Режимы резания

   Режимы резания – это комбинация параметров, по которым определяются условия работы режущего инструмента с конкретной заготовкой. От их грамотного назначения напрямую зависит производительность, качество обработки и стойкость инструмента. А также общая себестоимость работ, ресурс оснащения, точность размеров и шероховатость поверхности.

Основные параметры

   Все режимы резания при фрезеровании определяются тремя базовыми параметрами. Это:

Скорость резания (V)

   Или быстрота движения резака инструмента по рабочей поверхности. Она измеряется в м/мин, и определяет:

• интенсивность теплового воздействия в зоне резки;

• характер износа инструмента (абразивный, адгезионный, диффузионный);

• качество финальной поверхности (наличие прижогов, микротрещин);

• производительность процесса.

На практике скорость резания (формула будет ниже) ограничивается:

• стойкостью инструмента (время работы до критического износа);

• мощностью привода станка;

• жесткостью технологической системы;

• требованиями к шероховатости.

Подача (S)

   Или величина движения инструмента за 1 оборот будущей детали (мм/об) или за единицу времени (мм/мин). Влияет на:

• шероховатость поверхности (при увеличении S растет высота микронеровностей);

• нагрузку на режущую кромку (чрезмерная подача вызывает выкрашивание);

• форму и отвод стружки (при снижении S образуется сливная стружка, затрудняющая эвакуацию);

• производительность (прямая зависимость от величины подачи).

Различают:

• подача на оборот (S0, мм/об) – для токарных операций;

• подача на зуб (Sz, мм/зуб) – для фрезерования;

• минутная подача (Sм, мм/мин) – универсальный параметр.

Глубина резания (t)

   Или толщина слоя, снимаемого за проход (мм). Глубина резания (формула) использования будет ниже) определяет:

• объем удаляемого металла (прямо пропорциональна t);

• силовые нагрузки на инструмент и станок;

• количество проходов при обработке больших припусков;

• тепловыделение (с ростом t растет и площадь контакта стружки с инструментом).

   При черновой обработке t максимизируют (до 5-10 мм), при чистовой – минимизируют (0,1-0,5 мм). Это необходимо для достижения требуемой точности.

Скорость резания и ее расчет

   Критически важный параметр в токарной обработке. От него зависят термомеханические процессы в зоне резки. Ее выбор базируется на:

• рекомендациях производителей инструмента;

• эмпирических таблицах для конкретных материалов;

• расчетных методиках с учетом стойкости.

Расчет частоты вращения шпинделя

Этот параметр (n, об/мин) определяется следующей формулой:

n = π х D1000 хV,

где:

• V – скорость резки;

• D – диаметр болванки.

Особенности применения:

• для станков с ЧПУ значение n корректируют с учетом диапазона регулирования привода;

• при обработке ступенчатых валов расчет ведут для максимального диаметра;

• в фрезерных операциях D – диаметр фрезы.

Пример расчета

Дано:

• диаметр болванки D = 50 мм;

• рекомендуемая скорость резки V = 120 м/мин.

Решение:

n = π х 501000 х 120 ≈ 764 об/мин.

На станке устанавливают самое близкое к этому значение. В данном случае – 750 об/мин. Затем проверяют фактическую скорость:

Vфакт = 1000π х 50 х 750≈117,8 м/мин.

Подача режущего инструмента

   Подача назначается с учетом баланса производительности и качества. Ее величина прямо зависит от разновидности операции:

• черновая работа: максимизация S при допустимых нагрузках;

• получистовая: компромисс между скоростью и шероховатостью;

• финишная: минимизация S для достижения Ra (стандартов шероховатости).

Факторы, которые влияют на выбор подачи

1. Материал заготовки. Для твердых сталей подачу снижают на 30-50% относительно мягких сталей.

2. Тип обработки. При прерывистой резке (фрезерование) подачу уменьшают на 20-40% из за ударных нагрузок.

3. Геометрия инструмента. Увеличение главного угла требует снижения S – чтобы предотвратить выкрашивание вершины.

4. Жесткость системы. Для длинных валов подачу уменьшают до 0,1-0,2 мм/об.

5. Требования к качеству. Если поверхности под шлифование, то S ≤ 0,2 мм/об.

6. Мощность станка. Проверяют условием: Nрез ≤ Nстанка х η, где η – КПД привода.

Глубина резания и припуски

Чтобы провести расчет режимов резания при фрезеровании, нужно знать его глубину. Это значение определяется:

• величиной припуска (разница размеров болванки и детали);

• жесткостью инструмента и станка;

• емкостью главного привода;

• требованиями к точности (при малых t снижается погрешность формы).

