B. А. НИКОЛАЕВ
ТОНКОЕ
ТОЧЕНИЕ
СПЕЧЕННЫХ
МАТЕРИАЛОВ
МОСКВА вМАШИНОСТРОЕНИЕ„1979

ББК 34.63
Н63
УДК 621.941.1
Рецензент д-р техн. наук проф. В. Н. Подураев
Николаев В. Л.
Н63 Тонкое точение спеченных материалов. — М.:
Машиностроение, 1979. — 64 с, ил.
20 к.
В брошюре рассмотрены особенности тонкого точения деталей из
спеченных материалов, даны рекомендации по рациональной эксплуатации
инструментов, приведены номограммы и таблицы для выбора режимов обработки)
с учетом точности отработки и качества обработанной поверхности.
Брошюра предназначена для инженерно-технических работников
машиностроительных заводов.
„ 31207-109 ББК 34.6$
Н 109-79. 2704040000
038(01)-79 6П4.6.
ИБ № 1970
Вячеслав Александрович Николаев
ТОНКОЕ ТОЧЕНИЕ СПЕЧЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Редактор А. А. Степанова
Технические редакторы Н. В. Балашова, Т. И. Андреева
Корректор А. П. Озерова
Художественный редактор И. К. Капралова
Обложка художника А. П. Калинина
Сдано в набор 18.04.79. Подписано в печать 22.06.79. Т-12036. Формат 60x90'/ie.
Бумага типографская № 2. Гарнитура литературная. Печать высокая. Усл. печ. л. 4,0.
Уч.-изд. л. 4,2. Тираж 4000 экз. Заказ 328. Цена 20 к.
Издательство «Машиностроение», 107885, Москва, ГСП-6, 1-й Басманный пер., 3.
Московская типография № 6 Союзполиграфпрома
при Государственном комитете СССР
по делам издательств, полиграфии и книжной торговли.
109088, Москва, Ж-88, Южнопортовая ул., 24.
© Издательство «Машиностроение», 1979 г-

ПРЕДИСЛОВИЕ
Тонкое точение находит все возрастающее применение в
автомобильной, часовой, оптико-механической,
приборостроительной, электронной и других отраслях промышленности.
Использование прогрессивных способов производства
заготовок дает возможность получать детали в окончательном виде
или с минимальным припуском только для финишных
операций, например позволяет производить тонкое точение заготовок,
полученных методами порошковой металлургии, без
предварительной обработки.
Порошковая металлургия создает большие возможности для
роста производительности труда, экономии металлов, резкого
«сокращения расходов на механическую обработку, а также
обеспечивает возможность изготовления деталей с особыми
свойствами, которые не могут быть получены никакими
другими методами. В настоящее время методами порошковой
металлургии изготовляются не только конструкционные детали, но
также детали инструментальной оснастки.
Номенклатура изделий, получаемых методами порошковой
металлургии, ежегодно расширяется, а общий выпуск деталей
из металлических порошков резко возрастает. Вместе с тем
высокоточные детали получить методами порошковой
металлургии не представляется возможным. Поэтому все детали с
высокими требованиями к точности и шероховатости
обработанной поверхности необходимо подвергать обработке резанием.
Наиболее перспективным следует считать тонкое точение,
поскольку подвергать шлифованию пористые материалы
нецелесообразно, а иногда и экономически невыгодно.
В брошюре рассмотрены результаты теоретических и
экспериментальных исследований, выполненных в Белорусском
политехническом институте. В процессе исследований были изучены
«факторы, влияющие на качество обработанной поверхности,
определена оптимальная геометрия и рациональные методы
обработки инструментами из новых синтетических материалов.
Анализ сведений, имеющихся в технической литературе по
тонкому точению, показывает, что вопросами обработки с
тонкими сечениями среза занималась большая группа
исследователей. И вместе с тем иногда вопросы процесса тонкого
точения рассматривались изолированно один от другого, что
значительно снижало ценность полученных результатов, иногда
з

приводило к противоречивым результатам. Вопросы тонкого то-
чения спеченных материалов в технической литературе не
рассматривались вовсе. Поэтому была поставлена задача в какой-
то мере восполнить имеющиеся пробелы путем проведения
соответствующих исследований.
В работе приводятся результаты исследований по тонкому
точению материалов, получаемых методами порошковой
металлургии. Материалы этого класса подразделяются на две
группы. Первая группа — спеченные порошковые материалы
антифрикционного класса. Вторая группа — спеченные порошковые
материалы инструментального назначения.
Физические исследования процесса тонкого точения
проводились с использованием современных приборов и методов.
Широко использовался разработанный автором метод
прозрачного инструмента.

1. ПОЛУЧЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ МЕТОДАМИ
ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ
По темпам развития порошковая металлургия значительно
превосходит любую из отраслей промышленности. При
изготовлении деталей методами порошковой металлургии
достигается большая экономия материалов (коэффициент
использования материалов 0,95—0,98), уменьшается трудоемкость
обработки и широко используются отходы производства в виде
стружки, окалины и др. Из этих отходов путем механического
размола и восстановления получают порошки различных
металлов.
Рассмотрим процессы изготовления деталей из материалов
этих классов.
Изготовление деталей антифрикционного класса.
Номенклатура деталей антифрикционного класса, выпускаемых
промышленностью, довольно разнообразна. Из спеченных порошковых
материалов этого класса изготовляют подшипники насосов,
детали рулевого сектора, ведущего вала, вилочного блока и др.
Сущность метода порошковой металлургии заключается в
получении материалов и деталей из металлических порошков
прессованием и термической обработкой (спеканием).
Технологический процесс производства изделий
антифрикционного класса подразделяется на следующие этапы:
1) изготовление металлических порошков (механическим
или физико-химическим способом);
2) довосстановление (при необходимости) металлических
порошков;
3) приготовление шихты необходимого состава
(смешивание порошков);
4) дозировка шихты;
5) прессование (брикетирование) с целью придания
деталям необходимой формы; давление прессования зависит от
заданной пористости изделий и, например, для деталей с
пористостью 20%' оно составляет 6—8 тс/см2; полученные брикеты
имеют достаточную прочность для транспортировки на
последующие операции;
6) спекание — операция, обеспечивающая брикетам
необходимые свойства.
Температура спекания должна быть ниже температуры
плавления, поэтому брикеты из железных и стальных порош-
5

ков спекают при температуре 1150—1350° С из медных —при
800—900° С, из бронзовых и латунных — 700—800° С. Спекание
производится в нейтральных или защитных атмосферах:
водороде, диссоциированном аммиаке, конвертированном
природном газе, генераторном газе и др.
В ряде случаев применяется двукратное прессование и
спекание без образования жидкой фазы или горячее прессование
или однократное прессование и пропитка жидкими
металлами.
В некоторых случаях, например при производстве
фильтров, спекание является окончательной операцией. Для деталей
антифрикционного класса (втулок, вкладышей, подшипников)
иногда применяется еще дополнительная обработка: пропитка
пористых деталей маслом при температуре 80—140° С в
течение 1—2 ч.
Так как при прессовании спеченных порошковых деталей
(в зависимости от требуемой пористости) удельное давление
составляет от 2 до 15 тс/см2 и выше, то требуется мощное
прессовое оборудование. Поэтому методом порошковой
металлургии изготовляют детали сравнительно небольших размеров.
Специфика порошкового производства и явилась
определяющим фактором при выборе формы и размеров образцов для
исследования обрабатываемости резанием спеченных
порошковых материалов.
Образцы с наружным диаметром 60 и внутренним 30 мм
для всех композиций спеченных порошковых материалов
изготовлялись с пористостью в пределах 22—23%. Образцы с
наружным диаметром 50 и внутренним 20 мм изготовлялись с
тремя значениями пористости; на этих образцах определялась
степень влияния пористости на обрабатываемость. Образцы,
изготовленные однократным прессованием при удельном
давлении 12 тс/см2, имели наименьшую пористость 14—15%,
среднюю 22—23% и высшую 29—30%. Образцы с наружным
диаметром 80 и внутренним 30 мм применялись для
инструментальных материалов и имели пористость 5%.
Для исследований обрабатываемости были использованы
наиболее употребительные композиции спеченных порошковых
материалов: железографитовые, железомеднографитовые, же-
лезомедные, чисто железные и другие (табл. 1). Для
сравнения были использованы некоторые компактные материалы
(стали и чугуны).
С целью выяснения влияния пропитки маслом на
обрабатываемость спеченных порошковых материалов часть образцов
после спекания пропитывалась индустриальным маслом И-12А
(ГОСТ 20799—75) при температуре 100—120° С в течение 2 ч
с последующим охлаждением в той же масляной ванне. .
Средние значения механических свойств спеченных
порошковых материалов определялись путем испытаний на растяже-
6

Таблица I
Состав и свойства спеченных порошковых материалов антифрикционного класса
Марка
материалов или
состав шихты
100 Fe
Сталь 20
98,8 %Fe+
+1,2% С
(со0,45%)*
98,5% Fe+
+1,50/0 с
(сл0,8%)
98% Fe+
+2% С
(сл1,1%)
98,5% Fe+
+ 1,5% С
("1,4%)
98,5% Fe+
+ 1,5% С
<с*М%)
Микроструктура
Феррит
Перлит и феррит
Перлит
Перлит+включение
цементита
Тонкопластинчатый перлит
и сербитообразный
перлит, местами сетка
цементита
То же

Пористость, %
22—23
—
22—23
22^—23
22—23
14—15
29—30

Твердость,
%
50
165
70
90
ПО
120
60
Предел прочности,
при

растяжении
10
40
16
21
21
30
1©
кгс/мм2
при
сжатии
50
—
12®
140
122
146
86
при
изгибе
19
—
31
49
38
62
28
* В скобках приведено содержание углерода после спекания.
ние, сжатие, изгиб, ударную вязкость. Образцы для испытаний
изготовлялись из той же шихты и по тем же технологическим
режимам, что и образцы для исследований обрабатываемости.
Для каждого вида испытаний изготовлялись по 10 образцов
каждого состава материала.
Пористый спеченный порошковый материал на основе
железа был выбран для исследований, так как в процессе его
обработки отсутствуют структурные и фазовые превращения
в тонких поверхностных слоях, которые затрудняют изучение
явлений, происходящих при резании.
При изготовлении спеченных порошковых заготовок для
подшипников скольжения наиболее часто употребляют
железный порошок марки ПЖ1М1. Гранулометрический и
химический состав, а также насыпная масса порошков марки ПЖ1
должны соответствовать ГОСТ 9849—74. Железный порошок
этой марки обладает по сравнению с другими хорошей прес-
суемостью и позволяет получать прочные детали.
На прочностные характеристики спеченных материалов
существенное влияние оказывает остаточная пористость.
Пористость полученных заготовок контролируют различными мето-
7

дами: наиболее простым является измерение размеров и
взвешивание заготовки, в результате чего легко отобрать заготовки
с пористостью, отклоняющейся на ±0,5% от расчетной.
Свойства спеченных порошковых материалов отличается от свойств
сплавов и сталей, что обусловлено в первую очередь
пористостью, малой пластичностью и т. д.
Качество и работоспособность деталей из антифрикционных
материалов в значительной степени зависят ,от пористости
этих материалов. Пористость — это одно из важнейших свойств
спеченных порошковых композиций вообще и для
антифрикционных изделий в особенности. Исследованиями в области
измерения (определения) пористости занимается большая
группа исследователей. Разработан ряд методов и способов
определения пористости. Рассмотрим этот вопрос несколько
подробнее.
Определение пористости спеченных порошковых
материалов. Ввиду особенностей процесса изготовления, металлические
порошки могут быть со значительной внутренней пористостью
и с большим количеством свободных мест в узлах
кристаллической решетки. Для антифрикционных пористых материалов
на основе железа большое значение имеет последнее свойство.
От пористости материалов зависит их пропитываемость
смазками, которые обеспечивают высокие антифрикционные
свойства пористых материалов. Поэтому для правильной
эксплуатации и наиболее эффективного использования
антифрикционных материалов необходимо точно знать их
пористость.
В настоящее время разработаны достаточно точные методы
определения пористости, но общим недостатком их является
невозможность измерять ее непосредственно при производстве
деталей. Метод определения пористости на электромагнитном
дефектоскопе позволяет измерять пористость непосредственно
на рабочем месте. С помощью электромагнитного
дефектоскопа ЭМИД-4М можно с большой производительностью (до
нескольких сот штук в час) сортировать детали по пористости и,
что очень важно, осуществлять активный контроль
непосредственно в автоматической линии. Рассмотрим вопрос
определения пористости на электромагнитном дефектоскопе на
конкретном примере. Пористость определялась следующим
образом. Были взяты четыре образца: два — с известной
пористостью и два — с определяемой. В качестве образцов
с известной пористостью был взят компактный материал и
материал с пористостью 30%. Структура всех четырех
образцов представляла собой тонкопластинчатый и сорбитообразный
перлит. Образцы представляли собой втулки с параметрами:
Z>=50 mm, d=20 mm, L=50 мм. По компактному образцу был
настроен прибор на следующий режим работы: сила тока
0,6 А, фаза 0.
8

Затем вместо компактного образца в индуктор был
помещен образец с 30%-ной пористостью и на шкале прибора
сделан отсчет величины амплитуды синусоиды, равной 5,6
(рис. 1). После этого было произведено измерение образцов
с неизвестной пористостью (кривые 2, 3), которая затем
определялась по амплитудам
синусоид.
Обозначим соответственно
пористость образцов по синусоидам
2 и 3 через Х2 и лс3, а пористость
по кривой 1 (эталон) — через Я,
амплитуды синусоид У, 2, 3 —
через Лэ, а2, #з. Тогда будем иметь
** =
хв
ПэР2
Аэ
ПэРз
30-3,8
5,6
30-2,8
5,6
«20о/0;
= 15%-
Рис. 1. Определение пористости
по величине амплитуды
синусоиды:
/ — пористость 30%; 2—пористость 19%;
3 — пористость 15%
Для сравнения пористость
образцов 2 и 3 определяли пик-
нометрическим методом. Были
получены следующие значения:
Я2=19~-20%, Я3=14~15%.
Чтобы обеспечить высокие
антифрикционные свойства
пористых материалов, их пропитывают смазкой, которая придает
свойства самосмазываемости. Характер смазки зависит от
конкретных условий работы. В нашем случае образцы были
пропитаны маслом и вновь подвергнуты испытанию на
дефектоскопе ЭМИД-4. Их значения амплитуд (А'9, а'2, а'3) синусоид
несколько отличались от образцов, не пропитанных маслом.
Синусоиды образцов, пропитанных маслом, отмечены на
рисунке штриховой линией.
Результаты опытов позволяют сделать следующие выводы:
1) при помощи дефектоскопа ЭМИД-4 можно определить
пористость с точностью, достаточной для заводских условий
(±0,5%);
2) на электромагнитном дефектоскопе можно производить
сортировку материалов (на основе железа) по пористости;
3) данный метод может быть использован в
автоматических и поточных линиях.
Говоря о достоинствах метода, нельзя обойти и его
недостатки. Основным из них является невозможность
применения его для немагнитных материалов (пористые материалы
на основе меди и т. п.). Кроме того, для определения
пористости данным методом необходимо иметь, по крайней мере,
два образца-эталона.
9

