Технические науки/3. Отраслевое машиностроение

 

К.т.н. Жуков Э. Л.

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, Россия

К.т.н. Любомудров С. А.

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, Россия

К.т.н. Макарова Т. А.

Санкт-Петербургский государственный экономический университет, Россия

 

Влияние режимов резания на шероховатость поверхности при чистовом точении

 

I. Введение

Известно, что качество деталей в машиностроении и приборостроении определяется допусками на размер, форму, взаимное расположение элементов детали и шероховатостью поверхности.

В современном машиностроении резко возрастает роль поверхности в функциональном назначении детали. Состояние поверхности определяют многочисленные свойства детали: усталостная прочность, адгезионные свойства, светоотражательная способность, плотность соединения, износоустойчивость, контактная жесткость, маслоемкость и др.

Высота неровностей поверхностей влияет на неопределенность выполняемого размера детали. При общей тенденции ужесточения допусков на размер и форму деталей возрастает доля влияния шероховатости и волнистости в указанных допусках [4].

Во время обработки на поверхности заготовки под действием процесса резания появляются следы обработки – неровности поверхности. Детали с геометрически идеальными поверхностями (номинальными) не могут быть выполнены, а детали, поверхность которых близка к совершенству, становятся очень дорогими. Таким образом, наличие неровностей на поверхностях деталей является неизбежным, а часто и необходимым для обеспечения функциональных свойств поверхности.

Требования к поверхности устанавливаются с целью обеспечения требуемых функциональных свойств поверхности.

В современном машиностроении часто детали окончательно получают чистовым точением, точность станков это позволяет [1], поэтому вопрос получения требуемой шероховатости поверхности при чистовом точении является актуальным.

 

II. Постановка задачи

 

На шероховатость поверхности обработанной детали оказывают влияние многие технологические факторы. При обработке резанием величина, форма и направление микронеровностей зависят от методов, режимов и схемы обработки. Из параметров режимов резания наиболее существенное влияние на величину шероховатости поверхности оказывают скорость резания и подача инструмента.

Влияние скорости резания на шероховатость поверхности зависит от наростообразования на режущей кромке инструмента, а также от захвата и отрыва слоев, расположенных под режущей кромкой резца.

Влияние подачи инструмента на шероховатость можно приближенно определить из сопоставления двух смежных положений резца, смещенных на величину подачи по формуле (1).

  (мкм),                                              (1)

где Rz – параметр шероховатости (средняя высота профиля по 10 точкам); S – величина подачи на оборот; r – радиус при вершине резца [2].

Для скорости резания подобные рекомендации отсутствуют.

Кроме того, на величину шероховатости влияет наличие колебаний, которые часто возникают во время резания. Наличие колебаний и их величина зависят от скорости резания [5]. Конкретные рекомендации по выбору оптимальной скорости резания, исходя из получения минимальных значений параметров шероховатости поверхности, в литературе отсутствуют.

Исходя из выше изложенного, представляется важным проведение исследований влияния скорости резания и других параметров технологического процесса на величину параметров шероховатости поверхности с целью определения зоны устойчивого резания, в которой значения параметров шероховатости поверхности являются минимальными.

 

III. Результаты исследования

 

На кафедре «Технология машиностроения» СПбГПУ были проведены исследования по определению изменения параметров шероховатости поверхности от скорости резания титанового сплава ВТ1-00 при обработке резцом с пластиной твердого сплава VCGX160404-AL H10, при подаче S = 0,1 мм/об и глубине резания t = 0,3 мм. Исследования велись на токарном станке 16Б16КА. Параметры шероховатости Ra и Rz измерялись с помощью профилометра-профилографа М 400 фирмы Mahr.

Зависимости изменения параметров шероховатости поверхности от скорости резания V приведены на рис. 1.

Из графиков видно, что оптимальная скорость резания для обеспечения шероховатости поверхности при точении титанового сплава около 420 м/мин.

Значительная разница между параметрами Ra и Rz при малых скоростях резания, говорит о том, что шероховатость носит нерегулярный характер. При устойчивом резании соотношение между параметрами Ra и Rz постоянно и выдерживается примерное соотношение 4Ra  » Rz. В зоне наростообразования, которая возникает при малых скоростях, параметр Rz значительно превышает Ra.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 1. Зависимость высотных параметров шероховатости поверхности от скорости резания при точении титанового сплава

 

Вершина нароста, выступая впереди лезвия резца и ниже линии реза, увеличивает шероховатость лез­вия, формирующего обработанную поверхность, оставляет на поверхности среза глубокие борозды и разрывы, которые влияют на Rz больше чем на Ra.

