Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України, м. Київ

заступник директора з наукової роботи

Офіційні опоненти:

Актуальність роботи. Розвиток сучасного машинобудування значною мірою пов'язаний з підвищенням вимог до експлуатаційних характеристик деталей машин і механізмів і, відповідно, застосуванням при їх виробництві матеріалів з високими фізико-механічними властивостями. До таких матеріалів відносяться важкооброблювані залізовуглецеві сплави високої твердості, а саме, загартовані сталі. З них виготовляються великогабаритні металоємні вироби, такі як валки прокатних станів, вали і шпинделі важких верстатів, деталі металургійних машин, суднових механізмів та ін. При цьому, вимоги, що пред'являються до таких деталей, обумовлюють необхідність поєднання високої продуктивності чистової обробки зі стійкістю інструменту, достатньою для завершення процесу обробки без зміни ріжучого інструменту, тобто процес обробки повинен характеризуватися високою поверхневою (мм²/хв.) продуктивністю. Існуючі в даний час процеси чистової обробки загартованих сталей мають цю характеристику на рівні 6-9 тис. мм²/хв., що недостатньо для ефективної обробки деталей з поверхнями значної площини.

На даний час найбільшою ефективністю при обробці загартованих сталей характеризуються інструменти, оснащені полікристалічними надтвердими матеріалами (ПНТМ) на основі кубічного нітриду бору (КНБ). Чистова токарна обробка деталей з загартованих сталей інструментом з ПНТМ дозволяє у ряді випадків відмовитися від шліфування - традиційного способу отримання поверхонь з шорсткістю менше Ra = 1,25 мкм. Але при цьому необхідно використовувати малі подачі (0,10-0,15 мм/об), що значно обмежує продуктивність такої обробки. Підвищення швидкості різання призводить до істотної інтенсифікації зношування інструменту, а збільшення повздовжньої подачі за звичайних умов - до зниження якості обробленої поверхні.

косокутний інструмент загартована сталь

Одним з методів чистового точіння з високою продуктивністю є косокутне різання однокромочним інструментом, що надає можливість проводити обробку з великою подачею та високою швидкістю, забезпечуючи високу якість обробленої поверхні.

Використання за умов косокутного різання однокромочними різцями зносостійких інструментів, оснащених ПНТМ на основі КНБ, дозволить поширити перспективи для підвищення продуктивності чистової обробки важкооброблюваних матеріалів за рахунок сполучення високопродуктивного способу обробки та ефективного за даних умов інструментального матеріалу. Необхідно відзначити, що закономірності процесу косокутного різання загартованих сталей з високими ( 0,3 мм/об) подачами однокромочним інструментом, оснащеним ПНТМ на основі КНБ раніше не досліджувались. Тому комплексні дослідження, направлені на підвищення продуктивності чистової обробки загартованих сталей високої твердості із застосуванням косокутного однокромочного інструменту з ПНТМ на основі КНБ, розробка конструкції та технології використання таких інструментів, є досить актуальними.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до плану науково-дослідних робіт ІНМ ім.В.М. Бакуля НАН України по пріоритетному напряму розвитку науки і техніки "Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі" - темі "Дослідження закономірностей контактної взаємодії інструменту з КНБ та кераміки в умовах косокутної лезової обробки важкооброблюваних залізовуглецевих сплавів" (№ ДР 0107U011493), договору № Ф10/35-2005 с ДФФД України "Наскрізне проектування ресурсозберігаючих технологій і засобів оснащення електрофізичних і термомеханічних процесів зміцнення поверхонь виробів" (№ ДР 0105U006909).

Метою роботи є підвищення продуктивності чистового точіння загартованих сталей на основі дослідження закономірностей різання косокутним однокромочним інструментом, оснащеним ПНТМ на основі КНБ.