Производство технологической оснастки методами
порошковой металлургии. Технологическая оснастка становится
крупной отраслью промышленности, влияющей на развитие и
совершенствование ряда других отраслей. Одной из основных
задач отрасли является осуществление широкой специализации
производства штампов, пресс-форм, приспособлений,
инструмента и другой оснастки.
Увеличение объемов производства оснастки практически
невозможно без перехода к качественно новым технологическим
процессам ее изготовления. Традиционная слесарно-механиче-
ская обработка почти исчерпала свои возможности по
повышению производительности труда, на смену ей должны придти
высокопроизводительные прогрессивные технологические
методы. Изготовление быстроизнашивающихся деталей пресс-форм
и штампов методом порошковой металлургии позволяет
внедрять в конструкции новые износостойкие материалы, до
минимума сократить механическую обработку и т. д. В
Научно-исследовательском институте порошковой металлургии (г. Минск)
разработан и внедрен технологический процесс
изготовления матриц для холодного выдавливания экранов различной
формы и размеров. Матрицы, полученные таким образом,
значительно превосходят по стойкости инструмент из
инструментальных сталей, а трудоемкость его изготовления значительно
ниже. Эти обстоятельства открывают перспективы для более
широкого применения спеченного инструмента в
промышленности. Применение новой технологии позволяет повысить
коэффициент использования материалов до 0,95—0,98.
Основные операции технологического процесса
производства деталей из спеченных материалов можно механизировать
и автоматизировать, что позволит повысить
производительность изготовления деталей при относительно небольшой
трудоемкости.
Для изготовления деталей инструментальной оснастки
используются композиции на железной основе. В зависимости от
химического состава железный порошок делится по ГОСТ
9849—74 на восемь марок: ПЖО, ПЖ1, ПЖ2, ПЖЗ, ПЖ4,
ПЖ5, ПЖ6, ПЖ7 (см. табл. 2).
В зависимости от гранулометрического состава железный
порошок делится на три категории — I, II, III, каждая из
которых состоит из четырех классов: крупный (К), средний (С),
мелкий (М), весьма мелкий (ВМ). В зависимости от насыпной
плотности железный порошок делится на две группы — I, II,
каждая из которых состоит из трех подгрупп: 1, 2, 3. В
условном обозначении железного порошка сначала указывают марку
по химическому составу, затем класс по гранулометрическому
составу и подгруппу по насыпной плотности. Например:
порошок марки ПЖ1 крупный подгруппы 3 по насыпной
плотности имеет обозначение ПЖ1КЗ.
ю

Таблица 2
Химический состав железного порошка, % (по ГОСТ 9849—74)
Марка
ПЖО
ПЖ1
ПЖ2
ПХЗО-1
ПХЗО-2
Железо,
не менее
99,0
98,8
98,8
Остальное
»
Хром
28—32
28—32

Углерод

Кремний
Марганец
Сера
Фосфор
Кислород
не более
0,02
1 0,03
0,03
0,15
0,30
0,10
0,10
ало
I 0,06
0,10
0,015
0,10
0,35
0,02
| 0,35
0,015
0,02
0,02
0,01
0,03
0,015
0,02'
0,02
0,03
1 0,04
0,20
0,20
0,20
0,10
0,20
С целью получения спеченных инструментальных сталей
применяют порошки высоколегированные ГОСТ 13084—67.
В обозначении марок порошков буква «П» означает
порошок, буквы и цифры, следующие за буквой «П», означают
соответствующую марку стали, а цифра после тире — группу
порошка по содержанию примесей. Пример обозначения:
ПХЗО-1 — порошок высоколегированной хромистой стали,
относящейся к первой группе по содержанию примесей.
Для изготовления деталей инструментальной оснастки
используют составы на основе железа и хрома с добавками
молибдена, ванадия, кремния и др. Например, выбрав шихту 70%!
ПЖ2М2+30% ПХЗО, можно получить сталь, близкую по
химическому составу к 2X9. Мы будем условно обозначать
порошковые стали с буквой П (табл. 3).
Таблица 3
Физико-механические свойства инструментальных сталей
Марка стали
Х12М
ПХ12М
П2Х9
П2Х4М2ФС
45
П9ХС
9ХС
Плотность, %
96
94
95
96
Твердость
HRC
60—62
59—61
58—62
55—58
42—45
57—60
55-58
Предел прочности, кгс/мм*
при
растяжении
145—150
110—115
120-130
135-145
при сжатии
350
(185—195
165—175
210—235
240—260
160-170
300
при изгибе
300
150—165
135—150
175—180
210—230
140—145
250
Анализируя изложенное, следует отметить, что в мировой
практике наблюдается тенденция к созданию материалов
инструментального и специального назначения методами
порошковой металлургии.
Единственной негативной стороной производства деталей
методами порошковой металлургии является сравнительно вы-
П

сокая стоимость исходных материалов. Стоимость одного
килограмма железного порошка выше одного килограмма
компактного материала. Вместе с тем, методы получения
порошковых материалов совершенствуются и надо полагать, что в
самое ближайшее время их стоимость будет незначительно
превосходить аналогичные компактные материалы.
2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Инструментальные материалы, применяемые при тонком
точении спеченных материалов. Инструментальные материалы
подразделяются на естественные и искусственные. Наиболее
распространенным представителем естественных материалов
является алмаз. С развитием производства искусственных
материалов (синтетические алмазы, эльбор-Р, гексанит-Р, лейко-
сапфир, рубин) ставится задача более резкого сокращения
расхода естественных алмазов для технических нужд вообще и в
частности для оснащения режущих инструментов. Вместе с
тем во многих отраслях промышленности естественные алмазы
используются довольно широко, например, в часовой, оптико-
механической, приборостроительной и других отраслях для
оснащения резцов при тонком точении цветных металлов и
сплавов.
Область применения каждого инструментального
материала определяется его физико-механическими свойствами,
основными из которых являются твердость, прочность на сжатие и
изгиб, модуль упругости, термостойкость, теплопроводность,
коэффициент линейного расширения и др. Во многих отраслях
металлообработки в связи с возросшими требованиями к
точности, качеству поверхности деталей и их долговечности
возникла необходимость в создании такого метода обработки,
который позволил бы обеспечить эти требования при
минимальных трудовых затратах. Особенно заманчивым было бы
применение алмазного монокристаллического инструмента. Поэтому
как в отечественной, так и зарубежной практике проводились
и проводятся многочисленные исследования и-делаются
попытки использования алмазных резцов для указанных целей.
Несмотря на то, что исключительные свойства алмаза как
материала для режущего инструмента позволяют успешно
применять его и при обработке черных металлов, результаты
исследований по этому вопросу противоречивы. Некоторые авторы
считают попытки алмазной обработки черных металлов
бесцельными, другие считают полученные результаты
неудовлетворительными, третьи — удовлетворительными для достижения
необходимой шероховатости обработанной поверхности,
четвертые считают возможным применение алмазной обработки
в исключительных случаях.
i 12

Основной причиной малой эффективности алмазных резцов
при обработке черных металлов служит низкая их стойкость,
в связи с чем и применение их становится целесообразным
лишь в исключительных случаях. Поэтому ведутся
исследования с целью синтезирования искусственных алмазов типа
карбонадо, которые позволят заменить естественные алмазы.
Исследования и произведенные испытания резцов из
синтетических алмазов типа баллас (АСБ) для обработки
спеченных материалов на железной основе показали
целесообразность применения инструмента из АСБ, который обеспечивает
стабильность линейных размеров деталей, требуемую
шероховатость обрабатываемой поверхности, высокопроизводительное
резание. Стойкость резцов из АСБ при точении спеченных
материалов по сравнению с резцами из твердых сплавов выше
(в 2—3 раза), а в некоторых случаях не уступает стойкости
резцов из природных алмазов.
Значительно меньшая стоимость инструментов из АСБ, чем
инструментов из природных алмазов, дает явные
экономические преимущества при их внедрении.
Эльбор (кубический нитрид бора КНБ) — новый
инструментальный материал, синтезированный в СССР, как и алмаз,
обладает высокой химической устойчивостью. Он не растворим
даже в крепких концентрированных кислотах: соляной, серной,
азотной, фосфорной, плавиковой, не поддается действию
растворов щелочей и сильных окислителей. Эльбор в отличие от
алмаза химически инертен к железу. Эта уникальная
устойчивость проявляется и при высоких температурах. Высокая
термостойкость и химическая инертность к железу позволяют
широко применять эльбор при обработке труднообрабатываемых
сталей и сплавов, особенно в закаленном состоянии.
Перечисленные свойства кубического нитрида бора [4]
делают его незаменимым материалом для обработки сталей:
несмотря на несколько меньшую твердость по сравнению с
алмазом, он работает намного лучше его.
Гексанит-Р представляет собой поликристаллический
материал, получаемый с использованием высоких импульсных
давлений, и является одной из разновидностей нитрида бора.
Несмотря на малое время действия таких давлений (порядка
10~5 с), в твердых веществах наблюдается перестройка
структуры. Благодаря этим перестройкам (изменениям) структуры
становится возможным получение поликристаллических
материалов методом спекания под давлением. Образуется он по
однофазной схеме превращения — плотноупакованная
гексагональная вюрцитоподобная модификация нитрида бора,
являющаяся переходной формой от графитоподобной к сфалеритной.
Получают гексанит-Р при ударной обработке взрывом графито-
подобного нитрида бора при Р=200 кбар. Материал,
полученный таким методом, несколько уступает сфалеритному
13

нитриду бора по твердости, существенно превосходит
последний по степени деформируемости (более высокие показатели:
пластичности). По этой причине и режущий инструмент,
изготовленный из гексанита-Р, обладает относительно большей
вязкостью при том же уровне химической инертности на контакте
с разнообразными металлами и неметаллами.
Инструментальный материал на основе вюрцитного
нитрида бора (гексанит-Р) достаточно универсален. Он эффективно
может использоваться на операциях холодной обработки
сталей, закаленных сталей, чугунов, пластмасс и твердых
сплавов. Это позволило нам использовать гексанит-Р для тонкого
точения спеченных порошковых материалов на основе железа
и хрома в каленом состоянии (HRC 58—62).
Рубин и лейкосапфир. В технической литературе имеется
ряд сообщений об успешном применении в качестве
инструментального материала синтетического корунда в виде рубина
[5]. Ряд других исследователей [6, 13] рекомендуют
применять монокристаллы бесцветного корунда (лейкосапфира).
С технологической и экономической точки зрения
целесообразно применять для изготовления инструмента
монокристаллы лейкосапфира. Лейкосапфир представляет собой как ет
рубин, синтетический монокристалл AI2O3 в виде
«-модификации, но в отличие от рубина почти не содержит примесей.
Имеет более высокие механические свойства (на ~30%), чемг
рубин. Выращивается в виде монокристаллов, которые
представляют собой в основном були. Применяется лейкосапфир
для изготовления резцов, шлифовальных кругов и паст.
Необходимо отметить, что лейкосапфир является
прозрачным материалом. Причем не только для видимой, но и для
инфракрасной области спектра. Как будет показано далее, это-
одно из важнейших его свойств.
Анализируя физико-механические характеристики эльбора-Рг.
лейкосапфира, рубина, алмаза и твердых сплавов (см. табл. 4)г
нетрудно заметить, что по некоторым свойствам (предел
прочности на изгиб, теплоемкость, температуростойкость) первые*
три превосходят такой совершенный инструментальный
материал, как алмаз, и, следовательно, могут быть использованы
на тех операциях, где наиболее эффективно используется
алмазный инструмент.
Технология заточки резцов, предназначенных для тонкое
точения. Резцы для тонкого точения — прецизионный режущий,
инструмент. Ударные воздействия на режущую кромку даже-
при небольших давлениях могут привести к ее поломке и к
выходу инструмента из строя, поэтому при установке и
регулировке резца требуется соблюдать особую осторожность.
Рекомендуется периодически контролировать рабочие
элементы резца при 56-кратном увеличении под микроскопом типа
14

Таблица 4
Физико-механические свойства инструментальных материалов
Физико-механические свойства
Плотность, г/см2
Теплостойкость, °С
Удельная теплопроводность,
кал/(см-с-°С)
Микротвердость, кгс/мм2
Предел прочности на изгиб, кгс/мм2
Предел прочности на сжатие,
кгс/мм2

Быстрорежущая
сталь Р18
8,5-8,7
600
0,(У7
1100
370
—■
Твердые сплавы
вкзм
15,0
800
0,14
1300
150
—
Т30К4
900
0,06
1400—2100
90—100
—
Минерало-
керамика
ЦМ 332
3,97—4,0
1200
0,04
—
30
100
Продолжение табл. 4
Физико-механические свойства
Плотность, г/см2
Теплостойкость, °С
Удельная теплопроводность,
кал/(см-с-°С)
Микротвердость, кгс/мм2
Предел прочности на изгиб,
кгс/мм2
Предел прочности на сжатие,
кгс/мм2
Лейкосапфир,
рубин
3,8i6—4,06
1300
0,04-0,06
1940—2300
38-^68
210
Алмаз
3,5
60О-800
о,за-о,з5
10 000
30
200
Эльбор-Р
3,45—3,5
130—1400
0,19
3000—10000
50—100
Гекса-
нит-Р
1400
3800
МБС-2. При появлении признаков износа (выкрошиваний,
сколов) резец перетачивается. В зависимости от величины
режущей части резцы выдерживают от пяти до десяти переточек.
Стойкость резцов в зависимости от обрабатываемого
материала и других условий обработки составляет 10—200 мин
машинного времени. Своевременная переточка повышает суммарную
стойкость резца.
Тонкое точение по точности и параметрам шероховатости
поверхности превосходит развертывание, протягивание и
частично шлифование. Особенно это относится к порошковым
материалам, которые обладают пониженной теплопроводностью
в сравнении со сталями аналогичного состава. Следовательно,
при шлифовании без охлаждения резко возрастает
вероятность появления прижогов, а применять охлаждение нецелесо-
15

