ВЫСОКОСКОРОСТНОЕ РЕЗАНЬЕ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ЧЕРНЫХ И ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ ИНСТРУМЕНТАМИ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

РЕЗАНИЕ МЕТАЛЛОВ

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Высокоскоростное резание деталей из черных и цветных металлов инструментами из сверхтвердых материалов

Г. В. БОРОВСКИЙ, зав. отделом, канд. техн. наук, С. У. МОЛОДЫК, зав. лабораторией, канд. техн. наук,

ВНИИинструмент, г. Москва

Высокоскоростным следует считать резание, при котором скорость возрастает в 10 и более раз по сравнению с уровнем, установившимся для данного обрабатываемого материала.

Увеличение на порядок скоростей резания возможно только на базе создания и внедрения качественно новых инструментальных материалсв, обладающих соответствующими теплофизикомеханическими характеристиками. Это -синтетические сверхтвердые материалы на основе голи-кристаллических алмазов (PCD), кубического нитрида бора (PCBN) и керамические материалы на основе Al203 и Si3N4.

Основная область применения инструмента из PCBN -это чистовая и получистовая обработка серых, высокопрочных и отбеленных чугунов и закаленных сталей, в основном, в условиях автоматизированного производства на базе станков с ЧПУ, многоцелевых станков, автоматических линий, специальных скоростных станков. Инструменты из РСП используются дпя точения, растачивания, резки и фрезерования сплавов на основе алюминия и меди, древесностружечных и композиционных неметаллических материалов, твердых вольфрамокобальтовых сплавов. Нит-ридная керамика на основе Si3N4 отличается высоким сопротивлением к знакопеременным нагрузкам, повышенной ударной прочностью. Основной областью применения нит-риднол керамики является обработка серых чугунов с пластинчатым графитом с высокими скоростями резания. Она рекомендуется для точения с /даром и неравномемерным припуском (V-300-800 м/мин, глубина резании до 3 мм), для пэедварительного и получистового фрезерования (V=400-1200 м/мин, глубина резания до 4 мм). Однако, при получистовом фрезеровании серого чугуна уже при скорости V= 1000 м/мин несомненно преимущество PCBN перед керамическими материалами на основе Si3 N„. Проведенные исследования показали, что для материалов на основе PCBN, имеющих мелкозернистую структуру и кера-

мическое связующее, образующееся в процессе синтеза, интенсивность износа незначительна даже при получистовом фрезеровании серого чугуна со скоростью N/=3000-4000 м/мин. Ограничением же для использования этих материалов для высокоскоростной обработки является их стойкость к термоудару. Новая керамика на основе Al203, обладающая повышенными прочностными характеристиками, рекомендуется для обработки серых чугунов ( со скоростью до 600 м/мин) и нетермообработанных сталей (со скоростью до 500 м/мин), а также закаленных сталей. Пластины размером 15,875x8 мм позволяют вести обработку незакаленных сталей и серых чугунов с глубиной резания до 6-8 мм. Повышенные прочностные характеристики армированной керамики на основе Al203 позволяют расширить область ее применения на прерывистую обработку. Данная керамика рекомендуется также для обработки никелевых сплавов.

Разработана и выпускается широка? номенклатура инструмента из PCBN, PCD и керамики дпя высокоскоростного резания. Это - токарные проходные, расточные, кана-вочные, резьбовые резцы, в том числе ступенчатой конструкции для снятия повышенных припусков с деталей типа прокатных валков, торцовые хвостовые и насадные фрезы, в том числе регулируемые и переналаживаемые, которые могут оснащаться пластинами из различных инструментальных материалов с оптимальной для каждого геометрией, гамма расточных напайных и сборных резцов, зенковки, расIочные iоливки и г. д. Для обработки древесностружечных ппит на автоматизированных линиях созданы пилы, оснащенные PCBN. Инструменты могут оснащаться, как напайными режущими элементами (цилиндрические и прямоугольные вставки, твердосплавные многогранные пластины с напаянным в одной из вершин PCBN или PCD), так и сменными круглыми или многогранными пластинами цельной или двухслойной конструкции.

Нормирование оптимальных режимов резания труднообрабатываемых материалов

Г. И. СМАГИН, доцент, канд. техн. наук, НГТУ, г. Новосибирск

Процессы резания сопровождаются сложными и разнообразными по своей природе физическими и физико-механическими явлениями в месте контакта обрабатываемого материала и режущего инструмента, точное универсальное математическое описание которых из-за их специфики, изменчивости и разнообразия пока невозмохно.

Основными практическими задачами науки резания металлов, как известно, являются: 1) обеспечение промышленного производства нормативами по режимам обработ-

ки различных материалов; 2) создание информационной базы данных зависимости стойкости инструментов, сил, крутящих моментов, температур, мощностей от режимов обработки; 3) создание базы данных расчетных моделей, характеризующих качество поверхностей обрабатываемых деталей и точности обработки; 4) обоснование взаимосвязи физико-механических характеристик процесса резания с геометрическими параметрами инструментов и с выбором того или иного инструментального материала для них.

