Тепло резания при высокоскоростном фрезеровании твёрдых материалов

Томас Скопесек, Юрий Свобода и Петр Хофманн

 

При обработке резанием каждый раз выделяется масса тепла. При выборе оптимальных режимов резания можно обеспечить такие условия обработки, при которых температура поверхности резания соответствует начальной температуре. Именно поэтому обращаются к высокоскоростной обработке. Существенным достоинством такой обработки является то, что большая часть тепла резания отводится со стружкой. На основании исследования обработки материалов с высокими прочностью и твёрдостью получены уравнения, с помощью которых возможно рассчитать температуру поверхности резания детали в зависимости от режимов резания.

 

На структуру и свойства поверхности резания в процессе обработки очень сильно влияет тепло резания. Для получения детали точной заданной формы в процессе окончательной чистовой обработки режимы резания необходимо выбирать таким образом, чтобы обеспечить минимально возможный перенос тепла резания в обрабатываемую деталь. Исследования показали, что в этом случае температура поверхности резания детали может даже соответствовать начальной температуре. Температура поверхности резания определяет также величину и направление остаточных напряжений в поверхностном слое детали после её обработки. Так высокие тепловые нагрузки обусловливают возникновение напряжения растяжения в обработанной поверхности, что, в свою очередь, может привести к возникновению волосяных трещин в поверхности детали.

Какие режимы резания обусловливают минимальное тепло резания?

В общем случае известно, что при высокоскоростной обработке резанием уменьшается часть тепла, поступающего в обрабатываемую деталь, потому что большая часть тепла резания отводится стружкой [1 – 5]. Несомненно, что при увеличении скорости резания увеличивается и общий объём тепла резания. До настоящего времени нет точных сведений о том, какая часть общего тепла резания фактически переходит в обрабатываемую деталь при обработке с высокой скоростью резания. Подобные сведения возможно получить на основании результатов экспериментального высокоскоростного фрезерования инструментальной стали с высокими прочностью и твёрдостью. Такие эксперименты позволяют выявлять влияние скорости резания и подачи на температуру поверхности резания непосредственно в процессе фрезерования. Кроме того, возможно определить оптимальные режимы резания, соответствующие минимальному переносу тепла резания в обрабатываемую деталь.

Для практического использования выявленные взаимозависимости представлены в виде соответствующих уравнений. При этом температура поверхности резания обрабатываемой детали выражается в зависимости от общего тепла резания. Реальное обоснование подобного математического выражения заключалось в том, что температура поверхности резания зависит от части общего тепла резания, которая переходит в обрабатываемую деталь. В свою очередь, общее тепло резания определяли как произведение скорости резания v_c и силы резания F_c. Силу резания измеряли в процессе экспериментов одновременно с температурой поверхности резания [2 и 5].

Экспериментальные исследования при экстремальных условиях обработки

Экспериментальная обрабатываемая деталь (Рис.1) выполнена из легированной инструментальной стали, содержащей Cr-Mo-Si-W-V (стандарты DIN 1.2343 и CSN 19 556) и применяющейся для изготовления штампов и матриц. Деталь подвергалась закалке на твёрдость 56 HRC. Размеры детали 300 х 130 х 40 мм. Экспериментальную обработку выполняли торцевой фрезой “CoroMill 200” фирмы SandvikCoromant; диаметр фрезы 80 мм; обозначение фрезы R200-068Q-12M (Рис.2). Фреза имеет режущие пластины RCKT 12 04 MO-PH; диаметр пластин 12 мм. Пластины изготовлены из твёрдого сплава GC 4020 и имеют покрытие (TiCN, Al₂O_3, TiN). Геометрия режущей части пластин: α = 7⁰ и γ =16⁰; режущая кромка имеет отрицательную фаску шириной 0,15 мм под углом -5⁰    (f_{z max}). В процессе эксперимента фреза работала только двумя режущими пластинами.

Экспериментальное резание проводили на станке типа MCV 750A (изготовитель KovosvitSezimovo Usti). Мощность привода шпинделя 16 кВт; частота вращения шпинделя от 20 до 13000 мин^-1. Метод фрезерования: продольное по подаче в условиях прямоугольного резания (Табл.1).

Измерения выполняли с помощью измерительного устройства “ThermaCAMSC2000” фирмы FlirSystems (Франкфурт-на Майне) в диапазоне температур от -40 до +2000⁰С; точность измерения ≤0,1⁰С; максимальная частота снятия показаний 5 Гц. Температуру измеряли непосредственно на выходе обрабатываемой детали из зоны резания. Запаздывание по времени момента измерения, зависящее от расстояния до действительной зоны резания, составляло около 0,7 с, поэтому действительную температуру зоны резания определяли методом экстраполяции на основании кривой охлаждения (Рис.3). При проведении измерений в процессе экспериментов термокамера располагалась на расстоянии 400 мм от обрабатываемой детали.