Определение количества проходов

Число проходов (i) рассчитывают по уравнению:

i = Z / tmax,

где:

• Z – общий припуск;

• tmax – предельно допустимая глубина резания при фрезеровании.

Пример:

При Z = 8 мм и tmax = 3 мм, i ≈ 3 прохода.

Распределение припуска:

• 1 й проход: t1 = 3 мм (черновой);

• 2 й проход: t2 = 3 мм (черновой);

• 3 й проход: t3 = 2 мм (получистовой).

Плюс формула глубины резания подразумевает припуск в 0,5 мм для чистовых проходок.

Таблицы режимов по материалам

   Рекомендуемый режим резания зависит от физико механических свойств материала. Ниже приведены ориентировочные величины для типовых операций.

Режимы резания для сталей

Углеродистые (Ст3, Сталь 45):

Особенности обработки:

• хорошая обрабатываемость при отожженном состоянии;

• склонность к наростообразованию при средних скоростях резки;

• умеренное тепловыделение.

Типовые режимы:

• скорость: V = 80-150 (резцы из Т15К6);

• подача: S = 0,2-0,4 (черновая), 0,1-0,2 (финишная);

• глубина: t = 2-5 (черновая), 0,5-1 (финишная).

Легированные (40Х, 30ХГСА):

Особенности обработки:

• повышенная прочность и твердость по сравнению с углеродистыми;

• увеличенное усилие резки;

• риск образования микротрещин при перегреве.

Типовые режимы:

• V = 60-120 (из за повышенной прочности);

• S = 0,15-0,3;

• t = 1-4.

Нержавеющие (12Х18Н10Т):

Особенности обрабатывания:

• высокая вязкость и предрасположенность к наклепу;

• низкая тепловая проводность (локализация тепла в зоне резки);

• абразивный износ инструмента из за карбидных включений.

Типовые режимы:

• V = 40-80 (склонность к налипанию);

• S = 0,1-0,25;

• t = 1-3.

Режимы резания для цветных металлов

Алюминий и сплавы (АМг6, Д16):

Особенности обрабатывания:

• высокая теплопроводность;

• предрасположенность к налипанию на резак;

• образование длинной сливной стружки.

Рекомендуемые режимы:

• скорость: V = 200-400;

• подача: S = 0,3-0,6;

• глубина: t = 3-6.

Дюралюминий (термически упрочненные сплавы, например Д16Т)

Особенности обрабатывания:

• повышенная прочность по сравнению с чистыми алюминиями;

• риск образования трещин при чрезмерных нагрузках.

Рекомендуемые режимы:

• V = 400-700;

• S = 0,2-1,0;

• t = 1,5-8.

Медь (М1):

Особенности обрабатывания:

• высокая пластичность и интенсивное налипание на инструмент;

• низкая теплопроводность (локальный перегрев).

Рекомендуемые режимы:

• V = 300–500;

• S = 0,2-0,8;

• t = 1-5.

Для латуни (Л63):

• V = 400-600 (лучшая обрабатываемость за счет цинка);

• S = 0,3-1,2;

• t = 2-8.

Бронзы

Особенности обрабатывания:

• наличие твердых включений (олова, свинца);

• склонность к появлению стружки надлома.

Рекомендуемые режимы:

• V = 200-400;

• S = 0,2-0,7;

• t = 1-4.

Магниевые сплавы

Особенности:

• крайне низкая твердость;

• пожароопасность при перегреве.

Режимы обработки:

• V = 500-800;

• S = 0,4-1,0;

• T = 3-10.

Формулы расчета и примеры

   Основная формула скорости резания при фрезеровании

При токарной обработке используется следующая зависимость:

V = 1000π х D х n,

где:

• V – скорость резки (м/мин);

• D – диаметр болванки (мм);

• n – частота верчения шпинделя (об/мин).

Важные замечания:

• в случае ступенчатых поверхностей расчет ведут по наибольшему диаметру;

• для фрезерных операций D означает диаметр фрезы;

• в станках с ЧПУ возможна коррекция n в реальном времени – для поддержания V.

Практический пример расчета

Дано:

• D = 60;

• n = 1000.

Расчет:

V = 1000π х 60 х 1000 ≈ 188,5.

Также скорость резания (формула при фрезеровании) требует проверки на соответствие паспортным данным станка. Если предельная частота вращения ограничена 900 об/мин, нужна корректировка:

Vкорр = 1000π х 60 х 900 ≈ 169,6.

