Исследование влияния режимов резания на выходные параметры при точении фрезерованием быстрорежущей стали

Введение. Альтернативой классического процесса резания является точение фрезерованием. Первые попытки описания данного вида обработки и его практического применения имели место в первой половине ХХ в. В 1948 г. Г. И. Грановский описал кинематику обработки цилиндрической вращающейся детали с помощью фрезы [1]. В 1964 г. А. О. Этин описал различные методы точения фрезерованием, в т. ч. фрезерование инструментом с осью, параллельной оси детали, и фрезерование цилиндрической фрезой с круговой и тангенциальной подачами [2]. Принято считать основоположниками практического применения данного метода Шульца и Шпура. Они разделили операции точения фрезерованием на две группы: ортогональные и тангенциальные [3]. Значительный вклад в изучение токарного фрезерования внесли Карагузел, Баккал, Будак, которые исследовали механику и термические аспекты токарно-фрезерной обработки. Они также разработали модели для проверки геометрии процесса, кинематики и механики, качества обрабатываемых деталей в ортогональных и тангенциальных токарно-фрезерных операциях [4].

Актуальной проблемой при внедрении операции точения фрезерованием является достижение высокого качества поверхности, в первую очередь — уменьшения шероховатости. Анализ публикаций позволяет выделить основные направления в исследовании путей достижения высокого качества поверхности:

• изучение влияния эксцентриситета [5];
• определение профиля режущего инструмента со сменными многогранными пластинами с круглой и скругленной режущими кромками [6];
• изучение влияния температуры в зоне резания [7];
• прогнозирование износостойкости режущей кромки при применении операции точение фрезерованием [8].

Следует отметить, что в указанных работах в качестве исследуемых материалов применялись традиционные конструкционные стали. Исследования быстрорежущей стали, в том числе полученной методом порошковой металлургии, не являются распространенными. Это ограничивает применение преимуществ точения фрезерованием для изготовления вращающихся режущих инструментов [9]. Данное направление механообработки можно отнести к области, где точение фрезерованием может дать наибольший экономический эффект.

На качество поверхности влияет используемый режущий инструмент. Например, применение концевых фрез со сменными многогранными пластинами не всегда позволяет достичь требуемой шероховатости поверхности [10]. Важно отметить, что рассматриваемая экспериментальная часть исследований проводится на многоцелевых станках. Однако точение фрезерованием также может применяться и на токарных обрабатывающих центрах с приводным инструментом [11].

Целью данной работы является определение влияния режимов резания на шероховатость поверхности при ортогональном методе точения фрезерованием порошковой быстрорежущей стали монолитной фрезой.

Материалы и методы. Эксперимент проводился на токарном обрабатывающем центре с приводным инструментом DMG NEF400 (рис. 1).

В качестве исследуемого материала использована порошковая быстрорежущая сталь BOHLER S390 MICROCLEAN¹. Заготовка представляла собой цилиндр размером 88×300 мм и закреплялась в трёхкулачковом гидравлическом патроне с поджатием центром, установленным в задней бабке станка (рис. 2). В качестве режущего инструмента использована монолитная твердосплавная фреза YG-1 GM999 12(R3)×12×32×75, z = 5. Обработка проводилась без применения смазочно-охлаждающей жидкости. Измерения шероховатости обработанной поверхности производились на стационарном профилометре Taylor&Hobson Form Talysurf 200.

Химический состав стали BOHLER S390 MICROCLEAN:

1,64 % C; 0,60 % Si; 0,30 % Mn; 4,80 % Cr; 2,00 % Mo; 4,80 % V; 10,40 % W; 8,00 % Co.

Технологические свойства стали BOHLER S390 MICROCLEAN, представленные в балльной системе из 5 баллов, соответствующих максимальным значениям свойств данной группы сталей:

• прочность на сжатие — 4;
• шлифуемость — 3;
• прокаливаемость — 4;
• вязкость — 4;
• износостойкость — 4.

Математическая модель отклонения шероховатости поверхности Ra может быть представлена уравнением [11]:

где 𝑓_𝑧 — подача, мм/зуб; V_c — скорость резания, м/мин; a_e — ширина резания, мм.