Температура уменьшается при увеличении подачи на зуб

На Рис.4 изображены кривые изменения температуры поверхности резания обрабатываемой детали (Т_max) в зависимости от скорости резания v_c и подачи на зуб f_z. Приведенные полиномы получены методом наименьших квадратов на основании массива данных измерения. Результаты экспериментов:

·        увеличение температуры поверхности резания носит дегрессивный характер до скорости резания 500 м/мин, а затем имеет место приблизительно линейное увеличение;

·        дальнейшее прогрессивное увеличение температуры наступает при скорости резания свыше 1000 м/мин (здесь проявляется также влияние увеличения ширины ленточки износа по задней поверхности практически до критической величины 0,25 мм);

·        температура поверхности резания ниже при обработке с большей подачей;

·        температура поверхности резания в процессе обработки имеет достаточно низкие значения, т.е. под влиянием тепла резания не происходит отпуск закалённой структуры обрабатываемого материала.

На основании массива данных измерения получены соответствующие эмпирические уравнения для расчёта температуры поверхности резания. Это уравнение выражается в виде функции Т_{поверхности резания} = f(v_c,f_z) или в виде полинома y = b + c₁ x x + c₂ x x² + c₃ x x³, где b и с_1,2,.3 – постоянные.

Эмпирические уравнения для конкретных условий резания приведены в Табл.2. Для каждого уравнения приведен показатель достоверности R [1], характеризующий соотношение между действительными (экспериментальными) и расчётными значениями.

Характер распределения температуры в поверхности резания обрабатываемой детали представлен в виде объёмной диаграммы (Рис.5 и 6). Изменение температуры рассматривали только в пределах обрабатываемой поверхности детали.

Работа резания и тепло резания

Техническая величина «механическая работа», которая соответствует одной секунде обработки (резание), приблизительно эквивалентна общему объёму тепла, выделяющегося за то же время [2]. Эмпирическое уравнение для определения механической работы А, которая совершается за одну секунду обработки, имеет следующий вид: А [J/s] = F_c[N] x v [м/с].

Механическая работа, соответствующая полному времени обработки, принимается за работу резания. Механическая работа позволяет оценивать процесс резания с энергетической точки зрения и определять требуемую мощность привода металлорежущего станка. Рис.7 ясно показывает, что затраты энергии при фрезеровании увеличиваются пропорционально увеличению подачи. Фрезерование с подачей f_z, равной 0,05 мм/зуб, является наименее энергозатратным.

Мощность резания (механическая работа в единицу времени) увеличивается при увеличении скорости резания. Большая часть механической работы при резании превращается в тепло. Вопрос заключается в том, как часть общего объёма тепла резания, поступающего в обрабатываемую деталь, изменяется в зависимости от скорости резания и подачи. Объём тепла, поступающего в обрабатываемую деталь, неизвестен. Однако, между температурой поверхности резания и объёмом тепла, поступающего в обрабатываемую деталь, существует прямо пропорциональная зависимость.

На рис.8 наглядно показывает характер изменения отношения работы резания и температуры поверхности резания в зависимости от скорости резания и подачи. При фрезеровании с подачей 0,05 мм/зуб отношение этих параметров увеличивается при увеличении скорости резания. При фрезеровании с подачей 0,125 мм/зуб отношение этих параметров увеличивается ещё более явно при увеличении скорости резания, т.е. часть тепла резания, поступающего в обрабатываемую деталь, также уменьшается при одновременном линейном увеличении производительности обработки резанием.

Относительное изменение работы и температуры при резании

Для выявления относительного изменения работы резания и температуры поверхности резания обрабатываемой детали температуру этой поверхности, измеренную при минимальной скорости резания 300 м/мин (v_c,min), принимали за 100% (1 на оси ординат на рис.9). Аналогичным способом поступали с работой резания. Из графиков рис.9 видно, что работа резания увеличивается практически линейно при увеличении скорости резания, хотя сила резания F_c уменьшается при увеличении скорости резания. При увеличении скорости резания на 228% сила резания уменьшается «всего» на 40%. Это позволяет сделать вывод о том, что уменьшение силы резания оказывает лишь незначительное влияние.