образно из-за наличия остаточной пористости в спеченных
порошковых композициях.
Следует особо остановиться на методах крепления
резцовых пластин к державкам. В технической литературе имеются
сведения о креплении пластин при помощи прижима,
приклеивания, о механическом креплении через свинцовые прокладки.
Кроме этих способов исследовалось крепление пластин
методом завальцовки с трех сторон, что обеспечивало надежность
и жесткость, а это особенно важно при работе с увеличенными
сечениями среза (по сравнению с тонким точением), например,
при температурных исследованиях. В исследованиях
использовались также резцовые пластины со скосами в виде
ласточкина хвоста с боковых сторон. Такое крепление применялось
при исследовании процесса резания методом прозрачного
инструмента. При точении на врезание рекомендуется крепить
резцовую пластину таким же способом, как и кристаллы
алмаза.
Следует остановиться на качестве обработки (с точки
зрения шероховатости) рабочих поверхностей резцов. Были взяты
три резца из эльбора-Р в состоянии поставки. Поверхности
двух резцов были доведены до /?а=0,32 мкм и Ra=0,08 мкм.
Все три резца были испытаны при обработке чугуна СЧ 12—32
при следующих режимах: у=150 м/мин; 5 = 0,03 мм/об; t=
=0,2 мм. Резцы в состоянии поставки обеспечивают стойкость
30 мин, резец с шероховатостью рабочей поверхности Ra=
=0,16 мкм — 45 мин, а с шероховатостью Ra=0,04-^0,08 мкм —
55 мин. Износ измерялся по вспомогательной задней
поверхности (величина первой канавки износа на вспомогательной
задней поверхности). Максимально допустимый износ
принимался равным 0,3 мм. Следовательно, резцы в состоянии поставки
не обеспечивают использование всех потенциальных
возможностей инструментального материала, поэтому перед началом
работы их необходимо подвергнуть строгому входному
контролю и при необходимости отправить на переточку (доводку).
Доводка осуществляется на чугунных притирах методом
свободного абразива (смесь абразива с жидкостью). Режущие
пластины или резцовые вставки укрепляют на призмах с
заранее выдержанными углами и производят обработку.
Передняя поверхность обрабатывается в первую очередь. После
окончания шлифования передней поверхности обрабатывают
(шлифуют) главную, а затем вспомогательные задние поверхности
под заданными углами. Получив режущую пластину, полностью-
соответствующую по геометрии заданной, производят доводку
ее режущих кромок; вначале доводят фаску по задним
поверхностям, а затем по передней. Качество изготовления резца
необходимо проверять под микроскопом при X150—200. Если
на режущих кромках не обнаружены видимые при таких
увеличениях сколы, то резец считается качественным. Геометрию»
16

резца контролируют под инструментальным микроскопом
при Х27.
При окончательной доводке нежелательно использовать
микропорошки различных составов, пропуская промежуточный,
например с микропорошка М28 переходить на М14,
пропуская М20. Это приводит к большим потерям времени и
низкому качеству (риски, точки и т. п.). Отдельные риски и
царапины, являясь геометрическими концентраторами напряжений,
существенно снижают физико-механические свойства
поверхности, в частности могут явиться началом усталостного выкро-
шивания материала.
Для окончательной доводки резцов (мелкими и тонкими
микропорошками) рекомендуется применять специальные
приспособления.
В Белорусском политехническом институте разработан
блочный способ заточки и доводки резцов из новых
синтетических инструментальных материалов [3].
Предложенный способ заточки и доводки режущих пластин
и вставок в наборных плитах на призмах с заранее
выполненными углами заточки методом свободного абразива,
подаваемого на планшайбу в смеси с жидкостью, по сравнению с
известными обладает следующими преимуществами:
1) повышением стойкости путем исключения трещин и
нарушения структуры поверхностного слоя из-за отсутствия
местных перегревов;
2) применением принудительной смены инструмента;
3) увеличением производительности путем одновременной
заточки большого числа пластин (до 1000 шт.) и организации
многостаночного обслуживания;
4) незначительной сложностью заточного оборудования;
5) значительным улучшением санитарно-технического
состояния рабочего места и повышением культуры производства.
Предложенный способ заточки и доводки инструментов
позволяет производить обработку резцов из любого
инструментального материала.
Заточка и доводка резцов из монокристаллов (алмаз,
рубин, лейкосапфир) производится по описанной выше методике.
Разница состоит в том, что режущая пластина должна быть
определенным образом ориентирована в монокристалле.
Например, наивысшую стойкость резцы из лейкосапфира имеют
тогда, когда главная режущая кромка резца находится под
углом 30° к главной кристаллографической (оптической) оси,
перпендикулярна геометрической оси монокристалла и
параллельна плоскости, в которой лежат главная
кристаллографическая и геометрическая оси кристалла. Такая ориентация
является оптимальной для монокристаллов лейкосапфира, в
которых главная кристаллографическая ось составляет угол 60°
с геометрической осью кристалла. Все изложенное позволяет
2 Зак. 328
17

сделать вывод о том, что физико-механические свойства
инструментального материала предопределяют оптимальную область
его применения при тонком точении спеченных порошковых
материалов.
Алмазы (естественные и синтетические) предназначены для
обработки спеченных материалов на основе цветных металлов
и сплавов, а также для обработки твердых сплавов и доводки
закаленных материалов.
Монокристаллы лейкосапфира и рубина наиболее рацио-
нально могут использоваться для изготовления инструмента,
который успешно работает по цветным металлам и
антифрикционным материалам на железной основе.
Преимущества резцов на основе нитрида бора (эльбор-Р,
гексаниТ-Р) проявляются при обработке закаленных
материалов.
Способ заточки и доводки резцовых пластин оказывает
существенное влияние не только на стойкость инструмента, но и
на его качественные показатели обработанной поверхности.
Поэтому разработанный в Белорусском политехническом
институте способ заточки и доводки резцовых пластин методом
свободного абразива представляется нам актуальным.
3. ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ,
СОПРОВОЖДАЮЩИЕ ПРОЦЕСС РЕЗАНИЯ
СПЕЧЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Необходимость обработки резанием спеченных материалов
обусловливается по крайней мере следующими причинами.
1. Без дополнительной обработки резанием нельзя получить,
детали, имеющие два бурта: отверстия, направленные поперек
движения пуансонов; наружную коническую поверхность,
сужающуюся к фланцу и т. д.
2. Методами порошковой металлургии трудно получить
детали с точностью размеров по третьему и, тем более, по
второму классу.
3. Увеличение упругого последействия после прессования и
усадки в процессе спекания приводит к значительному
разбросу размеров деталей.
4. Большое число изделий, получаемых методами спекания,
подвергается цементации и закалке, что также вызывает
необходимость применения дополнительной обработки резанием.
Вследствие указанных выше причин при изготовлении
деталей из спеченных материалов возникает необходимость
производить токарную обработку, расточку, развертывание и т. д.
Опыт изготовления деталей из спеченных материалов на
многих отечественных заводах, а также анализ номенклатуры
18

зарубежных фирм подтверждают необходимость
дополнительной обработки резанием спеченных материалов.
Достаточно широкое применение операций резания при
изготовлении деталей из спеченных материалов обусловливает
необходимость иметь обоснованные сведения относительно их
обрабатываемости при обработке инструментами,
оснащенными различными инструментальными материалами.
Анализируя данные по обработке спеченных материалов
резанием, можно сделать следующие общие выводы.
Наличие пористости 5% и выше отрицательно сказывается
на стойкости режущего инструмента, так как режущая кромка
непрерывно подвергается микроударам, что ускоряет его
затупление. Рекомендуется применять подачи не более 0,5 мм/об.
По вопросам пропитки маслом и применения смазывающе-
охлаждающих жидкостей для пористых деталей единого
мнения нет. Некоторые авторы утверждают, что обработку
пористых материалов резанием целесообразно производить до
лропитки маслом; более того, если даже они пропитаны, то
их следует обезжирить. Другие наоборот, высказываются о
необходимости пропитки деталей маслом перед обработкой,
<а затем пропитку повторить, так как под воздействием
центробежных сил и температуры резания в процессе обработки
часть масла теряется.
Механическую обработку пористых материалов необходимо
производить до пропитки маслом, так как при выгорании
масла резко ухудшаются санитарно-гигиенические условия.
Противоречивы результаты исследований и по вопросу
целесообразности применения инструментов из твердых
сплавов. Одни авторы считают целесообразным применение
инструментов из твердых сплавов группы ТК, другие утверждают, что
твердые сплавы группы ВК при обработке спеченных
материалов обладают более высокой стойкостью, чем сплавы группы
ТК.
Наиболее достоверными представляются результаты
исследований, где для чистовой обработки спеченных материалов
рекомендуются сплавы группы ВК: ВКЗМ и ВК6М, а также
мелкозернистые сплавы группы ВК, которые имеют более
высокие прочностные характеристики и коэффициент
теплопроводности в сравнении с другими твердыми сплавами.
Противоречивы и результаты исследований по влиянию
скорости резания на шероховатость обработанной поверхности при
точении спеченных материалов. Одни считают, что
наименьшая высота микронеровностей получается при обработке со
скоростью резания 20—30 м/мин, а при достижении скоростей
резания 160—200 м/мин вновь начинает снижаться. С другой
отороны, применение низких скоростей резания (до 30 м/мин)
может привести к разрыхлению обработанной поверхности, а
следовательно, к увеличению микронеровностей; применение
2* 19

относительно высоких скоростей резания (выше 100 м/мин)
вызывает значительное уплотнение обработанной поверхности, а
следовательно, уменьшение микронеровностей. Вместе с тем в
ряде работ при точении спеченных материалов для получения
наименьшей шероховатости поверхности рекомендуется
применять скорости резания более 70—80 м/мин. Кроме того, в
зависимости от требований, предъявляемых к выполняемой
операции, при обработке порошковых материалов рекомендуется
два варианта геометрических параметров:
а) обеспечивающих наибольшую стойкость инструмента
(Y=10°; a=12°; ai = 5°; ф = 30°; <pi = 5°; Я=0; г=1,4 мм);
б) обеспечивающих наименьшую шероховатость
обработанной поверхности (y = 5-M0°; a = 5°; ф = 45°; cpi = 10°; <ро = 5°;
/=0,4—0,5 мм).
Порошковые материалы обрабатываются хуже (с точки
зрения уровня скоростей резания, шероховатости поверхности,
температуры в зоне резания), чем аналогичные по составу
компактные материалы — стали и чугуны. (Здесь и далее мы
рассматриваем процесс точения спеченных материалов на
основе железа).
За последнее время проведены новые исследования по
обрабатываемости резанием спеченных материалов. В. И. Коно-
ненко исследовал условия износа инструментов при резании
спеченных материалов. Он пришел к выводу о том, что на ин-
интенсивность износа инструмента существенное влияние
оказывают окислительные процессы, протекающие при обработке
спеченных материалов [11]. Позиция В. И. Кононенко в этом
вопросе представляется нам достаточно убедительной еще и по-
тому, что при обработке спеченных материалов из дисперсных
порошков износостойкость инструмента резко уменьшалась.
Известно, что мелкодисперсные порошки склонны к окислению
в большей мере, чем крупнозернистые порошки. Все это дает
основание полагать, что окисные пленки оказывают
существенное влияние на интенсивность износа инструментов.
Несмотря на широкое использование современных
технологических процессов — прецизионного литья, литья под
давлением, порошковой металлургии, профильного экструдирования
и других технологических операций, обеспечивающих в
заготовке получение изделий требуемых размеров и форм,
масштабы холодной обработки металлов и неметаллов не только не
сокращаются, но существенно увеличиваются во всех промыш-
ленно развитых странах.
Масштабы обработки материалов резанием возрастают не
только за счет увеличения объемов производства, но и за счет
существенного расширения ассортимента материалов
труднообрабатываемых, жаропрочных, высоколегированных сталей и
сплавов на основе никеля, кобальта, хрома, карбидов,
нитридов, борйдов и т. д. Все возрастающие объемы производства
20

деталей из спеченных матераилов также обусловливают
необходимость механической обработки.
С расширением ассортимента труднообрабатываемых
материалов повышаются требования к стойкости и
производительности режущего инструмента при одновременном обеспечении
высоких эксплуатационных характеристик обработанной
поверхности.
Влияние некоторых физических явлений на процесс
резания спеченных материалов. С целью исследования некоторых
физических явлений, сопровождающих процесс резания
материалов, разработана методика, спроектирована аппаратура,
изготовлены специальные резцы. Все это в совокупности
позволило изучать процесс резания методом прозрачного
инструмента [А. с. 277507 (СССР)]. Этот метод позволяет исследовать
величину напряжений, возникающих в режущем инструменте,
температуру контактных поверхностей резца, характер
взаимодействия инструмента с изделием и стружкой, условия
проникновения смазывающей охлаждающей среды в зону резания
[А. с. 499978 (СССР)]. Здесь мы рассмотрим наиболее общий
случай применения метода прозрачного инструмента для
тонкого точения.
Измерение величины контактных площадок лейкосапфиро-
вых резцов в процессе резания. Прозрачные резцы, режущая
пластина которых выполнена из отожженного корунда, не
позволяют наблюдать за зоной резания в процессе работы [2 3].
Предлагаемый резец (рис. 2) отличается тем, что его режущая
пластина выполнена в виде специальной призмы. Это
позволяет измерять в процессе резания величину контактных
площадок резца с изделием (рис. 2, а) и стружкой (рис. 2,6).
Режущая пластинка 1 резца выполнена из лейкосапфира
(или другого прозрачного для видимой области спектра
материала) и закреплена с помощью прихвата 2 в державке 3.
Поверхности А, Бу 5, Г9 Д отполированы, а опорная поверхность А
имеет зеркальное покрытие. Освещается зона резания источ-.
ником света 4. Микроскоп 5 с сеткой 6 предназначен для
измерения контактных площадок в процессе работы.
В процессе работы лучи источника света 4, отражаясь от
зеркальной поверхности А, попадают в зону контакта резца со
стружкой и изделием. Величина контактных площадок
измеряется микроскопом или фотографируется скоростной
кинокамерой. Для измерений контактной площадки на передней
поверхности применяется специальная призма 7, на поверхность
Е которой нанесено зеркальное покрытие.
Определение усадки стружки методом двух микроскопов и
весовым методом. Усадка стружки при тонком точении
происходит иначе, чем при других видах токарной обработки. При
тонком точении наблюдается значительное уширение стружкии
Поэтому классические методы измерения усадки стружки, ба-
21