Для досягнення поставленої мети в роботі визначені наступні основні задачі наукового дослідження:

· розробити моделі, що дозволяють визначати параметри перерізу шару, який зрізується, а також силове навантаження на однокромочний різальний інструмент при косокутному точінні;

· експериментально визначити сили різання, температуру в зоні різання в широкому діапазоні зміни умов обробки;

· дослідити стійкість різального інструменту за різних умов обробки;

· визначити вплив режимів різання і геометричних параметрів інструменту на продуктивність обробки та якість обробленої поверхні при косокутному однокромочному різанні інструментами, оснащеними ПНТМ на основі КНБ;

· розробити конструкцію й виготовити інструмент для косокутного точіння з механічним кріпленням непереточуваних багатогранних ріжучих пластин;

· розробити рекомендації по застосуванню косокутних однокромочних інструментів, оснащених ПНТМ на основі КНБ, і провести дослідно-промислову перевірку результатів розробки при обробці виробів із загартованих сталей.

Об'єктом досліджень є процес обробки загартованих сталей косокутним однокромочним інструментом, оснащеним різальними пластинами з ПНТМ на основі КНБ.

Предметом досліджень є температурно-силові та стойкостні закономірності косокутного різання, продуктивність процесу обробки і якість поверхонь, оброблених косокутним однокромочним інструментом, оснащеним ПНТМ на основі КНБ.

Метод досліджень. Методологічною основою аналітичних і експериментальних досліджень є сучасні положення теорії різання.

Експериментальні дослідження проводилися з використанням установки, що включає динамометр, обладнання для визначення температури різання і шорсткості обробленої поверхні.

Визначення температури різання проводилося по експериментально-розрахунковій методиці з використанням даних від хромель-алюмельових термопар, встановлених під ріжучою пластиною в державці інструменту.

Оцінювання параметрів шорсткості обробленої поверхні проводили методом профілометрування.

Дослідження структури і хімічного складу поверхневих шарів оброблених виробів проводили металографічним методом з використанням оптичної та електронної мікроскопії.

Наукова новизна одержаних результатів:

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету та задачі досліджень, показано наукову новизну та практичну цінність викладених досліджень, наведені відомості про апробацію результатів, публікації та структуру роботи.

У першому розділі дисертації викладений аналіз літературних джерел з питань використання різальних інструментів, оснащених ПНТМ на основі КНБ, при чистовій обробці загартованих сталей і методи підвищення продуктивності даного виду обробки. Розглянуті особливості механіки косокутного різання, силові закономірності процесу різання і закономірності стійкості інструменту при косокутному різанні однокромочними різцями.

Приведені в науково-технічній літературі результати досліджень процесів чистової лезової обробки залізовуглецевих сплавів твердістю 45-60 НRС свідчать про переваги використання чистового точіння інструментом, оснащеним ПНТМ на основі КНБ, в порівнянні з іншими методами обробки. Традиційно при такій обробці величина подачі, не перевищує 0,15 мм/об, що пов'язане з необхідністю отримання поверхонь з низькою шорсткістю.

Підвищити продуктивність при фінішному точінні можна шляхом застосування різців із зачисною кромкою, wiper-геометрією, інструментів з неплоскою передньою поверхнею, косокутних однокромочних різців, що дозволяють інтенсифікувати обробку за рахунок збільшення величини подовжньої подачі.

Дослідження, виконані раніше різними авторами, показали, що найбільший ефект досягається при обробці зовнішніх циліндрових поверхонь із застосуванням косокутного різання однокромочним інструментом.

Вивченню процесу косокутного точіння різних матеріалів твердосплавним інструментом присвячені роботи В.Ф. Боброва, Е.Е. Кіппера, Р.В. Халфена, О.В. Остроухова із співавторами, Є.В. Скачко, І.В.С. Рамунаджачарі та ряду ін. вчених та дослідників.

Як випливає з аналізу результатів досліджень при точінні неіржавіючих аустенітних сталей, спеціальних жаростійких і жароміцних сплавів ефективність косокутних однокромочних різців, порівняно з інструментами, різальна кромка яких має вершину, істотно вище.

