Сила резания при работе на токарном станке снижается в момент увеличения скорости обработки при точении конструкционных и легированных сталей. Для начала определим что такое силы резания и откуда она происходит. В результате сопротивления срезаемого слоя металла деформации сжатия, трения стружки о переднюю поверхность резца и некоторых других причин возникает сила резания. При работе токарного резца (рис. 1) эта сила разлагается на три составляющие — собственно силу резания Рz, силу подачи Рх и радиальную силу Ру. Сила резания Рz, касательная к поверхности резания, действует в направлении главного движения. Сила Рх действует в направлении подачи. Радиальная сила Ру перпендикулярна к подаче. Все три силы измеряются в килограммах. Если силу Pz принять за единицу, можно считать, что сила Рх при достаточно остром резце изменяется в пределах от 1/8 до 1/4 величины силы Рz, а сила Ру — от 1/4 до 1/2 величины той же силы.
Рис. 1. Силы резания при точении на токарном станке
Снижение действия составляющих сил резания связано с уменьшением теплопроводности конструкционных и легированных сталей сталей, ростом температуры и, как следствие, уменьшением величины всех контактных участков. По иному изменяется коэффициент теплопроводности у сталей мартенситного, аустенитного и мартенситно-ферритного классов (стали типа 12Х18Н10Т, 03Х18Н9, 20Х13, 14Х17Н2, ЭИ961 (13Х11Н2В2МФ): с ростом температуры при росте скорости резания коэффициент теплопроводности этих сталей увеличивается (рис. 2). Согласно положениям реальной схемы резания, следует ожидать, что характер изменения составляющих силы резания при обработке на оборудовании типа токарный станок с ЧПУ этой группы сталей будет отличаться от того, что имеет место при обработке углеродистых и конструкционных сталей на противоположный. В целях проверки этого предположения и в целях разработки математических моделей для расчёта горизонтальных составляющих силы резания, необходимых, как было сказано выше, для расчёта параметров точности токарной обработки и расчёта зажимных усилий заготовок были проведены экспериментальные исследования влияния скорости резания на составляющие силы резания при токарной обработке нержавеющих сталей. При этом ставилась задача корректировки математической модели расчёта главной составляющей Рz с целью обеспечения точности расчёта.
Рис. 2. Изменение теплопроводности нержавеющих сталей аустенитного, мартенситного, мартенситно-ферритного классов и конструкционных углеродистых сталей при увеличении температуры
Экспериментальные исследования по влиянию скорости резания на составляющие силы резания при обработке серии нержавеющих сталей твёрдосплавными инструментами проводились для условий получистового и чистового точения.
На рисунках (3 – 7) представлены графики зависимости составляющих силы резания от скорости резания при обработке нержавеющих сталей, их отличительный характер по сравнению с обработкой конструкционных сталей, который не объясним с позиций условной схемы резания. В чём эти отличия?
Это «нестандартный» характер изменения горизонтальных составляющих силы резания Px и Py. При обработке стали 14Х17Н2 резцом ТТ7К12 и стали ЭИ961 резцом Т15К6, составляющая Px имеет тенденцию к увеличению своего значения по мере увеличения скорости резания. Составляющая Py неоднозначно зависит от скорости резания в исследованном диапазоне скоростей 10-100м/мин. Сначала её значения снижаются, достигая минимума в районе 30 м/мин, затем проявляется чёткая закономерность увеличения вплоть до 100м/мин.(рис. 3; 4).
Рис. 3. Характер изменения составляющих силы резания на токарном станке для пары 14Х17Н2- ТТ7К12 (Е=16,8) в диапазоне скоростей 10-100м/мин. m = 0,81
Рис. 4. Характер изменения составляющих силы резания на токарном станке для пары ЭИ961- Т15К6 в диапазоне скоростей 10-100м/мин. m = 0,8.
Характер изменения составляющих силы резания при обработке стали ЭИ961 резцом ВК8 в диапазоне скоростей 10-100м/мин носит иной характер (рис. 5). Здесь все составляющие силы резания увеличиваются по мере увеличения скорости резания.
Рис. 5. Характер изменения составляющих силы резания для пары ЭИ961- ВК8 на токарном станке в диапазоне скоростей 10-100 м/мин. m = 1.8
На рис. 6 представлены графики изменения составляющей силы резания Ру, при обработке той же марки стали 14Х17Н2 трёхкарбидным твёрдым сплавом ТТ7К12, но с различным качеством связующей кобальтой фазы, а значит и с различной теплопроводностью, что косвенно подтверждается величиной термоЭДС пробного рабочего хода (16,8 и 18,0 мВ).
