Обрабатываемость материалов резанием и режущие свойства инструментов

Процесс обработки материалов резанием заключается во взаимодействии двух тел — обрабатываемой заготовки и режущего инструмента. При этом поверхностный слой материала, срезаемый с обрабатываемой заготовки, подвергается сильному пластическому деформированию, в результате чего срезаемый слой в частично или полностью разрушенном состоянии удаляется с заготовки в виде срезанной стружки. На заготовке и на срезаемой стружке в процессе резания непрерывно возникают новые поверхности.

К резанию материалов как к технологическому способу обработки заготовок деталей машин предъявляются следующие основные требования:

• высокое качество и точность обработанных поверхностей;
• высокая производительность труда;
• экономичность.

Выполнение этих требований зависит от комплекса одновременно действующих факторов, которые можно разделить на три основные группы.

К первой группе относятся факторы, связанные с физической природой и структурным состоянием материала обрабатываемой заготовки.

Вторая группа факторов определяется свойствами материала режущей части инструмента, его конструкцией и качеством изготовления.

В третью группу входят факторы, отражающие реальные условия протекания процесса резания.

При изучении процесса резания был установлен ряд взаимосвязанных параметров и характеристик, отражающих различные физические явления, происходящие в процессе взаимодействия режущего инструмента с обрабатываемой заготовкой, и на протекание которых влияют свойства материала, подвергаемого обработке резанием.

Эти параметры и характеристики объединены общим термином обрабатываемость материала резанием, под которым понимается свойство материалов подвергаться обработке резанием. Основные показатели обрабатываемости могут иметь как сравнительный, так и абсолютный характер.

К числу показателей, определяющих сущность обрабатываемости материала резанием, относятся:

• сила резания (момент вращения) обрабатываемого материала, определяемая по сравнению с силой резания эталонного материала (для металлов — это обычно сталь 45) и измеренная при равных режимах резания;
• эффективная мощность, затрачиваемая на резание, по сравнению с эффективной мощностью резания эталонного материала;
• усадка стружки (продольная и поперечная) как мера пластической деформации, необходимой для ее срезания и образования новых поверхностей на заготовке;
• наличие или отсутствие склонности к образованию нароста на поверхности инструмента при равных условиях резания, а также форма нароста;
• качество поверхностей, обработанных резанием при равных и оптимальных режимах, оцениваемое шероховатостью (Шероховатость поверхности — это совокупность неровностей поверхности с относительно малыми шагами, образующих ее рельеф) и остаточным напряжением (Остаточные напряжения — это сохраняющиеся во времени внутренние напряжения, основной причиной возникновения которых является неоднородность деформации в разных точках тела вследствие неравномерности температур или пластических деформаций) в поверхностных слоях изготовленной детали;
• скорость изнашивания инструментального материала по сравнению со скоростью его изнашивания при резании эталонного материала;
• теплота, выделяющаяся при деформации материала срезаемого слоя и при взаимодействии трущихся поверхностей инструмента и заготовки, а также распределение этой теплоты между стружкой, обрабатываемым материалом и инструментом;
• вид, форма и размеры срезанной стружки, определяющие удобство ее отвода, хранения и транспортировки, возможность принудительной завивки и ломания стружки, а также безопасность труда рабочего-станочника;
• энергозатраты на срезание единицы массы стружки.

Количественные оценки перечисленных показателей обрабатываемости конструкционного материала данного химического состава и структурного состояния определяются в зависимости от его твердости, предела прочности и относительного удлинения, коэффициента трения в паре с инструментальным материалом, свойства изнашивать лезвия инструмента, теплопроводности и т.д. В реальных производственных условиях перечисленные свойства материалов из-за отклонений в химическом составе и неоднородности структуры не являются постоянными.

Кроме того, характеристики процесса резания, отражающие взаимосвязанные физические явления в зоне стружкообразования, изменяются в зависимости от режимов резания, прогрессирующего износа инструмента и т. п. На основании этого сопоставление количественных оценок обрабатываемости, например по стойкости инструмента (Под стойкостью режущих инструментов понимается продолжительность (в минутах) непосредственного резания от переточки до переточки при установленном допустимом износе), допустимо лишь при соблюдении равных условий резания, типичных для сравниваемых групп обрабатываемых и инструментальных материалов.

Под режущими свойствами инструментов понимается их способность обрабатывать различные материалы резанием. При оценке режущих свойств инструментов используются следующие показатели:

• количество однотипных обработанных ими заготовок;
• длина относительного рабочего пути инструмента и заготовки;
• площадь обработанной поверхности;
• объем материала, срезанного с обработанных заготовок;
• период стойкости инструмента и число его переточек;
• суммарная длина всех обработанных заготовок.

Режущие свойства инструмента являются функцией комплекса факторов, к числу которых относятся:

• свойства инструментального материала, включающие в себя химический состав (марка материала), структурное состояние, твердость, пределы прочности на растяжение, изгиб и сжатие, температуростойкость (красностойкость), износостойкость;
• конструкция инструментов — оптимальная форма режущей части, жесткость, точность изготовления;
• режимы резания — скорость резания, подача и глубина резания, СОЖ (смазочно-охлаждающая жидкость), принятый критерий износа;
• состояние металлорежущего станка — жесткость станка  и технологической оснастки, виброустойчивость (Виброустойчивостью станка называется способность противостоять вибрациям, стремящимся вывести его из состояния динамического равновесия).

Все перечисленные факторы влияют на результат работы режущего инструмента, и поэтому его режущие свойства могут иметь постоянную количественную оценку лишь при постоянстве всего комплекса факторов, что выполнимо только в лабораторных условиях. В реальных производственных условиях перечисленные факторы неодинаковы.