Механические нагрузки и геометрии резания

Механические нагрузки и геометрии резания, применяемые при токарной обработке

Во время обработки металла инструмент деформирует заготовку, пока материал не начнёт отделяться в виде стружки. Процесс деформации требует существенных усилий, и инструмент подвергается мощным механическим, температурным, химическим и трибологическим воздействиям. Такие нагрузки могут со временем привести к ухудшению свойств инструмента, его износу и выходу из строя. Следовательно, процесс обработки должен быть основан на балансе усилий, затрачиваемых на снятие материала, и способности инструмента выдерживать нагрузки, сохраняя надёжность.

Правильное понимание и применение параметров резания, геометрии, инструментальных материалов и других факторов обеспечивает производительную и экономичную обработку. При токарной обработке на инструмент воздействует статическая механическая нагрузка, а при фрезеровании – динамическая нагрузка, значение которой постоянно увеличивается и уменьшается. Этот анализ будет посвящён режимам резания и геометрии инструмента, применяемым при токарной обработке. Позже мы рассмотрим особенности операций фрезерования.

Нагрузки, возникающие при обработке

Существуют четыре основных вида нагрузок, которым подвергается режущий инструмент: механические, температурные, химические и трибологические.

Механическое воздействие приводит к быстрому износу инструмента и его выходу из строя. При прерывистом резании (переменный припуск, литейные раковины и включения) возникают ударные нагрузки, в результате которых инструмент выкрашивается или ломается.

Тепло, выделяемое при деформации материала заготовки, является причиной температурных нагрузок. Под воздействием температуры 800 - 900 °C инструмент может деформироваться и затупиться.

Профилактика проблем

Стремясь к производительности и экономичности, производители сокращают время, необходимое для настройки станков, смены инструмента, перемещения заготовок, и время простоя оборудования. Однако время, которое требуется на устранение проблемы, редко учитывают при сокращении времени простоя. Правильный выбор инструмента и режимов резания может сократить время, необходимое для диагностики и устранения проблем.

Обрабатываемость. Обрабатываемость, как правило, определяется для конкретного материала с помощью коэффициентов, что позволяет понять, насколько трудной будет его обработка относительно некоего эталонного материала.

Однако в данном случае обрабатываемость рассматривается как показатель повышения интенсивности съёма металла на единицу мощности. Это степень надёжности обработки при максимальной производительности и минимальных затратах.

Наиболее простой подход к повышению скорости обработки подразумевает использование повышенных режимов резания, а именно глубины, подачи и скорости резания. Однако использование этих условий скажется и на нагрузках на режущий инструмент. Здесь мы рассмотрим механические нагрузки.

Совместное воздействие температурных и механических нагрузок также провоцирует химические реакции между материалом режущего инструмента и материалом заготовки, становясь причиной таких видов износа, как диффузия или лункообразование.

При трении инструмента и заготовки возникают трибологические нагрузки, которые приводят к абразивному износу и эрозии. Трибология занимается исследованием поверхностей, взаимодействующих друг с другом, чтобы определить степень их взаимной деформации при определённых температурах и давлении.

Инструмент подвергается суммарному воздействию этих четырёх видов нагрузки. Мощность станка, надёжность системы закрепления, а также особенности работы оператора влияют на результаты обработки. Совместное воздействие нагрузок может дать разные результаты, но итог будет один: инструмент теряет свойства, изнашивается или выходит из строя.

Продолжительность и предсказуемость срока службы инструмента зависит от его способности выдерживать нагрузки. Для обеспечения максимального срока службы и безопасности обработки необходимо, чтобы действующие на инструмент нагрузки не превышали максимально допустимых. Ключевыми параметрами будут – геометрия стружколома, материал и покрытие режущего инструмента.

