Як знос залежить від режимів різання?

Про правильність вибору інструменту та режимів обробки можна судити за ознаками зношування інструменту. У статті на прикладі твердосплавних пластин показані деякі характерні зміни, які допомагають оцінити процеси, що відбуваються, і вжити заходів
підвищення ефективності обробки.

Кожен, хто займається металообробкою, стикається з таким явищем, як зношування інструменту (рис. 1). Це абсолютно нормальний та природний процес, що виникає в процесі обробки металів різанням через взаємодію ріжучої кромки та оброблюваної поверхні. При цьому ріжуча кромка піддається відразу декільком видам впливу: механічному, температурному, хімічному, фрикційному та ін.

Мал. 1. Зношування та поломка інструменту

Однак видів зносу інструменту існує досить багато, і не всі є природними. Деякі види зношування виникають внаслідок неправильного використання металорізального інструменту або внаслідок некоректного вибору самого інструменту.

Зазвичай виділяють три типи зносу ріжучої кромки: абразивний, адгезійний та дифузійний. При абразивному зносі тверді частинки матеріалу, що обробляється, дряпають поверхню ріжучого інструменту, поступово стираючи її. Процес адгезійного зносу пов'язаний з напоюванням (прилипанням) поверхонь, що труться одна про одну, після чого відбувається відрив мікрочастинок з поверхні ріжучої кромки, що з часом призводить до утворення великих западин (лунок) на поверхні інструменту. Цей процес, як правило, відбувається при відносно невисоких температурах у зоні різання.Дифузійний знос настає при високих температурах, коли атоми інструменту та оброблюваної заготовки змішуються, виникає хімічна реакція, в результаті якої змінюється фізико-хімічний склад верхнього шару інструменту, його опір зношування зменшується, а надалі виникають лунки на його передній поверхні. Будь-яке зношування утворюється або на задній, або на передній поверхні інструменту, а іноді і на обох поверхнях відразу.

Отже, розглянемо деякі види зношування на прикладі твердосплавних пластин:

Зношування по задній поверхні (рис. 2)

Це абразивний вид зношування, наслідком якого є стирання задньої поверхні ріжучого інструменту. Відбувається він через тертя задньої поверхні інструменту про оброблювану поверхню. Такий знос є найкращим, оскільки настає він поступово і передбачувано. Якщо в ході обробки послідовно виникає зношування по задній поверхні, то це ознака нормальної експлуатації інструменту.

У той же час, якщо задня поверхня зношується дуже швидко, це може бути ознакою того, що ми використовуємо недостатньо твердий сплав. Як відомо, сплави не можуть бути одночасно твердими та міцними: чим твердіший сплав, тим менший він міцний і навпаки.

Також причиною занадто інтенсивного зношування по задній поверхні може бути надмірна швидкість різання. З трьох основних параметрів режимів різання: подача, швидкість різання та глибина різання — саме швидкість різання найбільше впливає на знос інструменту.

Подача інструменту менш впливає на знос, але від величини подачі залежить, наскільки інтенсивно буде зношуватися передня поверхня інструменту.Глибина різання несуттєво впливає на зношування інструменту, але важливо не перевищувати рекомендованих параметрів по глибині, щоб не допустити механічного навантаження та руйнування пластини.

Відповідно, для боротьби з цим типом зносу слід знизити швидкість різання і вибрати твердіший, а значить, більш зносостійкий сплав.

Освіта борозенки (рис. 3)

Борозна, або проточина виникає на рівні глибини різання. Причиною такого зносу може стати кірка на поверхні заготівлі або тверді мікровключення в матеріалі, що обробляється.

Даний вид зносу обумовлений зміцненням оброблюваної поверхні і характерний для в'язких матеріалів, таких як нержавіючі та жароміцні сталі.

Для боротьби з утворенням борозенки рекомендується зменшити швидкість різання, зменшити подачу, вибрати міцніший сплав, а також зменшити кут у плані. Утворення борозенки можна запобігти зміні стратегії обробки, наприклад, зробивши змінною глибину різання.

