9.1. Основные понятия

Эмпирические зависимости стойкости Т от скорости резания v впервые бы­ли использованы для назначения рациональной скорости резания Ф. Тейлором [4]. Опыты проводились при различных, но постоянных в течение всего перио­да стойкости, скоростях резания. Стойкость определялась как время работы инструмента до достижения заданного критерия затупления — заданной шири­ны фаски износа задней поверхности. Результаты эксперимента аппроксими­ровались степенной функцией, так называемым уравнением Тейлора

Tvm = С. (9.1)

График функции (9.1) в координатах с логарифмическими шкалами пред­ставляет собой прямую линию IgT + m Igv = IgC.

Степенные функции (9.1) нашли широкое практическое применение благо­даря простоте степенных функций, возможности графической обработки ре­зультатов эксперимента и минимизации при этом относительных ошибок ап­проксимации во всем диапазоне изменения стойкости. На основе использова­ния степенных функций разрабатывались нормативы режимов резания [82].

Считается, что степенные функции хорошо аппроксимируют результаты эксперимента при резании сталей в области высоких скоростей резания, т. е. таких скоростей, при которых температура резания приближалась к предель­ным значениям, характеризующим теплостойкость инструментального мате­риала.

Уравнение (9.1) используется для определения скорости резания vr по за­данной стойкости инструмента

<92>

Сопоставление скоростей vT для различных материалов при прочих равных условиях резания используется для характеристики обрабатываемости мате­риалов. В связи с этим скорости резания, допускаемые износостойкостью инст­румента, относят к характеристикам обрабатываемости материалов [82].

Основанием для выбора стойкости могут быть требования к снижению затрат на обработку, повышению производительности, экономии инструмента и др.

Экономически целесообразную стойкость инструмента обычно определя­ют из условия минимума технологической себестоимости операции или пере­хода. Себестоимость А технологического перехода складывается из затрат, пропорциональных сумме машинного времени fH и времени fCM на замену ре­жущего инструмента после его затупления, отнесенного к одной обработанной детали, а также затрат на режущий инструмент Аи, отнесенных к одной детали:

Al Q ‘

где Q=TAU — количество деталей, обработанных за период стойкости Т, Е — затраты, связанные с работой станка в течение 1 мин.

Учитывая, что при постоянной подаче машинное время обратно пропорцио­нально скорости резания и предполагая, что связь допускаемой скорости реза­ния со стойкостью может быть описана эмпирическим уравнением (9.2), полу­чим tu=Ci TVm и

(9.4)

Из необходимых условий минимума функции (9.4) — = 0

с/Т

следует, что

Стойкость Тэк называют экономически целесообразной. Чем больше пока­затель степени /77, тем выше должна быть экономически целесообразная стой­кость.

Стойкость Тэк увеличивается при повышении расходов на режущий инстру­мент и времени на замену инструмента.

При высоких расходах, связанных с эксплуатацией оборудования (включая зарплату рабочего и накладные расходы), экономически целесообразная стой­кость уменьшается, приближаясь к стойкости наибольшей производительно­сти:

7"пр ~{т 1)^СМ •

Несмотря на то, что формула (9.5) качественно правильно отражает влия­ние /77, tcu, Аи, Е на экономически целесообразную стойкость, количественные результаты получаются очень заниженными. Так, при т=4 и fCH=1 мин стойкость наибольшей производительности должна быть всего 3 мин.

На практике в качестве целесообразных фиксированных уровней стойкости принимают 7=15 мин [140], 20 мин, 60 и 90 мин [82]. Соответствующие этим уровням стойкости скорости резания обозначают v15, v20, v60, v90.

Обычно меньшие значения периода стойкости соответствуют меньшим значениям толщины срезаемого слоя. Одной из основных причин такого расхо­ждения практически применяемых скоростей v3K с теоретическими является то, что при увеличении скорости резания критерий затупления hi достигается

в области больших значений интенсивности изнашивания поверхностей инст­румента.

Резкое увеличение интенсивности изнашивания инструмента иногда назы­вают катастрофическим износом. С позиций рациональной эксплуатации инст­румента не следует работать в области его катастрофического износа или просто при достаточно больших интенсивностях изнашивания поверхностей инструмента.

Использование в качестве характеристики износостойкости только периода стойкости инструмента не позволяет исключить область больших значений интенсивностей изнашивания, так как методика экспериментального определе­ния стойкости фактически осредняет интенсивности изнашивания в интервале

(0, h’3).

Если исключить область катастрофического износа, то зависимости стой­кости от скорости резания будут иметь меньший показатель степени т и огра­ничены справа (рис. 9.1) значением критической скорости резания vKp и снизу значением критической стойкости инструмента Гкр.