зирующиеся на принципе постоянства (неизменности) ширины
ее, в данном случае являются неточными.
Схема измерения усадки стружки методом двух
микроскопов представлена на рис. 3, а. Резец / с полированными
вспомогательными задними поверхностями А и Б срезает стружку 2
толщиной а и шириной 6. Зона резания освещается
источником света. Микроскопы 3 и 4 предназначены для одновремен-
Рис. 2. Устройства для измерения Рис. 3. Измерение усадки стружки
износа по передней (а) и по задней методом двух микроскопов (а) и
(б) поверхностям методом прозрач- величины площадки трения (б)
ного инструмента
ного измерения толщины и ширины стружки в процессе
точения. Эта схема позволяет измерять усадку при точении
обычными (непрозрачными) резцами.
Определение величины контактной площади
непосредственно в процессе трения. При исследовании коэффициентов трения
лейкосапфира с различными конструкционными материалами
было применено специальное устройство для измерения
величины контактной площади образца непосредственно в процессе
трения (рис. 3,6).
Образец 6 закреплен с помощью прихвата 7 в державке 5.
Поверхности Б, Г, Д и Е отполированы, а опорная
поверхность Д имеет зеркальное покрытие. Зона контакта освеща-
22

17
V
У
<
/-~-
' /
-^,
рь
-—
---—
:г
40
а, мм
80 120
160 ZOO
а)
240 280v,m/muh
ется источником света. Микроскоп 4 с сеткой предназначен для
измерения контактных площадок трения непосредственно в
процессе работы.
Усадка стружки. Очень важной характеристикой процесса
резания вообще и тонкого точения в особенности является
усадка стружки.
В исследованиях использовали два метода определения
усадки стружки — весовой и метод двух микроскопов. Суть
последнего состоит в том,
что в процессе резания одно- £ I
временно измеряются
толщина и ширина стружки
(см. рис. 3, а) и
сопоставляются поперечные сечения
стружки и среза. Причем
эксперименты
дублировались не менее пяти раз. За
окончательный результат
принималась
среднеарифметическая величина пяти
измерений.
Эксперименты по опре- 0,2
делению усадки стружки
проводились при постоянном 0,1
сечении среза £=0,15 мм,
si=0,03 мм/об. Геометрия
инструмента оптимальная с
точки зрения стойкости.
Обрабатываемый материал —
сталь 45. Скорость резания
изменялась от 40 до
300 м/мин.
Исследование усадки
стружки проводилось при
точении лейкосапфировыми, алмазными и твердосплавными
(Т30К4) резцами. В результате экспериментов установлено, что
скорость резания оказывает существенное влияние на усадку
стружки (рис. 4, а). При а=70-г-100 м/мин наблюдается
максимальная усадка стружки. Так, при точении резцами из Т30К4
максимальная усадка стружки £=5,6; алмазными £=4,8;
лейкосапфировыми £=4,5. Причем усадка по ширине соответственно
была равна 1,7; 1,5; 1,35. Нужно отметить, что на коэффициент
усадки стружки по ширине скорость резания оказывает меньшее
влияние, чем на усадку по длине. Для лейкосапфира при
точении стали 45 с v = 100 м/мин £=1,35; а с v=200 м/мин £=1,26.
Горбообразность кривой усадки стружки от скорости
наблюдается не всегда: при подаче £<0,02 мм/об усадка стружки
с увеличением скорости резания монотонно убывает.
s—*
V-
s_^<
N
^7"
^
50 W0 150
200 250
б)
500 ц м/мин
Рис. 4. Влияние скорости резания на
усадку стружки (а) и величину
контакта стружки с передней
поверхностью инструмента (б):
1 — Т30К4; 2 — алмаз; 3 — лейкосапфир
23

Смещение горбов на кривых усадки стружки для различных
инструментальных материалов объясняется, видимо, тем, что
максимальная усадка стружки характерна для определенной
температуры в зоне резания. Для различных
инструментальных материалов эта температура достигается при различных
скоростях резания.
На усадку стружки по ширине большое влияние оказывает
форма вершины резца. Для резцов с прямолинейной режущей
кромкой усадка по ширине значительно меньше, чем для
радиусных резцов.
Сопоставляя результаты экспериментов по усадке стружки,
полученные весовым методом и методом двух микроскопов,
нетрудно заметить, что разброс экспериментальных данных в
первом случае значительно больше, чем во втором (табл. 5).
Таблица 5
Результаты экспериментов по усадке стружки (точение резцами из лейкосапфира)
Метод
измерения
Двух
микроскопов
Весовой
Скорость резания, м/мин
40
2,7—3,1
2,4-3,3
53
3,2-3,6
2,8-3,4
70
3,4-3,8
3,2-4,1
85
4,0-4,8
3,9-4,6
100
4,2-4,8
4,0-4,8
Метод
измерения
Двух
микроскопов
Весовой
Скорость резания, м/мин
135
3,9-4,5
3,7-4,6
165
3,8—4,2
3,7—4,3
200
3,5—3,9
3,4-3„8
300
3,0-3,5
3,0-3,5
Преимущество метода двух микроскопов состоит еще и в
том, что он менее трудоемок в сравнении со всеми
существующими методами определения усадки стружки. К аналогичным
выводам пришел А. М. Розенберг при определении усадки
стружки с помощью одного микроскопа.
Метод двух микроскопов позволяет измерять усадку
стружки при точении чугуна, спеченных порошковых материалов и
закаленных сталей, т. е. в тех случаях, когда образуется
сливная стружка и стружка скалывания.
Контакт стружки с передней поверхностью инструмента.
Используя свойство прозрачности лейкосапфира для йидимой
области спектра были изготовлены специальные резцы (см.
рис. 2, а, б), которые позволили измерить контактные
площадки (изношенные участки) резца в процессе резания. Измерение
24

изношенных участков производилось по известной методике и с
применением прозрачного инструмента. Необходимо отметить,
что результаты измерений по обоим методам практически
полностью совпали.
Построенные по результатам измерений графики
зависимости длины контакта от скорости резания (рис. 4,6)
показывают, что увеличение скорости резания свыше 100 м/мин
приводит к резкому уменьшению длины контакта стружки с
передней поверхностью. Длина контакта стружки более резко
уменьшается в диапазоне скоростей 100—250 м/мин и затем
менее значительно в диапазоне скоростей 250—350 м/мин.
J1
Рис. 5. Влияние скорости резания
на коэффициент трения:
/ — лейкосапфир — алюминиевый сплав
Д16Т; 2 — твердый сплав Т30К4 — сталь 45;
3 - лейкосапфир - сталь 45 Q т 2Q0 300\1,м/мин
Таким образом, исследованиями подтверждается, что длина
контакта стружки уменьшается при увеличении угла сдвига и
увеличивается при его уменьшении. Изменение длины
контакта в процессе резания находится в тесной взаимосвязи с
деформацией срезаемого материала и условиями
взаимодействия стружки и инструмента. Этим и объясняется аналогичный
характер изменения кривых усадки стружки и длины контакта
стружки с передней поверхностью резца (см. рис. 4, а и б).
Коэффициент трения. Исследование коэффициента трения
производилось по известной методике Г. И. Грановского.
Эксперименты проводились при нормальном давлении
10 кгс/см2 для стали 45 и 5 кгс/мм2 для алюминиевого
сплава Д16Т.
Изменение ц в зависимости от скорости трения носит
немонотонный характер (рис. 5). Причем это равно относится как
к парам Т30К4 — сталь 45, лейкосапфир — сталь 45, так и к
паре лейкосапфир —Д16Т.
Анализируя результаты экспериментов, следует отметить,
что при высоких скоростях трения (200—300 м/мин) на
кривых наблюдается минимум, причем наибольшее значение
(jLt=0,35) у пары Т30К4 — сталь. 45. Наибольший коэффициент
трения наблюдается при точении сплавом Т30К4 спеченных
порошковых материалов в сравнении с алмазом, лейкосапфиром
и гексанитом-Р.
Известно, что непосредственной однозначной
функциональной связи между износом и коэффициентом трения не наблю-
25

дается. Это указывает на наличие более сложной связи износа
и механизма трения инструментальных и обрабатываемых
материалов. Однако с качественной стороны величина
коэффициента трения может быть использована для объяснения
интенсивности износа инструмента (увеличивается коэффициент
трения—возрастает и интенсивность износа). Таким образом,
подтвердилось наше предположение о том, что [i оказывает
определенное влияние на износ инструмента, усадку стружки и
величину контактных площадок.
Тепловые явления при тонком точении спеченных
порошковых материалов. Стойкость инструмента, качество
обработанных поверхностей во многом определяются возникающей в зоне
резания температурой и распределением тепла в системе
деталь— инструмент — стружка — окружающая среда. Зная
распределение тепловых потоков в инструменте, детали и
стружке, можно: 1) правильно формулировать теории износа
инструмента; 2) наиболее целесообразно выбирать материал
инструмента для тех или иных обрабатываемых материалов; 3)
оценивать характер взаимодействия инструмента с
обрабатываемым материалом; 4) предварительно оценивать возможные
виды разрушения инструмента; 5) регулировать процесс тонкого
точения, например, за счет режимов с целью обеспечения
минимального воздействия теплового эффекта на поверхностные
слои изделия и инструмента. Кристаллы алмаза, имея ряд
положительных свойств, теряют режущую способность при
сравнительно невысокой температуре. Изучая закономерности
теплофизики резания алмазными инструментами, можно
определить условия эксплуатации, при которых обеспечивается
наиболее экономичное использование этого эффективного
режущего материала. При обработке металлов резанием возникают
источники теплоты как результат превращения механической
энергии в тепловую. Распространение теплоты этих источников
представляет собой сложный физический процесс со
своеобразными закономерностями. Нетрудно показать, какое значение
имеют эти закономерности для науки и производства. Если
тем или иным путем установить температурное поле в
обрабатываемой детали, то можно определить деформацию и
напряжение, возникающие под воздействием теплоты, наметить пути
снижения этих деформаций и напряжений, содействуя тем
самым повышению точности изделий в процессе производства и,
повышению надежности и долговечности их в процессе
эксплуатации.
Отыскание связи между условиями резания и
температурой контактных поверхностей инструмент позволяет
формулировать требования к материалам режущих инструментов, к их
твердости в нагретом состоянии и инертности к взаимному
диффузионному растворению с обрабатываемым
материалом.
26

Сложные физические явления в процессе резания тесно
связаны между собой. Возникая как результат деформации и
трения, теплота и температура резания в свою очередь оказывают
влияние на ход процесса деформации обрабатываемого
материала и трение на контактных поверхностях инструмента.
Поэтому температура резания занимает важное место среди
других факторов, определяющих условия образования или исчез-:
новения нароста, качество обработанной поверхности,
остаточные напряжения в поверхностных слоях деталей. Таков непол-
ный перечень задач, решение которых позволит улучшить
качество деталей, повысить производительность и улучшить
экономические показатели процесса резания, а также установить
общие закономерности тепловых явлений при резании.
Обработка спеченных порошковых материалов производится
в зоне сравнительно высоких скоростей резания, и,
следовательно, режущие лезвия инструментов подвергаются
воздействию высоких температур, которые оказывают существенное
влияние на стойкость инструмента. Известно, что режимы
резания, геометрические параметры инструмента, механические
свойства и структура обрабатываемого материала и другие
факторы, определяющие интенсивность износа инструмента,
тесно связаны с температурой резания.
Применяя метод двух резцов, Б. А. Белькевич установил,
что при обработке спеченных материалов температура резания
выше, чем при обработке серого чугуна и стали; исключение
составляют пропитанные маслом материалы, не содержащие
в своем составе графит, при обработке которых температура
резания приблизительно такая же, как при обработке серого
чугуна.
При обработке спеченных порошковых материалов
температура резания выше, чем при обработке стали, несмотря на
более низкие прочность, пластичность и величину сил резания,
объясняется это значительно меньшей теплопроводностью
(в полтора-два раза) спеченных порошковых материалов по
сравнению со сталью. В зависимости от процентного
содержания углерода в составе материала теплопроводность сталей
колеблется в пределах 0,15—0,2 кал/(см-с-°С), а спеченных
материалов (аналогичного химсостава) — в пределах 0,05—
0,13 кал/(см-с-°С).
Температура в зоне резания возрастает с увеличением
количества перлита и включений цементита в структуре спеченного
материала и, наоборот, понижается с увеличением количества
феррита. Так, при обработке материала со структурой перлит
температура резания возрастает в 1,1—1,2 раза по сравнению
с перлитоферритной структурой, а при обработке материала со
структурой перлит+включения цементита — в 1,3—1,4 раза.
Автором проведены исследования по определению
температуры при точении спеченных порошковых материалов и уста-
27