Знос по передній поверхні (лункоутворення, рис. 4)

Передня поверхня - це поверхня, по якій сходить стружка в процесі різання, і саме ця поверхня найбільше контактує зі стружкою. Зношування по передній поверхні настає внаслідок того, що гаряча стружка, стикаючись з передньою поверхнею ріжучого інструменту, розкладає кобальтову зв'язку і розчиняє карбід вольфраму. Тверді включення в оброблюваному матеріалі врізаються в пластину, сколюється покриття, і його частинки вдавлюються в передню поверхню.

Для вирішення проблеми в даному випадку слід знизити швидкість різання або подачу, вибрати твердіший сплав, а також перевірити коректність вибору стружколому.Можливо, що геометрія стужколома не підходить для конкретної обробки. Наприклад, при чорновій обробці використовується стружколом, призначений для чистових операцій, відповідно, стружка не правильно сегментуватиметься, а зіштовхуватиметься з передньою поверхнею, руйнуючи її.

Пластична деформація (рис. 5)

Якщо в процесі обробки генерується занадто велика кількість тепла і також виникає механічне навантаження пластини, то під впливом температури розм'якшується твердий сплав, кобальтова зв'язка плавиться і відбувається пластична деформація ріжучої кромки.

У цьому випадку насамперед варто звернути увагу на зниження температури в зоні різання, а найефективніше це можна зробити, знизивши швидкість різання, а також включивши СОЖ, якщо СОЖ не використовувалася раніше. Важливо, щоб СОЖ подавали саме в зону різання для того, щоб максимально ефективно знизити температуру. Для цього можна використовувати спеціальні державки з можливістю спрямованої подачі СОЖ. Крім того, бажано вибрати більш зносостійкий (твердий) сплав та геометрію з великим радіусом ріжучої кромки, оскільки температура буде розподілятися з більшої площі поверхні, що призведе до її зниження.

Наростоутворення (налипання, рис. 6)

При високому тиску і низькій температурі в зоні різання матеріал, що обробляється, може прилипати до ріжучої кромки, а потім при відриві цього наросту він захоплює з собою частинки покриття і основу сплаву, відповідно, пластина швидко руйнується.Додатковою проблемою є те, що при утворенні даного наросту геометрія пластини змінюється, і це може позначитися як на якості поверхні, що обробляється, так і на її кінцевому чистовому розмірі. Як правило, наростоутворення відбувається при обробці в'язких матеріалів, таких як нержавіюча сталь або алюміній.

За такої проблеми слід збільшити температуру шляхом збільшення швидкості різання. Однією з найпоширеніших помилок є обробка в'язких матеріалів із низькою швидкістю різання. Також рекомендується по можливості вибрати пластину з гострішою геометрією і тонким покриттям (наприклад, PVD-сплави мають значно меншу товщину покриття, ніж CVD).

Викрашування ріжучої кромки (рис. 7)

В основному причиною такого виду зносу служать тверді мікровключення в матеріалі, що обробляється, вібрації, а також переривчасте різання.

Насамперед варто перевірити стабільність обробки, чи добре закріплена деталь на верстаті і чи немає вібрацій. При виявленні вібрацій та неможливості поліпшити жорсткість закріплення заготовки варто змінити кут у плані на ближчий до 90 градусів. Це призведе до збільшення осьових сил різання та зменшення радіальних, а, як відомо, саме радіальна складова сили різання викликає вібрації. Якщо причина не в цьому, варто зменшити подачу, особливо на врізанні і на виході з різання. Також слід вибрати більш в'язкий сплав і міцнішу геометрію ріжучої кромки, можливо, з більшим радіусом.

Термічні тріщини (рис. 8)

Такий вид зношування легко ідентифікується, оскільки має явні ознаки - тріщини, перпендикулярні ріжучій кромці.Виникає через різницю температур між нагрітим і охолодженим станом ріжучої кромки.