При точінні загартованих легованих сталей твердосплавний інструмент фактично непрацездатний із-за малого періоду стійкості, що, відповідно, робить неможливим досягнення необхідної якості обробленої поверхні і вимагає застосування інструментів, оснащеннях більш термо - і зносостійкими матеріалами, зокрема, ПНТМ на основі КНБ.

Вочевидь застосування в умовах косокутного різання з великими подачами інструменту, оснащеного змінними багатогранними пластинами з КНБ є досить перспективним. Але в існуючих публікаціях відсутні дані, які свідчать про проведення систематичних досліджень в цьому напрямі, що, пояснюється відсутністю до недавнього часу різальних елементів із ПНТМ з достатньою довжиною різальної кромки. Немає даних про вплив режимів різання і геометричних параметрів інструменту на якість обробленої поверхні при різанні загартованих сталей високої твердості косокутними однокромочними різцями, оснащеними ПНТМ на основі КНБ, при S 0,3 мм/об. Не визначений вплив умов обробки на такі характеристики процесу різання як міра деформації матеріалу, що зрізається, температура в зоні обробки, силові закономірності і закономірності стійкості косокутного однокромочного інструменту в даних умовах.

Наведене вище обумовлює перспективність виконання модельних і експериментальних досліджень температурно-силових закономірностей процесу косокутного різання, зношування косокутних однокромочних інструментів з композитами на основі КНБ, впливу умов обробки на стан поверхневого шару оброблених виробів, оптимізації режимів різання і розробки технологічних рекомендацій по обробці загартованих сталей високої твердості таким інструментом.

У другому розділі описана загальна методика проведення досліджень, устаткування, інструменти, приведена методика дослідження теплових процесів при косокутній обробці однокромочним інструментом, методика виміру шорсткості обробленої поверхні і дослідження структури і властивостей поверхневого шару.

Як оброблювані матеріали використовувалися загартовані сталі ШХ15 (38-62 HRC), сталь 40Х (48,5-50,5 HRC).

Для косокутного точіння використовувався спеціальний різець, оснащений багатогранними непереточуваними пластинами SNUN 120408T і SNUN 120408 з ПНТМ на основі КНБ марки "киборит" (ТУ 2-037-636-89). Конструкція інструменту передбачала установку на поверхні, на яку встановлюється різальна пластина, двох хромель-алюмельових термопар. Дані від термопар використовувалися для визначення температури різання по експериментально встановлених значеннях температур в двох контрольних точках на опорній поверхні різальної пластини шляхом рішення зворотньої задачі теплопровідності з використанням методу кінцевих елементів. При рішенні нестаціонарної задачі використовувалася кінцево-елементна модель різця, що включає різальну пластину з КНБ, підкладку з твердого сплаву і поворотну державку.

За допомогою обчислювального експерименту на кінцево-елементній моделі були отримані рівняння регресії для температур T₁ і T₂ в контрольних точках залежно від змінних факторів - величин довжини і ширини контакту стружки з передньою поверхнею інструменту, ширини фаски зносу по задній поверхні і середньої температури різання Т. Отримавши в ході натурного експерименту дані, що відображають залежність температури в контрольних точках від умов обробки і розв'язуючи надалі задачу відносно Т, при відомому значенні T₁ і T₂, знаходили середню температуру в області, яка прилягає до вершини різця.

Обробка точінням виконувалася на токарно-гвинторізному верстаті ФТ-11. Складові сили різання вимірювалися універсальним динамометром УДМ-600 конструкції "ВНИИнструмент". Тарування динамометра проводили зразковим динамометром ДОСМ-200.

Дані вимірів складових сили різання фіксувалися з використанням спеціально розробленого і виготовленого апаратно-програмного комплексу, що має модуль виміру, оснащений АЦП, і оброблялися на персональному комп'ютері, що дозволило здійснювати запис інформації за допомогою ЕОМ в режимі in situ.