новлена зависимость ее от геометрических параметров
инструмента.
Влияние режимов и геометрических параметров
инструмента на температуру резания. Температура резания
исследовалась при продольном точении спеченных материалов.
Измерение ее проводилось методом двух резцов. Если несколько
модернизировать метод двух резцов, то это позволит вести
исследования ца любых по размерам образцах. Для исследований
был взят материал со структурой перлит и пористостью 22—
23%. Длительность каждого эксперимента составляла 20—
30 с. Опыты по измерению температуры резания в
зависимости от глубины (/=0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5 мм) производились
со следующей геометрией инструмента: <р=45°; у=Ю°; а=10°;
Ф1 = 15; сн = 6°; А;=0; г=0,3 мм при 5 = 0,11 мм/об и скорости
резания и=43, 60, 86, 119, 150 м/мин. Было изучено влияние
подачи на величину температуры резания. Эксперименты
проводились при подачах 5 = 0,056; 0,110; 0,160; 0,210 мм/об и
скоростях резания v = 43, 60, 86, 119, 150 м/мин. Глубина резания
составляла 0,3 мм.
Известно, что геометрические параметры режущей части
резца значительно влияют на температуру резания. Ниже
приводятся результаты исследований влияния геометрических
параметров режущей части резцов на уровень температур
резания при обработке спеченных материалов. Для определения
влияния главного угла в плане на температуру выбраны
следующие значения <р: 15, 25, 35, 45, 55, 65, 75 и 80° при скоростях
резания и=43, 86, 119 и 150 м/мин. Постоянные величины:
,/=0,3 мм, 5=0,110 мм/об, y=10°> a=10°, <pi = 15°, ?t=0, r=
= 0,3 мм.
При уменьшении главного угла в плане температура
резания понижается. С уменьшением угла увеличивается ширина
среза и уменьшается его толщина, а следовательно, растет
периметр стружки и длина работающей части лезвия, что
способствует лучшему теплоотводу. Для уменьшения силы
резания и возможных вибраций целесообразно при обработке
спеченных материалов на основе железного порошка
рекомендовать резцы с главным углом в плане ф, равным 45°.
Влияние переднего угла исследовано в широком диапазоне
у: +24, +12, +9, +4, 0, —3, —11, —14, —1? и —23° при
скоростях резания 43, 86 и 119 м/мин. Постоянные величины: t =
= 0,3 мм, 5 = 0,11 мм/об, ф=45°, ф1 = 15°, а=10°, Я = 0, г-
= 0,3 мм.
Существенное влияние на температуру резания оказывает
трение главной задней поверхности резца об обрабатываемую
^деталь, зависящее в основном от главного заднего угла.
Исследования показали, что температурный минимум приходится
на интервал углов a=8-f-10°. Режимы резания и геометрия
инструмента те же, что и в предыдущих опытах (у111^0).
28

Для определения влияния радиуса закругления при вершине
резца на температуру резания проводились опыты при
следующих значениях: 0,12; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7 мм и скоростях
резания 43, 86 и 119 м/мин.
Таким образом, при обработке резанием изделий из
спеченных материалов на увеличение температуры в рабочей зоне
существенно влияют: скорость резания v, подача s, глубина
резания t и угол в плане <р. Увеличение угла у в зоне
положительных передних углов значительно уменьшает
температуру резания, как и увеличение заднего угла а, — в пределах от
2 до 12°. Отрицательные передние углы и углы а от 14 до 24°
способствуют значительному увеличению температуры.
Увеличение радиуса закругления при вершине резца улучшает тепло-
отвод и, как следствие, значительно уменьшает температуру в
зоне резания. Общее уравнение температуры резания, после
математической обработки экспериментального материала,
напишется в следующм виде:
в зоне положительных передних углов и углов а в пределах
от 2 до 12°
9°
CaV»
.0,36,0,08 с0,1 т0,06
ч
ф
г0,07 0,12а0,07
О)
в зоне отрицательных передних углов и задних углов а от
.14 до 24°
е° =
Cet)0.36<0.08s0,l(p0.06v0,06a0,04
,0,07
(2)
Значение коэффициента Се для первого и второго случаев
соответственно равно 166 и 165 (табл. 6).
Таблица 6
Значение коэффициента С0 в зависимости от обрабатываемого материала
Обрабатываемый материал
Состав материала (шихта)
38,5% Fe+1,5% С (0,8%)*
98,8% Fe+1,2% С (0,45%)
97% Fe+3% Си
99,7% Fe+0,3% P
98%Fe+2%C(l,l%)
Микроструктура
Перлит
Перлит и феррит
Феррит+твердый раствор меди в
железе
Феррит и фосфиды
Перлнт+включения цементита
Коэффициент
для v до
100 м/мин
165
144
188
156
193
ДЛЯ V
свыше
100 м/мин
172
157
159
132
192
* В скобках приведено содержание углерода после спекания.
На основании проделанной работы можно сделать
следующие выводы. Формулы (1) и (2) показывают, что на увеличе-
29

ние температуры в зоне резания существенное влияние
оказывают скорость резания vy подача s, глубина резания t и угол
в плане ср. Увеличение угла у9 в зоне положительных передних
углов, значительно уменьшает температуру в зоне резания,
равно как и увеличение заднего угла а в пределах от 2 до 12°.
Отрицательные передние углы и углы а от 14 до 24°
способствуют значительному увеличению температуры, вследствие
увеличения деформаций и уменьшения угла заострения резца.
Увеличение радиуса при вершине резца способствует улучшению
теплоотвода и, как следствие, значительно уменьшает
температуру в зоне резания.
ратуры методом прозрачного
инструмента
Измерение температуры в зоне резания по инфракрасному
излучению. Ф. Шверд предложил для измерения температуры
в зоне резания радиационный метод, который основан на
изменении интенсивности инфракрасного излучения при изменении
температуры.
Схема устройства для измерения температуры
представлена на рис. 6. Устройство состоит из микроскопа 4 с
фотоприемником для инфракрасной области спектра 5 и
фотосопротивления с высокочувствительным гальванометром 6. Стружка
3, резец 1 и обрабатываемый материал 2 представляют собой в
совокупности объект исследования.
Тепловой луч, направленный от наблюдаемого участка,
проходит через две линзы и через диафрагму попадает на
светочувствительный слой фотоэлемента. Сопротивление
фотоэлемента изменяется и по цепи течет ток. Высокочувствительный
гальванометр, соответственно проградуированныи, показывает
температуру наблюдаемого участка. Этот метод позволяет
измерять температуру на любом участке стружки и резца. Необ-
30

лодимо лишь изолировать другие лучи, отражаемые не из
фиксируемых точек. Для этого и служит диафрагма, которая
расположена перед светочувствительным слоем фотосопротив-
-ления. Данный метод позволяет детальнее исследовать
температуру стружки и инструмента, но он не получил широкого
распространения.
Исследование температуры в зоне резания методом
прозрачного инструмента. Измерение температуры, возникающей на
поверхности контакта режущего инструмента со стружкой и
обрабатываемой деталью, связано с большими трудностями,
ибо невозможно подвести измерительные приспособления к
месту измерения.
На рис. 7 представлена схема прибора для измерения
температуры в любой точке зоны резания. Устройство состоит из
корпуса 5, объектива 4, вводимого зеркала 5, фотоэлемента 7,
окуляра 9 с сеткой 8. Кроме того, применен специальный
резец / с прихватом 2 и пластиной 3 из прозрачного для
инфракрасной области спектра материала (например, из лейкосапфи-
ра) с полированными передней и нижней (опорной)
плоскостями. Причем опорная плоскость А выполнена
зеркальной [2].
Бесконтактный способ измерения температуры заключается
в следующем: инфракрасные лучи из интересующей точки зоны
резания, отражаясь от опорной зеркальной плоскости Л,
фокусируются объективом на приемник инфракрасного излучения.
Визуальное наблюдение за зоной резания обеспечивается
окуляром с сеткой и вводимым зеркалом.
Подобный метод позволяет измерять температуру в любой
точке от 150 до 1200° С. Высокая точность измерения
±2-f-3% обеспечивается специально присчитанным к этой
области инфракрасного излучения зеркальным объективом, а
также рассчитанной схемой усилителя. Приемник
инфракрасного излучения принимает сигналы с площадки размером
€,04X0,07 мм. Таким образом, имеется возможность измерять
температуру в любой точке зоны резания (на режущей
кромке, на передней и задней гранях и т. д.).
В качестве режущих материалов применялись алмаз и лей-
косапфир. Зеркальное покрытие на грани не наносилось.
Объектив наводился в зону резания со стороны главной задней
грани.
Исследования показали, что таким образом можно
измерять температуру даже в том случае, если нет возможности
нанести зеркальное покрытие. Но предпочтение необходимо
отдавать инструменту с зеркальным покрытием. Дело в том, что
мы рассматриваем простейший случай — резец, а вообще это
может быть и зуб фрезы, протяжки, перо сверла и, наконец,
единичное алмазное зерно при шлифовании.
Исследования проводились на токарно-винторезном станке
31

модели ТВ-320П. В качестве обрабатываемых материалов
применялись сталь 45, титано-меднистый чугун типа СЧ 24-44 и
ряд спеченных порошковых материалов. Точение
производилось без охлаждения. На первом этапе исследований
ставилась задача — определить влияние режимов на температуру
резания при тонком точении черных металлов.
Зависимость температуры Э от режимов резания
выражается формулой
Q = Cfsyvz, (3)
где v — скорость резания; s — подача; t — глубина резания;
С — постоянная для данных условий обработки.
Обычный метод определения С, х, у, z заключается в
поочередном изменении одного параметра при постоянстве всех
остальных. По результатам целой серии таких экспериментов
находят зависимость (3) и конкретные значения всех входящих
в формулу постоянных составляющих.
Предлагается другой метод получения зависимости (3),
основанный на применении полного факторного эксперимента —
одного из методов математической статистики. Сущность этого
метода следующая. Логарифмируем выражение (3):
lge = lgC + *lg* + #lgs + zlgi;.
Обозначаем
lge = &0 + &1/1 + &A + V8. W
где
t - te*-Ig'cp
1 0,5(lg*max — lg*min)
Igs — lgscp
f =
0,5(lgsmax — lgsmin)
t -= *gP —*g°cp
0,5(lgymax — lgumin)'
Для определения коэффициентов регрессии 6о, &ь &2> &з
необходимо выполнить восемь экспериментов по определению
температуры.
Коэффициенты уравнения (4) можем вычислить так:
h _~ige1 + ige2-ige3 + ige4-ige5 + igee~ige74-ige8.
*1~~ 8 '
b ^ -ige1-ige2 + ige3 + ige4-ig96~ige6 + ige74-igeg.
2 8
и _ ~ige1-^ige2~ige3~ige4 + ige6 + ige6 + ige74-igeg
U — ——————___—.-_______—————_——————.^__
3 8
32

Кроме того, необходимо произвести проверки по критериям-
Кохрана и Фишера и при необходимости соответствующие
опыты или повторения опытов.
Режимы резания изменялись в следующих пределах: а =
=96-М98 м/мин; s = 0,03-^0,06 мм/об; /=0,05^-0,25 мм.
Результаты проведенных опытов для стали 45 представлены
в табл. 7.
Таблица 7
Влияние режимов на температуру в зоне резания при точении стали 45
№ эксперимента
1
2
3
4
5
6
7
8 1
1 Глубина
резания, мм
0,05
0,25
0,05
0,25
0,05
0,25
0,05
0,25 |
Подача,
мм/об
0,03
0,03
0,06
0,06
0,03
0,03
0^06
0,06
Скорость,
м/мин
96
96
96
96
198
198
198
198
Температура,
первого
опыта
470
! 500
4в5
550
640
660
655
680
второго
опыта
460
505
490
540
650
655
645
690 1
°с
средняя
465
502,5
487,5
545
645
657,5
650,0
685
№ эксперимента
1
2
3
4
5
6
7
8
Значение
по
формуле (5)
454
498
479
536
633
663
638
675
9*-ЛР
5
-2,5
-2,5
5
-5
2,5
5
—5
02-0Ср
-5
2,5
2,5
—5
5
-2,5
—5
5
(0^сР)2
25
6,25
6,25
25
25
6,25
25
25
Продолжение
^р-^ср
11
4,5
8,5
9
12
5,5
'12
—10
табл. 7
(9ср-0ср)2
121
20,85
72
81
144
32
144
100
Математическая обработка результатов экспериментов
проводилась следующим образом:
, _ 2,6675 + 2,7010 + 2,6880 + 2,7364 ,
*о -8 +
, 2,8096 + 2,8179 + 2,8129 + 2,8360 _ 2 —gg.
8 — . >
, _— 2,6675 + 2,7010—2,6880+2,7364
, — 2,8096 + 2,8179 — 2,8129 + 2,8360 __ 0,1132 = Q Qj «.
33:

. _ —2,6675 — 2,7010 + 2,6880 4-2,7364 .
2~~ 8
— 2,8096 — 2,8179 + 2,8129 + 2,8360 ^ 0,0673 __ Q QQgg.
+ 8 — 8 -~ *
b __ —2,6675 — 2,7010 — 2,6880 — 2,7364 = 0,4735 _ Q Q592
3~~ 8 "~ 8
Таким образом, • :
lg9 = 2,7585 + 0,014^ + 0,0085^ + 0,0592^,
где
t = lgt — 0,5 (lg0,25 -lg0,05) ^ Igf-Y1'0,0125^
1 0,5(lg0,25-lg0,05) *g5
= 2 lg?-lg 0,0125 = 2 lg/-2,0969 = 21g/ +1,9131 = 2 98/ 4- 2 742*
0,699 0,699 0,999 *
lgs —— lg 0,0018
t ^Igs-0,5(lg0,06-lg0,03) ^p 8 2 ё'
2 0,5(lg0,06 —lg0,03) f 0,06
lg
0,03
2 lgs — lg0,0018 2 lgs —3,9982
0,301 0,301
= 6,62 lgs + 13,156;
\av—— lg 19 400
f = Iga-0,5(lgl98+lg96) = 2 ё 2 ё =
3 0,5 (lg 198 — lg96) lg2,06
= 2 1go-l,19400 = 21g,-4,2878 = _
lg2,06 lg2,06
Значения th h% U подставляем в уравнение (4)
lg6 = 2,7585 + 0,0142(2,98* + 2,742) + 0,0085 (6,62s + 13,156) +
+ 0,0592 (6,58y — 14,2) = 2,7585 + 0,042* + 0,039 +
+ 0,056s + 0,114 + 0,39u — 0,87.
Потенцируем и получим формулу
9 = 114i;0'3V'06A06. (5)
Вычислим температуру резания по полученной формуле
для максимальных режимов наших опытов:
Э= 114.1960'39 .0,060'06 .0,250'04 = 114-7,90.0,845.0,92 = 696°С.
При экспериментальном измерении на этих режимах
температура была равна 685° С, т. е. расчетное значение
отличается от экспериментального на 11° С. Чтобы определить пра-
34

