Назначение производительных режимов резания для инструментов с нанопокрытиями

Покрытие режущего инструмента, уменьшая степень адгезионного слипания инструментального материала с обрабатываемым, существенно изменяет термосиловые характеристики процесса резания. Благодаря покрытию уменьшается сила резания, температура в зоне резания, длина упругого и упругопластического контакта стружки с передней поверхностью инструмента, что открывает возможность оптимизации процесса резания с целью повышения производительности обработки и уменьшения себестоимости операции.

Рис. 7.5. Блок-схема расчета критерия В с учетом покрытий инструмента

Использование инструмента с покрытием позволяет увеличить производительность обработки на 15-25 % по сравнению с инструментом без покрытия.

Под производительностью обработки понимается удельный съем объема металла в единицу времени. При торцевом фрезеровании удельная производительность при съеме металла всей шириной торцевой фрезы:

, (7.13)

где d – диаметр фрезы, мм; t – глубина резания, мм; S_Z – подача, мм/зуб; z – количество зубьев фрезы; n – частота вращения шпинделя, об/мин.

При точении:

, (7.14)

где S – подача инструмента, об/мин; v – скорость резания, м/мин.

Из формул (7.13, 7.14) видно, что при постоянстве припуска на обработку t, для повышения производительности Q можно варьировать подачу инструмента S и скорость резания v (частоту вращения шпинделя n). Покрытие инструмента уменьшает длину контакта стружки с передней поверхностью инструмента, что наряду с возрастанием радиуса округления кромки ρ на толщину покрытия h _П, приводит к увеличению напряженности вершины инструмента и появлению условий для преждевременного образования трещин и даже сколов. Поэтому для инструмента с покрытием целесообразно увеличивать значение подачи на 10–15 %. Дальнейшее повышение величины удельного съема металла можно проводить по параметру скорости резания. Для количественного определения величины прироста производительности ∆ Q за счет использования инструмента с покрытием можно воспользоваться ограничением температуры в зоне резания.

На стойкость и надежность режущего инструмента главным образом влияет его теплостойкость. Определив возможность покрытия уменьшать количество теплоты, уходящей в инструмент, можно рассчитать величину ∆ Q. На рис. 7.6 показано влияние покрытия инструмента на температуру и силу резания. Уравнение, позволяющее рассчитать температуру резания для инструмента без покрытия:

(7.15)

Для инструмента с покрытием:

(7.16)

Скорость резания для инструмента с покрытием:

, (7.17)

Для приведенного на рис. 7.6 примера, уравнение определения температуры на поверхности инструмента с покрытием – ; без покрытия – . Уравнения представляют собой степенные линии тренда, которые могут быть легко получены в программе MicroSoft Exel ©. Скорости резания инструмента без покрытия v = 50 м/мин соответствует скорость резания инструмента с покрытием v' = 66 м/мин. Таким образом, производительность инструмента ВК6Р с нанопокрытием Al₂O₃ при обработке жаропрочного сплава ЭИ437 может быть увеличена на 24%.

Рис. 7.6. Влияние покрытия инструмента на температуру и силу резания при точении жаропрочного сплава на никелевой основе ЭИ437Б инструментом из твердого сплава ВК6Р; инструмент без покрытия: ВК6Р; инструмент с покрытием: Al₂O₃;
режимы резания: подача S = 0, 32 мм/об; глубина резания t = 0, 25 мм

Для расчетного определения скорости максимальной производительности используется формула

, (7.18)

где, с, х, у, z, – величины, зависящие от свойств обрабатываемого и инструментального материалов (табл. 7.6);

с ₁, х₁, у ₁, z ₁ – коэффициенты, выбираемые из табл. 7.7

Табл. 7.7. Значения коэффициентов с₁, х₁, у₁, z₁

Группы материалов	с1	х1	у1	z1
Алюминиевые сплавы	1, 79∙ 10-3			2, 03
Медные сплавы	1, 34∙ 10-3			2, 63
Магниевые сплавы	0, 26			2, 26
Углеродистые легированные стали	6, 68∙ 10-8			3, 79
Нержавеющие и жаропрочные стали	1, 38∙ 10-8	1, 88		1, 66
Титановые сплавы	2, 79∙ 10-11	3, 49		6, 31
Никелевые сплавы	2, 05∙ 10-7	2, 3		1, 7

Примечание: k = 1 для вольфрамокобальтовых твердых сплавов; k = 1, 8 для двухкарбидных титановольфрамокобальтовых сплавов; k = 1, 5 для быстрорежущих инструментальных сталей.

В табл. 7.8 – 7.10 представлены физико-механические свойства инструментальных и обрабатываемых материалов.

Табл. 7.8. Значения коэффициентов теплопроводности инструментальных материалов

Инструментальный материал	l p,	Инструментальный материал	l p
Р18 и Р9К10Ф	18, 0	Т14К8	33, 94
ВК6 и ВК6ОМ	60, 8	Т30К4	23, 88
ВК8	54, 47	алмаз	146, 65
Т15К10	38, 55	карбид бора	159, 22

Табл. 7.9 Физико-механические характеристики обрабатываемых материалов

Табл. 7.10. Оптимальная температура резания