Повышение производительности точения резьбы резцами с керамическими пластинками

Несмотря на широкое применение прогрессивных процессов формообразования заготовок, максимально производительно приближающих их к форме и размерам, близким к готовым деталям, в машиностроении сохраняется значительное распространение методов получения окончательных размеров с помощью срезания стружки. При этом значительное внимание уделяется механизму разрушения материала заготовки и образования стружки в процессе резания [1–10].

Обзор литературы, проведенный авторами, показывает, что в настоящее время работы, посвященные нарезанию резьбы резцами, проводятся отечественными и зарубежными исследователями, но при этом используются твердосплавные пластины проверенных марок.

При нарезании резьбы на закаленных заготовках все ведущие мировые фирмы рекомендуют использовать твердосплавные пластинки с упрочняющим покрытием. Сменные многогранные неперетачиваемые пластинки выпускаются для нарезания различных типов резьб с полным и неполным профилем. Некоторые фирмы прилагают файлы программ для подбора типа пластины и режимов резания.

Отчет по подбору резьбового инструмента, проведенный по программе, разработанной немецким институтом Hoffmann Group – Институт Fraunhofer IWU машиностроения и обработки металла давлением Vargus Thread Turning Generator V-5.0.2, показал, что для нарезания резьбы М39×2 на стальных заготовках высокой твердости (HRC 52…55) рекомендуется применение пластины 270708_2 (обозначение по методике Hoffmann Group) фирмы Vargus. [11]. Режимы резания представлены в табл. 1, а параметры схемы вырезания припуска в табл. 2.

Керамические пластинки обладают значительно большей красностойкостью и твердостью, чем твердосплавные металлокерамические, однако имеют меньшую пластичность и изгибную прочность, т. е. они более хрупки. Высокая твердость основы и ее тугоплавкость предопределяют хорошие режущие свойства керамики, однако изгибная прочность оксидной керамики находится на низком уровне (250–350 Н/мм2). Прочность керамики увеличивают добавлением карбидов металлов, в частности карбида титана (так называемая черная керамика). При этом прочность на изгиб увеличивается до 700–750 Н/мм2 [12].

Таблица 1

Режимы резания

Материал детали	Закалённая и отпущенная сталь 51–55HRc
Сплав пластины	HB7010
Скорость резания	45 м/мин
Число оборотов шпинделя	367
Количество проходов	11
Суммарное смещение по Z	11
Вид радиальной подачи	Изменяемый съем материала
Машинное время обработки	0 ' 27 ''

Таблица 2

Глубина по проходам

Проход	Глубина, мм	Накопленная глубина, мм	Суммарное смещение по Z, мм	D, мм
P1	0,213	0,213	0	38,575
P2	0,175	0,388	0	38,224
P3	0,161	0,549	0	37,903
P4	0,123	0,672	0	37,656
P5	0,104	0,776	0	37,448
P6	0,092	0,868	0	37,265
P7	0,083	0,950	0	37,099
P8	0,076	1,026	0	36,947
P9	0,071	1,097	0	36,805
P10	0,067	1,164	0	36,672
P11	0,063	1,227	0	36,546

* Примечание: глубина резания дана на радиус детали.

ГОСТ 25003-81 «Пластины режущие сменные многогранные керамические. Технические условия» предусматривает изготовление резьбовых пластин (Пластины трехгранной формы с задним углом 7° типоразмеров 01211 TNUN и 01231 TNGN). Однако полный обзор по патентной базе не дает сведений о применении керамических пластинок для нарезания резьбы.

В большом патентном обзоре удалось найти только 2 патента, касающихся керамических пластин, в которых описывается улучшенная геометрия режущей части и сэндвич-спеченная пластинка для повышения прочности керамической части на изгиб. Китайская фирма ZCC-CT, корейская Taegu Tec и японская TUNGALOY выпускают керамические режущие пластинки на основе Al2O3. Из описания приведенных патентов не видно, что рассматриваемые пластины предназначены, в том числе, и для нарезания резьбы. В японском патенте все приведенные примеры касаются только точения гладких валов.

Единственной публикацией о нарезании резьбы керамическими пластинками оказалась работа [13]. При нарезании резьбы керамическими пластинками большое значение будет иметь схема вырезания резьбового профиля, так как она должна быть максимально производительной, но в то же время и обеспечивающей стабильное резание.

Одним из определяющих факторов при работе керамическими пластинками является обеспечение запаса прочности при выборе схемы вырезания резьбового профиля. При нарезании резьбы резцом в некоторых случаях используют равносиловую схему резания, при которой на каждом проходе соблюдается постоянство главной составляющей P_z или радиальной составляющей P _y силы резания. Определению составляющих сил резания при точении посвящены работы [14–18].

В работе [19] показано, что равносиловая по P _y схема вырезания впадины близко совпадает со схемой равного изнашивания и по сравнению с другими схемами резания минимизирует себестоимость операции резьбонарезания. Все эти схемы были с успехом применены для нарезания резьбы твердосплавными пластинками отечественных и зарубежных марок. При выборе схемы резания для пробных экспериментов остановились на равнопрочностной схеме резания [19]. В качестве примера для назначения режимов пробных опытов были взяты данные статьи [13]. В проведенных экспериментах использовалась равнопрочностная схема вырезания впадины (рис. 1), позволяющая получать профиль резьбы М39×2 за 12 проходов с различной подачей на каждом проходе.

Рис. 1. Схема вырезания впадины

В табл. 3 приведены величины заглубления и подачи врезания на каждом проходе при нарезании резьбы по равнопрочностной схеме вырезания впадины, используемой в эксперименте.