Переименуем это выражение следующим образом:

где 𝑦₁=ln𝑅𝑎; x₀ — фиктивная переменная; x₁, x₂, x₃ — кодированные значения факторов; ɡ₀, ɡ₁, ɡ₂, ɡ₃ — постоянные коэффициенты.

Кодирование переменных осуществляется по следующим соотношениям:

где — верхние уровни факторов; — нижние уровни факторов; — основные уровни факторов. Значения этих параметров представлены в таблице 1.

Эксперимент планируется по некомпозиционному плану, предложенному Боксом и Бенкиным. Этот план представляет собой выборки строк из полного факторного эксперимента типа 3^k. Он включает в себя 15 опытов. Матрица плана приведена в таблице 2.

Вектор коэффициентов определяется по формуле:

Дисперсии 𝑆²(𝑏_𝑗) коэффициентов регрессии находятся из выражения:

Среднее значение и дисперсия определяется вектором опытов в центре плана.

Среднее значение:

где Y_u — вектор значений функции отклика в центре плана.

Дисперсия:

По результатам опытов, проведенных по плану (табл. 2) можно определить постоянные коэффициенты уравнения:

где n₀ — число опытов в центре плана; u — номер параллельного опыта в центре плана; y_0u — значение функции отклика в u-ом опыте; N — число опытов в матрице планирования; j — номер опыта в матрице планирования; i, l — номера факторов; x_ij, x_lj — кодированные значение i-го и l-го факторов в j-м опыте; y_j — значение функции отклика в j-м опыте.

Из этого следует: 𝑔₀=1,388; 𝑔₁=0,24; 𝑔2= −0,022; 𝑔₃= 0,268; 𝑔₁₁=2,413; 𝑔₂₂=2,267; 𝑔₃₃=3,072.

Таким образом, модель зависимости отклонения шероховатости поверхности от параметров обработки и ширины резания будет иметь вид:

Результаты исследования. Зависимости шероховатости поверхности от режимов резания представлены на рис. 3.

Анализ полученных результатов показывает, что зависимость шероховатости от подачи имеет линейный характер на всём исследуемом диапазоне режимов резания (рис. 3 a, в). При этом с увеличением подачи шероховатость пропорционально увеличивается, что согласуется с основными положениями теории резания. Максимальное значение параметра шероховатости R_a составляет 1,85 мкм, что соответствует наиболее распространённым требованиям при чистовой механообработке в машиностроении.

Зависимость шероховатости от скорости резания V_c (рис. 3 а, б) имеет параболический характер с максимальными значениями шероховатости в диапазоне скоростей резания 90–95 м/мин. Данный факт можно объяснить тем, что в указанном диапазоне скоростей резания имеет место эффект нароста материала на режущую кромку. Для подтверждения указанной гипотезы необходимо проведение дополнительных исследований с контролем температуры в зоне резания и использованием высокоскоростной видеокамеры для наблюдения за процессом стружкообразования и возможного формирования нароста.

Влияние ширины фрезерования a_e на шероховатость поверхности имеет также параболический характер (рис. 3 б, в), но при этом максимальные значения шероховатости достигаются при a_e = 0,25 мм и a_e = 3 мм, а минимальное значение — при a_e = 1,8–2,2 мм. Можно полагать, что в указанном диапазоне ширины резания на процесс обработки в меньшей степени влияют регенеративные колебания, зависящие также от конструктивных и геометрических параметров режущего инструмента.

В итоге можно констатировать, что при установленных режимах резания удалось достичь шероховатости поверхности не выше R_a = 1,85 без потери производительности процесса.

Обсуждение и заключения. Разработана математическая модель, отражающая влияние режимов резания на шероховатость поверхности при точении фрезерованием быстрорежущей стали монолитной фрезой. Результаты проведённых исследований могут быть использованы для определения оптимальных режимов резания, обеспечивающих заданное качество поверхности при изготовлении реальных деталей в производственных условиях.

Рекомендуется проведение дополнительных исследований с контролем температуры в зоне резания и вибраций. Назначение режимов резания следует проводить на базе результатов модального анализа технологической системы для уменьшения влияния регенеративных автоколебаний на шероховатость обработанной поверхности.