Стійкість різального інструмента
ЛЕКЦІЯ 12. Стійкість різального інструмента
12.1 Стійкість. Залежність між швидкістю різання і стійкістю
Стійкість – машинний час роботи інструментом від переточування до переточування (або до визначеної величини зносу).
Експериментально встановлено, що між швидкістю різання і стійкістю різального інструменту із інструментальних вуглецевих і швидкорізальних сталей існує залежність – чим вища швидкість різання, тим менша стійкість різця (рис. 12.1). Це повністю пояснюється розглянутим раніше впливом швидкості різання на тепловиділення та знос.
Рисунок 12.1 – Вплив швидкості різання на стійкість різця
По відношенню до інструмента, який оснащений твердим сплавом, залежність між V і T більш складна. Із приведеного графіка (див. рис. 6.10) для умов різання незагартованої сталі витікає, що при збільшенні V стійкість спочатку зменшується, потім збільшується і знову зменшується; при цьому чим більша твердість оброблюваного матеріалу, тим менша величина критичних швидкостей, які відповідають точком перегину.
Горбоподібний характер залежності V – T при обробленні твердосплавними різцями пояснюється наступним. При малих V внаслідок низької температури різання знос протікає повільно. По мірі збільшення V температура на поверхнях дотику різця з заготовкою і стружкою збільшується, що сприяє злипанню в місцях контактування (адгезії), підвищенню інтенсивності зношування і зменшенню стійкості різця. При подальшому збільшенні V (починаючи з V = 30 м/хв) підвищення температури сприяє розм’якшенню поверхонь стружки і заготовки, що зменшує злипання, полегшує відносне ковзання і знижує інтенсивність зносу (підвищує стійкість); цьому сприяє також підвищення ударної в’язкості твердого сплаву при t = 600-800С і зменшення сил, які діють на різець. При збільшенні швидкості до значення V 90 м/хв і, відповідно, температури різання різко знижується твердість і міцність твердого сплаву, що призводить до інтенсифікації зносу і зниженню стійкості інструменту.
При однаковій стійкості різців, наприклад T = 50 хв, вигідніше працювати на швидкості 160 м/хв, тому зоною раціонального використання твердого сплаву слід вважати ділянку, яка розташована справа від точки перегину максимальної стійкості. Тому залежність між стійкістю і швидкістю розглядається на другій низхідній гілці, яка математично може бути виражена залежністю
, (12.1)
де Т – стійкість різця, яка відповідає даній швидкості різання V;
m – показник відносної стійкості, який характеризує вплив швидкості на стійкість різця;
С – постійна величина, яка залежить від умов оброблення.
На практиці важливо мати зворотну залежність V = f(Т). Після зведення правої і лівої чистин рівняння (6.1) в ступінь m і необхідних перетворень будемо мати
або V Tm = A = const. (12.2)
Логарифмуючи вираз (6.2), отримаємо
lgV = lgA – mlgT,
Відповідно в логарифмічних координатах залежність V = f(Т) описується рівнянням прямої лінії, тангенс кута нахилу якої і є показником відносної стійкості m.
Показник відносної стійкості залежить від оброблюваного матеріалу, матеріалу різальної частини різця, товщини зрізу, виду і умов оброблення. Для токарних прохідних, підрізних і розточувальних різців із швидкорізальної сталі середня величина mс = 0,125 при обробці з охолодженням сталі, стального литва і ковкого чавуна; для різців, оснащених твердим сплавом m = 0,125-0,30, а його середня величина mс = 0,20.
Коли відома стійкість Т1 при швидкості V1, можна визначити стійкість Т2 при швидкості V2 або швидкість V2 по стійкості Т2. Із рівняння
VTm = A = const
будемо мати
V1 T1m = V2 T2m,
звідси
,
або
.
В зв’язку з немонотонною і екстремальною зміною залежності T – V проф. А.В.Макаровим була запропонована гіпотеза про оптимальний режим різання. Її сутність полягає в тому, що найменшій інтенсивності зносу інструмента (його найбільшій стійкості) при різанні конструкційних матеріалів відповідає своя оптимальна температура різання для заданої пари “інструмент-деталь”. Вона інваріантна по відношенню до режимів різання (V, s, t), геометрії інструменту і інших зовнішніх умов. На цій основі були знайдені параметричні рівняння максимальної розмірної стійкості інструменту (Tдоп). Стверджується, що допустимій стійкості відповідає оптимальна швидкість різання Vоп, при якій має місце найменший коефіцієнт тертя по задній поверхні, найменша шорсткість, глибина і ступінь наклепу обробленої поверхні. При Vоп забезпечується найменша собівартість процесу різання.
