М. Леквеишвили, 
кандидат технических наук

Научно-образовательный центр внедрения лазерных технологий Владимирского государственного университета имени А.Г. и Н.Г. Столетовых

 

А. Люхтер, 
кандидат технических наук, доцент, директор НОЦ ВЛТ ВлГУ

Научно-образовательный центр внедрения лазерных технологий Владимирского государственного университета имени А.Г. и Н.Г. Столетовых

 

 

 

Влияние геометрии режущего инструмента на эффективность обработки

 

 

Часть современных операций механической обработки выполняется в условиях неэффективного производства. Одним из факторов, влияющих на снижение эффективности, является некорректное применение инструмента для заданных условий обработки, что ведет к преждевременной потере режущих свой­ств инструмента [1].
По мере того как режущая кромка инструмента затупляется или повреждается, его свой­ство удалять материал с поверхности заготовки ухудшается. В результате использования изношенного инструмента снижается качество поверхности обрабатываемых деталей, что проявляется в виде повышенной шероховатости, царапин и других дефектов. Простои оборудования при смене изношенного или разрушенного инструмента ведут к увеличению оперативного времени обработки и, как следствие, к снижению показателей производительности [2].

 

При разрушении режущего инструмента к числу возникающих потерь относятся:
• стоимость заменяемого рабочего инструмента;
• стоимость бракованной детали, учитывающая затраты на материал, на изготовление заготовки и на oперaции пpедшествующeй oбрaбoтки;
• время пpостoя обopудовaния, связaнное c зaмeной брaкoвaннoй детaли, cо cнятием рaзрушeнногo инстpументa и с устaновкoй нoвoго.
Сoкращение oперативногo врeмени обрaботки зaготовoк вoзмoжно пpи увeличeнии пeриодa стoйкoсти инструмeнтa, oбуслoвлeннoго бoлее рeдкими смeнами инструмeнтa [3].

 

 

Сравнительный анализ методов моделирования процесса резания

 

 

Так, например, проведено немалое количество экспериментальных исследований по установлению взаимо-
связи между силовыми параметрами и периодом стойкости инструмента в зависимости от переднего угла γ режущей части (рис. 1). Установлено, что по мере увеличения переднего угла γ режущей части инструмента от отрицательных до положительных значений главная составляющая силы резания уменьшается, а период стойкости инструмента увеличивается.

 

Рис. 1. Схема стружкообразования: а — толщина срезаемого слоя, АВ — плоскость сдвига, γ — передний угол режущей части, α — задний угол режущей части

 

Физический смысл влияния положительного переднего угла γ на процесс стружкообразования объясняется тем, что чем больше передний угол, тем больше угол сдвига; это и приводит к снижению коэффициента усадки стружки. 

 

При этом установлено, что пластическая деформация зависит от коэффициента усадки стружки, то есть снижение коэффициента усадки стружки ведет к снижению пластической деформации, а следовательно, к уменьшению мощности резания, которая затрачивается на пластическую деформацию в зоне стружкообразования.

 

Таким образом, полученные данные по влиянию передних углов на процесс резания являются основой для разработки современных режущих инструментов с увеличенными передними углами, характеризующихся повышенной производительностью по сравнению с инструментами с малыми передними углам.

 

Как правило, разработчики инструмента при выборе геометрии режущей части опираются на устаревшие табличные данные [4] или на эксперимент. Применение устаревших табличных данных зачастую малоприемлемо при использовании в современном производстве новых труднообрабатываемых материалов. Экспериментальный подход является надежным и обеспечивает на выходе требуемый результат. Однако экспериментальные исследования требуют значительных материальных и временных затрат на подготовку и выполнение работ.
Уменьшить расходы и сократить время на проектирование и создание нового инструмента возможно, если на начальном этапе использовать научно обоснованные расчетные модели.

 

Основу методологии моделирования процесса резания составляют:
— эмпирический метод;
— метод конечных элементов;
— аналитический метод.

 

Эмпирическое моделирование, построенное на результатах экспериментальных исследований, надежно и достаточно универсально и, на первый взгляд, позволяет дать ответы на любые вопросы, так как обеспечивает возможность учета конструкторско-­технологических факторов, влияющих на процесс резания. Однако на практике увеличение количества учитываемых факторов связано с лавинообразным увеличением количества независимых опытов. При этом модели адекватны в ограниченном диапазоне их значений, в котором проводились экспериментальные исследования.

 

Применение бурно развивающихся в последние десятилетия конечно-­элементных методов (рис. 2) также существенно ограничивается отсутствием реологических моделей обрабатываемых материалов, описывающих как деформационное и скоростное упрочнение, так и разупрочнение, обусловленное температурным фактором. Также в ряде случаев недоступна информация об адекватных моделях контактного трения и обоснованного критерия разрушения обрабатываемого материала. Широкое практическое применение метода сдерживается недостаточным быстродействием расчетного процесса. Достоверность результатов расчета при использовании данного метода зависит как от оперативности обработки данных, так и от вычислительной мощности информационно-­технологического оборудования.