вильность полученной формулы, необходимо произвести
некоторые проверки.
Во-первых, необходимо доказать выполнение второй
предпосылки регрессивного анализа об однородности выборочных
дисперсий, пользуясь критерием Кохрана, который основан на
законе распределения отношения максимальной эмпирической,
дисперсии s* тах к сумме всех дисперсий, т. е.
2
Если вычисленное значение Gmax окажется меньше
табличного значения бкр, то гипотеза об однородности дисперсий
принимается. Для наших условий значение Gmax=0,172, а
табличное значение Gkp=0,515. Следовательно, гипотеза об
однородности дисперсий принимается.
Во-вторых, чтобы проверить гипотезу об адекватности
представления результатов эксперимента найденным уравнением
связи достаточно оценить отклонение предсказанной уравне-
нием регрессии выходной величины 0 от результатов
эксперимента 0 в точках факторного пространства (в точках
эксперимента). Проверка гипотезы об адекватности проводится с
использованием F—критерия Фишера. Если вычисленное
значение критерия меньше Fkp, найденного по таблице, то гипотеза
об адекватности принимается.
Проверка по критерию Фишера:
S2 *
1 N
где
N
2*
S* = J=l— = J*HL = i 7,9;
N 8
S» =142,85;
ад
Fkp (по таблице) =8,301;
ра ^в 142,85 де
S2 17,9
В результате расчетов нами получен критерий Фишера
F=7,95, а найденный по таблице FKP=8,301, следовательно,.
35<

гипотеза об адекватности принимается. Все проверки
проводились при заданном уровне значимости 5%. Таким образом,
метод полного факторного эксперимента позволяет, не снижая
точности конечных результатов, значительно сократить объем
исследований (количество опытов).
Формулы для подсчета температуры резания, полученные
методом прозрачного инструмента и методом двух резцов,
похожи. Разница состоит лишь в том, что абсолютное значение
локазателей степени различно. Так, например, показатель
степени при v для метода прозрачного инструмента несколько
выше, чем аналогичного показателя при измерении
температуры методом двух резцов. При измерении температуры
методом прозрачного инструмента мы измеряем температуру
наиболее термонапряженной точки контакта изделия и стружки с
инструментом, а, следовательно, скорость резания оказывает
непосредственное влияние на температуру в зоне контакта. Что
же касается метода двух резцов, то в этом случае мы имеем
дело с усредненной температурой. Естественно предположить,
что температура в зоне контакта инструмента со стружкой
должна быть несколько выше, чем средняя температура в зоне
резания. Поэтому показатель степени при скорости резания,
когда температура измеряется методом двух резцов (т. е. когда
измеряется средняя температура), несколько ниже (0,36), чем
величина показателя (0,39) при исследовании температуры
методом прозрачного инструмента.
Когда сопоставляются показатели степени при s и t>
наблюдается иная картина. Показатели степени при подаче и
глубине резания соответственно равны 0,1 и 0,08, когда мы
измеряем температуру методом двух резцов, а при измерении
методом прозрачного инструмента эти же показатели равны
0,06 и 0,04. Это обстоятельство в какой-то степени можно
объяснить более высоким коэффициентом трения твердого сплава
ВК8 и Т30К4 (из которых состоит пара резцов, при измерении
температуры методом двух резцов) в сравнении с лейкосапфи-
ром (инструментальным материалом, используемым при
измерении температуры методом прозрачного инструмента). Анализ
полученных формул свидетельствует о том, что температуры,
рассчитанные по ним, согласуются с достаточной для практики
точностью.
Определение температурного поля на рабочих поверхностях
инструмента. Исследования проводились на токарно-винторез-
ном станке ТВ-320П. Тонкое точение выполнялось резцами,
армированными лейкосапфиром, причем все поверхности
(кроме боковых) резца были тщательно отполированы, а на
опорную поверхность нанесено зеркальное покрытие. Геометрия
инструмента: у=0, Я=0, а = 4°. Режимы резания: а = 330 м/мин;
5=0,03 мм/об, 1=6 м. Износ по задней поверхности составлял
0,095 мм. Были исследованы законы распределения темпера-
36

туры на передней и задней поверхностях резцов. Температура
на передней поверхности резца изменяется не монотонно, а
имеет максимальное значение на некотором расстоянии от
главной режущей кромки (рис. 8).
В результате экспериментов установлено, что при точении
-стали 45 лейкосапфировыми резцами температура передней
поверхности изменяется от 260 до 410° С, а температура задней
поверхности колеблется в
пределах 180—460° С
(табл. 8 и 9). Наиболее
высокая температура
зафиксирована на задней
поверхности
инструмента 1. Это явление
достаточно хорошо согласуется
с общепринятыми
концепциями для процессов
тонкого точения. Вместе с
тем несомненный интерес
представляет тот факт,
что температура передней
поверхности 3
инструмента носит явно не
монотонный характер, причем как
в сечении, параллельном
к главной режущей кромке 2, так и в сечении,
перпендикулярном к ней. Исследования подтвердили нашу
концепцию о том, что средняя температура какой-то поверхности
инструмента (например, передней), а тем более средняя
температура в зоне резания вообще — не может служить
объективной характеристикой для объяснения явлений, сопровождаю-
Рис. 8. Распределение температуры на
рабочих поверхностях инструмента
•
Таблица 8
Распределение температуры на передней поверхности лейкосапфирового резца
Ширина
контакта стружки
с передней
поверхностью
резца, мм
0,05
Q,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40 1
1
320
360
350
340
330
310
290
270
при точении стали 45
Координаты вдоль режущей кромки (см. рис. 8)
2
330
370
360
350
340
330
310
290
3
340
1 380
270
360
350
340
4
260
400
390
380
370
360
320 320
310 1
320
5
зво
410
400
390
380
360
340
330
6
370
400
390
I 380
370
350
320
320
7
350
1 380
270
360
350
330
315
310 1
8
330
365
360
350 I
340
320
310
290 1
9
310
350
340
330
320
300
280
260
37

Таблица 9*
Распределение температуры на задней поверхности лейкосапфирового резца
при точении стали 45
Ширина
контакта
инструмента
с деталью, мм
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
1
410
360
320
280
230
190
Координаты вдоль
2
430
380
340
300
250
200
3
440
390
350
1 310
260
210
4
450
400
360
320
270
230
режущей кромки (см. рис. 8)
5
460
410
370
330
280
240
6
450
400
360
320
270
230
7
440
390
350
310
260
210
8
420
370
330
390
240
200
9
400
350
320>
280-
230-
180'
щих процесс резания. Действительно, средняя температура
передней поверхности 300° С, задней поверхности 320° С, а
максимальная температура соответственно на ПО и 140° С выше.
Следовательно, все расчеты, связанные с температурными
характеристиками, необходимо вести по максимальной
температуре той поверхности, которая интересует исследователя.
Однако, не всегда исследователь имеет возможность определить
максимальную температуру в интересующей зоне резания,
например, из-за отсутствия соответствующего оборудования.
В связи с этим следует измерить среднюю температуру в зоне
резания (например, методом двух резцов), температуру перед-
ней поверхности принять на 100° С выше средней, а
температуру задней поверхности на 150° С. Проведенные исследования
подтвердили предложенную гипотезу на целом ряде
обрабатываемых и инструментальных материалов.
Влияние износа резца на распределение температуры в зоне
контакта инструмента с деталью и стружкой. Износ
инструмента оказывает существенное влияние на температуру,
возникающую в зоне контакта с деталью и стружкой. Известно,
что с увеличением износа инструмента увеличивается средняя
температура в зоне резания. Установлено, что при тонком
точении наиболее термонапряженной является главная задняя
поверхность инструмента. В задачу исследований входило:
а) определить характер температуры по передней, главной
задней и вспомогательной задней поверхностям
непосредственно в процессе резания;
б) изучить характер влияния величины износа
инструмента на расположение наиболее термонапряженной зоны.
С этой целью была определена температура на передней к
задних поверхностях лейкосапфирового резца при тонком
точении стали 45 (табл. 10 и 11). Геометрия инструмента: у = 0»
Ь=0, a=ai = 8°, г=0,2н-0,3 мм.
Температура измерялась методом прозрачного инструмента.
Измерения температуры производились в 19 точках по перед-
38

Таблица lG
Распределение температуры на передней поверхности
(сталь 45, s=0,03 мм/об, *=0,15 мм, «=200 м/мин)
Износ,
мм
0,010
0,045
0,095
Точки измерения температуры (см. рис. 9)
/
470
480
520
2
475
520
530
3
480
530
540
4
485
535
555
5
490
540
570
6
495
545
590
7
500
550
1 510
8
505
555
630
9
510
560
630
10
520
! 565
630
и
530
570
630
12
540
575
620
13
540
570
600
14
530
550
580
15
520
530
560
16
510
520
540 |
17
500
515
520
18
490
880
515
19
480
500
510
Таблица 11
Распределение температуры на задней поверхности
(сталь 45, а=200 м/мин, s=0,03 мм/об, *=0,15; геометрия оптимальная по стойкости)
Износ,
мм
0,010
0,045
0,095
/
400
460
560
1
2
405
465
570
3
410
470
580
4
415
475
595
5
420
480
610
6
430
490
625
Точки измерения температуры (см. рис.
7
440
! 495
640
8
450
505
655
9
460
520
670
10
460
520
670
9)
//
455
505
670
12
450
490
640
13
440
470
610
14
430
455
580
15
420
445
550
16
420
440
520

h3=0,095;
h3=0,GU4
ftj=0,Ot
630 С
520 °C
mn
ней поверхности и в 16 точках по задней поверхности, причем
строго соблюдалось расстояние, равное 0,05 мм от режущей
кромки (рис. 9).
Исследования показали, что при работе острозаточенным
неизношенным /i=0,01 мм) резцом максимально
термонапряженная зона находится на передней поверхности инструмента,
причем эта зона располагается в середине площадки контакта
стружки с передней
поверхностью. В данном
-575°с конкретном случае она
-ыо°с была равна 540° С, а
максимальная температура
на задней поверхности
460° С. Максимально
термонапряженная зона на
задней поверхности
расположена в середине
площадки контакта главной
задней поверхности с
изделием.
Вторая серия
измерений температуры
производилась при затуплении
резца А;=0,045 мм.
Увеличение износа резиа па
задней поверхности
привело к некоторому
увеличению температуры во всех точках как на передней, так и на
задней повернхостях инструмента. Характер распределения
максимально термонапряженных зон сохранился.
Вместе с тем абсолютное значение разности между
температурой на передней и задней поверхностях несколько
уменьшилось.
Третья серия измерений температуры производилась при
износе резца, равном 0,095 мм. В результате измерений была
установлено, что максимально термонапряженная зона
находится в первой канавке износа на вспомогательной задней
поверхности и равна 670° С. В то время как максимальная
температура на передней поверхности равна 630° С, причем эта
температура зафиксирована на участке, расположенном у
вершины резца (см. табл. 10 и 11). Такой характер изменения
температуры при увеличении износа инструмента можно
объяснить следующим образом.
При точении острозаточенным резцом работа,
затрачиваемая на снятие стружки, по абсолютной величине превосходит
работу, затрачиваемую на трение задних поверхностей
инструмента с изделием. Поэтому максимально термонапряженная
зона находится на передней поверхности инструмента, а рас-
Рис. 9. Влияние износа на распределение
температуры в зоне контакта инструмента
со стружкой и обрабатываемой
поверхностью
40

положение ее совпадает с центром лунки, образующейся
впоследствии в этом месте.
Когда износ по задним поверхностям достигает 0,045 мм,
то наблюдается тенденция к некоторому смещению зоны с
максимальной температурой к вершине резца. Это
обусловлено тем, что количество тепла, образующееся на задних
поверхностях инструмента, возрастает более интенсивно, чем на
передней поверхности. И, следовательно, тепло концентрируется
в той зоне инструмента, из которой отвод тепла наиболее
затруднен. Естественно, что такой зоной является область,
прилегающая к вершине резца. При дальнейшем износе
инструмента зона с максимальной температурой смещается в правую
канавку износа по вспомогательной задней поверхности. Это
-связано с тем, что количество тепла, образующегося на задних
поверхностях инструмента, превалирует над теплом,
проникающим в инструмент через переднюю поверхность. Важно еще
я то, что вспомогательная задняя поверхность инструмента
контактирует с наклепанным металлом. Это, на наш взгляд,
предопределяет интенсификацию износа в этом месте и, как
следствие, приводит к возрастанию выделения тепла.
Проведенные исследования позволили вывести империче-
<ские формулы для расчета температуры в максимально
термонапряженной зоне (в первой канавке износа по
вспомогательной задней поверхности) для ряда обрабатываемых
материалов:
Q = Cv°'4s0>08t0>0*h°3'1, (6)
где С=138 для спеченного порошкового материала с
перлитной структурой.
4. ИЗНОС И СТОЙКОСТЬ РЕЗЦОВ
ПРИ ТОНКОМ ТОЧЕНИИ
СПЕЧЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Характер износа резцов при тонком точении спеченных
материалов. Износ резцов при тонком точении стали и чугуна
характеризуется специфическими особенностями. Заключаются
они в том, что наиболее интенсивно изнашивается
вспомогательная задняя поверхность инструмента, а не главная
задняя поверхность, как считалось ранее. Эта закономерность
наблюдалась при точении резцами из алмаза, лейкосапфира,
твердого сплава Т30К4.
Исследования, результаты которых приведены в данной
работе, показали, что при тонком точении спеченных
порошковых материалов наблюдается аналогичное явление.
Производилось тонкое точение железохромистого материа-
41

тем вступает в контакт вершина третьего гребешка и т. д. Для
уменьшения интенсивности образования канавок на
вспомогательной задней поверхности резца рекомендуется работать с
переменной подачей.
Износ по вспомогательной задней поверхности нельзя
рассматривать только как следствие истирания. При
определенных условиях доминирующим может оказаться температурный
фактор, и тогда изменится как форма, так и характер износа.
Рис. 11. Схема
устройства для
бесконтактного измерения износа
инструмента
непосредственно на станке
5 h
Процесс износа резца происходит наиболее интенсивно в
первой канавке износа по вспомогательной задней поверхности.
Во второй канавке этот процесс протекает менее интенсивно, в
третьей еще слабее и т. д. Поэтому каждая канавка износа
(начиная со второй) является как бы калибрующей по
отношению к предыдущей. Это одинаково относится как к глубине
канавки, так и к ее длине по вспомогательной задней
поверхности. Поэтому действительный радиальный износ всегда
больше радиального износа, полученного при измерении
устройствами контактного типа. Обусловлено это тем, что
действительный радиальный износ учитывает глубину канавки по
вспомогательной задней поверхности.
В этой связи рекомендуется устройство для бесконтактного
измерения износа инструмента (рис. 11), которое состоит из
двух микроскопов, предназначенных для измерения износа по
передней поверхности инструмента и по задним поверхностям,
43