№ 3 (20)2003 1 5

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

РЕЗАНИЕ МЕТАЛЛОВ

Первые две задачи наиболее часто решаются на практике. Хотя нормирование режимов резания и насчитывает столетнюю историю (начиная с исследований Ф. Тейлора, предложившего для этого степенную модель стойкости), нерешенных проблем в данных направлениях еще много. Традиционные тейлоровские принципы нормирования режимов резания с использованием степенных моделей стойкости инструмента не удовлетворяют ученых и практиков, работающих в области резания металлов, поскольку они приемлемы лишь для узкого диапазона режимов обработки. Для широкого интервала режимов резания эти модели непригодны, так как они не содержат основных физических характеристик, определяющих стойкость инструмента. Расчетные режимы, полученные с помощью степенных моделей, не отвечают реалиям объективной физической картины износа инструмента, что приводит к большим скрытым потерям на производстве из-за использования недостаточно адекватных режимов резания.

Несмотря на актуальность темы, за последние полвека исследователями было предложено всего несколько новых принципов нормирования режимов резания лезвийными иьструментами, что свидетельствует о сложности проблемы. Повысить достоверность нормирования режимов резания в рамках традиционного использования степенных стойкостных моделей тейлоровского типа и отсутствия теоретических основ износа инструмента в общем случае не удается. Для решения этой задачи нужны такие подходы, которые при определении режимов резания учитывают закономерности физико-механического характера, используют новые, более адекватные модели стойкости, которые позволяют добиваться большего эффекта на производстве при применении оптимальных режимов резания. Одним из белее значительных вкладов в области нормирования режимов обработки труднообрабатываемых материалов был сделан Уфимской школой резания [1]. В её работах была установлена достаточно простая взаимосвязь режимов резания, соответствующих локальным минимальным износам инструментов для текущих значений подач на оборот - так называемая «оптимальная температура» обработки. Но, как стало ясно в дальнейшем, этого было недостаточно. Так в настоящее время установлено [2], что, кроме этого достаточно важного положения существуют и другие эффективные взаимосвязи однозначных, хорошо определяемых областей режимов резания на поле фактоэного про-стэанства: область экстремума стой-козтной модели, характеристические линии на одноэкстремальной поверхности отклика стойкости, условие постоянства контактных давлений на режущий клин инструмента независимо от обрабатываемого материала также для режимов максимальных стойкостей инструмента.

В лаборатории резания металлов Новосибирского технического государственного университета обоснован более эффективный, чем общепринятый в настоящее время, принцип нормирования режимов обработ-

ки труднообрабатываемых материалов. При разработке новых методик определения режимов резания были учтены основные недостатки действующих на сегодняшний день методик определения режимов обработки, в основе которых лежат степенные стойкостные зависимости или режимы вдоль линий «оптимальных температур».

В основу предлагаемой методики положена специально разработанная одноэкстремальная стойкостная зависимость. Эта экспоненциальная стойкостная зависимость была получена преобразованием логарифмической полиномиальной двухфакторной модели без члена взаимодействия факторов между собой в экспоненциальную. Для двухфакторной области режимов резания экспоненциальная модель стойкости, т.е. модель, используемая при определении режимов для заданной глубины резания, имеет вид:

Ь = А ехр

(1)

где: I. - стойкость инструмента,мм; Эо, п - подача на оборот, число оборотов в мин.; остальные члены - параметры модели. Характеристическая кривая НЭм (рис. 1) локальных максимумов стойкости для текущих значений Эм (мм/мин.) имеет следующее выражение

а А + 4(а,Ъп)2 -4Ь1а„п + 4Ъ;п2

2 Ь

(2)

Одноэкстремальная стойкостная модель (1) имеет то преимущество, что обладает значительно большей адекватностью по сравнению со степенной зависимостью. Но самым главным преимуществом разработанной стойкост-ной модели (1) является то, что ее параметры отличаются согласованностью с характеристиками геометрической

0.1

0.09

0.08

0.07

0.06

0.05

0.04

0.03

п, об/мин

1000

1200

1400

1600

1800

2000 2200

Рис.1. Поверхность отклика стойкости инструмента и функции затрат. 1_тах-максимальная стойкость инструмента в мм (суммарная глубина просверленных отверстий до затупления инструмента), М*- оптимальный режим, ПБм - характеристическая линия, ¿мм - минутная подача. (0 сверла-4.2мм, материалы сверла Р6М5, 1Х18Н9Т, глубина сверления - 26, вылет сверла - 106, СОТС)

16 № 3 (20) 2003