов позначиться і на навантаженнях на ріжучий інструмент. Тут ми розглянемо механічні навантаження.

Необхідно розрізняти механічні навантаження на ріжучий інструмент і зусилля різання. Механічні навантаження потрібно розглядати з точки зору тиску (сила на одиницю площі). Високе зусилля різання, прикладена до великої площі, виробляє відносно малу навантаження на інструмент. З іншого боку, навіть низька зусилля різання, сконцентроване на найменшій частині інструменту, може призвести до виникнення небезпечних навантаження. Зусилля різання залежить від матеріалу заготовки, геометрії інструменту та умов різання. Крім того, зусилля різання впливає на витрату енергії, вібрацію, допуски на оброблені розміри і термін служби інструменту.

При підвищенні швидкості різання сили, як правило, залишаються незмінними, але при цьому збільшується необхідна потужність відповідно до основної механічної формулою, згідно з якою споживана потужність дорівнює добутку сили і швидкості. Вірно, що в середньому діапазоні швидкостей різання зусилля незмінні. Однак дослідження і практичний досвід показали, що зусилля різання зростають при зниженні швидкостей різання і знижуються при їх підвищенні. Підвищення зусиль різання при низьких швидкостях може бути викликано наростообразованіем, яке саме по собі є ознакою неправильної швидкості різання. Дослідження, що проводяться в 1920-30-х роках доктором Карлом Саломоном з університету Берліна, показали, що температура різання підвищується зі збільшенням швидкості різання і знижується зі зменшенням швидкості. Ці результати відкрили простори для дійсно високошвидкісної обробки, для якої існує свій ряд особливостей, гідний окремого обговорення.

Надмірно високі швидкості різання можуть знизити надійність процесу за рахунок неконтрольованого стружкообразования, істотного зносу і вібрацій, які можуть привести до викришування або поломки інструменту. На практиці це означає, що збільшення подачі і глибини різання в поєднанні з низькими або помірними швидкостями різання забезпечують більш високу надійність процесу. Застосування підвищених швидкостей різання при досить низьких глибині і подачі, щоб обмежити зусилля різання, може підвищити продуктивність.

Поширена думка, що збільшення продуктивності різання металів і рішення проблем вимагають впровадження більш сучасних матеріалів ріжучого інструменту, наприклад твердих сплавів, покриттів, керамічних матеріалів і полікристалічного кубічного нітриду бору (КНБ). Не можна заперечувати значення безперервного прогресу в області технологій матеріалів для ріжучого інструменту, однак рішення проблем тільки за допомогою нових матеріалів - досить обмежений підхід, який може завести в глухий кут. Наприклад, якщо механічні навантаження стають причиною поломки інструменту, рішенням буде використання більш міцного матеріалу. Але якщо він не існує, розвиток в цьому напрямку припиняється.

Роль геометрії інструменту в попереджувальному вирішенні проблем недооцінюється. Зміна геометрії інструменту активно змінює і відведення стружки від оброблюваного матеріалу. Наприклад, якщо згідно з формулою прогнозування зусилля різання (см. Висновок) очікуються високі механічні навантаження, використання більш гострою геометрії може знизити зусилля різання і усуне проблему до її виникнення. Зміна відведення стружки за рахунок зміни геометрії інструменту може позитивно позначитися на кількості хімічних, температурних і трибологічних навантажень і їх вплив.

Геометрія інструмента включає в себе форму і розміри на макро- і мікрорівні. На макрорівні основний розмір і форма пластини визначають її міцність. Зусилля різання, що діють на велику пластину, приведуть до виникнення меншого навантаження, ніж якби вони були включені до меншої пластині. Велика і міцна пластина дозволяє працювати на великій подачі і глибині різання. Однак така пластина не зможе обробляти дрібні деталі. Те ж саме можна сказати про форму пластини. Найміцнішими є пластини круглої форми, а квадратні пластини з кутом 90 градусів будуть міцніше, ніж ромбовидні пластини з кутом 35 градусів. Виробникам доводиться вибирати між міцністю і універсальністю застосування.

Ще один геометричний фактор - то, як інструмент входить в процес різання. Він залежить від кута в плані, кута нахилу і переднього кута. Якщо передня поверхня пластини розташована перпендикулярно площині обробки, передній кут інструменту вважається негативним. Зусилля різання спрямовані в пластину або в найміцнішу частину інструменту. З іншого боку, якщо ріжучакромка знаходиться під кутом до оброблюваної поверхні, передній кут інструменту вважається позитивним. Зусилля різання сконцентровані на ріжучої кромці, менш міцною, ніж основа. Крім того, пластина з позитивним переднім кутом повинна мати клин або кут на задній поверхні, що також зменшує її міцність.

Негативний передній кут ефективний при обробці міцних матеріалів, таких як стали і чавун; крім того, він виробляє підвищені зусилля різання, може перешкоджати відведенню стружки і стати причиною вібрації при низькій жорсткості верстатів, кріплень або заготовок. Позитивний кут забезпечує менші зусилля різання і більш вільний відведення стружки, але такий інструмент більш сприйнятливий до викришування і поломки, при цьому ускладнюється стружкообразования. Використання пластин із заднім кутом ефективно для обробки в'язких матеріалів і суперсплавів, для яких необхідний гострий кут різання.