причем микроскоп 1 снабжен фотокамерой 2, источником
света 5 с конденсором 4. Необходимо отметить, что источников^
света должно быть не менее двух (второй источник света на
рисунке не показан). Штативы 3 и 6 служат для закрепления
микроскопов 1 и 7 соответственно.
Работает устройство следующим образом. Луч от источника
света 5 через конденсор 4 освещает вершину инструмента
(резца). Микроскоп 7 сфокусирован на изношенный участок по
задним поверхностям резца, а микроскоп 1—на переднюю
поверхность инструмента. Таким образом, имеется возоможность
измерения износа инструмента непосредственно на станке,
причем наиболее интересные моменты могут быть зафиксированы
на пленку фотокамеры 2.
Микроскоп 1 позволяет исследовать объекты при
увеличении 70, 100, 150, 200, 240 и 300х, а микроскоп 7 —при
увеличении 7, 16, 32, 56 х. Достоинством устройства является то, чта
оно состоит из стандартных узлов.
Тонкое точение спеченных порошковых материалов
антифрикционного класса. Из большого разнообразия спеченных
порошковых материалов мы рассмотрим только наиболее
распространенные. Прежде всего, спеченные порошковые
материалы антифрикционного класса.
Впервые представлены результаты исследований процесса
тонкого точения спеченных порошковых материалов. Для
сравнения использовались конструкционные и инструментальные
стали (сталь 45, сталь 9ХС, сталь Х12М и др.). Исследовались
процессы тонкого точения указанных материалов в
закаленном и незакаленном состоянии.
Тенденция методов порошковой металлургии заключается
в том, чтобы получить детали в окончательном виде или с
минимальным припуском только для финишной операции
(тонкое точение, шлифование, доводка). Поэтому исследования,
направленные на изучение процесса тонкого точения спеченных
порошковых материалов, представляются нам актуальными и:
своевременными.
Для исследований был выбран спеченный порошковый
материал 98,7%'Fe+1,3% С (перлит и небольшое количество
феррита). Эксперименты проводились при постоянном сечении
среза sXt=0,05X0,1 мм2. Пористость обрабатываемого
материала 22—23%. Точение производилось резцами, оснащенными
пластинами твердого сплава Т30К4 и лейкосапфира.
Зависимость стойкости резцов от скорости резания
показана на рис. 12. На стойкость резцов существенное влияние
оказывает величина критерия затупления. Здесь и в дальнейшем
в качестве критерия затупления выбрана величина
радиального износа hr =0,1 мм. Это ориентировочно соответствует
износу по вспомогательной задней поверхности h3. вс = 0,4 мм.
Геометрия резца: a=ai = 8°, r=0,3 мм. Точение резцами с радиу-
44

сом при вершине больше глубины резания (г=0,3 uu>t =
= 0,1 мм) происходит фасонное резание, т. е. геометрические
параметры в каждой точке режущей кромки будут отличаться.
Поэтому мы указываем только постоянные параметры.
Zmuh
150 \
1Ч0\
80
60
40
20
1Ь
10
8
6
1
1
i J
1 /\
/\ А \ \—
А
/! ! 1 1
Mi
!—i I
1 i 1
t | |
i ' ■ I 1
• I 1
! ill
'— ''И
1 ' .Lii
V
у7
v
V
V11
\
l\_
\
L
V
±
\.
л.
п\
20 30 40 60
80 100 150 200 300
V, M/MUH
Рис. 12. Зависимость стойкости
резцов из лейкосапфира (1) и твердого
сплава Т30К4 (2) от скорости
резания при точении спеченного
порошкового материала со структурой
перлита и небольшого количества
феррита
Т,мцн
750
100
80
60
40
20
15
10
8
6
4
3
2
15 20 30 40 60 80100 150 300
V,M/MUH
Рис. 13. Влияние скорости резания
на стойкость резцов из
лейкосапфира при точении:
/ — спеченный порошковый материал со
структурой феррит; 2 — сталь 45; 3 —
спеченный материал со структурой
тонкопластинчатого и сорбитообразного перлита
/
ii
1к^
тТ
Л1
\rJ
Г 1 \
11
-N
V
k \
V \
\ \
\ 1
\
\
\
2
\ i
\ 1
>
I
i
\\
\ Л !
l!l
11 ь
а!
|
1.
1 *
j '
II
i
I
Анализ графических зависимостей показывает, что функция
T=f(v) носит немонотонный характер, причем стойкость
резцов из лейкосапфира значительно выше, чем резцов из
твердого сплава Т30К4. Эта особенность будет объяснена ниже.
Влияние скорости резания на стойкость резцов,
армированных лейкосапфиром при тонком точении различных
материалов, показано на рис. 13. Геометрические параметры резцов
и режимы резания те же, что и в предыдущих исследованиях.
Наивысшую стойкость имеют резцы, армированные
лейкосапфиром, при обработке порошкового материала со
структурой феррит. Низкие механические свойства и истирающая
способность феррита позволяют вести обработку его на
сравнительно высоких скоростях резания. Наименьшую стойкость резцы
из лейкосапфира имели при обработке спеченного
порошкового материала со структурой перлит+включения цементита.
4S

Это объясняется тем, что истирающая способность
материалов, имеющих в своей структуре перлит с включениями
цементита, значительно выше, чем структуры без твердых
включений (феррит).
Сталь 45 обрабатывается несколько хуже, чем спеченный
порошковый материал со структурой феррит, но значительно
лучше, чем спеченный порошковый материал со структурой
перлит+включения цементита. Характер влияния различных
структур порошковых материалов на уровень скоростей
резания при обработке их лейкосапфиром аналогичен влиянию при
обработке стали и чугуна другими, ранее исследованными
инструментальными материалами.
Анализируя функцию T=f(v) при точении спеченных
порошковых материалов резцами, армированными
лейкосапфиром, приходится констатировать, что она экстремальна. Для
объяснения причин немонотонности функций были
предложены различные гипотезы, но все они использовались
применительно к поликристаллическим инструментальным
материалам. При использовании монокристаллических
инструментальных материалов (алмаз, лейкосапфир, рубин), нам кажется,
нужно рассматривать данный вопрос несколько с иных
позиций.
При низких скоростях резания температура резания
невелика, поэтому такие монокристаллы, как алмаз, лейкосапфир,
пластически не деформируются, они хрупко разрушаются при
соответствующем повышении напряжений. Хрупкость этих
монокристаллов объясняется тем, что процессы разрушения
начинаются прежде, чем дислокации смогут обеспечить
необходимые сдвиги. Интерес представляет тот факт, что при
изменении температуры изменяются параметры кристаллической
решетки леикосапфира. Абсолютное изменение параметра
кристаллической решетки Лк.х леикосапфира в зависимости от
температуры носит явно немонотонный характер [14]. Наличие
почти горизонтального участка на кривой Лк.х=/(8° С) при
температурах 400—650° С свидетельствует о том, что при
данных условиях кристаллы леикосапфира имеют наиболее
стабильные физико-механические характеристики.
Твердость кристаллических веществ с уменьшением
межатомных расстояний возрастает. Поскольку в интервале
температур 400—650° С параметры кристаллической решетки
почти постоянные для леикосапфира, следовательно, и твердость
при данных условиях будет изменяться незначительно. Если
рассматривать данное явление с точки зрения теории
дислокаций, то неизбежно следует логический вывод: при постоянстве
параметров кристаллической решетки будет иметь
определенное значение и вектор Бюргерса. Постоянство вектора Бюргер-
са обусловливает и постоянство энергии дислокаций. Более
того, одним из важнейших свойств дислокаций является то, что
46

количество их не зависит от температуры (они атермичны).
Следовательно, перемещение дислокаций будет находиться в
определенных пределах, а это очень важно с точки зрения
повышения прочностных свойств монокристалла.
Важно отметить, что при температуре 400—650° С имеет
максимальное значение коэффициент запаса пластической
прочности для лейкосапфира при точении стали 45 [14]. Этим,
видимо, и следует объяснять тот факт, что наивысшая
стойкость резцов из лейкосапфира при точении спеченных
материалов приходится именно на этот интервал температур.
Тонкое точение спеченных порошковых материалов в
закаленном состоянии. Спеченные порошковые материалы в
закаленном состоянии применяются чаще всего при изготовлении
деталей технологической оснастки (матрицы, пуансоны,
вставки-заготовки для высадочного инструмента, всевозможные
кулачки и т. д.). Необходимо отметить, что спеченные
порошковые материалы инструментального назначения должны
обладать невысокой остаточной пористостью (в пределах 0—6%)-
Установлено, что инструментальная оснастка, изготовленная
из спеченных материалов, обладает более высокими
эксплуатационными свойствами, чем оснастка, изготовленная из
аналогичных инструментальных сталей. Эксплуатационные
свойства технологической оснастки в значительной степени зависят
от применяемой финишной операции (шлифование, тонкое
точение и т. д.). Поэтому была поставлена задача определить
наивыгоднейшие режимы тонкого точения спеченных
порошковых материалов инструментального класса. Для сравнения
исследовалась обрабатываемость сталей 45, 9ХС, Х12М. В
качестве инструментальных материалов использовались: твердый
сплав Т30К4 и гексанит-Р. Условия проведенных исследований
приведены в разд. 3.
Влияние скорости резания на стойкость резцов из ТЗОК^
при тонком точении сталей показано на рис. 14. Наивысшую»
стойкость резцы имеют при точении стали 45, а затем в
порядке уменьшения — при обработке сталей 9ХС и Х12М.
Зависимость стойкости резцов из сплава Т30К4 и гексани-
та-Р при точении спеченного материала 70%' ПЖ1МЗ и 30%
ПХЗО в сыром (незакаленном) состоянии представлена на
рис. 15. Особенностью полученных зависимостей является
наличие двух максимумов. Это свидетельствует о сложности
явлений, сопровождающих процесс тонкого точения спеченных
порошковых материалов. Характер горбообразности кривых
будет объяснен несколько ниже.
Изменение скорости резания от 20 до 90 м/мин не выявило-
существенного влияния инструментального материала на
стойкость резцов при точении незакаленного спеченного материала
70% ПЖШЗ+30%1 ПХЗО. Более высокая стойкость резцов из
гексанита-Р наблюдается только при скорости резания выше
AT

100 м/мин. Это свидетельство того, что гексанит-Р обладает
-более высокой красностойкостью в сравнении с твердым
сплавом Т30К4.
Влияние скорости резания на стойкость резцов при
точении спеченного порошкового материала и стали 9ХС в
закаленном состоянии представлено на рис. 16. Анализ зависимо-
Т. мин
1ПП \ \
/г*?
•ип\
20 IX-
\l
70\-\-
«ffi
*гп
.JH-
2\Г
ч
\
I I
U
V )
[ч|У
к
fc
\
/
z
~N
r
I
I
№-Д
F^
f
rf-
\J
3'
T
\\\
\\\
^=y
rrkU
fee
?vrn
\\
\ \
' U
Hffid
=BB
Tm
0 /0 /5 ,20 J0 ЧО^м/мин
Тмин
io
50
30
20
15
10
6
4
2
и
vV
\\
V
\
—^
L
V
Л
w
\N
у
/
/
//
7
4
\
4
щ
_1
i
Л\11 '.
\ \i 7
h\ ix
i \ j ! N
1 \ i X
V i ! N
1 !\ i
i \
11 ! i IV
15 20 JO 40 60 80 100 150 200 V, м/мин
Рис. 14. Влияние скорости реза- Рис. 15. Тонкое точение спеченного по-
пия на стойкость резцов из спла- рошкового материала (70% ПЖ1МЗ+
ва Т30К4 при тонком точении за- +30% ПХЗО) резцами:
каленных сталей: / — из гексанита-Р; 2 — из твердого сплава
i —сталь 45; 2 —сталь 9ХС; 3 —сталь Т30К4
;Х12М
стей показал, что стойкость резцов из гексанита-Р при
точении стали 9ХС значительно выше, чем при точении
спеченного порошкового материала. Видимо, остаточная пористость
является основной причиной указанной закономерности.
Характерным для всех выполненных исследований является
экстремальность зависимости I=f(v).
Рассмотрим этот вопрос подробнее для ряда
инструментальных материалов, применяемых при тонком точении. При
исследовании износостойкости резцов из твердого сплава
48

T30K4 была получена классическая кривая влияния скорости
резания на стойкость резцов (см. рис. 14, кривая 2). При
низких скоростях резания, когда температура в зоне резания
невелика, большее значение имеет адгезионный износ, который
протекает достаточно интенсивно. Поэтому в зоне скоростей
резания 10—15 м/мин наблюдается резкое падение стойкости
резцов из твердого сплава Т30К4 при обработке стали 9ХС_
При дальнейшем
увеличении скорости реза- Хмин
ния температура в зоне 60
резания повышается, что 50
приводит к снижению Щ
твердости твердого спла-» зо
ва Т30К4 и повышению
пластичности его. Это об- 2о\
стоятельство, в свою оче- 15
редь, повышает
сопротивляемость твердого спла- /#
ва циклическим микро- 6
контактным нагрузкам. ?
Возрастает
сопротивляемость твердого сплава
Т30К4 адгезионному из-»
носу и, как следствие, J
возрастает стойкость
резцов. Такое падение ин- 2
тенсивности износа и воз- V
растание стойкости
продолжается до скорости
резания v=23 м/мин,
при которой температура
резания, видимо,
достигает 800° С. В этих
условиях адгезионный износ
незначителен и стойкость
достигает максимума.
При более высокой температуре отношение микропрочности'
твердого сплава к контактным напряжениям начинает падать
и интенсивность адгезионного износа возрастает. Дальнейшее
увеличение скорости резания приводит к увеличению
температуры в зоне резания и к появлению диффузионных
процессов. В результате суммарный износ возрастает, а стойкость
резко падает. Такая концепция хорошо согласуется с
результатами экспериментов при точении с большими сечениями
стружки. Что касается процессов тонкого точения, то в этом
конкретном случае объяснять экстремальность функции Т—v
без учета явления наростообразования и динамики процесса
резания, видимо, нельзя. Поэтому предлагается следующая
\
ш
1 111
m
Ш>
ш
щ
Т7ПТ
/
/
Г
и 11 -р
ни
' \ \\ \\
ш\
1 \ \
2 \\
\
И—
i
1 i
1
Lj
i—,
i
'
\\
1 '
J 1
10 1,5 20 J0 40 50 70 100 150 2u0v,m/muht
Рис.16. Влияние скорости резания на
стойкость резцов из гексанита-Р при
тонком точении порошкового
материала (70% ПЖ1МЗ+30% ПХЗО) и
стали 9ХС
49>