Значення оптимальної температури можна виконати, використавши максимум відношення твердості інструментального і оброблюваного матеріалів, коли вони розглядаються в функції температури (рис. 12.2)
Рисунок 12.2 – Вплив температури на твердість інструментального
та оброблюваного матеріалів
о = 0,43 kо т,
де т – температура термостійкості інструментального матеріалу;
при k > 1 і при k < 1;
– коефіцієнт теплопровідності оброблюваного матеріалу;
c – питома об’ємна теплоємність оброблюваного матеріалу;
( c)р – те саме, тільки для різця.
12.2 Вплив різних факторів на період стійкості та швидкість різання, яку дозволяє різець. Формула для визначення швидкості різання
Вплив оброблюваного матеріалу. Вплив фізико-механічних властивостей оброблюваного матеріалу на період стійкості або на швидкість різання, яку дозволяє різець за умов заданого періоду стійкості визначається в основному тепловиділенням в процесі різання та розподілом тепла між стружкою, заготовкою, різцем і навколишнім середовищем.
На швидкість різання має вплив хімічний склад сталі, її термічне оброблення і характер структури. Так, при зменшенні вуглецю в конструкційній вуглецевій сталі допустима швидкість V підвищується, а при введенні легуючих елементів (Cr, Mn і інших) знижається; для сталі 40Х найбільша допустима швидкість різання буде при відпалі з Т = 900С, для сталі 40 – при нормалізації з Т = 900-950С, а для швидкорізальних сталей – при ізотермічному відпалі (нагрівання при 870С протягом 4 годин, швидке охолодження до Т = 740С і витримка на протязі 2 годин).
Найбільша допустима швидкість спостерігається при зернистому перліті, коли цементит має форму кулеподібних зерен, рівномірно розподілених в фериті. Із структур найбільшу швидкість допускає ферит, потім по мірі зменшення V – перліт (точковий, зернистий, пластинчастий, сорбітоподібний), сорбіт і троостосорбіт.
Із практики відомо, що мілкозернисті сталі оброблювати легше, ніж крупнозернисті, і що введенням невеликої кількості деяких елементів (наприклад, до 0,1% S і до 0,20-0,25% Pb)можна підвищити оброблюваність сталі.
Швидкість різання, з якою можна обробляти даний метал при визначеній стійкості різця, є основною характеристикою оброблюваності сталі. Чим вища V, тим краще оброблюваність даного металу в порівнянні з тим, який при тій же стійкості та інших однакових умовах допускає оброблення з меншою швидкістю різання. Найгіршу оброблюваність мають інструментальні сталі швидкорізальні, хромонікелевольфрамові, хромомарганцовисті, хромокремнієві, жароміцні сталі.
Легко оброблюються автоматні сталі, кольорові та легкі сплави. Алюміній оброблюється із швидкістю в 5-6 раз вищою в порівнянні вуглецевою конструкційною сталлю; чавун оброблюється з меншою швидкістю в порівнянні з вуглецевою сталлю.
В залежності від межі міцності сталі при розтягуванні швидкість різання, яку допускає різець при визначеній стійкості
Vi = C1/ вx.
При обробці різцями, які оснащені твердим сплавом, конструкційних вуглецевих і легованих незагартованих сталей х = 1.
Таким чином, якщо відома швидкість різання Vі, яку допускає різець при даній стійкості для сталі з межею міцності в1 , то легко знайти швидкість Vі для сталі з в2, тому що
Vі в1х = Vі в2х,
звідки
Vi = Vі(в1/ в2)х.
Якщо при обробці вуглецевої конструкційної і легованої сталі з в = 750 МПа швидкість різання, яку допускає різець, прийняти за 1, то при інших значеннях в поправочний коефіцієнт визначиться виразом
Kмv = 750/ в.
При обробці чавуна швидкість різання, яку допускає різець,
Vі = C/ HBу.
Для твердосплавних різців у = 1,25.
На швидкість різання, яку допускає різець, впливає також і стан оброблюваного матеріалу, характер заготовки та стан її поверхні. Стан матеріалу враховується такими коефіцієнтами: гарячекатана сталь – 1; холоднотягнута – 1,1; нормалізована – 0,95; відпалена – 0,9; покращена – 0,8.
Стан поверхні враховується коефіцієнтом Kпv: без корки – 1; з коркою – прокат – 0,9; поковка – 0,8 і таке інше.
Вплив матеріалу різальної частини різця. Вплив матеріалу різальної частини різця враховується коефіцієнтом Kм1v (табл. 12.1).
