9.9.3. Пластическое разрушение лезвия

Пластическое разрушение лезвия происходит путем пластического течения поверхностных контактных слоев лезвия инструмента с последующим срезом чаще всего вдоль задней грани и реже - вдоль передней поверхности. Этому благоприятствует нагрев и размягчение инструментального материала. Так, при обработке углеродистой стали пластическое течение инструмента из быстрорежущей стали, происходит при температурах, превышающих 900°К, из твердых сплавов - 1400°К. При обработке жаропрочных материалов, когда контактные нагрузки выше, пластическое течение наступает при более низких температурах. При пластическом течении лезвие теряет свою форму. Основной характеристикой, определяющей формоустойчивость лезвия, является отношение действительной твердости материала инструмента H_и к твердости обрабатываемого материала H_м, которое должно быть не менее 1,4. Но в ряде случаев этот показатель не является достаточным и к вышеуказанному следует добавить отношение пределов прочности на растяжение материала инструмента σ_ви к пределу прочности обрабатываемого материала σ_вм, которое должно быть не менее 1,4.

а	б
Рис.9.10. Виды пластического разрушения лезвия: а – пластический изгиб; б – пластический сдвиг

На рис. 9.10.а,б показаны виды пластического разрушения лезвия. Расчет пластической прочности лезвий производится по теории предельных напряжений Губера - Мизеса - Генки. По этой теории эквивалентное напряжение для плоского напряженного состояния определяется по формуле

где σ_Y, σ_Z, τ_YZ - нормальные и касательные напряжения.

Условие прочности

где σ_Т - предел текучести инструментального материала;

n - коэффициент запаса прочности.

Применительно к задней поверхности инструмента будем иметь

где q_З=1,4 σ_Т, μ₃=1 определяются по методике, изложенной в 7.7.3.

10. Определение оптимального режима резания

10.1. Обоснование методики выбора элементов режима резания

Режим резания оказывает решающее влияние на производительность, качество и стоимость обработки. Его надо выбирать таким, чтобы он обеспечивал заданное качество обработки при наименьших затратах и наибольшей производительности. Прежде чем определить режим резания, необходимо определить параметры режущего инструмента: марку материала режущей части, её размеры и геометрию, характеристики заготовки: марку материала, состояние материала и показатели его физико-механических свойств, размеры, способ крепления заготовки на станке. При выборе режима резания по мере необходимости рекомендуется произвести корректировку материала режущей части, геометрии инструмента, углов в плане φ и φ₁, радиуса при вершине резца и других элементов.

Поскольку режим резания определяет производительность процесса резания, а повышение производительности труда - необходимое условие развития человеческого общества, то элементы режима резания: глубину резания, подачу и скорость резания необходимо выбирать наибольшими. Однако при этом имеются ограничения со стороны элементов технологической системы, участвующих в обработке резанием: станка, инструмента и обрабатываемой заготовки. Рассмотрим эти ограничения.

Обрабатываемая заготовка может непосредственно ограничивать лишь те элементы режима резания, которые определяются размерами припуска, а именно: глубину резания, а при фрезеровании глубину резания и ширину фрезерования. Эти величины не могут превышать соответствующие размеры припуска, имеющегося на заготовке, подлежащей обработке.

Станок может ограничивать режим резания, а конкретнее скорость резания, мощностью двигателя и своей быстроходностью, так как для осуществления процесса резания необходимо, чтобы потребные для обработки мощность и число оборотов не превышали имеющиеся на станке. Однако является ли данное ограничение объективным, непреодолимым? Конечно нет, так как всегда можно выбрать станок достаточной мощности и быстроходности, или спроектировать и изготовить станок с необходимыми характеристиками. Поэтому при выборе режима резания необходимо станок выбрать так, чтобы он не ограничивал режим резания и производительность обработки.