Расчет силы резания

Тангенциальный вариант силы (Pz, Н) при токарной обработке определяется по формуле:

Pz = Cp х tx х Sy х Vn х Kp,

где:

• Cp – константный коэффициент, зависящий от состава детали и инструмента;

• t – глубина резки (мм);

• S – подача (мм/об);

• V – скорость резки (м/мин);

• x, y, n – показатели степеней (для каждой группы определяются отдельно);

• Kp – единый поправочный коэффициент, который учитывает геометрию и степень изношенности инструмента, наличие/тип СОЖ и особенности материала.

Пример расчета

Дано:

• обработка стали 40Х резцом из Т15К6;

• t = 3;

• S = 0,4;

• V = 100;

• Cp = 300 (по справочнику);

• x = 1; y = 0,75; n = −0,15;

• Kp=1,1 (учет СОЖ и геометрии).

Расчет:

Pz = 300 х 31 х 0,40,75 х 100 − 0,15 х 1,1 ≈ 980 Н.

Практические рекомендации

Порядок назначения режимов

1. Глубина резки (t). Определяется припуском и жесткостью самой системы. При черновой обработке – максимум (до 5-10 мм) при чистовой – минимум (0,1-0,5 мм).

2. Подача (S). Ее выбор делается по таблице с учетом типа работы (черновая или финишная), стандартов шероховатости (Ra) и жесткости закрепления болванки.

3. Скорость резки (V). Рассчитывается исходя из стойкости инструментария (Т = 30-60 мин) и корректируется по частоте вращения рабочего станка.

4. Проверка мощности. Чтобы убедиться, что Nрез ≤ Nстанка х η.

Влияние СОЖ на режимы резания

   Использование смазочно охлаждающей жидкости (СОЖ) дает:

• повышение V на 20-40%;

• падение температуры в зоне резки на 100-200°C;

• увеличение стойкости инструментария в 1,5-2 раза;

• улучшение качества поверхности (снижение Ra на 20-30%).

Рекомендации по выбору СОЖ:

• стали – эмульсионного типа 3-5%;

• нержавеющие стали – сульфофрезол;

• цветные металлы – минеральные масла;

• обработка на высоких скоростях – синтетические жидкости.

Адаптация режимов к конкретным условиям

Необходимые правки вносятся с учетом:

• Износа станка. Снижение V на 15-25%, S на 20-30%.

• Жесткости заготовки. Уменьшение S и t для предотвращения вибраций.

• Особенностей сплавов. Для вязких – снижение V, для хрупких – увеличение S.

• Требований к точности. При допуске <0,05 мм – финишная обработка с t ≤ 0,2 мм.

Контроль качества и стойкости инструмента

Показатели износа инструмента

Основные признаки:

• увеличение силы резки (Pz) на 30-50%;

• рост температуры (визуально – по оттенку стружки);

• ухудшение качества покрытия (царапины, задиры);

• появление сколов на режущей кромке;

• изменение формы стружки (от сливной к элементной).

Допустимый износ в миллиметрах (определяется по задней поверхности):

• твердосплавные резцы – 0,8-1,0;

• фрезы – 0,5-0,8;

• сверла – 0,15-0,3.

Оптимизация экономических показателей

Необходима, чтобы понизить себестоимость операции при заданной производительности.

Формула экономической скорости резания

Vэк = Cv х T – m х Kv,

где:

• Cv – коэффициент материала (для Т15К6 – 400);

• T – период стойкости инструментария (мин);

• m – показатель степени (0,2 для твердых сплавов);

• Kv – поправочный коэффициент (зависит от геометрии и СОЖ).

Пример (для резца Т15К6):

Vэк = 400 х 60−0,2 х 1 ≈ 160 м/мин.

Экономический анализ:

• при V > Vэк растет расход инструмента;

• при V < Vэк снижается производительность;

• оптимальный диапазон: V = (0,8 – 1,1) х Vэк.

Резюме

Чтобы грамотно назначить режимы резания для станков с ЧПУ, необходимы:

1. Точный расчет параметров (V, S, t) по формулам и таблицам.

2. Учет реальных условий (состояние станка, жесткость, СОЖ).

3. Контроль изношенности инструмента и качества поверхности.

4. Экономическая оптимизация (баланс скорости и стоимости).

Ключевые принципы:

• начинать с типовых значений и корректировать их по итогам пробных проходов;

• использовать СОЖ для повышения эффективности;

• регулярно проверять износ инструмента;

• документировать оптимальные режимы для типовых операций.

Соблюдение этих правил позволяет увеличить производительность на 20-40% и снизить брак по геометрии и наружной шероховатости. А также продлить срок службы рабочего инструмента и свести стоимость обработки заготовок к минимуму.