При высоких скоростях резания величина шероховатости начинает увеличиваться в связи с возникновением колебаний в зоне резания. Колебания ухудшают шероховатость поверхности. Соотношение параметров  Ra и Rz меняется мало.

Исследования, проведенные по точению алюминиевого сплава САС-400 резцами из кубического нитрида бора дали аналогичный результат. Точение велось при следующих режимах: глубина резания 0,1 мм, подачи 0,02 мм/об, скорость резания соответственно менялась и принимала значения 100 м/мин, 200 м/мин, 300 м/мин, 400 м/мин и 600 м/мин. После обработки на профилографе-профилометре измерялись параметры Ra и Rz в десяти точках по длине детали и нахо­дился средний размер указанных параметров. Зависимости значений параметров шероховатости от скорости резания приведены на рис. 2.

Изменение размерного износа инструмента, как оказалось, влияет на шероховатость обрабатываемой поверхности [3]. До достижения определенной величины износа шероховатость меняется мало, а после достижения этой величины резко возрастает.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 2. Зависимость высотных параметров шероховатости поверхности от скорости резания при точении алюминиевого сплава

 

Для проверки этой гипотезы были проведены эксперименты по определению изменения величины параметра шероховатости Ra от размерного износа резца. Точение велось при глубине резания 0,1 мм, подаче 0,02 мм/об  и скорости резания 405 м/мин. Размерный износ измерялся с помощью специального приспособления расположенного в задней бабке станка. Зависимость параметра Ra от размерного износа u приведена на рис. 3.

Из графика видно, что шероховатость поверхности практически не меняется до достижения износа инструмента определенной величины. Резкое ухудшение шероховатости происходит при достижении раз­мерного износа резца из кубического нитрида бора величины 9 мкм. Параметр Ra изменился с 0,18 мкм до 0,43 мкм.

Характер раз­мерного износа после этого не изменился, но на задней грани появилась четко различимая в микроскопе фаска.

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 3. Зависимость параметра Ra от размерного износа инструмента при обработке алюминиевого сплава

 

Этот момент резкого ухудшения шероховатости целесообразно считать границей стойкости инструмента.   

 

IV. Выводы по работе

Приведенные выше данные позволили сделать следующие выводы.

Зависимость высотных параметров шероховатости поверхности от скорости резания имеет выраженный минимум, соответствующий зоне устойчивого резания, когда отсутствуют наростообразование и колебание технологической системы. В этой зоне скоростей резания и рекомендуется проводить обработку.

В зонах неустойчивого резания наблюдается большая разница между параметрами Ra и Rz и изменения их соотношения, в зоне устойчивого резания это соотношение минимально и остается постоянным. Опираясь на это соотношение можно судить об устойчивости процесса резания.

Параметры шероховатости поверхности от размерного износа резца практически не зависят до определенного момента. При появлении на задней грани резца четко различимой фаски шероховатость резко ухудшается. Момент резкого ухудшения шероховатости можно считать границей стойкости инструмента при чистовом точении.   

 

Литература

1. Анухин В. И., Макарова Т. А., Любомудров С. А. Оценка точностных возможностей токарных станков. Журнал Вестник ИНЖЕКОНА. Серия технические науки. Выпуск 3. Санкт-Петербург. 2005, 108 – 111 с.

2. Жуков Э. Л. [и др.] Основы технологии машиностроения. Этапы проектирования и точность технологических процессов : учеб. пособие /; под общ. ред. С. Л. Мурашкина. – СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2008. – 408 с.

3. Любомудров С.А., Макарова Т. А. Обеспечение качества обработки специальных алюминиевых сплавов при тонком точении. //Управление качеством: проблемы, исследования, опыт. Сборник научных трудов. Вып. 5. – СПб.: СПбГИЭУ, 2007 г. 86-97 с.

4. Табенкин А. Н., Тарасов С. Б., Степанов С. Н. Шероховатость, волнистость, профиль. Международный опыт / Под редакцией к.т.н. Н. А. Табачниковой, СПб.: Изд-во Политехн. ун-та  2007, 136 с.

5. Технология машиностроения, Колебания и точность при обработке материалов резанием: Учеб. пособие / С. Л. Мурашкин, А. Г. Схиртладзе, А. М. Соловейчик, Э. Л. Жуков, И. И. Козарь, Б. Я. Розовский В. В. Дегтярев. Под редакцией С. А. Мурашкина СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2003, 280 с.