Инструмент может ограничивать режим резания прочностью и размерами лезвий, прочностью элементов его конструкции и теплостойкостью материала режущей части. Ограничения, определяемые прочностью лезвий и теплостойкостью материала режущей части, заключены в природе инструментального материала и являются абсолютными в том смысле, что устранить их не всегда представляется возможным. В перспективе человечество, совершенствуя инструментальные материалы, будет отодвигать эти границы, но, видимо, никогда не устранит их полностью. Ограничения, определяемые размерами лезвий и прочностью элементов конструкции, являются условными. Размеры лезвий всегда можно выбрать такими, что будет обеспечено срезание припуска с заготовки за один проход. При этом исключения составляют напуски - излишние слои материала, имеющиеся на обрабатываемой заготовке и обусловленные нерациональной формой и размерами заготовки. Напусков следует избегать при изготовлении заготовок.

Таким образом, ограничения режима резания, имеющиеся со стороны режущего инструмента, являются объективными, а ограниченная теплостойкость инструментального материала является основным препятствием для повышения производительности обработки резанием. Поэтому перспективы роста производительности обработки резанием о многом связаны с усовершенствованием инструментальных материалов в направлении повышения их теплостойкости и твёрдости.

Режим резания целесообразно выбирать так, чтобы в первую очередь обеспечивалось качество обработки, во вторую – наименьшие затраты, в третьих – наибольшая производительность, для чего необходимо, чтобы температура резания θ была оптимальной, а производительность П - максимальной. Температура резания определяется θ = CV^XS^Yt^Z, производительность - произведением элементов режима резания П = VSt. Как было установлено в разделе 8, при выборе элементов режима резания сначала необходимо выбрать максимальную глубину резания. Она определяется размером припуска или напуска. В случае припуска толщиной δ глубина резания не может его превышать t δ. Если необходимо оставить часть припуска для последующей обработки, то t < δ, в других случаях t = δ. В случае наличия на заготовке напуска толщиной δ_Н, глубина резания t < δ_Н. При этом t < δ_Н в двух случаях: когда длина режущей части недостаточна для срезания напуска за один проход или когда необходимо оставить припуск для окончательной обработки.

После определения глубины резания следует выбрать подачу. В совокупности глубина резания и подача определяют силу резания, а подача и геометрия инструмента - шероховатость обработанной поверхности. Поэтому подачу следует выбрать такой, чтобы зависящие от нее силы резания и шероховатость не превышали допустимых значений, иначе качество обработки не будет обеспечено.

Глубина резания и подача не определяют полностью характеристик процесса резания и недостаточны для его осуществления. Необходимо сообщить движение инструменту относительно заготовки с оптимальной скоростью резания, которая при выбранных значениях глубины и подачи определяет мощность процесса резания, температуру резания и все другие характеристики. Важнейшее значение при выборе режима резания имеют мощность и температура. Увеличение скорости резания приводит к возрастанию температуры и мощности. Однако последнее не может служить объективным ограничением для скорости резания, так как станок можно создать любой мощности. Задача здесь сводится к выбору станка соответствующей мощности и быстроходности из существующих моделей, либо к созданию соответствующего нового станка.

Иначе дело обстоит с увеличением температуры по мере роста скорости резания, так как при этом твердость материала лезвия инструмента снижается, и при некоторой температуре инструмент становится непригодным для обработки: материал инструмента допускает лишь определенную его природой температуру. В настоящее время человечество не располагает инструментальными материалами, допускающими нагрев при обработке свыше . Допустимая температура нагрева материала инструмента при обработке служит естественным барьером для увеличения скорости резания. Поскольку оптимальная температура эксплуатации инструмента часто неизвестна, то на практике применяется технологический аналог температуры - стойкость режущего инструмента. Поэтому выбор скорости резания производится по стойкости.

Для всех видов обработки необходимо назначить оптимальный режим резания, под которым понимается режим резания, обеспечивающий заданное качество обработки при минимальных на нее затратах.