Многогранные неперетачиваемые пластины типоразмера 19 7612.0352.160403 ГОСТ 25003–81 из режущей керамики ВОК-60 по ГОСТ 26630–85 имели радиус на вершине, равный 0,3 мм, задний угол керамических пластин а = 0°. Упрочняющая фаска имела размеры f = 0,2 мм и у f =- 20 ° (рис. 2).

На рис. 3 и 4 показаны графики зависимостей, составляющих P_z и P _y силы резания для различных проходов по схеме вырезания впадины и переднего угла у , измеренного в плоскости, перпендикулярной оси заготовки (вектора врезания пластины), и являющегося для стандартных пластин единственным геометрическим параметром, при помощи которого можно управлять процессом резания.

Анализ представленных зависимостей показывает, что как сила Pz , так и сила Py возрастают с увеличением t и достигают наибольшей величины при t = 0,8...0,9 мм. Передний угол у в ис- следованном диапазоне t на величину сил Pz и Py влияет слабо, кроме значения угла γ = –4°. Это обстоятельство может быть объяснено тем, что с изменением переднего угла происходит равноценное изменение и заднего угла, приводящее к изменению характера протекания процессов на контактных площадках задней поверхности.

Таблица 3

Величины заглубления и подачи врезания на каждом проходе

№ прохода	Подача Si , мм	Глубина врезания, t , мм
1	0,125	0,125
2	0,1	0,225
3	0,1	0,325
4	0,1	0,425
5	0,1	0,525
6	0,1	0,625
7	0,1	0,725
8	0,1	0,825
9	0,075	0,9
10	0,075	0,975
11	0,075	1,05
12	0,05	1,1

Рис. 2. Режущая пластина (керамика)

Рис. 3. Зависимость составляющей Pz силы резания от переднего угла на вершине γ и глубины врезания: керамическая стандартная пластина, резьба М 39×2, сталь 35Х3НМ, V = 80 м/мин, R = 0,3 мм

Рис. 4. Зависимость составляющей Py силы резания от переднего угла на вершине Y и глубине врезания: керамическая стандартная пластина, резьба М 39×2, сталь 35Х3НМ, V = 80 м/мин, R = 0,3 мм

При значении переднего угла Y = -4° задний угол при вершине равен а _в = 4 ° , а на боковых сторонах всего а _б = 2 ° . Такое значение заднего угла значительно меньше рекомендуемых при обработке сталей. Возможно, вследствие упругих деформаций обрабатываемого материала происходит затирание по задней поверхности и, соответственно, увеличение составляющих силы резания за счет повышенного трения по задней поверхности и упругого восстановления материала.

На рис. 5 представлена зависимость составляющих силы резания на 9-м проходе от изменения переднего угла.

Рис. 5. График влияния переднего угла на составляющие силы резания

Из условия минимизации составляющих силы резания P _z и P _y некоторое предпочтение можно отдать углу Y = -6^-10° для керамических пластин, обеспечивающем заметное снижение силы P _y .

Обращает на себя внимание большая величина радиальной силы P _y при резании керамической пластиной по сравнению с главной составляющей P_z , что связано с наличием на ней упрочняющей фаски. Завод технической керамики и ГОСТ 25003-81 допускают изготовление пластинок на заказ с измененными параметрами фаски. Нами были проведены эксперименты по влиянию ширины и угла наклона фаски на силы резания. Принятые параметры показаны в табл. 4.

Влияние угла наклона фаски Y у и ее величины f на силы резания показано на рис. 6 и 7.

Единственной геометрии фаски, оптимизирующей одновременно силы Pz и Py , не существует, однако уменьшение ширины фаски и угла ее наклона снижает силу Py . Сопоставление гра- фиков на рис. 6 и 7 показывает, что при нарезании резьбы керамическими пластинками близкое к минимальному для обеих составляющих силы Pz и Py дают пластинки в 4-м опыте, т. е. с параметрами f = 0,1 мм, γf = 30°.

Параметры упрочняющей фаски на пластинке

Таблица 4

№ опыта	1	2	3	4	5
Параметры пластинки	f = 0,1 мм, γ f = 10°	f = 0,3 мм, γ f = 10°	f = 0,2 мм, γ f = 20°	f = 0,1 мм, γ f = 30°	f = 0,3 мм, γ f = 30°

Рис. 6. Величина составляющей силы резания Pz при нарезании резьбы керамическими пластинками, Н, (М39Ч2, сталь 35Х3НМ, V = 80 м/мин, γ = –10°)

Рис. 7. Величина составляющей силы резания Py при нарезании резьбы керамическими пластинками, Н (М39Ч2, сталь 35Х3НМ, V = 80 м/мин, γ = –10°)

Проведенные пробные эксперименты показывают, что режущая керамика может быть использована при нарезании резьб на закаленных и отпущенных заготовках, причем при скорости резания в 2 раза большей, чем при точении резьбы твердосплавными пластинками известных мировых фирм. Это может быть обосновано более высокой теплостойкостью керамики относительно металлокерамических твердых сплавов [20-30].

Для получения более точных рекомендаций необходимо провести дополнительные исследования влияния геометрии пластинки на её формоустойчивость, а также влияния режимов резания, в том числе и схемы резания, на прочность пластинки, силы резания и стойкость инструмента. При оптимизации геометрических параметров пластинок возможно высокопроизводительно нарезать резьбы на закаленных заготовках из высокопрочных материалов, что в сочетании с меньшей стоимостью материала пластинок сулит существенные экономические преимущества.