iCNC > Блог > Фрезерование твердых материалов – о теплоте резания

Фрезерование твердых материалов – о теплоте резания

17.08.2015

фрезер

Теп­ло реза­ния, кото­рое обя­за­тель­но воз­ни­ка­ет в момент обра­бот­ки метал­ла реза­ни­ем, ока­зы­ва­ет нема­лое вли­я­ние на струк­ту­ру обра­ба­ты­ва­е­мой поверх­но­сти. Очень важ­но пра­виль­но выбрать режим реза­ния, что поз­во­лит мини­ми­зи­ро­вать веро­ят­ный пере­нос теп­ла от инстру­мен­та к телу обра­ба­ты­ва­е­мой дета­ли. Недав­ние иссле­до­ва­ния пока­за­ли, что в неко­то­рых слу­ча­ях тем­пе­ра­ту­ра поверх­но­сти заго­тов­ки может соот­вет­ство­вать началь­ным пока­за­те­лям. Тем­пе­ра­ту­ра реза­ния может ока­зы­вать нема­ло­важ­ное вли­я­ние уро­вень оста­точ­ных напря­же­ний в обра­ба­ты­ва­е­мой поверх­но­сти. Это гово­рит о том, что если режим реза­ния будет выбран непра­виль­но, то от это­го могу ухуд­шить­ся проч­ност­ные каче­ства изде­лия. Если пока­за­тель теп­ло­ты реза­ния для той или иной дета­ли будет пре­вы­шен, то это при­ве­дет к появ­ле­нию мик­ро­тре­щин на поверх­но­сти заго­тов­ки.

При­ме­ча­тель­но, что обра­бот­ка заго­то­вок на высо­кой ско­ро­сти реза­ния дает воз­мож­ность отве­сти теп­ло­ту от обра­ба­ты­ва­е­мой поверх­но­сти, так как боль­шая ее часть будет отво­дить­ся от обра­ба­ты­ва­е­мой дета­ли сов­мест­но со струж­кой. Кро­ме это­го важ­но знать, что по мере уве­ли­че­ния пока­за­те­ля ско­ро­сти реза­ния может уве­ли­чи­вать­ся и теп­ло­та реза­ния. Для того что­бы опре­де­лить зако­но­мер­ность появ­ле­ния теп­ло­ты реза­ния во вре­мя обра­бот­ки метал­ли­че­ских дета­лей были про­ве­де­ны иссле­до­ва­ния, в ходе кото­рой обра­ба­ты­ва­ли фре­зе­ро­ва­ни­ем инстру­мен­таль­ную сталь, име­ю­щую высо­кие пока­за­те­ли проч­но­сти и упру­го­сти. После про­ве­де­ния это­го экс­пе­ри­мен­та уда­лось нагляд­но узнать ста­ти­сти­ку и соот­но­ше­ние уве­ли­че­ния ско­ро­сти реза­ния и глу­би­ны пода­чи инстру­мен­та по отно­ше­нию к теп­ло­те реза­ния во вре­мя фре­зе­ро­ва­ния. В насто­я­щее вре­мя резуль­та­ты того экс­пе­ри­мен­та доста­точ­но широ­ко при­ме­ня­ют­ся на прак­ти­ке, посколь­ку на осно­ва­нии этих дан­ных мож­но выбрать мак­си­маль­но опти­маль­ный режим реза­ния, при кото­ром теп­ло­та будет пере­но­сить­ся на обра­ба­ты­ва­е­мую деталь в мини­маль­ных коли­че­ствах. Для того что­бы на прак­ти­ке соста­вить урав­не­ние теп­ло­ты реза­ния берет­ся во вни­ма­ние пока­за­тель общей теп­ло­ты реза­ния в том или ином слу­чае. Дело в том, что теп­ло реза­ния во вре­мя фре­зе­ро­ва­ния метал­ли­че­ских дета­лей может во мно­гом зави­сеть от обще­го коли­че­ства теп­ло­ты, кото­рое будет выра­ба­ты­вать­ся в ходе обра­бот­ки заго­тов­ки. В насто­я­щее вре­мя при­ня­то опре­де­лять общее теп­ло реза­ния как про­из­ве­де­ние меж­ду ско­ро­стью реза­ния и силы реза­ния. Послед­ний пара­метр в ходе выпол­не­ния выше опи­сан­но­го экс­пе­ри­мен­та одно­вре­мен­но заме­ря­ли с тем­пе­ра­ту­рой обра­ба­ты­ва­е­мой поверх­но­сти.