Взаємодія і баланс параметрів різання можна змоделювати за допомогою формули, розробленої в 1950-х роках доктором Отто Кинцле з Інституту виробничих розробок і верстатів (Institute of Production Engineering and Machine Tools, IFW) в Німеччині. Оператори можуть використовувати цю формулу, щоб спрогнозувати рівень зусиль різання, щоб завчасно застосувати відповідну геометрію і врахувати інші чинники, які дозволять керувати навантаженням на ріжучий інструмент. Формула використовує константу kc11, що залежить від матеріалу, яка представляє собою якусь питому силу різання (в Н / мм2), необхідну для зняття певного матеріалу площею 1 мм2. У формулі Fc = kc11 * b * h 1-MC зусилля різання (Fc) дорівнює добутку константи kc11, величини "b" (ширина стружки / глибина різання) і величини "h" (товщина стружки / подача) і експонент коефіцієнта потужності 1 mc, який враховує комбінацію геометрії ріжучого інструменту і матеріалу.

Геометрія пластини для токарної обробки з стружколомом має три основних компоненти: ріжучакромка, канавка для відведення стружки і фаска між кромкою і канавкою. Профіль ріжучої кромки починає зрізання стружки, канавка визначає її формування, а фаска є перехідною зоною. Всі три компоненти впливають на величину зусилля різання, виробленого інструментом.

Ріжуча кромка може бути гострою, хонінговано, округленої або зі знятою фаскою. Кожен профіль має свої переваги і особливостями. У деяких випадках гостра ріжуча кромка може забезпечити довгий термін служби інструменту. Однак при цьому необхідно, щоб заготівля, верстат і кріплення були жорсткими, інакше ріжучакромка буде фарбуватися при нерівномірному впливі навантаження. Округлення країв і кромки з фаскою забезпечують підвищену міцність і стійкість до викришування і поломки.

У найзагальнішому сенсі, кращий інструмент для обробки стали, де потрібна міцність, повинен володіти міцною кромкою; кращий інструмент для обробки нержавіючої сталі, в'язкому матеріалу, відрізняється гострою кромкою. Зрозуміло, можливо обробляти сталь пластиною з гострою кромкою, а нержавіючу сталь - пластиною з міцною кромкою, але в цьому випадку доведеться коригувати умови різання, і продуктивність буде нижче. Оператори можуть зіткнутися з вибором між універсальним багатофункціональним інструментом та інструментом, оптимізованим для обробки конкретних матеріалів.

Примітно, що дуже гостра кромка не обов'язково забезпечує кращу шорсткість поверхні. Часто кращий результат виходить з крайкою, яка використовується вже якийсь час. Подібне явище спостерігається при очищенні яблука дуже гострим ножем: зробити це дуже складно, так як лезо відразу занурюється в м'якоть яблука, а не просто піднімає шкірку. Точно так же дуже гострий ріжучий інструмент буде занурюватися в матеріал заготовки, і шорсткість поверхні буде незадовільною. Найкраще якість поверхні виходить при використанні злегка зношеної ріжучої кромки.

Геометрія канавки стружколомом володіє подібною дихотомією. Відкритий або плоский профіль менше деформує стружку і виробляє менше зусилля різання. Закритий або більш вузький профіль сильніше закручує стружку, при цьому відбувається більш сильне теплоутворення в результаті більшої деформації.

Відкрита або плоска геометрія стружколомом розроблена для збільшення площі контакту стружки та інструменту і розподілу зусиль різання по більшій площі. При високих значеннях зусилля різання відкрита геометрія забезпечить більш низькі механічні навантаження, проте стружка, знята в таких умовах, буде довшим. Якщо виникають проблеми з видаленням стружки, які можуть завдати шкоди заготівлі, верстата або здоров'ю оператора, вирішити їх може стружколом з більш чорновий (закритою) геометрією.

З іншого боку, закрита геометрія стружколомом закручує стружку, і вона сходить невеликими елементами - але такий ефект можливо досягти ціною підвищеного тиску різання. Занадто коротка стружка може пошкодити ріжучу кромку і скоротити термін служби інструменту. Механічне навантаження може бути досить високою навіть при низьких зусиллях різання. Використання закритою геометрії найефективніше при невеликих зусиллях різання, наприклад при чистових операціях, де застосовуються малі глибини різання і подачі. Операторам доводиться вибирати компромісне рішення і визначати геометрію, що забезпечує хороше стружкообразовніе.

Опрацьований матеріал грає ключову роль при виборі геометрії стружколомом. Наприклад, для алюмінію необхідна надійна закрита геометрія, що дозволяє ламати характерну довгу і тонку стружку, тоді як для короткої чавунної стружки, як правило, необхідні мінімальні геометричні характеристики.

Що стосується параметрів різання, при більш високій подачі утворюється коротша стружка, а при малій глибині різання стружка виходить довшим. Залежно від матеріалу заготовки, швидкості різання можуть значною мірою визначать стружкообразования. Наша мета - контролювати всі фактори, що впливають на механічну навантаження, і отримувати допустиму стружку, знижуючи і виключаючи при цьому викришування або поломку інструменту.

Геометрії M3 і M5 стружколомом Seco - хороший приклад геометрій, розроблених для отримання бажаних результатів при виконанні певних видів обробки і матеріалів. Геометрія M3 створювалася як універсальний інструмент для получерновой обробки для широкого діапазону матеріалів і режимів різання. Однак у зв'язку з високим механічним навантаженням може знадобитися використання геометрії M5, розробленої для складних чорнових операцій з високими швидкостями подачі, для яких потрібна висока міцність і низькі зусилля різання. Використання геометрії, розробленої для конкретних умов обробки, може знизити ймовірність поломки і підвищити надійність.

Знос інструменту при обробці неминучий. Це альфа і омега, початок і кінець терміну служби інструменту. Якщо термін служби буде неприйнятно малий, якщо інструмент фарбується або ламається, або якщо знос або поломку не можна спрогнозувати, оператори можуть експериментувати з геометриями інструментів і умовами різання, щоб збільшити продуктивність і термін служби. Навіть при самому вдалому результаті знос інструменту зберігається. Наша мета - домогтися нового режиму зносу: повільного і максимально передбачуваного.