Виміри параметрів шорсткості поверхні: R_max, Rz, Ra, Rtm, S_m, t_p проводилися профілографами-профілометрами мод.170311 заводу "Калібр" (Росія) і "Surtronic-3" фірми Renk Taylor Нobson (Велика Британія).

В третьому розділі роботи представлені результати аналітичного визначення товщини зрізу, модельних і експериментальних досліджень середньої контактної температури і сил різання.

Зважаючи на особливості процесу, визначення величини перерізу зрізу при косокутному точінні однокромочним інструментом представляє особливий інтерес. Товщина зрізу в цих умовах чисельно дорівнює глибині різання, як і у випадку, коли чистова обробка ведеться широким різцем із зачистною кромкою, довжина якої перевищує величину подачі на один оберт.

Розрахунок по наведених нижче виразах дозволяє визначити товщину зрізу a (X) в кожній точці різальної кромки в залежності від кута її нахилу, глибини різання, подачі і діаметру оброблюваної поверхні (рис.1):

(1)

де ; ; - координати граничних точок; - кут нахилу різальної кромки; R - радіус деталі що обробляється; t - глибина різання; S - подача.

Аналіз отриманих залежностей показує, що середня товщина зрізу залежить від діаметру оброблюваної поверхні, кута нахилу різальної кромки інструменту, глибини різання, подачі. У діапазоні умов обробки S = 0,5-2,0 мм/об; t = 0,05-0,15 мм;

= (15-60) середня товщина зрізу знаходиться в межах 10-60 мкм. Радіус округлення різальної кромки інструментів з ПНТМ КНБ становить 8-20 мкм, отже можна зробити висновок, що при косокутному точінні товщина зрізу порівняна з величиною радіусу округлення різальної кромки однокромочного інструменту.

Величина сили різання - один з найважливіших технологічних показників, що характеризують процес обробки різанням. Незважаючи на те, що товщина зрізу при косокутній обробці однокромочним різцем є малою, даний процес характеризується високими значеннями сили різання. Так при обробці стали ШХ15 (60-62 HRC) в діапазоні умов обробки, що рекомендувалися (S = 0,3-1,5 мм/об; t = 0,05-0,15 мм;

= (30-50) складові сили різання знаходяться в межах величин: P_x = 200-800 Н;

P_y = 900-4000 Н; P_z = 500-1200 Н. Залежність сили різання від кута нахилу різальної кромки є екстремальною з мінімумом при = 455.

З використанням моделі перерізу зрізуваного шару розроблено алгоритм розрахунку складових сили різання на передній поверхні різального інструменту. Алгоритм заснований на спільному вирішенні рівнянь механіки і теплофізики різання в ході реалізації ітераційного циклу. На рис.3 представлені результати експериментальних досліджень впливу кута нахилу різальної кромки інструменту на складові сили та рівнодіючу силу R різання (рис.3, а) та розрахункові залежності міри пластичної деформації оброблюваного матеріалу (нормальної, тангенційної та сумарної складових відносного зсуву), а також усадки стружки від кута .

Зростання температури різання, а також зменшення із зростанням л довжини активної частини різальної кромки, напружень і, відповідно, складових сили різання, що діють на передній поверхні інструменту є причиною інтенсивного зниження сил P_z і P_y в діапазоні ?= (20-40) . Подальше зростання кута нахилу до (50-60) приводить до змін кінематичних величин геометричних параметрів інструмента: зменшення величини заднього кута та збільшення радіусу округлення різальної кромки, виміряних в головній січній площині. Як наслідок зростають нормальні напруження та сила що діє на задній поверхні інструмента, чому відповідає зростання величини сил P_y та P_z. Такі зміни складових сил різання обумовлюють екстремальний характер рівнодіючої сили R різання.

Особливістю косокутного точіння однокромочним інструментом є високі співвідношення між складовими сили різання що діють на передній і задній його поверхнях. Вже при ширині фаски зносу h_з = 0,2 мм співвідношення між радіальними складовими сил на задній і передній поверхнях інструменту знаходиться в діапазоні 4-9, а тангенціальна складова на задній поверхні більша, ніж на передній в 1,2-2,5 разів.

