Скорость резания при токарной обработке зависит от принятой стойкости его, материала обрабатываемой детали, материала резца, его углов, формы и размеров, подачи, глубины резания, охлаждения и других факторов.
При уменьшении стойкости материала заготовки, скорость резания, допустимая резцом, незначительно повышается. К примеру, если при стойкости быстрорежущего резца, равной 90 мин, возможна скорость резания 15 м/мин, то при тех же прочих условиях работы токарного резца, но при стойкости 20 мин возможна скорость резания 18 м/мин. Более наглядна, однако, обратная зависимость, т. е. стойкости от скорости резания на токарном станке. Стойкость токарного резца при увеличении скорости резания быстро уменьшается. Так, например, если быстрорежущий резец, работающий на скорости резания 15 м/мин, затупляется через 90 мин после начала токарной обработки, то тот же резец при той же глубине резания и подаче, но при скорости резания 18 м/мин затупится через 20 мин.
Большое влияние на скорость резания при токарной обработке оказывают механические свойства обрабатываемого металла. Чем тверже металл заготовки, тем больше должна быть сила, отделяющая от него стружку, тем больше сила трения ее о переднюю поверхность резца, тем выше температура, поступающая в резец и ускоряющая его износ.
Скорость резания на токарном станке и стружка
Стружка, образующаяся при обработке твердых металлов, давит на небольшой участок передней поверхности резца (рис. 1, б), вследствие чего теплота резания поступает главным образом в часть головки резца, близкую к его режущей кромке. Стружка, которая получается при точении мягких и вязких металлов, опирается (рис. 1, в) на сравнительно больший участок передней поверхности токарного резца, это обеспечивает хорошее поглощение теплоты резания частью головки резца, удаленной от режущей кромки.
Поэтому, скорость резания при обработке используя токарный станок сравнительно мягкого металла может быть выше, чем при твердой.
Стружка надлома, образующаяся при обработке хрупких металлов, давит (рис. 1, г) на переднюю поверхность токарного резца у самой режущей кромки. В данном случае резец больше изнашивается от истирающего воздействия стружки, чем от влияния теплоты резания. Это относится особенно к обработке корки чугунных деталей, т. е. поверхностного слоя отливки, в котором всегда имеются частицы песка, истирающие переднюю поверхность резца при токарной обработке и затрудняющие отвод тепла.
Рис. 1. Виды стружки: а, б, в - стружка скалывания; г - стружка надлома
Влияние скорости токарной обработки на шероховатость поверхности
В отличии от одноосного нагружения испытуемых стальных образцов на разрывных машинах и определения характера разрушения (определения доли хрупкого или вязкого разрушения) по фрактограмам, даже сверхвысокое увеличение фрагментов обработанной резанием поверхности не позволяет дать однозначный ответ, поскольку радиус закругления вершины резца отчасти «сглаживает» на обработанной поверхности заготовки фрагменты разрушения металла активной частью главной режущей кромкой.
При помощи электронного микроскопа Versa 3D удалось провести визуальное наблюдение и сравнение зон деформаций под обработанной поверхностью на различных скоростях резания при токарной обработке (рис. 2 – 5).
Рис. 2. Зона деформации под обработанной поверхностью на скорости резания V=10 м/мин (увеличение 25000 раз). Rа = 6 мкм
На рисунках 2 – 4 чётко просматривается тонкие прослойки деформированного слоя металла размером в несколько микрометров, с уменьшающейся степенью деформации зёрен по мере углубления в матричный слой. Деформационное состояние этого тонкого слоя металла в зоне А на участке 3 формирует «деформационную» составляющую высоты микронеровности обработанной поверхности. Свой вклад в интегральное значение Rz или Ra вносит геометрия инструмента, состояние его рабочих поверхностей, уровень вибрации, условия резания. Технические возможности микроскопа Versa 3D позволяют оценить выборочно степень деформации зёрен стали под обработанной поверхностью.
Рис. 3. Зона деформации под обработанной поверхностью на скорости резания V=30 м/мин (увеличение 25000 раз). Rа = 2 мкм
Для примера её количественное значение для данных условий эксперимента, полученное путем измерения недеформированных зёрен в матричном слое металла с размером зерна в зоне деформации, лежит в интервале 5 – 10 единиц. Размеры зёрен проставлены на рисунках справа.
В результате визуального анализа снимков (рисунки 2 – 4) зон деформации стали 14Х17Н2 под обработанной поверхностью на различных скоростях резания при токарной обработке можно сделать следующие выводы.
Первое. Для данных режимов обработки (t = 1 мм, S = 0,11 мм/об) и трёх значениях скорости резания просматривается различная глубина зоны деформации. При скорости резания 10 м/мин (рис. 2) она составляет 4,22 мкм, на скорости резания 30 м/мин () её значение равно 2,741 мкм, на скорости резания 40 м/мин – 3,186 мкм (рис. 4).
Второе. Значения глубины зоны деформации стали под обработанной поверхностью, измеренной в одном и том же сечении, повторяют характер изменения величины шероховатости поверхности детали (см. "Как скорость резания токарного станка влияет на шероховатость поверхности детали", рис. 2.) от скорости резания.
Рис. 4. Зона деформации под обработанной поверхностью на скорости резания V=40 м/мин (увеличение 25000 раз). Rа = 3 мкм.