На основании рис.9 и расчётных значений, приведенных в табл.3, можно сделать следующие выводы:

·        работа резания увеличивается при увеличении скорости резания относительно значения работы, соответствующего скорости резания 300 м/мин (v_c,min); при скорости резания 1150 м/мин (v_c) работа резания на 227% выше независимо от выбранной подачи;

·        увеличение температуры поверхности резания обрабатываемой детали достигает минимального значения при максимальной подаче;

·        часть тепла резания, поступающего в обрабатываемую деталь, явно зависит от подачи; при увеличении подачи эта часть тепла уменьшается;

·        расхождение кривых относительной температуры и относительной работы резания свидетельствует об изменении части тепла резания, поступающего в обрабатываемую деталь;

·        при скорости резания от 500 до 1000 м/мин уменьшается часть тепла резания, поступающего в обрабатываемую деталь; при скорости резания свыше 1000 м/мин эта часть тепла резания увеличивается.

Выводы

Экспериментальная обработка стали с высокими прочностью и твёрдостью показала, что даже при обработке подобных материалов имеет место переход в диапазон высокоскоростной обработки. При скорости резания от 500 до 1000 м/мин уменьшается часть тепла резания, поступающая в обрабатываемую деталь. Подача оказывает более интенсивное влияние на эту часть тепла резания, чем скорость резания. При большой подаче часть тепла резания, поступающего в обрабатываемую деталь, уменьшается сверх пропорционально, а температура поверхности резания обрабатываемой детали понижается (хотя общий объём тепла резания увеличивается). Отсюда делается вывод, что при обработке с большими подачами (обработка с большим съёмом материала детали) поверхность обработанной детали подвергается меньшим тепловым нагрузкам.

Было выявлено, что температура поверхности резания увеличивается при увеличении скорости резания, несмотря на уменьшение части тепла резания, поступающего в обрабатываемую деталь. Следовательно, общий объём тепла резания постоянно увеличивается при увеличении скорости резания.

Подписи к рисункам и таблицам

Рис.1. Разрез по оси отверстия детали для экспериментальной обработки [2]:

1 – деталь для экспериментальной обработки

Рис.2. Инструмент: торцевая фреза с двумя режущими пластинами [2]

Рис.3. Кривые охлаждения, используемые для определения температуры поверхности резания методом экстраполяции [1]:

1 – температура поверхности резания обрабатываемой детали, ⁰С; 2- при; 3 – экстраполяция; 4 – время, с; 5 – полином; 6 – кривые охлаждения и экстраполяция

Рис.4. Функциональная зависимость температуры поверхности резания от скорости резания и подачи [1]:

1 – факторы влияния на температуру поверхности резания; 2 – условное обозначение; 3 – полином

Рис.5. Пространственная диаграмма температуры поверхности резания обрабатываемой детали при v_c = 300 м/мин и f_z = 0,05 мм [1]:

1 – распределение температуры при 300 м/мин; 2 – температура, ⁰С; 3 – ось

Рис.6. Пространственная диаграмма температуры поверхности резания обрабатываемой детали при v_c = 1150 м/мин и f_z = 0,05 мм [1]:

1 – распределение температуры при 1150 м/мин; 2 – температура, ⁰С; 3 – ось

Рис.7. Зависимость мощности как функции работы резания А от скорости резания и подачи [1]: 1 – определение требуемой мощности привода

Рис.8. Уменьшение части тепла резания, поступающего в обрабатываемую деталь, при увеличении работы резания носит более выраженный характер при увеличении подачи [1]: 1 – работа резания и температура поверхности резания

Рис.9. Практически линейное увеличение работы резания при увеличении скорости резания, несмотря на уменьшение силы резания F_c [1]:

1 – относительное изменение работы резания и температуры поверхности резания

Таблица 1. Режимы и условия продольного фрезерования по подаче [2]:

Метод фрезерования	А-А
Осевая глубина резания ар, мм	3
Скорость резания vc, м/мин	300…1150
Подача fz, мм/зуб	0,05 0,075 0,1 0,125
Длина контакта при резании L, мм	37,5
Радиальная глубина резания ае, мм (fp)	1
Частота смены режущих пластин	При каждом измерении
Охлаждение	Фрезерование без охлаждения

Таблица 2. Достоверность эмпирических уравнений для скорости резания от 300 до 1150 м/мин [1]: 1 – эмпирические уравнения для температуры поверхности резания; 2 – подача; 3 – эмпирические уравнения; 4 – показатель достоверности

Таблица 3. Процентное увеличение температуры поверхности резания при различных подачах [1]: 1 – значения подачи и температуры; 2 – увеличение температуры поверхности резания обрабатываемой детали при скорости резания 1150 м/мин относительно увеличения