Рис. 6. Характер изменения составляющих силы резания на токарном станке для пары 14Х17Н2- ТТ7К12 (Е =18,0) в диапазоне скоростей 10-100м/мин. m = 0,7
Обращает на себя внимание то, что характер изменения составляющей силы резания Ру, тот же, но величина её больше по сравнению с рис. 3. Причиной является увеличение теплопроводности резцовой пластины, что повлияло на увеличение длины пластического контакта и интегрального значения горизонтальной составляющей, согласно положению реальной схемы резания.
Изменение всех составляющих силы резания при обработке аустенитной стали 12Х18Н10Т безвольфрамовым сплавом ТН20 (рис. 7) в диапазоне скоростей 10-70 м/мин аналогично изменению сил резания при обработке стали ЭИ961 резцом ВК8 (рис. 5) В исследуемом диапазоне скоростей их значение постоянно возрастает при увеличении скорости резания, что является следствием увеличения теплопроводности этих сталей при увеличении скорости резания (температуры, рис. 2) и увеличения длины общего контакта С, определяющего величину горизонтальных сил резания.
Рис. 7. Характер изменения составляющих силы резания при токарной обработке стали 12Х18Н10Т твёрдосплавным резцом ТН20 в диапазоне скоростей 10-100 м/мин (t=1,5 мм, S=0,21 мм/об, m=1,2)
С позиций условной схемы резания невозможно объяснить различный характер изменения составляющих силы резания в исследуемом скоростном диапазоне при смене марки инструментального материала. Реальная схема резания объясняет «нестандартный» характер изменения горизонтальных составляющих силы резания проявлением особого вида контактного взаимодействия, наличием, так называемой зоны относительного застоя (рис. 8), изменяющей по аналогии с наростом передний угол резца γ в пределах его отрицательного значения.
Рис. 8. – Микрошлиф корня стружки: 1 – Твёрдый сплав ВК6; 2 – зона относительного застоя; 3 – сталь12Х18Н10Т (V = 22,5 м/мин, S = 0,3 мм/об, t = 1,5 мм)
Существование зоны относительного застоя связано с определённым количественным отношением коэффициентов теплопроводности инструментального и обрабатываемого материала λи / λст. Чем меньше это отношение, тем шире скоростной диапазон существования этой зоны, если соотношение λи / λст больше, равно единице или незначительно меньше её, зона относительного застоя на образуется. В работе Талантова Н.В. “Физические основы процесса резания, изнашивания и разрушения инструмента”, подчёркивается, что зона относительного застоя это не нарост в классическом виде. Микротвёрдость её примерно вдвое меньше микротвёрдости нароста, в пределах её существует пластическое течение металла. «Размер» зоны относительного застоя изменяется при изменении скорости резания коррозионностойких (нержавеющих) сталей, т.к. изменяется отношение λи / λст.
Образование застойной зоны, начиная с определённой скорости резания изменяет условный передний угол инструмента. Как следствие, изменяется угол сдвига β, что определяет характер изменения в первую очередь, горизонтальных составляющих силы резания. На представленных графиках (рис. 3; 4; 6) горизонтальная составляющая Py уменьшается в диапазоне скоростей 10-30 м/мин, минимальное её значение лежит в интервале скоростей 30-40 м/мин. При дальнейшем увеличении скорости резания (температуры в зоне резания) застойная зона исчезает и рост Py происходит за счёт увеличения размера участка упрочнения и участка разупрочнения (длины пластического контакта) и длины полного контакта С, что связано с увеличением коэффициента теплопроводности обрабатываемых сталей. Что касается обработки стали ЭИ961 резцом ВК8 (рис. 5) и аустенитной стали 12Х18Н10Т (λ=16 Вт/м*К) безвольфрамовым твёрдым сплавом ТН20 (λ=12 Вт/м*К) (рис. 7), то это тот случай когда отношение λи / λст (коэффициент теплоусвоения m) больше единицы и зона относительного застоя не образуется во всём диапазона исследуемых скоростей резания.
Анализ экспериментальных данных по обработке нержавеющих сталей показывает, что причиной различного характера изменений составляющих силы резания является сочетание теплофизических свойств контактных пар. Отсюда следует вывод, что для повышения точности расчёта составляющих силы резания математические модели должны дополнительно содержать информацию о сочетании теплофизических свойств каждой новой контактной пары. Причём эта информация должна быть получена предварительно, до начала обработки оператором детали на токарном станке ЧПУ.