Таблиця 12.1 – Вплив матеріалу різальної частини інструменту
на швидкість різання, яку допускає різець
|
Значення коефіцієнту
Kм1v
|
Матеріал різальної частини
|
|
|
Інструментальна сталь
|
Двокарбідний твердий сплав
|
Однокарбідний твердий сплав
|
|
|
Р18
|
9ХС
|
У10А
|
Т15К6
|
Т5К10
|
Т30К4
|
ВК6
|
ВК8
|
ВК3М
|
|
|
1
|
0,5
|
0,5
|
1
|
0,65
|
1,3-1,5
|
1
|
0,83
|
1,15
|
Вплив подачі та глибини різання. Подача та глибина різання, які впливають при різанні на сили різання, впливають і на швидкість різання, яку дозволяє різець. При збільшенні S і t збільшуються сили і температура, а отже, і інтенсивність зносу різця, тому при одній і тій же стійкості допустима швидкість різання буде меншою.
, м/хв,
де Cv60 – постійний коефіцієнт, який залежить від оброблюваного матеріалу, матеріалу інструменту, МОР, геометрії різця і інших умов оброблення (в нашому випадку стійкість дорівнює 60 хв);
t – глибина різання;
s – подача;
xv і yv – показники ступеню.
При зовнішньому точінні і розточуванні заготовок із вуглецевої сталі різцями із швидкорізальної сталі при s 0,25 мм/об xv = 0,25; yv = 0,33; при подачі s > 0,25 мм/об xv = 0,25; yv = 0,66 (при s > t). Із наведених значень виходить, що показник ступеню при подачі більший, ніж при глибині, отже збільшення подачі більш різко впливає на зменшення швидкості різання, ніж збільшення глибини різання.
Вплив геометричних параметрів різця. Чим більший кут різання , тим більші деформації, сили і тепловиділення, тим менша стійкість різця. При зменшенні кута різання (збільшенні переднього кута) деформації, сили і тепловиділення зменшуються і стійкість спочатку підвищується (рис. 12.3). Але разом із збільшенням зменшується кут загострення і об’єм головки різця, внаслідок чого тепловідвід від поверхні тертя різця і міцність різальної кромки зменшується і, починаючи з деякого значення кута різання (), знос підвищується, а стійкість зменшується; отже зменшиться і швидкість різання при однаковій стійкості.
Рисунок 12.3 – Вплив переднього кута на стійкість різця
Чим більший задній кут різця , тим менше тертя різця по заготовці, тим менший його знос і вища стійкість (рис. 12.4). При досяганні визначеної величини і кута загострення різець стає менш міцним, різальна кромка починає кришитись і стійкість різця падає, а отже, зменшується і швидкість різання при одній і тій же стійкості.
Чим більший кут в плані , тим більша товщина зрізу і тим менша довжина активної частини різальної кромки. Це обумовлює вище термодинамічне навантаження на одиницю довжини кромки і меншу її стійкість. Тому різці з малим кутом дозволяють вести оброблення з більшою швидкістю (рис. 12.5).
Рисунок 12.4 – Вплив головного заднього кута на стійкість різця
Рисунок 12.5 – Залежність швидкості різання, яку дозволяє різець,
від головного кута в плані
Вплив головного кута в плані на швидкість, яку дозволяє різець, враховується коефіцієнтом Kv (табл12.2).
Таблиця 12.2 – Залежність швидкості різання від головного кута в плані
|
Головний кут в плані
|
10
|
20
|
30
|
45
|
60
|
75
|
90
|
|
Коефіцієнт Kv
|
1,55
|
1,30
|
1,13
|
1
|
0,92
|
0,86
|
0,81
|
Допоміжний кут в плані також впливає на знос різця, а отже, і на його стійкість. Якщо допоміжний кут в плані малий (1 < 5), допоміжна різальна кромка приймає велику участь в побічному різанні, що викликає велике тепловиділення і знос різця, а отже, зменшує стійкість різця. По мірі збільшення 1 робота різання від допоміжної кромки зменшується, що призводить до деякого підвищення стійкості і, як наслідок, до підвищення швидкості, яку дозволяє різець при однаковій стійкості (рис. 12.6).
Рисунок 12.6 – Залежність швидкості різання від допоміжного кута в плані
Але, починаючи з 1 = 10, в більшій мірі на стійкість різця починає впливати зменшення об’єму головки різця, яке погіршує тепловідвід і призводить до більшої концентрації температури на поверхнях тертя різця, внаслідок чого допустима швидкість різання зменшується (табл. 12.3).
Таблиця 12.3 – Залежність швидкості різання від допоміжного кута в плані
|
Допоміжний кут в плані 1
|
10
|
15
|
20
|
30
|
45
|
|
Поправочний коефіцієнт K1v
|
1,0
|
0,97
|
0,94
|
0,91
|
0,87
|
При збільшенні радіуса закруглення при вершині різця в плані r, хоча і збільшуються деформації і сили Pz і Py, але разом з цим збільшується і довжина активної частини різальної кромки і об’єм головки різця. Останнє сприяє підсиленню тепловідводу і є переважаючим. Тому при збільшенні r стійкість різця і швидкість, яку він дозволяє, дещо підвищується. Вплив радіусу закруглення при вершині різця враховується поправочним коефіцієнтом Krv (табл. 12.4).