Влияние режимов резания

Изменение глубины, подачи и скорости по-разному сказывается на нагрузке на инструмент. Использование вдвое большей глубины резания обуславливает применение вдвое большего усилия резания, но также удвоение длины режущей кромки. В результате нагрузка на одну длину режущей кромки остаётся неизменной. Усилия резания также увеличиваются с повышением скорости подачи, но в меньшей степени и нелинейно. Повышенные скорости подачи не увеличивают усилия резания в той же степени, что увеличение глубины резания, поскольку при повышенной скорости подачи увеличивается толщина стружки, а не длина используемого режущего инструмента. Это приводит к значительному увеличению нагрузки на режущую кромку.

При повышении скорости резания силы, как правило, остаются неизменными, но при этом увеличивается требуемая мощность в соответствии с основной механической формулой, согласно которой потребляемая мощность равна произведению силы и скорости. Верно, что в среднем диапазоне скоростей резания усилия неизменны. Однако исследования и практический опыт показали, что усилия резания возрастают при понижении скоростей резания и снижаются при их повышении. Повышение усилий резания при низких скоростях может быть вызвано наростообразованием, которое само по себе является признаком неправильной скорости резания. Исследования, проводимые в 1920 - 30-х годах доктором Карлом Саломоном из университета Берлина, показали, что температура резания повышается с увеличением скорости резания и понижается с уменьшением скорости. Эти результаты открыли просторы для действительно высокоскоростной обработки, для которой существует свой ряд особенностей, достойный отдельного обсуждения.

Чрезмерно высокие скорости резания могут снизить надёжность процесса за счёт неконтролируемого стружкообразования, существенного износа и вибраций, которые могут привести к выкрашиванию или поломке инструмента. На практике это значит, что увеличение подачи и глубины резания в сочетании с низкими или умеренными скоростями резания обеспечивают более высокую надёжность процесса. Применение повышенных скоростей резания при достаточно низких глубине и подаче, чтобы ограничить усилия резания, может повысить производительность.

Решение проблемы с помощью геометрии инструмента

Распространено мнение, что увеличение производительности резания металлов и решение проблем требуют внедрения более современных материалов режущего инструмента, например твёрдых сплавов, покрытий, керамических материалов и поликристаллического кубического нитрида бора (КНБ). Нельзя отрицать значение непрерывного прогресса в области технологий материалов для режущего инструмента, однако решение проблем только при помощи новых материалов – достаточно ограниченный подход, который может завести в тупик. К примеру, если механические нагрузки становятся причиной поломки инструмента, решением будет использование более прочного материала. Но если он не существует, развитие в этом направлении прекращается. Роль геометрии инструмента в предупредительном решении проблем недооценивается.

Изменение геометрии инструмента активно меняет и отвод стружки от обрабатываемого материала. К примеру, если согласно формуле прогнозирования усилия резания (см. Заключение) ожидаются высокие механические нагрузки, использование более острой геометрии может снизить усилия резания и устранит проблему до её возникновения. Изменение отвода стружки за счёт изменения геометрии инструмента может положительно сказаться на количестве химических, температурных и трибологических нагрузок и их воздействии.

Элементы геометрии инструмента

Геометрия инструмента включает в себя форму и размеры на макро- и микроуровне. На макроуровне основной размер и форма пластины определяют её прочность. Усилия резания, действующие на большую пластину, приведут к возникновению меньшей нагрузки, чем если бы они были приложены к меньшей пластине. Большая и прочная пластина позволяет работать на большой подаче и глубине резания. Однако такая пластина не сможет обрабатывать мелкие детали. То же самое можно сказать о форме пластины. Самыми прочными являются пластины круглой формы, а квадратные пластины с углом 90 градусов будут прочнее, чем ромбовидные пластины с углом 35 градусов. Производителям приходится выбирать между прочностью и универсальностью применения.

Ещё один геометрический фактор – то, как инструмент входит в процесс резания. Он зависит от угла в плане, угла наклона и переднего угла. Если передняя поверхность пластины расположена перпендикулярно плоскости обработки, передний угол инструмента считается негативным. Усилия резания направлены в пластину или в самую прочную часть инструмента. С другой стороны, если режущая кромка находится под углом к обрабатываемой поверхности, передний угол инструмента считается позитивным. Усилия резания сконцентрированы на режущей кромке, менее прочной, чем основа. Кроме того, пластина с положительным передним углом должна иметь клин или угол на задней поверхности, что также уменьшает её прочность.