 

Рис. 2. Моделирование процесса косоугольного резания: распределение напряжения течения в заготовке и стружке при угле наклона режущей кромки λ = 15°

 

 

Модель косоугольного резания проф. Л.Д. Оленина

 

 

Обзор отечественных и зарубежных моделей расчета процесса резания показал, что большинство моделей описывают ортогональное резание, то есть резание без учета угла наклона режущей кромки λ. Однако косоугольное резание является общим случаем резания, используемым как при токарной обработке, так при обработке многолезвийным вращающимся инструментом — фрезами и сверлами.
Кроме того, практически все модели выполнены в терминах силы, то есть в статике. Такой подход позволяет учесть только процесс пластической деформации в зоне сдвига и трение на передней поверхности. Однако при отделении стружки происходят и другие процессы, которые необходимо учитывать. Например, образование новых поверхностей в плоскости резания.

 

По рассмотренным аналитическим моделям выполнены расчеты главной составляющей силы резания при ортогональном точении стали 20Х. На рисунке 3 приведена сравнительная диаграмма расчетных значений с экспериментальными данными, которые заимствованы из открытых источников. Наиболее близким к экспериментальному является значение, полученное в ходе расчета по аналитической модели косоугольного резания, предложенной проф. Л.Д. Олениным в Московском Политехе: расхождение составляет не более 8%.
Расчет выполнен энергетическим методом [5]. В работе принято, что мощность, подводимая в зону резания, расходуется на пластическое деформирование в плоскости сдвига, на преодоление сил трения на передней и задней поверхностях инструмента, а также на вязкое разрушение, связанное с образованием новых поверхностей. Модель учитывает влияние угла наклона главной режущей кромки λ на итоговую деформацию при стружкообразовании, деформационное упрочнение и, как результат, на технологическую силу резания.

 

 

Рис. 3. Сравнение расчетных значений главной составляющей силы резания с экспериментальными данными: сталь 20Х, глубина резания 1 мм, ширина резания 10 мм, γ = 20˚
 

Рис. 4. Результаты сравнительных расчетов сил резания по эмпирической методике [4] и аналитической методике [5]
 

 

На рисунке 4 приведены результаты расчетов силы резания Pz для диапазона значений переднего угла γ от –15° до 70° и трех глубин резания t = 1 мм; t = 3 мм; t = 6 мм по аналитической методике проф. Оленина Л.Д. По эмпирическому методу значение силы резания Pz вычислялось только для трех значений переднего угла γ: –15°, 0°, +10° и глубины резания t = 3 мм, которые рекомендованы для данных условий в справочнике технолога-­машиностроителя [4].

 

Из приведенных графиков видно, что аналитическая модель позволяет вести расчет для любых реальных значений переднего угла γ. Область использования эмпирической модели ограничена тремя значениями переднего угла.
Для расчета по аналитической модели косоугольного резания необходимо проведение экспериментальных исследований по определению данных о физико-­механических характеристиках материалов, обрабатываемых резанием, в частности, сопротивления пластическому течению и ударной вязкости при высоких значениях накопленной деформации.

 

Кроме того, модель не учитывает влияния скорости на силовые параметры резания и может использоваться в качестве основы для создания расчетных методик для оценки деформации, деформационного упрочнения и силы процесса резания при скоростях до 150 м/мин. Для расчетов процессов резания с высокими скоростями следует создавать модели, учитывающие влияние скорости деформации на механические свой­ства обрабатываемого материала, в том числе на удельную работу одноактного разрушения.
Таким образом, создание подобных аналитических моделей с целью научно обоснованного выбора геометрических параметров режущей части инструмента является актуальной задачей, представляющей как научный, так и практический интерес.
Применение аналитических методик расчета процессов резания, обладающих высокой информативностью, также возможно в адаптивных системах управления промышленным оборудованием, при проектировании технологии обработки резанием и конструировании металлорежущего инструмента, а также в процессе переподготовки кадров машиностроительных специальностей.

 

 

Для связи с автором: m.shaparovskaya@mail.ru

 

Литература

1. Astakhov V.P. 1. The Principle of Minimum Strain Energy to Fracture of the Work Material and Its Application in Modern Cutting Technologies / V. P. Astakhov, X. Xiao.  Текст: непосредственный // Metal Cutting Technologies: Progress and Current Trends, edited by J. Paulo Davim, Berlin, Boston: De Gruyter Oldenbourg.  2016.  P. 1–35.  DOI 10.1515/9783110451740–004.
2. Локтев Д.А. Исследование влияния элементов технологической системы на эффективность высокопроизводительной обработки на обрабатывающих центрах: специальность 05.03.01 «Технология и оборудование механической и физико-­технической обработки»: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Локтев Дмитрий Абрамович: ОАО «Экспериментальный научно-­исследовательский институт металлорежущих станков». М., 2003.  223 с.  Текст: непосредственный.
3. Эстерзон М.А. Технология обработки на станках с ЧПУ / М.А. Эстерзон, Т.М. Нахова.  Текст: непосредственный // Стружка.  2004.  № 4 (7).  С. 26–30.
4. Справочник технолога-­машиностроителя. В 2-х томах / В.Б. Борисов, Е.И. Борисов, В.Н. Васильев и др.; отв. ред. А. Г. Косилова, Р.К. Мещерякова.  М.: Машиностроение, 1985.  Т. 2. 656 с.  Текст: непосредственный.
5. Оленин Л.Д. К анализу механики резания упрочняемого материала. Стружкообразование / Л.Д. Оленин.  Текст: непосредственный // Известия МГТУ «МАМИ».  2008.  № 1 (2).  С. 183–190.

 

Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 3-2026