Таблиця 12.4 – Вплив радіуса закруглення при вершині різця в плані
на швидкість різання різцем із швидкорізальної сталі
|
Радіус закруглення r, мм
|
5
|
3
|
2
|
1
|
|
Поправочний коефіцієнт Krv
|
1,13
|
1,03
|
1
|
0,94
|
Позитивне значення кута нахилу головної різальної кромки оказує великий вплив на скорочення головної різальної кромки різця, що особливо важливо при переривчастому різанні. В зв’язку з цим, по мірі переходу від негативного значення кута до позитивного (від – 15 до + 40) стійкість різця підвищується. В межах кутів = 0-10зміна стійкості незначна.
З допомогою коефіцієнтів враховується вплив на швидкість різання форми передньої поверхні і розмірів перетину державки різця (Kqv).
Вплив МОР. МОР, яка полегшує утворення стружки, зменшує коефіцієнт тертя і понижує температуру різання, дозволяє підвищити швидкість різання різцями із швидкорізальної сталі в порівнянні з роботою в суху на 20-30%, а при охолодженні МОР до + 2C на 40-45%.
Вплив зносу різця. На швидкість різання впливає максимально допустима з умов роботи величина зносу по задній поверхні. Чим більший допустимий знос, тим більшу швидкість можна назначати для різця (табл. 12.5).
Таблиця 12.5 – Вплив зносу різця на швидкість різання
|
Величина зносу hз, мм
|
0,8-1
|
1,5-2
|
|
Поправочний коефіцієнт Khv
|
1
|
1,33
|
Вплив виду токарного оброблення. В залежності від виду токарного оброблення (зовнішнє точіння, внутрішнє розточування, підрізання торця, відрізка) змінюються умови, в яких знаходиться різець в процесі утворення стружки.
Так, при внутрішньому розточуванні різець знаходиться в більш важких умовах, чим при зовнішньому точінні:
- вершина різця знаходиться на максимальному діаметрі і працює з більшою швидкістю в порівнянні іншими частинами різальної кромки;
- утруднений підвід МОР;
- Менша площа перетину державки, великі вильоти і менша жорсткість ВПІД.
При зменшенні діаметру розточування збільшується поверхня дотику різця з заготовкою, а отже і знос по задній поверхні. Тому при розточуванні зменшують перетин зрізу і швидкість різання (табл. 12.6).
Таблиця 12.6 – Вплив діаметру розточуваного отвору на швидкість різання
|
Діаметр розточуваного отвору D, мм
|
До 75
|
75-150
|
150-250
|
>250
|
|
Поправочний коефіцієнт Kpv
|
0,8
|
0,9
|
0,95
|
1
|
При поперечному точінні умови роботи різця більш сприятливі, чим при поздовжньому точінні, тому що різець при подачі від периферії до центру знаходиться під дією найбільшої швидкості різання невеликий проміжок часу. По мірі переміщення різця до центру ця швидкість зменшується, а в центрі вона дорівнює нулю. Отже різець буде зношуватись менш інтенсивно, а тому швидкість різання можна призначати більш високою (табл. 12.7).
Таблиця 12.7 – Вплив відношення D0/D на швидкість різання
при поперечному точінні
|
D0/D при поперечному точінні
|
До 0,4
|
0,5-0,7
|
0,8-1
|
|
Поправочний коефіцієнт Kпv
|
1,25
|
1,20
|
1,05
|
В важких умовах працюють відрізні різці, тому що процес стружкоутворення відбувається в менш сприятливих умовах. Малі кути при вершині в плані і незначні розміри перетину головки відрізних різців обумовлюють поганий тепловідвід. Особливо навантаженими в температурному відношенні є кутки різця, що призводить до їх сильного зношування, а отже, до значного зменшення швидкості різання в порівнянні зі швидкістю, яку допускають різці при поздовжньому точінні (табл. 12.8).
Таблиця 12.8 – Вплив відношення D0/D на швидкість різання
при прорізанні канавок
|
D0/D при прорізанні канавок
|
0,5-0,7
|
0,8-0,95
|
|
Поправочний коефіцієнт Kпрv
|
0,96
|
0,84
|
D0 – кінцевий діаметр, до якого прорізається канавка.
Загальна формула для розрахунку швидкості різання, яку допускає різець, має вигляд
, м/хв,
де Kv – загальний поправочний коефіцієнт, що дорівнює здобутку коефіцієнтів, розглянутих раніше.
Значення коефіцієнту Cv, стійкості T, показника відносної стійкості m і показників ступені xv і yv, а також поправочних коефіцієнтів наведені в довідковій літературі (наприклад, «Справочник технолога-машиностроителя», том 2, под ред. А.Н.Малова).
Стійкість різального інструмента