В свою очередь, глубина зоны деформации под обработанной поверхностью на различных скоростях резания является следствием воздействия различного уровня нормальных и касательных напряжений. В таком случае, следует ожидать, что характер изменения сил резания в исследуемом диапазоне скоростей должен соответствовать виду зависимости шероховатости поверхности детали от скорости резания при токарной обработке. Эксперименты по измерению составляющих силы резания при обработке стали 14Х17Н2 резцом ТТ7К12 в диапазоне скоростей 10 – 100 м/мин ( t=1 мм, S=0,11 мм/об ) подтвердили эти предположения (см. "Сила резания при токарной обработке нержавеющей стали", рис. 3).
Рассматривая особенности контактных процессов при токарной обработке коррозионностойких сталей с механизмом формирования высоты микронеровностей обработанной поверхности в низком скоростном диапазоне (10 – 30 м/мин) следует предположить, что деформационная составляющая высоты микронеровностей (механизм лезвийного разрушения металла при резании) взаимосвязана с глубиной деформированного слоя под обработанной поверхностью и величиной касательных напряжений на участке 3 режущего лезвия (см. "Шероховатость обработки поверхностей на токарном станке," зона А, рис. 3), т.е. со значением составляющих силы резания Py и Px.
Механизм формирования микронеровностей во втором (высоком) скоростном диапазоне (30 – 100 м/мин) связан с увеличивающейся теплопроводностью этих сталей, точнее с изменением отношения λи/λст. Это отношение определяет долю (процентное отношение) хрупкого или вязкого разрушения в предложенной модели механизма формирования высоты микронеровности (см. "Шероховатость обработки поверхностей на токарном станке", зона А, рис. 2) во взаимосвязи с температурной прочностью сталей. На рис. 5 приведены зависимости коэффициента теплопроводности и прочности стали 14Х17Н2 от температуры по данным справочника “Марочник сталей и сплавов” Зубченко А.С.
Рис. 5. Зависимость коэффициента теплопроводности и прочности стали 14Х17Н2 от температуры по данным справочника “Марочник сталей и сплавов” Зубченко А.С.
Характер графических зависимостей (рис. 5) объясняет увеличение параметра шероховатости поверхности детали при увеличении скорости резания от 30 м/мин до 100 м/мин во втором диапазоне, что на первый взгляд кажется «парадоксом». Это не парадокс, а особенность изменения коэффициента теплопроводности коррозионностойких сталей от температуры. В момент увеличения скорости резания при токарной обработке во втором скоростном диапазоне увеличивается температура в зоне резания, но одновременно с этим, по причине увеличения коэффициента теплопроводности, увеличивается отток тепла из зоны резания, (см. "Шероховатость обработки поверхностей на токарном станке", зона А, рис. 3), что способствует повышению температурной прочности стали и увеличивает долю хрупкого разрушения в механизме формирования микронеровности обработанной поверхности.
Это согласуется с металловедческим аспектом Гуляева А.П. “Металловедение”, об изменении температурного интервала характера разрушения (порога хладноломкости нержавеющих сталей, имеющих объёмноцентрированную кубическую или гексогональную решётку, когда вязкое разрушение при высокой температуре сменяется хрупким.
Теплостойкость резца и скорость резания при токарной обработки
Главнейшим свойством материала резца, влияющим на скорость резания, является его «теплостойкость», т. е. способность сохранять необходимую твердость при нагреве теплотой резания.
Углы и другие элементы резца влияют на скорость резания следующим образом. При сравнительно небольшом угле резания стружка давит на переднюю поверхность резца с меньшей силой, чем при большем угле. Это способствует понижению выделяющейся теплоты и обеспечивает возможность повышения скорости резания. Но одновременно с уменьшением угла резания уменьшается и угол заострения резца, что приводит к понижению теплоотводящей способности резца и его прочности.
С уменьшением главного угла в плане скорость резания при токарной обработке, допускаемая резцом, увеличивается. Это объясняется тем, что одновременно с уменьшением главного угла в плане (при тех же глубине резания и подаче) увеличивается ширина среза, что обусловливает увеличение длины работающего участка режущей кромки резца и улучшает поглощение им теплоты резания. Однако с уменьшением главного угла в плане возрастает радиальная сила резания, что может вызвать вибрации, ускоряющие разрушение режущей кромки резца.
Увеличение радиуса закругления вершины резца способствует увеличению скорости резания, так как повышает теплоотводящую способность резца. Увеличение поперечного сечения резца способствует повышению допустимой им скорости резания, так как при этом возрастает способность резца поглощать теплоту резания.
Изменение толщины и ширины среза при неизменном его сечении по-разному влияет на скорость резания. При увеличении толщины среза и соответственном уменьшении его ширины, т. е. и длины работающего участка режущей кромки, ухудшаются условия поглощения теплоты резания резцом, его стойкость понижается. Наоборот, при увеличении ширины среза в резании участвует более длинный участок режущей кромки резца, что повышает его стойкость. Из сказанного вытекает, что для повышения скорости резания выгодно работать с тонкими и широкими стружками. Это может быть достигнуто без изменения сечения среза уменьшением подачи и соответствующим увеличением глубины резания или уменьшением главного угла в плане. Применение первого способа ограничивается припуском на обработку, а второго — вибрациями, возникающими вследствие увеличения радиальной силы резания.
Правильное применение охлаждения дает возможность повысить скорость резания при токарной обработке. Если жидкость поступает к месту образования стружки непрерывной струей в количестве 10—15 л/мин, то при обработке быстрорежущим резцом стали скорость резания может быть повышена в среднем на 20—25%, а при обработке чугуна — на 10—15%. Меньшее повышение скорости резания при обработке чугуна объясняется тем, что в данном случае основной причиной износа резца является его истирание, а не температура резания.
