Шероховатость токарной обработки важный параметр, при комплексном рассмотрении вопроса производства деталей. Отсутствие в справочно-нормативной литературе математических моделей по расчёту параметра шероховатости обработанной поверхности (Ra) для нержавеющих сталей ставит задачу исследования влияния основных параметров процесса резания: подачи, глубины резания, скорости резания и геометрии инструмента на её количественное значение. В целях разработки надёжной математической модели расчёта параметра шероховатости поверхностей после токарной обработки, необходимо исследовать влияние сочетания теплофизических свойств контактных пар в широком скоростном диапазоне, как фактора, оказывающего влияние на характер изменения и величину шероховатости поверхности детали.
Во многих литературных источниках при рассмотрении вопросов связанных с формированием микрогеометрии поверхности при лезвийной обработке считается, что формирование шероховатости поверхностного слоя зависит от геометрических параметров режущего инструмента и кинематики движений формообразования и что на шероховатость обработанной поверхности кроме вышеперечисленного значительно влияет степень пластического и упругого деформирования поверхности после обработки резцом. Так в работе Подураева В.Н. “Резание труднообрабатываемых материалов”, указано, что величина шероховатости токарной обработки, особенно на чистовых операциях, определяется пластической деформацией обрабатываемого металла, явлениями упругого восстановления поверхностного слоя обрабатываемой заготовки после рабочего хода инструмента и высокочастотными вибрациями инструмента. Кроме того, на степень шероховатости поверхности оказывает влияние явление пластического отрыва металла в зоне формирования гребешка от следов рабочего хода резца (точка D на рис. 1).
В работе Подураева В.Н. указано, что с повышением пластичности обрабатываемого материала и глубины резания происходит увеличение высоты микронеровностей.
Рис. 1. Схема формирования микронеровности обработанной поверхности
Глубина резания при обработке на токарном станке
При перемещении резец снимает с детали слой металла, толщина которого характеризуется глубиной резания. Глубиной резания называется толщина снимаемого слоя металла, измеренная по перпендикуляру к обработанной поверхности детали. Глубина резания измеряется в миллиметрах и обозначается буквой t. Глубиной резания при наружном обтачивании является половина разности диаметров обрабатываемой детали до и после прохода резца. Таким образом, если диаметр детали до обтачивания был 100 мм, а после одного прохода резца стал равен 90 мм, то это значит, что глубина резания была t=(100-90)/2=5 мм.
Влияние глубины резания на шероховатость после токарной обработке
Установлено, что на степень шероховатости токарной обработки конструкционных и низколегированных сталей большое влияние оказывает подача, менее влияет глубина. С целью разработки математической модели расчёта параметра шероховатости Ra, были проведены исследования по влиянию на величину параметра Ra подачи и глубины при токарной обработке коррозионностойких сталей и сравнение их значений с ранее опубликованными. На рисунке 2 показан характер влияния подачи на высоту микронеровностей поверхности по данным Яковенко Г.А. “Скоростная обработка нержавеющих сталей”, при обработке стали 1Х18Н9Т по данным источника и сталей 03Х18Н9, ЭИ961 по опытным данным автора (V=80 м/мин, t=1 мм, твердый сплав ВК8). Наглядно показано, что характер изменения шероховатости поверхности детали при точении трех сталей (аустенитый и мартенситный классы) аналогичен конструкционным сталям, но степень влияния на высоту микронеровностей отличается.
Рис. 2. График влияния подачи на высоту микронеровности при точении сталей 1Х18Н9Т, 03Х18Н9, ЭИ961
На рисунке 3 показан характер влияния глубины резания на высоту микронеровностей поверхности при обработке стали 1Х18Н9Т, по данным Яковенко Г.А., и сталей 03Х18Н9, ЭИ961 по опытным данным автора (V=80 м/мин, S=0,2 мм/об, твердый сплав ВК8). Как видно из графика (рис. 3), глубина резания меньше влияет на степень шероховатости после токарной обработки по сравнению с подачей.