Негативный передний угол эффективен при обработке прочных материалов, таких как стали и чугун. Кроме того, он производит повышенные усилия резания, может препятствовать отводу стружки и стать причиной вибрации при низкой жёсткости станков, креплений или заготовок. Позитивный угол обеспечивает меньшие усилия резания и более свободный отвод стружки, но такой инструмент более восприимчив к выкрашиванию и поломке, при этом затрудняется стружкообразование. Использование пластин с задним углом эффективно для обработки вязких материалов и суперсплавов, для которых необходим острый угол резания.

Геометрия стружколомов

Геометрия пластины для токарной обработки со стружколомом имеет три основных компонента: режущая кромка, канавка для отвода стружки и фаска между кромкой и канавкой. Профиль режущей кромки начинает срезание стружки, канавка определяет её формирование, а фаска является переходной зоной. Все три компонента влияют на величину усилия резания, производимого инструментом.

Режущая кромка может быть острой, хонингованной, скруглённой или со снятой фаской. Каждый профиль обладает своими преимуществами и особенностями. В некоторых случаях острая режущая кромка может обеспечить долгий срок службы инструмента.

Однако при этом необходимо, чтобы заготовка, станок и крепление были жёсткими, иначе режущая кромка будет выкрашиваться при неравномерном воздействии нагрузки.

Скруглённые кромки и кромки с фаской обеспечивают повышенную прочность и устойчивость к выкрашиванию и поломке.

В самом общем смысле, лучший инструмент для обработки стали, где требуется прочность, должен обладать прочной кромкой. Лучший инструмент для обработки нержавеющей стали, вязкого материала, отличается острой кромкой. Разумеется, возможно обрабатывать сталь пластиной с острой кромкой, а нержавеющую сталь – пластиной с прочной кромкой, но в этом случае придётся корректировать условия резания, и производительность будет ниже. Операторы могут столкнуться с выбором между универсальным многофункциональным инструментом и инструментом, оптимизированным для обработки конкретных материалов.

Примечательно, что очень острая кромка не обязательно обеспечивает лучшую шероховатость поверхности. Часто лучший результат получается с кромкой, которая используется уже какое-то время. Подобное явление наблюдается при очистке яблока очень острым ножом: сделать это очень сложно, так как лезвие сразу погружается в мякоть яблока, а не просто приподнимает кожуру. Точно так же очень острый режущий инструмент будет погружаться в материал заготовки, и шероховатость поверхности будет неудовлетворительной. Самое хорошее качество поверхности получается при использовании слегка изношенной режущей кромки.

Фаска между режущей кромкой и стружечной канавкой может быть позитивной и негативной. Использование позитивной фаски позволяет применять повышенные скорости резания и снижать температуру резания и степень износа. Однако позитивная фаска также провоцирует концентрацию напряжений на малой части пластины, что может привести к ускоренному износу и выкрашиванию. Негативная или плоская фаска, напротив, представляет собой широкую зону для отвода стружки, которая защищает пластину, но в то же время увеличивает усилия резания, теплообразование и износ.

Геометрия канавки стружколома обладает сходной дихотомией. Открытый или плоский профиль меньше деформирует стружку и производит меньшее усилие резания. Закрытый или более узкий профиль сильнее закручивает стружку, при этом происходит более сильное теплообразование в результате большей деформации.

Открытая или плоская геометрия стружколома разработана для увеличения площади контакта стружки и инструмента и распределения усилий резания по большей площади. При высоких значениях усилия резания открытая геометрия обеспечит более низкие механические нагрузки, однако стружка, снятая в таких условиях, будет длиннее. Если возникают проблемы с удалением стружки, которые могут нанести вред заготовке, станку или здоровью оператора, решить их может стружколом с более черновой (закрытой) геометрией.