Под критической будем иметь в виду наибольшую скорость резания, при ко­торой заданный критерий затупления инструмента достигается без возникнове­ния катастрофического износа инструмента.

Например, при точении стали 18ХГТ рез­цом Т5К10 с подачей S=0,78 мм/об при кри­терии затупления Лз=0,6 мм наименьшая

(критическая) стойкость Ткр равна 20 мин. Если стойкость, вычисленная по формуле

(9.5) , меньше, чем Гкр, то именно критическая стойкость и должна быть принята в качестве экономически целесообразной. Критическая скорость резания может быть определена из условия формоустойчивости режущего лез­вия. При обработке сталей со скоростями резания v<vKp изменения интенсивностей из­нашивания за период стойкости, как правило, невелики. Это дает основание использовать для приближенных расчетов скорости реза­ния средние интенсивности изнашивания инструмента.

Произведение критических скорости ре­
зания и периода стойкости инструмента соответствует критическому пути ре — зания LKp=vKp7Kp.

Во избежание катастрофического износа и поломок инструмента в связи с пластическими деформациями режущего лезвия необходимо использовать в качестве критериев выбора допускаемой скорости резания интенсивности из­нашивания поверхностей инструмента или путь резания.

Скорости резания, соответствующие конкретному уровню интенсивности изнашивания поверхностей инструмента, будем обозначать v5, в частности верхнему уровню интенсивности изнашивания соответствуют наибольшие це­лесообразные скорости v1t а нижнему (минимальному) уровню — минимальные целесообразные скорости v0.

Работа со скоростями резания, меньшими, чем v0, нецелесообразна, так как при этом не только уменьшается производительность обработки, но и возрастает расход режущего инструмента.

Вместо критического пути резания LKp и критической стойкости ГКр могут быть использованы также путь резания Ц и минимальная целесообразная стойкость Ть соответствующие наибольшей целесообразной средней интен­сивности изнашивания инструмента:

Li=/73/5i, cp) T-=LA>.

Для резания никелевых сплавов (ЭИ698 ВД, ЭП 742 ВД) резцами в’кв в ка­честве такого верхнего уровня интенсивности изнашивания задней поверхности выбрано значение

б’и «8 -10 ‘6,

а для обработки сталей резцами Т5К10 8*t1 * 0,3 -10’6

Одним из недостатков уравнения Тейлора (9.1) является несоответствие расчетных значений стойкости, экстраполированных на малые скорости реза­ния, фактическим. При уменьшении скорости резания графики зависимостей стойкости от скорости в координатах с логарифмическими шкалами не являют­ся прямыми линиями. С практической точки зрения представляет интерес уменьшение скорости резания лишь до минимальной целесообразной скоро­сти v0, при которой достигаются минимальная средняя интенсивность изнаши­вания и соответственно максимальный путь резания L*max:

L=vT = max при T=T(v). (9.7)

В координатах с логарифмическими шкалами соответствующие максималь­ному пути резания минимальная целесообразная скорость резания v0 и стой­кость Г0 определяются точкой касания прямой линии с углом наклона 135° к графику T=T(v) (рис. 9.2).

В работах А. Д. Макарова [61], С. С. Силина [90] и других эти скорости назы­ваются оптимальными (по критерию износостойкости инструмента).

Во многих случаях для расчета скорости ре­зания целесообразно задавать не стойкость Г, а площадь поверхности F = LS (или соответст­вующее количество и размеры деталей).

Использование площади поверхности в ка­честве критерия износостойкости целесообраз­но с практической точки зрения и, кроме того, позволяет более полно оценить влияние подачи на допускаемую скорость резания.

Кроме перечисленных выше понятий скоро­сти резания, допускаемой стойкостью инстру­мента, путем или площадью обработанной по­верхности, средними или мгновенными интен­сивностями изнашивания поверхностей инстру­мента, используются скорости v6, соответст­вующие постоянной температуре.

В работах [61], [82] и других в качестве тем­пературного фактора использовалась темпера­тура резания (средняя температура контакта инструмента со стружкой и дета­лью). Однако далее будут использоваться максимальные или средние темпе­ратуры передней или задней поверхностей режущего лезвия раздельно.

Таким образом, далее будем различать скорости резания vr, vF, v5cp, соот­ветствующие интегральным характеристикам износостойкости (стойкости, пло­щади обработанной поверхности и средней интенсивности изнашивания инст­румента), скорости v5i v-i и v0, соответствующие фиксированным интенсивностям изнашивания рабочих поверхностей инструмента, и скорость vKp, соответст­вующую потере формоустойчивости режущего лезвия.