У зв'язку з малою товщиною зрізу, при розрахунку сил на передній поверхні важливим є розрахунок дійсного (фактичного) значення переднього кута різального інструменту. Зміна товщини зрізу уздовж різальної кромки різця обумовлює змінну величину переднього кута (рис.4, а) і, згідно з розрахунками, зміну вздовж різальної кромки усадки стружки (рис.4, б) і нормальних контактних напружень на передній поверхні різця (рис.4, в). При цьому на ділянках різальної кромки, що примикають до вхідної і вихідної точок леза, спостерігається різке зростання напруження, обумовлене великим негативним значенням дійсного переднього кута і краєвим ефектом, що приводить до зростання напружень при втискуванні жорсткого штампу в пружний напівпростір.

Визначення теплової напруженості процесу обробки є необхідною умовою для розробки високоефективних технологій обробки загартованих сталей інструментом з КНБ.

Найбільший вплив на температуру в зоні контакту має швидкість різання і кут нахилу різальної кромки інструменту. Глибина різання і подача впливають менше, хоча із зростанням останньої температура зростає менш інтенсивно, у порівнянні із збільшенням глибини різання. Аналіз експериментальних даних показує, що із збільшенням кута нахилу різальної кромки л температура різання зростає. Так, згідно з розрахунком, при збільшенні кута нахилу різальної кромки від 40 до 60 (t = 0,1 мм; v = 1,3 м/с; h_з = 0,1 мм; S = 0,67 мм/об) середня температура контакту зростає від 840 до 1030.

Причинами зростання температури в даному випадку є збільшення середньої товщини зрізу (від 0,013 до 0,034 мм), імовірне зростання сили тертя на передній поверхні інструменту, а також збільшення сил, які діють на задній поверхні різця, що пов'язане із зростанням радіусу округлення різальної кромки , який визначається в головній січній площині, і одночасним зниженням величини кінематичного заднього кута.

Для процесу косокутного різання однокромочним інструментом глибина різання більш істотно впливає на температуру у порівняні з подачею. Зі зростанням глибини різання збільшуються товщина зрізуваного шару та ширина зрізу. Із збільшенням глибини різання від 0,05 до 0,1 мм температура на контактних поверхнях зростає на 50 (v = 1,3 м/с; h_z = 0,1 мм; л = 50°, S =?0,67?мм/об). З подальшим її збільшенням інтенсивність зростання температури знижується.

Збільшення кута нахилу різальної кромки приводить до зростання температури різання, при цьому даний параметр впливає на температуру більш інтенсивно у порівнянні з подачею та глибиною різання. Вплив подачі виражається головним чином в збільшенні товщини шару, що зрізається. При t = 0,1 мм, л = 50° a_cр зростає від 8 до 34 мкм із збільшенням подачі від 0,3 до 1,0 мм/об, а температура різання при цьому зростає з 960 до 1020.

Швидкість різання є чинником, що найбільшою мірою впливає на температуру в зоні різання. При зміні швидкості різання в діапазоні від 0,5 до 1,5 м/с, температура зростає з 880 до 1060 (t = 0,1 мм; h_з = 0,1 мм; л = 50°; S = 0,67 мм/об).

Результати теоретичних і експериментальних досліджень особливостей механіки та теплофізики косокутного різання загартованих сталей однокромочним інструментом з ПНТМ є передумовами для подальшого вивчення закономірностей впливу режимів різання і геометричних параметрів різця на формування поверхневого шару в умовах високопродуктивного процесу обробки.

В четвертому розділі представлені результати досліджень по експериментальному вивченню стійкості інструменту, продуктивності обробки, шорсткості поверхні і стану поверхневого шару оброблених деталей.