Термотріщини особливо характерні для фрезерування, так як використовується кілька зубів інструменту, які поперемінно знаходяться в матеріалі, то виходять з нього, піддаючись таким чином швидкій зміні температури.

При появі такого виду зносу перш за все потрібно припинити подачу СОЖ або, навпаки, використовувати надмірну кількість охолоджувальної рідини для підтримки постійного рівня температури ріжучої кромки. Також варто зменшити швидкість різання і вибрати в'язкіший сплав, який менш схильний до такого типу зносу.

Руйнування пластини (рис. 9)

Поєднання механічного та термічного навантаження є таким великим, що пластина руйнується в перші секунди роботи, причому одночасно і по задній, і по передній поверхні. Причиною, як правило, є один із попередніх видів зносу. Також можливо встановлені сильно завищені режими різання або некоректно обрана геометрія пластини.

У цьому випадку рекомендується зменшити глибину різання, зменшити подачу, вибрати міцніший сплав. Іноді може допомогти заміна пластини більш товсту або, наприклад, заміна двосторонньої пластини на односторонню.

Варто зауважити, що інтенсивність і характер зносу сильно залежить не тільки від параметрів металорізального інструменту, але і від матеріалу, що обробляється, так, наприклад, при обробці чавуну характерний знос по задній поверхні, тому що стружка добре сегментується і майже не взаємодіє з передньою поверхнею, а пластична деформація можлива при обробці жароміцних матеріалів, у процесі різання яких генеруються дуже високі температури.

Таким чином, навчившись правильно класифікувати зношування інструменту, можна забезпечити стабільну обробку і максимально збільшити стійкість ріжучої кромки металорізального інструменту.

Джерело журнал "РІТМ машинобудування" № 3-2022

Режими різання при токарній обробці

Глибина різання, швидкість різання та робоча подача – основні характеристики щодо режиму різання на токарному верстаті. Як правильно вибрати їх та які для цього є способи, розповідаємо у статті.

Правильний вибір режиму обробки на токарному верстаті – важливе завдання. Якщо робочі параметри задані правильно, верстат працює з максимальною ефективністю:

• досягається висока продуктивність;
• мінімальна собівартість;
• підвищується якість обробки поверхні;
• ріжучий інструмент працює без підвищеного зношування, не ламається;
• ймовірність шлюбу практично зведена нанівець.

Процес утворення стружки на токарному верстаті ЧПУ. Джерело www.dreamstime.com

Параметри режиму різання під час токарної обробки

Робочі параметри – це сукупність характеристик, які задають відповідно до технологічного маршруту обробки деталі конкретним інструментом.Якщо виріб складний, кожного етапу (переходу) операції визначають свої параметри з урахуванням технологічних вимог креслень, розмірів і допусків.

Вибрати оптимальний режим токарної обробки досить, як правило, один раз – для першої деталі. Щоправда, не завжди. Якість металу може змінюватися від партії до партії, і доводиться підлаштовуватись під існуючі умови. Але якщо змін не відбувається, то в подальшому при виготовленні таких деталей параметри автоматично підставляють, що дозволяє прискорити налагодження верстата і оптимізувати виробничий процес.

Основні параметри різання – це:

• глибина різання – t, мм;
• робоча подача – S, мм/об;
• швидкість різання – V, м/хв.

Елементи режимів різання при токарній обробці

До додаткових параметрів відносяться: маса та матеріал заготівлі, припуски, частота обертання шпинделя, матеріал різця (ріжучої частини), допоміжний та основний час обробки, чистота обробки поверхні та інші характеристики, які впливають на результат токарної обробки.

Розрахунок токарних режимів різання виробляють одним із трьох способів.

• Аналітичний (розрахунковий) – за формулами, виходячи з технічних характеристик верстата.
• Програмний – із застосуванням спеціального ПЗ. Таким чином визначають режими різання на сучасних токарних верстатах із ЧПУ: ті самі формули, але вважає машина, що мінімізує ймовірність помилок.
• Табличний – добір параметрів різання виходячи з власного досвіду та довідкових таблиць. Важко врахувати всі нюанси, тому метод зазвичай використовують разом із аналітичним.