С другой стороны, закрытая геометрия стружколома закручивает стружку, и она сходит небольшими элементами – но такой эффект возможно достичь ценой повышенного давления резания. Слишком короткая стружка может повредить режущую кромку и сократить срок службы инструмента. Механическая нагрузка может быть достаточно высокой даже при низких усилиях резания. Использование закрытой геометрии эффективнее всего при небольших усилиях резания, например при чистовых операциях, где применяются малые глубины резания и подачи. Операторам приходится выбирать компромиссное решение и определять геометрию, обеспечивающую хорошее стружкообразовние.

Обрабатываемый материал играет ключевую роль при выборе геометрии стружколома. К примеру, для алюминия необходима надёжная закрытая геометрия, позволяющая ломать характерную длинную и тонкую стружку, тогда как для короткой чугунной стружки, как правило, необходимы минимальные геометрические характеристики.

Что касается параметров резания, при более высокой подаче образуется более короткая стружка, а при малой глубине резания стружка получается длиннее. В зависимости от материала заготовки, скорости резания могут во многом определять стружкообразование. Наша цель – контролировать все факторы, влияющие на механическую нагрузку, и получать допустимую стружку, снижая и исключая при этом выкрашивание или поломку инструмента.

Разработка и применение геометрии

Чтобы использовать способность геометрии пластины формировать снимаемую стружку, производители режущего инструмента разрабатывают геометрии в зависимости от конкретных операций, например, черновой или чистовой обработки. Различные конфигурации и сочетания режущих кромок, фасок и геометрий стружколомов разрабатываются в зависимости от операций и обрабатываемых материалов.

Геометрии M3 и M5 стружколомов Seco – хороший пример геометрий, разработанных для получения желаемых результатов при выполнении определённых видов обработки и материалов. Геометрия M3 создавалась как универсальный инструмент для получерновой обработки для широкого диапазона материалов и режимов резания.

Однако в связи с высокой механической нагрузкой может потребоваться использование геометрии M5, разработанной для сложных черновых операций с высокими скоростями подачи, для которых требуется высокая прочность и низкие усилия резания.

Использование геометрии, разработанной для конкретных условий обработки, может снизить вероятность поломки и повысить надёжность.

Заключение

Износ инструмента при обработке неизбежен. Это альфа и омега, начало и конец срока службы инструмента. Если срок службы будет неприемлемо мал, если инструмент выкрашивается или ломается, или если износ или поломку нельзя спрогнозировать, операторы могут экспериментировать с геометриями инструментов и условиями резания, чтобы увеличить производительность и срок службы. Даже при самом удачном результате износ инструмента сохраняется. Наша цель – добиться нового режима износа: медленного и максимально предсказуемого.

Прогнозирование усилий резания

Взаимодействие и баланс параметров резания можно смоделировать с помощью формулы, разработанной в 1950-х годах доктором Отто Кинцле из Института производственных разработок и станков (Institute of Production Engineering and Machine Tools, IFW) в Германии. Операторы могут использовать эту формулу, чтобы спрогнозировать уровень усилий резания, чтобы заблаговременно применить подходящую геометрию и учесть другие факторы, которые позволят управлять нагрузкой на режущий инструмент. Формула использует константу kc11, зависящую от материала, которая представляет собой некую удельную силу резания (в Н/мм2), необходимую для снятия определённого материала площадью 1 мм2. В формуле Fc = kc11*b*h 1 − MC усилие резания (Fc) равно произведению константы kc11, величины “b” (ширина стружки/глубина резания) и величины “h” (толщина стружки/подача) и экспонент коэффициента мощности 1-mc, который учитывает комбинацию геометрии режущего инструмента и материала.


Автор: Патрик де Вос управляющий по корпоративному техническому обучению компании Seco Tools
Посмотреть содержание журнала: «Станочный парк» 2017 №8 (147)

Назад