После про­ве­де­ния ряда экс­пе­ри­мен­тов уда­лось заме­тить, что тем­пе­ра­ту­ра обра­ба­ты­ва­е­мой поверх­но­сти ста­но­вит­ся мень­шей, если уве­ли­чить пода­чу фре­зы на каж­дый зуб. Итак, рас­смот­рим зако­но­мер­но­сти, кото­рые уда­лось уста­но­вить опыт­ным путем в ходе про­ве­де­ния экс­пе­ри­мен­тов:

• Тем­пе­ра­ту­ра обра­ба­ты­ва­е­мой поверх­но­сти до ско­ро­сти реза­ния в 500 обо­ро­тов в мину­ту носит дегрес­сив­ный харак­тер, одна­ко после ее уве­ли­че­ния про­сле­жи­ва­ет­ся линей­ное уве­ли­че­ние теп­ло­ты реза­ния;
• В даль­ней­шем линей­ное про­грес­си­ро­ва­ние уве­ли­че­ния теп­ло­ты реза­ния наблю­да­ет­ся толь­ко при уве­ли­че­нии ско­ро­сти реза­ния свы­ше 1000 м/мин. На этом же эта­пе начи­на­ет про­сле­жи­вать­ся чрез­мер­ный износ инстру­мен­та;
• Если во вре­мя обра­бот­ки заго­тов­ки уве­ли­чить пара­метр пода­чи режу­ще­го инстру­мен­та, то это при­ве­дет к сни­же­нию общей теп­ло­ты реза­ния в целом;
• При пра­виль­ном выбо­ре режи­ма реза­ния на поверх­но­сти заго­тов­ки не будут появ­лять­ся накле­пы и мик­ро­тре­щи­ны, а так­же зна­че­ния теп­ло­ты реза­ния зна­чи­тель­но сни­зят­ся.

После про­ве­де­ния ряда экс­пе­ри­мен­тов в лабо­ра­тор­ных усло­ви­ях уда­лось соста­вить ряд эмпи­ри­че­ских урав­не­ния, кото­рые дают воз­мож­ность мак­си­маль­но точ­но рас­счи­ты­вать тем­пе­ра­ту­ру реза­ния той или иной заго­тов­ки. Дан­ное урав­не­ние может быть выра­же­но поли­но­ма­ми y = b + c1 x + c2 x2 + c3 x3, где все «С» явля­ют­ся посто­ян­ны­ми зна­че­ни­я­ми.

gallery-868x0-308129

Немно­го о теп­ле реза­ния и рабо­те реза­ния

Сто­ит сра­зу обра­тить вни­ма­ние на один из нема­ло­важ­ных тех­ни­че­ских вели­чин – меха­ни­че­скую рабо­ту, кото­рая неиз­мен­но соот­вет­ству­ет одной секун­де про­ве­де­ния обра­бот­ки заго­тов­ки реза­ни­ям, посколь­ку имен­но она зача­стую экви­ва­лент­на обще­му пока­за­те­лю теп­ло­ты реза­ния, про­из­во­ди­мой в то же вре­мя. А [J/s] = Fc[N] x v [м/с] – имен­но таким обра­зом выгля­дит эмпи­ри­че­ское урав­не­ние, кото­рое дает воз­мож­ность выявить зна­че­ние меха­ни­че­ской рабо­ты. В дан­ном слу­чае пара­метр меха­ни­че­ской рабо­ты берет­ся как экви­ва­лент­ное зна­че­ние рабо­ты реза­ния. Меха­ни­че­ская рабо­та дает воз­мож­ность оце­нить про­цесс обра­бот­ки реза­ни­ем заго­тов­ки с энер­ге­ти­че­ской точ­ки зре­ния и дать воз­мож­ность рас­счи­тать нуж­ный уро­вень мощ­но­сти при­во­да исполь­зу­е­мо­го ста­ноч­но­го обо­ру­до­ва­ния. Опыт­ным путем было уста­нов­ле­но, что энер­ге­ти­че­ские затра­ты на обра­бот­ку каж­дой дета­ли про­пор­ци­о­наль­но начи­на­ют рас­ти с уве­ли­че­ни­ем пода­чи инстру­мен­та. Кро­ме это­го ста­ло извест­но, что пока­за­тель мощ­но­сти реза­ния так­же может уве­ли­чи­вать­ся при уве­ли­че­нии ско­ро­сти реза­ния, при этом подав­ля­ю­щее боль­шин­ство теп­ло­ты в таком слу­чае при­хо­дит­ся на тело заго­тов­ки. На про­тя­же­нии мно­гих лет иссле­до­вал­ся вопрос о том, как может часть обще­го объ­е­ма теп­ла реза­ния изме­нять­ся в зави­си­мо­сти от уров­ня ско­ро­сти реза­ния, а так­же пода­чи режу­ще­го инстру­мен­та в тело заго­тов­ки. В любом слу­чае, точ­ный объ­ем теп­ла, кото­рое посту­па­ет в поверх­ность заго­тов­ки, неиз­вест­но. При этом нуж­но отме­тить, что меж­ду тем­пе­ра­ту­рой обра­ба­ты­ва­е­мой поверх­но­сти и объ­е­мом теп­ла во вре­мя обра­бот­ки при­сут­ству­ет про­пор­ци­о­наль­ная связь, то есть с ростом одно­го пара­мет­ра неми­ну­е­мо начи­на­ет уве­ли­чи­вать­ся и дру­гой.