Розрахунок режимів токарної обробки

Спочатку визначають глибину різання, потім подачу та швидкість роботи.Такий порядок розрахунку обумовлений збільшенням ступеня впливу параметра на стійкість інструменту. Глибина різання найменше впливає на кількість теплоти, що виділяється при різанні, і, відповідно, знос різця, тоді як подача і швидкість - більшою мірою.

Глибина різання

Під цим параметром розуміють відстань, яку різець занурюється в матеріал заготівлі. Різницю між початковим діаметром заготовки D і новим діаметром d, отриманий після проходу різця, прийнято називати припуском. Тому кажуть, що глибина різання визначається припуском, що знімається із заготівлі за один прохід різця.

З урахуванням того, що на токарному верстаті обробка проводиться вздовж осі обертання заготовки, формула має вигляд:

t – глибина різання;

D – діаметр до проходу різця;

d – діаметр після проходу різця.

При підрізанні торців, коли обробку виконують перпендикулярно осі обертання, t приймають рівною глибиною шару, що зрізається.

При визначенні t важливо врахувати вимоги до шорсткості поверхні кваліфікації точності. Якщо вимоги високі, для зняття припуску більше 2 мм рекомендується робити кілька проходів. Якщо нерівномірні припуски, також додаються проходи, щоб уникнути порушень геометрії.

Робоча подача

Під подачею розуміють швидкість переміщення різального інструменту приводним механізмом верстата. У токарній обробці цей показник визначає відстань, що проходить різець за один оборот деталі, що обробляється.

• При чорновій обробці вибирають максимальну подачу з урахуванням потужності/жорсткості верстата та міцності ріжучого інструменту.
• При чистовій обробці вибирають мінімальну подачу, зважаючи на задані параметри шорсткості.

Для спрощення обчислень потрібне значення подачі вибирають по довідковій таблиці.

За наявності значних ударних навантажень значення, визначене за таблицею, слід помножити на 0,85. Якщо обробляється жароміцна сталь, значення подачі дорівнює 1 мм/об.

Швидкість різання

Під швидкістю різання в токарній обробці розуміють шлях, який проходить точка різця за одиницю часу, зазвичай за хвилину. Довжина шляху залежить від діаметра заготівлі та кількості оборотів, які вона здійснює за цей часовий інтервал.

При розрахунку режимів різання у токарній обробці використовують формулу:

V – швидкість різання;

D – діаметр заготівлі;

n – кількість оборотів заготівлі.

Насправді цей параметр зазвичай визначають з стійкості використовуваного ріжучого інструменту. Наприклад, стійкість твердосплавних різців знаходиться в діапазоні 60 ... 90 хвилин. Для зручності визначення V можна використовувати довідкові таблиці.

Відповідність режиму різання потужності головного двигуна верстата

Після того, як визначено всі основні параметри режиму обробки на токарному верстаті, необхідно перевірити їхню відповідність потужності обладнання.

Спочатку розрахують силу різання за такою формулою:

P – сила різання, кг;

З_р - Коефіцієнт, що залежить від якості матеріалу обробки;

t – глибина різання;

Значення величин, що у формулі, підбирають по таблиці.

Далі підставляємо знайдене значення сили різання у формулу:

N_ст - Потужність верстата, кВт;

V – швидкість різання;

У паспорті верстата є готові таблиці визначення потужності різання при різних значеннях режиму обробки. Необхідно порівняти нормовані показники з тими, що визначені розрахунковим шляхом.Розраховані значення не можуть бути більшими за допустимі, інакше обладнання може не витримати навантаження і навіть вийти з ладу. Якщо отримані значення більші, їх потрібно скоригувати.

Перевагою використання токарних верстатів саме з числовим програмним управлінням є можливість швидкого прорахунку оптимального режиму різання для будь-яких токарних операцій за допомогою спеціального ПЗ, а також просте та швидке проведення будь-яких коригувань без необхідності проводити розрахунки вручну.