Рис. 3. График влияния глубины резания на высоту микронеровностей при точении стали 1Х18Н9Т, 03Х18Н9, ЭИ961
Геометрические параметры режущей пластины определяют форму и высоту остаточных гребешков. Как указано в источнике у Яковенко Г.А., влияние переднего угла на высоту микронеровностей зависит от величины подачи. Чем больше величина подачи, тем больше влияние переднего угла на высоту микронеровностей.
Незначительное ухудшение шероховатости обрабатываемой поверхности с увеличением угла наклона главной режущей кромки λ у Яковенко Г.А. объясняется тем, что с увеличением угла наклона главной режущей кромки возрастает сила резания и степень деформации. Степень влияния угла λ на высоту микронеровностей зависит от подачи, то есть с увеличением подачи возрастает высота микронеровностей обработанной поверхности.
Главный угол в плане φ оказывает влияние на степень шероховатости поверхности детали, так как определяет соотношение между толщиной и шириной срезаемого слоя. С увеличением угла φ по экспериментальным данным высота микронеровностей увеличивается, особенно при больших подачах.
Ориентация в будущей математической модели расчёта величины шероховатости на использование дополнительной информации о сочетании теплофизических свойств сменных контактных пар методом измерения термоЭДС пробного рабочего хода, ставит задачу исследования связи геометрических параметров инструмента с величиной термоЭДС и величиной шероховатости после токарной обработки.
В коллективной монографии Плотникова А.Л., Сергеева А.С., Зайцевой Н.Г. “Повышение надёжности управления шероховатостью обработанной поверхности деталей в САПР ТП токарных и фрезерных операций”, показана линейная связь при изменении геометрии инструмента с величиной Ra, полностью совпадающая с выводами работ Яковенко Г.А. В указанной коллективной монографии установлена взаимосвязь геометрии инструмента с величиной термоЭДС пробного рабочего хода и величиной шероховатости поверхности детали. Так при изменении главного угла в плане φ от 48° до 72° резца Т15К6, термоЭДС пробного рабочего хода линейно изменилась с 12 мВ до12,7 мВ. Величина шероховатости поверхности линейно возросла с 3,1 мкм до 3,5 мкм. Изменение вспомогательного угла в плане φ1 от 24° до 4°, привело к изменению термоЭДС от 12 мВ до 12,2 мВ и изменению шероховатости токарной обработки детали от 3,7 мкм до 3.3 мкм.
Изменение переднего угла резца Т5К10 в интервале от -7° до +13° изменило величину термоЭДС от 19,2 мВ до 18,3 мВ. Величина Ra уменьшилась с 4,4 мкм до 3,9 мкм.
Увеличение радиуса при вершине резца r также способствует увеличению сигнала термоЭДС. Эксперименты показали, что увеличение радиуса при вершине резца на 1 мм (с 1 мм до 2 мм) при обработке стали твердым сплавом Т15К6 приводит к увеличению параметра термоЭДС на 1,1 мВ.
Таким образом, изменение геометрических параметров резца переднего угла γ, радиуса при вершине r, углов в плане φ и φ1, линейно связано с изменением величины термоЭДС пробного рабочего хода. Эта связь обусловлена тем, что изменение в геометрии резца приводит к изменению сил резания, а это, в свою очередь, приводит к изменению количества тепла, выделяемого при резании.
E=(α2–α1)*(θa-θb)=α1-2(θa-θb)
где α1 и α2 – значения удельной или дифференциальная термоЭДС для двух различных материалов 1-й и 2-й ветвей термоэлемента;
α1-2 = α2–α1 – удельная или дифференциальной термоЭДС для данной пары, зависящая от свойств контактируемых тел и температуры.
В формуле, определяющей величину термоЭДС естественной термопары, первый сомножитель, удельная или дифференциальная термоЭДС для данной пары α1-2, зависящая от природы контактируемых тел, определяет разность их электрохимического потенциала. Второй сомножитель определяет разность температур горячего (зона резания) и холодного спая термопары. Температура горячего спая естественной термопары определяется, как показано выше, количеством выделенного тепла, что при одинаковой скорости резания пробного рабочего хода, зависит от силы резания. Это позволяет использовать величину термоЭДС пробного рабочего хода как комплексную характеристику свойств контактных пар.
