Шероховатость деталей относится к микрогеометрии твёрдого тела и определяет его химическую стойкость, внешний вид, износостойкость от истирания, прочность тела, герметичность соединений твердого тела.
Произведем расчет величины параметра шероховатости (Rα) при обработке коррозионностойких сталей используя токарный станок ЧПУ в диапазонах изменения скорости резания V=80-100 м/мин, подачи S=0,09-0,15 мм/об, при глубине резания t=1 мм, соответствующим условиям чистового точения. Расчеты сведены в таблице 1, для контактных пар:
Сталь аустенитного класса 03Х18Н9 твердый сплав ВК8; режимы резания t=1 мм, V=80 м/мин, S=0,15 мм/об; геометрия режущей пластины φ=75°, φ1=15°, r=1,2 мм.
Сталь мартенситного класса 20Х13 твердый сплав ВК8; режимы резания t=1 мм, V=100 м/мин, S=0,09 мм/об; геометрия режущей пластины φ=75°, φ1=15°, r=1,2 мм.
Сталь мартенситно-ферритного класса 14Х17Н2 твердый сплав Т5К10; режимы резания t=1 мм, V=80 м/мин, S=0,15 мм/об; геометрия режущей пластины φ=75°, φ1=15°, r=1,2 мм.
Сталь аустенитного класса 12Х18Н10Т твердый сплав Т5К10; режимы резания t=1 мм, V=100 м/мин, S=0,09 мм/об; геометрия режущей пластины φ=75°, φ1=15°, r=1,2 мм.
Сталь мартенситно-ферритного класса ЭИ961 твердый сплав Т5К10; режимы резания t=1 мм, V=80 м/мин, S=0,09 мм/об; геометрия режущей пластины φ=75°, φ1=15°, r=1,2 мм.
Формулы для расчета:
где t - глубина резания (0,5-1,5), мм; s - продольная подача (0,08-0,18), мм/об; φ - главный угол в плане (45 75), град.; φ1 - вспомогательный угол в плане (25-35), град.; v - скорость резания (50-150), м/мин; r - радиус сопряжения главной и вспомогательной режущих кромок (0,5-2), мм; НВ - твердость обрабатываемого материала.
где V - скорость резания, м/мин; λ - коэффициент теплопроводности инструментального материала, Вт/м*К; Sо - продольная подача, мм/об; Kопд - коэффициент ОПД.
Режим осуществления ОПД описывается коэффициентом
Kопд: Kопд = hнак/t,
где hнак - глубина наклепанного поверхностного слоя, мм; t - глубина резания, мм.
Таблица 1. Сравнение расчетных и опытных значений показателя шероховатости детали в скоростном диапазоне 80-100 м/мин
Из анализа таблицы 1 видно, что расчетные значения по формулам (1) и (2) соответственно в диапазоне скоростей V=80-100 м/мин при точении сталей аустенитного, мартенситного и мартенситно-ферритного классов отличаются от фактических величин на процентов. Кроме того, проверка точности использования данных формул в скоростном диапазоне точения V=10-40 м/мин, при глубине резания t=1 мм и подаче S=0,09-0,11 мм/об для контактных пар ЭИ961-Т5К10 и 14Х17Н2-Т5К10 (табл. 2) показала, что относительная ошибка расчета лежит в интервале процентов.
Следует отметить, что среди причин различных численных значений величины микронеровностей можно выделить отсутствие учета сочетания свойств инструмента и заготовки (контактной пары) из допускаемого диапазона их свойств. Известно, что при обработке конструкционных сталей на величину шероховатости деталей оказывает влияние теплопроводность инструментального материала.
Таблица 2. Сравнение расчетных и опытных значений показателя шероховатости поверхности детали в скоростном диапазоне 10-40 м/мин
Расчет силы резания заготовок из нержавейки и жаропрочных сталей
В справочнике Баранчикова В.И. “Прогрессивные режущие инструменты и режимы резания металлов”, являющемся основным при расчете параметров процесса резания, отсутствует в полном объеме информация о составляющих силы резания: радиальной Py и осевой Px, значения которых используются при расчете точности обработки, зажимных усилий автоматизированных зажимных устройств (патронов) токарного станка на стадии проектирования технологического процесса. В приведенных математических зависимостях тангенциальной составляющей силы резания Pz не учитывается влияние теплофизических свойств режущего инструмента на ее величину. Фактическая точность размеров, геометрическая форма и шероховатость деталей зависит от отжатий в упругой технологической системе, вызываемых колебаниями горизонтальной составляющей силы резания Py, определяемой уровнем применяемых режимов резания на токарном станке чпу.
В литературе описана формула расчета составляющей силы резания Pz для конструкционных сталей, жаропрочной стали 12Х18Н9Т, чугуна и других сплавов:
P = 10Cp*t(x)*S(y)*V(n)*Kp,
где поправочный коэффициент Kp, учитывающий фактические условия резания, показатели степени x, y, n и постоянная Cp указаны как справочные данные для конкретных условий обработки для каждой из составляющих силы резания. Примечательно, что для стали 12Х18Н9Т показатель степени при скорости резания n равен нулю, а значит, по данным справочника скорость резания не оказывает влияние на величину составляющих силы резания и при определенных значениях глубины резания t и подачи S в скоростном диапазоне обработки (например 10-100 м/мин) величина Pz сохраняется постоянной.
В справочнике приведены формулы для расчета Pz при точении заготовок из коррозионностойких и жаропрочных сталей с подачами более 0,07 мм/об:
Pz=Cp*V(-0,12)*S(0,75)*t(0,95),
и точения заготовок из теплостойких, нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов с подачами до 0,06 мм/об:
Pz=Cp*V(-0,12)*S(0,55)*t(0,8),
где постоянная Cp различна для каждой из шести групп коррозионностойких и жаропрочных сталей. В формулах степень влияния скорости резания оценивается отрицательным показателем (-0,15 и -0,12) в отличии от формулы (1), где n=0. Однако, математических зависимостей для определения оставляющих силы резания Px и Py в справочнике нет.
Была проведена проверка сходимости расчетных значений составляющих сил резания Pz и их сравнение с экспериментальными данными.
Экспериментальные исследования проводились при следующих условиях точения: сталь 14Х17Н2, режущая пластина твердый сплав ВК8; глубина резания t=1 мм, подача S=0,11 мм/об. Резание без СОТС. В таблице 3 приведено значение ошибки расчета по имеющейся математической зависимости для данных условий механической обработки. Таким образом, по рекомендованным для исследуемых сталей зависимостям в справочнике по труднообрабатываемым сталям ошибка расчета составляет 34-49% (табл. 3), что недопустимо для обеспечения надёжности процесса резания используя токарный станок ЧПУ и требует корректировки математической модели с целью снижения величины погрешности.
Таблица 3. Сравнение расчетных значений Pz с экспериментальными данными при точении сталей мартенситного и мартенситноферритного классов