Зношування інструменту відбувається з утворенням фаски на задній поверхні інструменту. Після етапу припрацювання, відповідного 10 хв. часу різання і фаски зносу h_з = 0,10-0,12 мм в перебігу досить тривалого часу роботи знос інструменту по задній поверхні носить монотонний характер. При зносі інструменту 0,3 мм (прийнятого як критерій зносу) висота мікронерівностей різко зростає, що свідчить про те, що різальна кромка інструменту після досягнення фаски зносу h_з = 0,3 мм втрачає прямолінійність, відбувається викришування фрагментів полікристала та сколювання різальної кромки. Період стійкості інструменту при обробці загартованих сталей (60-62 HRC) за оптимальних умовах обробки (t = 0,05-0,10 мм; S = 0,6-1,2 мм/об; v = 1,0-1,2 м/с; = (40-50) ) складає 80-100 хв.

У шорсткому шарі поверхні, обробленої косокутним однокромочним різцем, можна умовно виділити дві складові мікронерівностей (рис.6). Перша складова мікронерівностей (I), характерна для косокутної обробки однокромочним інструментом утворюється під дією так званого кінематико-геометриченого фактора. Друга (IІ) обумовлена пластичними явищами в зоні різання, якістю виготовлення поверхонь різального інструменту, високочастотними коливаннями, пружним відновленням оброблюваного матеріалу зі сторони задньої поверхні інструменту. Залежно від умов обробки висота мікронерівностей першого і другого виду знаходиться в межах Ra = 0, 19-0,35 мкм; Rtm = 1,0-3,6 мкм і Ra = 0,40-1,15 мкм; Rtm = 1,2-6,2 мкм відповідно.

Залежності шорсткості обробленої поверхні від параметрів процесу обробки, побудовані за експериментальними даними. Аналіз показує, що із зростанням подачі середнє арифметичне відхилення профілю поверхні Ra монотонно зростає в діапазоні кутів нахилу різальної кромки = (30-50) . При величині =?30 і подачах S = 0,1-0,7 мм/об залежність залишається монотонно-зростаючою, а в діапазоні подач S = 0,70-0,95 мм/об спостерігається істотне зниження її впливу на висотні параметри шорсткості поверхні. У найменшій мірі від величини подачі залежить максимальна висота нерівностей R_max. Чим більше кут нахилу , тим інтенсивніше вплив подачі на висоту мікронерівностей.

Для підвищення якості поверхні після обробки із зростанням подачі величину л необхідно знижувати, проте, як випливає з представлених графіків, при S 0,6 мм/об інструмент з л = 30° забезпечує вищу якість обробки, ніж різець, різальна кромка якого має кут нахилу 20°. В умовах даного експерименту мікронерівності з мінімальною (Ra = 0,25-0,32 мкм) висотою забезпечувалися при S = 0,1-0,3 мм/об, л = 30°. Шорсткість поверхні, відповідна вимогам Ra??0,63 мкм, Rtm??4 мкм, формується при наступних комбінаціях режимів різання і геометричних параметрів інструменту: S = 0,5 мм/об і л = 50°; S = 0,6 мм/об і л = 40°, S = 1,0 мм/об і л = (20-30) .

У разі, коли подача і кут нахилу різальної кромки мають величини менше оптимальних значень (л = (15-20) при S 0,6-0,8 мм/об), має місце явище (подібне спостережуваному при обробці звичайним різцем) зростання висоти мікронерівностей при зниженні подач до 0,01-0,02 мм/об. При малій товщині зрізу, збільшується частина ділянки контакту різця з оброблюваним матеріалом на закругленій різальній кромці, погіршуються умови пластичної деформації матеріалу в зоні різання, процес стружкоутворення стає нестабільним, що веде до зниження якості обробки.

Продуктивність чистової обробки визначається площею поверхні, обробленою в одиницю часу, а зростання цього показника за умов рівних скоростей різання, визначається подачею, що використовується. Аналіз графіка (рис.7) показує, що умови обробки при яких забезпечується шорсткість Ra = 0,40-1,25 мкм (Rtm = 1,5-4,5) мкм відповідають подачі S = 0,50-0,95 при продуктивності обробки 30-60 тис. мм²/хв, що в 4-7 разів більше ніж при традиційному чистовому точінні інструментом з ПНТМ на основі КНБ.

