Современные методы обработки резанием и их применение

Почему обработка резанием незаменима в машиностроении?

• Представьте себе скульптора, ваяющего шедевр из камня. Каждое движение его резца выверено, сила нажатия и угол – точно подобраны. Малейшая ошибка – и заготовка испорчена. Токарная обработка металла – это во многом схожее искусство, подкрепленное точной наукой. И ключом к созданию идеальной детали, будь то вал двигателя или крошечный винтик, является правильный выбор режимов резания. Что же это за "магические" параметры и как их подобрать? Давайте разберемся.
• Обработка резанием — один из наиболее распространённых методов механической обработки материалов, позволяющий получать детали заданных форм и размеров путём удаления слоя материала в виде стружки. Этот метод широко применяется в машиностроении благодаря своей универсальности, высокой точности (до IT6–IT7) и экономичности при серийном производстве.
• Например, при изготовлении лопаток турбин авиадвигателей таких как ПД-14 используется фрезерная обработка с ЧПУ из жаропрочных сплавов. Точность обработки критична: отклонение в несколько микрон может повлиять на аэродинамику и КПД двигателя. Для этого применяют: твердосплавные инструменты с наноструктурированными покрытиями и высокоскоростное резание (HSM) с охлаждением CO₂ для минимизации деформаций.
• Теоретические основы процесса резания удобнее всего рассматривать на примере простейшего вида обработки — поперечного строгания. Классическая схема данной операции с обозначением основных параметров представлена на рисунке:

Механизм формирования стружки при обработке металлов

• При механической обработке материалов резанием (в зависимости от геометрии режущего инструмента, скоростных режимов, свойств обрабатываемого материала и других факторов) формируются стружки разного вида. Согласно классификации, разработанной русским ученым И.А. Тиме, все многообразие образующихся стружек можно систематизировать и выделить 4 основных типа:

• а) Элементная стружка. Элементная стружка характеризуется формированием отдельных, сильно деформированных, слабо связанных между собой элементов, которые обладают приблизительно одинаковой геометрической формой и размерами. Такой тип стружки образуется при обработке твердых материалов на низких скоростях резания, при малых передних углах и больших толщинах срезаемого слоя. Процесс резания протекает неравномерно, что приводит к возникновению вибраций, негативно влияющих на чистоту обработанной поверхности. Длина контакта стружки с передней поверхностью резца невелика, что приводит к концентрации больших удельных нагрузок вблизи главного лезвия. Это требует использования инструментов из высокопрочных материалов для предотвращения быстрого износа. Износ инструмента в данном случае происходит преимущественно по передней поверхности, что может привести к снижению точности обработки.
• б) Суставчатая стружка. Суставчатая стружка состоит из отдельных элементов трапециевидной формы, которые деформированы по плоскости сдвига, в то время как внутренняя часть элементов деформирована в меньшей степени. Этот тип стружки формируется при более равномерном распределении нагрузки на инструмент по сравнению с элементной стружкой, так как элементы не скалываются полностью. В результате шероховатость обработанной поверхности снижается. Длина контакта стружки с передней поверхностью резца увеличивается, что позволяет снижать удельные нагрузки. Износ инструмента в данном случае происходит как по передней, так и по задней поверхности, что требует внимательного контроля состояния инструмента для поддержания высокого качества обработки.
• в) Сливная стружка. Сливная стружка представляет собой бесконечную ленту, которая является сплошной и постоянной по величине. Контактная сторона такой стружки очень гладкая, а внешняя сторона имеет бархатистый вид. Этот тип стружки характеризуется большой длиной контакта с передней поверхностью резца, что обеспечивает наиболее плавное распределение нагрузки. Сливная стружка сходит по передней поверхности резца с большей скоростью, что приводит к интенсивному износу передней поверхности, особенно в местах максимального давления, где может образовываться лунка. Также изнашивается и задняя поверхность, но в меньшей степени. Несмотря на плавное распределение нагрузки, сливная стружка является наиболее опасной для работающего и окружающих из-за своей способности образовывать запутывающиеся и острые конструкции.
• г) Стружка надлома. Стружка надлома образуется при резании хрупких материалов, таких как чугун или бронза. Она состоит из отдельных частичек различной формы и размеров. Площадь контакта стружки с резцом в этом случае минимальна, что приводит к максимальным удельным нагрузкам на инструмент. Для обработки таких материалов необходимо использовать самые прочные твердые сплавы. Процесс стружкообразования при резании хрупких материалов происходит за счет упругих деформаций, что приводит к большой шероховатости обработанной поверхности из-за выкрашивания. Износ инструмента в этом случае протекает интенсивно, что требует частой замены режущих элементов для поддержания качества обработки.

Примеры типовых операций механической обработки

• Механическая обработка резанием охватывает широкий спектр технологических операций, позволяющих придавать заготовкам требуемую форму, размеры и качество поверхностей. Каждая операция выполняется с использованием соответствующего режущего инструмента и режимов резания для формирования определённых элементов детали – от создания отверстий до нарезания резьбы и разделения заготовок. Ниже представлены примеры наиболее распространённых операций, которые будут проиллюстрированы далее:

• Сверление, зенкование и развёртывание (обработка отверстий). Сверление создаёт начальное отверстие, зенкование обрабатывает его входную часть (например, под головку винта) или снимает фаску, а развёртывание обеспечивает высокую точность размеров и низкую шероховатость его поверхности.
• Растачивание (обработка внутренних цилиндрических поверхностей). Эта операция позволяет увеличить диаметр и/или улучшить точность и качество поверхности существующего отверстия (полученного, например, сверлением или литьем).
• Подрезание торцов (обработка плоских торцевых поверхностей). Данная операция формирует плоскую поверхность, перпендикулярную оси вращения детали, часто для обеспечения точной длины или создания базовой поверхности.
• Нарезание резьбы (создание винтовых поверхностей). Резьба может нарезаться как на наружных, так и на внутренних поверхностях с помощью резцов, метчиков или плашек для создания крепёжных или ходовых винтовых соединений.
• Обтачивание (обработка наружных цилиндрических и конических поверхностей). При обтачивании заготовка вращается, а режущий инструмент перемещается поступательно вдоль или под углом к оси вращения, снимая слой материала для получения нужной формы и размера.
• Обработка фасонных поверхностей (создание сложных профилей). Для формирования таких поверхностей часто применяются фасонные резцы, копировальные устройства или станки с ЧПУ, управляющие сложной траекторией движения инструмента относительно заготовки.
• Отрезка (разделение заготовки). Обычно выполняется узким отрезным резцом на токарном станке для отделения готовой детали от прутка или оставшейся части заготовки.

Три кита режимов резания. Хотя на процесс влияет множество факторов, три основных параметра всегда в центре внимания:

• Глубина резания (t), мм. Это толщина слоя металла, снимаемого режущим инструментом за один проход. Она измеряется в направлении, перпендикулярном обработанной поверхности. Чем больше глубина, тем выше производительность (больше материала снимается), но и выше нагрузка на инструмент и станок.
• Подача (S), мм/об. Это расстояние, на которое резец перемещается вдоль оси заготовки (при продольном точении) или перпендикулярно ей (при подрезке торца) за один полный оборот шпинделя (и заготовки). От подачи напрямую зависит шероховатость поверхности: чем меньше подача, тем чище поверхность, но ниже производительность. Существуют также понятия минутной подачи (мм/мин) и подачи на зуб (мм/зуб), но для токарной обработки основной является подача на оборот.
• Скорость резания (V), м/мин. Это путь, который проходит точка на обрабатываемой поверхности заготовки относительно режущей кромки инструмента в единицу времени. Это самый влиятельный параметр, определяющий температуру в зоне резания и, как следствие, стойкость инструмента. Слишком низкая скорость неэффективна, слишком высокая – ведет к быстрому износу или даже разрушению резца.

Путь к оптимуму. Методы расчета режимов резания

• Как же найти тот самый "золотой" набор параметров? Существует несколько подходов:
• Табличный (справочный) метод. Исторически один из первых. Основан на использовании обширных нормативных таблиц и справочников, где собраны рекомендованные режимы для типовых условий обработки (материал заготовки, материал инструмента, вид операции). Плюсы - быстро, не требует сложных вычислений. Минусы - данные усредненные, не всегда учитывают специфику конкретного станка или инструмента, требуют интерполяции при нестандартных условиях, неудобны при необходимости частой корректировки.
• Аналитический (расчетный) метод. Основан на использовании эмпирических формул, связывающих режимы резания со стойкостью инструмента, силами резания, свойствами материалов и другими факторами.

Расчет скорости резания для станков с вращательным движением

• Скорость резания (V) – это расстояние, которое проходит режущая кромка инструмента относительно заготовки в направлении основного движения за единицу времени. В большинстве видов механической обработки (точение, сверление, фрезерование) скорость резания выражается в метрах в минуту (м/мин), однако при шлифовании, полировании и некоторых других операциях ее измеряют в метрах в секунду (м/с).

• На величину скорости резания влияют следующие факторы: стойкость инструмента; физико-механические характеристики материала заготовки; подача и глубина резания; геометрия и материал режущей части инструмента; размер сечения державки резца; использование смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) и др.

Формула для расчета фактической скорости резания

• Первичный ориентир для выбора скорости резания часто дают справочные таблицы, где значения подобраны под стандартные комбинации материала, глубины и подачи. Эти табличные данные (Vт) являются хорошей отправной точкой, но они не учитывают уникальные особенности каждой конкретной операции. На практике условия могут отличаться: станок может быть менее жестким, резец – слегка изношенным, а охлаждение – неидеальным. Чтобы скорость резания была действительно эффективной и безопасной для инструмента и детали в ваших условиях, необходимо внести поправки. Для этого табличное значение умножают на ряд коэффициентов, отражающих реальные факторы обработки.

Проверка боем и сверяемся с реальностью

• Рассчитать – полдела. Прежде чем запускать станок, необходимо проверить выбранные режимы на соответствие возможностям оборудования:
• Частота вращения шпинделя (n) - полученное расчетное значение n должно входить в диапазон частот вращения, доступный на данном станке. Если нет – выбирается ближайшее доступное значение (обычно меньшее), и скорость V пересчитывается.
• Мощность резания (Nэ) - рассчитанная эффективная мощность не должна превышать мощность привода главного движения станка (Nэ ≤ Nдвигателя * η). Если превышает – необходимо снижать режимы (обычно уменьшают глубину, подачу или скорость).
• Силы резания (Pz, Py, Px) - составляющие силы резания не должны вызывать деформаций или вибраций, превышающих допустимые для обеспечения точности и не должны превышать паспортные ограничения станка по нагрузке на узлы.
• Жесткость системы - при высоких нагрузках (большие t и S) необходимо убедиться, что жесткость системы СПИД достаточна для предотвращения вибраций.

Заключение. Баланс науки и опыта

• Выбор режимов резания – это сложный, многофакторный процесс, требующий знаний в области материаловедения, теории резания, возможностей оборудования и инструмента. Это постоянный поиск компромисса между производительностью, качеством и экономичностью. Хотя современные программные средства значительно упрощают эту задачу, опыт и интуиция технолога по-прежнему играют неоценимую роль. Правильно подобранные режимы – это невидимый, но критически важный компонент, превращающий кусок металла в точную и надежную деталь. И помните: станок – это лишь инструмент, а истинное мастерство – в умении им управлять.