Если фре­зе­ро­ва­ние заго­тов­ки будет про­из­во­дить­ся при пода­че не более 0,05 мм/зуб, то отно­ше­ние дан­ных пока­за­те­лей будет рас­ти по мере роста уров­ня ско­ро­сти реза­ния. Если пода­ча во вре­мя фре­зе­ро­ва­ния будет рав­на 0,125 мм/зуб, то в таком слу­чае уве­ли­че­ние пара­мет­ров будет про­ис­хо­дить более нагляд­но и быст­ро п мере уве­ли­че­ния ско­ро­сти реза­ния.

В подав­ля­ю­щем боль­шин­стве слу­ча­ев рабо­та реза­ния будет уве­ли­чи­вать­ся в линей­ной зави­си­мо­сти по отно­ше­нию к ско­ро­сти реза­ния, одна­ко сила реза­ния будет стре­ми­тель­но сни­жать­ся при уве­ли­че­нии ско­ро­сти реза­ния. Для нагляд­но­сти рас­смот­рим при­мер: если ско­рость реза­ния уве­ли­чить на 229%, то это при­ве­дет к умень­ше­нию силы реза­ния толь­ко на 40%. Этот при­мер нагляд­но демон­стри­ру­ет нам то, что при умень­ше­нии силы реза­ния не смо­жет при­ве­сти к зна­чи­тель­ным изме­не­ни­ям.

На осно­ва­нии экс­пе­ри­мен­таль­ных дан­ных не соста­вит тру­да заме­тить сле­ду­ю­щие нюан­сы:

• Пока­за­тель рабо­ты реза­ния будет про­пор­ци­о­наль­но уве­ли­чи­вать­ся со ско­ро­стью реза­ния по отно­ше­нию к пара­мет­ру рабо­ты. Оба эти пара­мет­ра тес­но свя­за­ны меж­ду собой, поэто­му на них сле­ду­ет обра­щать вни­ма­ние при выбо­ре режи­ма реза­ния.
• Для того что­бы мини­ми­зи­ро­вать тем­пе­ра­ту­ру на поверх­но­сти реза­ния доста­точ­но мак­си­маль­но уве­ли­чить пока­за­те­ли пода­чи инстру­мен­та.
• Боль­шая часть теп­ла реза­ния, кото­рая при­хо­дит­ся на поверх­ность обра­ба­ты­ва­е­мой дета­ли, в боль­шин­стве слу­ча­ев зави­сит от пода­чи инстру­мен­та к телу заго­тов­ки.
• Кри­вые отно­си­тель­ной тем­пе­ра­ту­ры и рабо­ты реза­ния будут дока­зы­вать то, что име­ет место изме­не­ние части теп­ла реза­ния во вре­мя обра­бот­ки дета­ли.

Заклю­че­ние
Ряд про­ве­ден­ных ранее экс­пе­ри­мен­тов дал воз­мож­ность выяс­нить, что обра­бот­ка фре­зе­ро­ва­ни­ем метал­лов с высо­кой проч­но­стью и твер­до­стью при усло­вии соблю­де­ния ско­ро­сти реза­ния от 500 до 1000 об/мин умень­ша­ет теп­ло реза­ния, кото­рая неми­ну­е­мо посту­па­ет на обра­ба­ты­ва­е­мую поверх­ность. В дан­ном слу­чае пока­за­тель пода­чи ока­зы­ва­ет наи­боль­шее вли­я­ние, по срав­не­нию со ско­ро­стью реза­ния. Отсю­да мож­но сде­лать вывод, что при обра­бот­ке дета­ли с боль­шей пода­чей, на ее поверх­ность будет пере­да­вать­ся мини­мум теп­ло­ты реза­ния, при этом за каж­дый про­ход будет уда­лять­ся боль­ший слой излиш­не­го метал­ла. Кро­ме это­го про­ве­ден­ные экс­пе­ри­мен­ты дока­за­ли, что тем­пе­ра­ту­ра поверх­но­сти реза­ния про­пор­ци­о­наль­но уве­ли­чи­ва­ет­ся вме­сте со ско­ро­стью реза­ния, хоть при этом умень­ша­ет­ся часть теп­ла реза­ния, при­хо­дя­ще­го­ся на тело заго­тов­ки. Из это­го сле­ду­ет, что целост­ный объ­ем теп­ла реза­ния будет посто­ян­но уве­ли­чи­вать­ся по мере уве­ли­че­ния ско­ро­сти обра­бот­ки.