Дослідження закономірностей косокутного різання загартованих сталей однокромочним інструментом показали значний вплив на шорсткість обробленої поверхні радіусу округлення різальної кромки інструменту (рис.8). Як видно з результатів досліджень, при обробці сталі ШХ15 (60-62 HRC) (S = 0,67 мм/об, л = 60°, t = 0,15 мм, v = 1,15 м/с) із зростанням радіусу округлення ріжучої кромки висота мікронерівностей знижується.

Форма профілю мікронерівностей на обробленій поверхні також залежить від величини радіусу округлення різальної кромки інструменту. На вершинах мікронерівностей, отриманих при обробці інструментом з = 8-16 мкм залишаються піки, що сформувалися з не зрізаного матеріалу, величина яких досягає 4 мкм при розрахунковій висоті мікронерівностей 4,8 мкм. На відміну від гострозаточеної, притуплена кромка формує мікронерівності меншої висоти, форма яких має більш виражений стохастичний характер. Приріст висоти мікронерівностей в порівнянні з розрахунковими значеннями пов'язаний в даному випадку з пластичними явищами, характерними для косокутного точіння, коли обробка проводиться з малою товщиною зрізу, порівнянною з радіусом округлення різальної кромки інструменту.

Термобаричні умови процесу різання безпосередньо впливають на зміцнення і структуру поверхневого шару оброблених виробів. Висока температура (понад 1000 С), що виникає в зоні різання і інтенсивно відводиться в поверхневий шар оброблюваної масивної деталі, і контактні навантаження з боку задньої поверхні інструменту (згідно з розрахунком до 3 ГПа) обумовлюють зміну мікротвердості матеріалу поверхневого шару (рис.9), а також формування в ньому "білого" шару (рис.10).

Потрібно відзначити, що "білий" шар в западинах нерівностей на обробленій поверхні більш ніж в 2 рази товще, порівняно з вершинами нерівностей: при = 12-16 мкм - 6,0 і 2,6 мкм, а при = 80-100 мкм - 11,0 і 5,2 мкм відповідно.

Процес точіння інструментом з більшою величиною супроводжується великими температурою і силами різання на задній поверхні інструмента. Так, при точінні сталі ШХ-15 (S = 0,95 мм/об, л = 60°, t = 0,15 мм, v = 0,95 м/с), радіальна складова сили різання зростає від 575 Н до 1040 Н при збільшенні радіусу округлення різальної кромки від 16 до 100 мкм.

Отримані дані свідчать про те, що твердість поверхневого шару оброблюваного матеріалу в результаті косокутного різання однокромочним інструментом збільшується в 1,3-2,0 рази. Причому, для випадку обробки інструментом з меншим радіусом округлення різальної кромки ступінь збільшення твердості є вищою, за рахунок більшого контактного навантаження.

Величина зносу інструменту має безпосередній вплив на шорсткість обробленої поверхні. Так, при точінні стали ШХ15 (60-62 HRC) шорсткість обробленої поверхні монотонно зростає при зносу інструменту до h_з = 0,3 мм і складає Ra = 1,6-1,7 мкм.

Отримані результати свідчать, що для забезпечення в процесі обробки необхідної шорсткості поверхні слід приділяти велику увагу стану різального інструменту. Особливо це важливо при обробці великогабаритних деталей, які є основною сферою застосування технології косокутного точіння однокромочним різцем.

Аналіз результатів, отриманих за допомогою реалізації факторного експерименту, дозволяє зробити висновок про наявність на поверхні відгуку моделі областей, де дана функція має максимальне значення, а стійкість інструменту досягає найбільшої величини. Виходячи з умови забезпечення найбільшого періоду стійкості і, відповідно, необхідної якості обробленої поверхні слід виділити діапазони оптимальних умов обробки. Незалежно від розміру період стійкості найбільший при глибині різання 0,04-0,08 мм. Для менших значень кута нахилу різальної кромки стійкість інструменту буде менша. Подача повинна складати 0,6-0,8 мм/об при t 0,1 мм і 0,8-1,2 мм/об при t 0,1 мм. Кут нахилу слід вибирати з діапазону 40-55, призначаючи більші його значення при менших подачах і глибинах різання. Швидкість різання слід приймати 1,0-1,3 м/с.

В п'ятому розділі дисертації приведені рекомендації по застосуванню і дані промислових випробувань косокутних однокромочних інструментів, теоретично обґрунтована і практично підтверджена можливість подальшого підвищення продуктивності косокутного точіння за рахунок зміни форми різальної кромки інструменту.

Згідно з розробленими рекомендаціями для забезпечення високої якості обробки при стійкості інструменту у межах 40-90 хв. обробку слід проводити зі швидкістю різання 0,9-1,5 м/с та глибиною різання рівною 0,05-0,1 мм. Максимальна продуктивність обробки (до 60 тис. мм²/мин) досягається при використанні інструменту з кутом нахилу різальної кромки 30-50 і подачах 0,6-0,9 мм/об.

Подальше підвищення продуктивності косокутного точіння однокромочним інструментом можливе, якщо створити умови, при яких збільшення подачі не викличе значного зростання висоти мікронерівностей на обробленій поверхні, а активна довжина різальної кромки інструменту не перевищить допустимого значення (10 мм), можна надавши останній відповідну форму. Такою формою може бути частина дуги, що має радіус, відповідний радіусу кривизни еліпса, утвореного в перетині деталі площиною нахиленою до її осі під кутом . Кривизна еліпса визначається в точці, в якій еліпс пересікається з його меншою напіввісю. В цьому випадку, форма мікронерівностей в подовжньому перетині деталі буде пологішою, а висота мікронерівностей значно зменшиться.

Радіус Rк заточування вогнутої різальної кромки пластини залежить від кута її нахилу, кутів і , а також від радіусу оброблюваної деталі. Враховуючи вплив вказаних параметрів, величина Rк визначається згідно виразу:

.(2)

На розглянуте рішення отриманий декларативний патент України на корисну модель і патент України на винахід.

При діаметрі заготівки 75 мм і = 36 оптимальний радіус кривизни різальної кромки, розрахований відповідно до виразу (2), складає 117 мм, а розрахункова висота мікронерівностей складає 1,74 мкм. Аналіз профілограм поверхонь, оброблених звичайними пластинами і інструментом, оснащеним різальною пластиною, частина різальної кромки, яка мала форму радіусу, показав, що в другому випадку висота мікронерівностей знижується майже в три рази порівняно із звичайним косокутним однокромочним інструментом (Rz 14 і 5 мкм відповідно).

В умовах ВАТ "Старокраматорський машинобудівний завод" проведено дослідно-промислову перевірку результатів дисертаційної роботи. Встановлено, що порівняно з базовою технологією при чистовому точінні валків холодної прокатки із сталі 9ХС (60-62 HRC), застосування косокутного однокромочного інструменту дозволяє підвищити об'ємну і поверхневу продуктивність в 3,3 і 8,4 разу відповідно.

Випробування інструменту, оснащеного ПНТМ на основі КНБ, проведені в умовах ВАТ "Дніпропетровський завод прокатних валків", при обробці деталей з високолегованого чавуну марки СШХН-50 (50-62 HS), показали, що косокутний однокромочний інструмент, оснащений ПНТМ на основі КНБ доцільно застосовувати при точінні валків з легованих чавунів на верстатах підвищеної жорсткості. При цьому за рахунок збільшення швидкості різання при використанні подачі S = 0,7 мм/об поверхневнева продуктивність Q_П зростає в 4,2 рази у порівнянні з базовою технологією обробки.

Висновки