концепция для объяснения немонотонности функции Т—v при
тонком точении. При низких скоростях резания, когда
температура в зоне резания не превышает 300° С, наблюдается
хрупкое микровыкрашивание инструмента и резкое уменьшение
стойкости с увеличением скорости резания.
Дальнейшее увеличение скорости резания приводит к
увеличению температуры и при 6=300-f-500°C наблюдается
резкое падение прочности обрабатываемого материала и
возрастание стойкости инструмента. Необходимо отметить, что в
этой зоне температур стабилизируются явления наростообразо-
вания, приобретают более стабильные размеры и он менее
склонен к изменениям. В этих условиях наиболее резко
проявляется благотворное влияние нароста (оптимизация
геометрических параметров инструмента и его защитные действия от
износа режущих поверхностей инструмента), и, как следствие,
резко возрастает стойкость инструмента.
Дальнейшее увеличение скорости резания приводит к
возрастанию средней температуры в зоне резания, благотворное
влияние нароста уменьшается, застойные явления на режущей
кромке менее устойчивы и придают режущей кромке пиловид-
ный характер. Это, в свою очередь, приводит к
специфическому износу передней и задней поверхности инструмента,
который приобретает рифленую форму, а также к некоторому
уменьшению стойкости инструмента (см. рис. 15, кривая 1).
При дальнейшем увеличении скорости резания температуры
в зоне резания достигает 800° С. В этих условиях влияние
нароста и застойных явлений на стойкость незначительно.
Адгезионные явления тоже не оказывают существенного влияния
на стойкость инструмента. В этих условиях стойкость
инструмента достигает второго максимума (см. рис. 15, кривая 1 при
v = 73 м/мин). Температуру 800° С следует рассматривать как
ориентировочную, так как для различных инструментальных и
обрабатываемых материалов она различна и может колебаться
в широких пределах. В этих условиях наиболее вероятным
является абразивный вид износа, поскольку температура в зоне
резания достаточно высока и возможно появление окисных
пленок, например окиси хрома Сг203 (о чем свидетельствовало
наличие «зелени» при точении на этих режимах). Наиболее
интенсивно изнашивается вспомогательная задняя
поверхность, что также свидетельствует о преобладании абразивного
вида износа. Причем износ в виде канавок на
вспомогательной задней поверхности по величине в 1,5—2,0 раза больше,
чем износ по главной задней поверхности.
Дальнейшее увеличение скорости резания (так же как и
температуры) приводит к резкому уменьшению стойкости
инструмента. В этих условиях кроме абразивного износа и
окислительных процессов начинают оказывать существенное (а
возможно и основное) влияние термоэлектрические явления.
50

Наличие концентрированного износа свидетельствует о
неравномерности контактных энергетических процессов,
происходящих на задних поверхностях резца. Здесь распределение
нагрузки неодинаково, что может приводить (возможно,
приводит) к локальным вспышкам температуры и потенциалов. Как
следствие, увеличиваются разряды и образуются очаги
микроизноса, которые, являясь концентраторами напряжений, в свою
очередь способствуют росту потенциалов. Эти явления
протекают настолько интенсивно, что приводят к переходу от
концентрированного (канавочного) износа вспомогательной задней
поверхности к воронкообразному износу. Такой вид износа
характерен в основном для пластичных материалов типа
незакаленных сталей, но может появляться и при точении
закаленных материалов, поскольку эти процессы протекают при
температуре 800° С и выше. При этих температурах уже нет
существенной разницы для закаленных и незакаленных сталей.
Таким образом, можно сделать вывод, что для улучшения
обрабатываемости материалов необходимо погасить вредное
влияние термоэлектрических процессов. Методы борьбы с
термоэлектрическими явлениями в технической литературе
освещены достаточно полно.
В области высоких скоростей резания нельзя пренебрегать
возможностью существенного влияния на износ инструмента
диффузионных процессов. В подтверждение этого следует
отметить тот факт, что резцы из гексанита-Р имеют большую
стойкость в сравнении с резцами из сплава Т30К4 именно при
скоростях резания выше 100 м/мин (см. рис. 11). Гексанит-Р
меньше склонен к диффузионным явлениям, чем твердые
сплавы при точении материалов на основе железа [4].
Тонкое точение спеченных порошковых материалов
антифрикционного класса следует производить резцами,
оснащенными режущими пластинами из лейкосапфира. Резцы из лей-
косапфира обладают наивысшей стойкостью и обеспечивают
наиболее высокие качественные и эксплуатационные свойства
обработанной поверхности.
Установлено значительное влияние на стойкость резцов
микроструктуры спеченного материала. Наименьшую стойкость
резцы из лейкосапфира имели при обработке спеченного
порошка материала со структурой перлит и включения
цементита, а наивысшую стойкость — при точении ферритовой
структуры.
При тонком точении сталей и спеченных порошковых
материалов в закаленном состоянии неоспоримыми
преимуществами обладают резцы из гексанита-Р. Инструментальные стали
в закаленном состоянии обрабатываются лучше, чем
аналогичные по составу спеченные порошковые материалы. Это связано
с тем, что спеченные порошковые материалы обладают более
низкой теплопроводностью.
5П

Разработанная аппаратура для исследования процесса
резания методом прозрачного инструмента открывает неплохие
лерспективы для дальнейшего изучения физических явлений,
сопровождающих процесс отделения стружки от основного
материала.
5. ШЕРОХОВАТОСТЬ ОБРАБОТАННОЙ
ПОВЕРХНОСТИ
Обработанная поверхность образуется в результате
одновременного действия как геометрических факторов, так и
пластических деформаций, сопровождающих этот процесс. При
изучении механизма образования поверхности основное
внимание следует уделять вопросу топографии. Одним из наиболее
важных параметров топографии обработанной поверхности
является шероховатость. С геометрической точки зрения
шероховатость образуется в результате копирования на
обрабатываемой поверхности траектории движения режущих лезвий
(кромок) инструмента определенной геометрической формы.
Пластические деформации, происходящие в зоне резания, сильно
искажают микрорельеф, получающийся в результате действия
геометрических факторов.
При обработке спеченных порошковых материалов
существенное влияние на величину шероховатости оказывает
остаточная пористость. При изучении процесса образования
шероховатости обработанной поверхности исследователь ставит
перед собой две задачи: во-первых, вывести аналитическую
зависимость для определения величины микронеровностей при
определенных условиях обработки; во-вторых, путем
экспериментов определить возможные границы применения формулы.
Рассмотрим это подробнее.
Расчет величины микронеровностей при тонком точении
спеченных порошковых материалов. Для аналитического
определения величины шероховатости обработанной поверхности при
точении существует ряд формул. Наиболее распространенной
из них (для чистовых операций) является формула Брам-
мерца
RzK = — + -^- (\ + I2s^l\ ,
Б 8г 2 \ s* J
т. е. предполагается, что обработка производится
инструментом, имеющим при вершине радиус г.
В свое время автором была предложена формула [161 Для
определения шероховатости при тонком точении
*V) =|- + р[1-соз(45°-Ю1{1 + г2р[1-С<ю;45°-Ю]), (7)
52

где 5 — подача, мм/об; г — радиус при вершине резца, мм;
р — радиус скругления режущей кромки инструмента, мм;
ji'— коэффициент трения пары инструмент-заготовка.
Эта формула позволяет учесть влияние коэффициента
трения пары инструмент — деталь. Последующие исследования
показали, что эта формула пригодна и для расчета
шероховатости при точении спеченных материалов, если учесть
увеличение шероховатости за счет остаточной пористости
обрабатываемого материала
/&п =т- +Р[1 -сое (45°-,01 X
х|1 + г2р[1-со^(45°-Ю| + ДГд. (8)
Предполагается, что наличие пор в пределах 10% будет
увеличивать шероховатость на 10%. Если строго подходить к
этому вопросу, то влияние пористости может быть более
значительным за счет неравномерного распределения пористости по
объему изделия, а также за счет изменения геометрических
факторов.
Следует отметить еще одно важное обстоятельство, что
влияние пористости на шероховатость тем значительнее, чем
выше пластичность и пористость обрабатываемого материала.
Например, при тонком точении спеченного материала типа
2X9 (НВ 150—160) шероховатость поверхности /?а=1,00 мкм,
а при обработке того же материала после отжига (НВ 125—
135) шероховатость поверхности /?а = 2,00 мкм. И это при
достаточно высокой плотности (низкой пористости) исходного
материала, равной 0,92—0,94. При тонком точении спеченного
материала в каленом состоянии (HRC 56—58) была достигнута
шероховатость обработанной поверхности /?а=0,16-^-0,32 мкм.
Пластические свойства спеченного материала оказывают
большое влияние на величину шероховатости обработанной
поверхности. При этом следует отметить, что пластичность
компактных материалов оказывает меньшее влияние на шероховатость
обработанной поверхности в сравнении со спеченными
материалами.
Остановимся более подробно на вопросе влияния
остаточной пористости на шероховатость обработанной поверхности
спеченных порошковых материалов. Чем выше требования к
обрабатываемой поверхности, тем большее влияние оказывает
остаточная пористость на величину шероховатости. Может
быть так, что из-за остаточной пористости невозможно будет
получать требуемую шероховатость обработанной поверхности.
Например, при изготовлении инструмента (матрицы) из
спеченного порошкового материала ПХ9 (HRC 58—62) необходи-
53

мо обеспечить шероховатость гравюры, равную 0,02—0,04 мкм,.
т. е. практически зеркальную поверхность без рисок, точек и
т. п. Однако при плотности заготовки 0,92—0,94 такую
шероховатость обеспечить не удалось. Пришлось применять более
современные способы получения высокоплотных заготовок
(горячее прессование), которые позволяют получать заготовки с
плотностью 0,99 и тем самым обеспечивают необходимую
шероховатость рабочих полостей инструмента.
Отдельные исследователи выдвинули гипотезу о том, что*
остаточная пористость оказывает благоприятное влияние на
работу инструмента из спеченных материалов. По их мнению,,
поры на рабочих поверхностях инструмента служат как бы
емкостями для накопления смазки, которая вытекает из поры
под воздействием выдавливаемого металла и растекается по»
гравюре матрицы, причем непосредственного контакта между
инструментом и изделием не происходит (по крайней мере в
пределах поры). Пора, по их мнению, является одновременно
барьером для распространения усталостной трещины, чем к
объясняется более высокая стойкость спеченного инструмента
в сравнении с инструментом из инструментальных сталей.
Насколько эта концепция верна, покажут будущие исследования.
Всякий дефект на рабочей поверхности детали вообще и на
рабочей поверхности инструмента в особенности является
концентратором напряжений и, как следствие, уменьшает срок
службы изделия. Следовательно, пора на поверхности
(открытая пора) является концентратором напряжений и оказывает
отрицательное влияние на эксплуатационные характеристики
изделия. Вместе с тем закрытая пора (расположенная внутри
изделия) является барьером для распространения усталостных
трещин.
Из сказанного следует, что оптимальной конструкцией
детали из спеченных материалов является такая, при которой
поверхностный слой не содержит пор (является компактным),
а лежащие ниже слои имеют какую-то (оптимальную с точки
зрения демпфирующих свойств материала) остаточную
пористость. В подтверждение этого приведем результаты некоторых
наших исследований. Были изготовлены две партии деталей из
спеченных инструментальных сталей с плотностью 0,96, причем
рабочая поверхность одной партии деталей была подвергнута
поверхностному пластическому упрочнению (и уплотнению,
поскольку плотность на поверхности деталей оказалась 0,99), иг
как следствие, износостойкость этих деталей была в 1,5—
2,0 раза выше, чем не прошедших поверхностное пластическое
уплотнение и упрочнение. Анализируя изложенное, можно
констатировать.
1. Наиболее существенное влияние на шероховатость
обработанной поверхности при точении спеченных порошковых
материалов оказывают пластические свойства, причем это влия-
54

ние более существенно, чем при точении аналогичных
компактных материалов.
2. Влияние пористости на шероховатость и
эксплуатационные характеристики деталей из спеченных материалов весьма
многогранно, и этот вопрос, по нашему мнению, может
составить предмет самостоятельного исследования.
Экспериментальное определение шероховатости
обработанной поверхности при тонком точении спеченных порошковых
материалов. На шероховатость обработанной поверхности
влияют следующие основные факторы: геометрия резца и
состояние режущей кромки, физико-механические свойства и
состояние обрабатываемого материала, состояние оборудования,
режимы обработки, пористость.
В качестве обрабатываемого материала использовали
спеченные порошковые материалы и компактные
инструментальные стали Х12 и сталь 45. Исследования проводили в
диапазоне скоростей 35—400 м/мин; предел изменения подач 0,01—
0,10 мм/об прц постоянной глубине резания 0,15 мм. При
точении спеченных порошковых материалов глубина резания
оказывает более существенное влияние на величину
шероховатости обработанной поверхности, чем при обработке компактных
материалов. Как показали исследования, отрицательное
влияние глубины резания на величину шероховатости обработанной
поверхности становится заметным при ^>0,3 мм, т. е. при
режимах, которые несвойственны тонкому точению. В данном
конкретном случае полагаем, что глубина резания не оказывает
существенного влияния на шероховатость обработанной
поверхности. Геометрия резца оптимальная, полученная после
стойкостных испытаний: a=<xi = 12°; r = 0,3 мм.
Для сравнения обрабатываемости поверхности
сопоставлялись значения высоты неровностей Ra. В качестве
инструментального материала использовали лейкосапфир и гексанит-Р.
Лейкосапфировые резцы применяли при продольном точении
незакаленных материалов и при свободном резании как
закаленных, так и незакаленных обрабатываемых материалов.
Резцы из гексанита-Р использовались только при продольном
точении спеченных и компактных сталей в закаленном состоянии.
При исследовании определяли влияние на шероховатость
обработанной поверхности: 1) скорости резания; 2) подачи;
3) износа инструмента.
Влияние скорости резания на шероховатость обработанной
поверхности. На основании результатов исследований для всех
материалов строились графики зависимостей Ra=f(v). На
рис. 17, а показано влияние скорости резания на
шероховатость обработанной поверхности спеченного материала
(структура — перлит) различной плотности: 85, 90 и 95%.
Пористость спеченных материалов отрицательно влияет на
шероховатость обработанной поверхности. Установлено, что ес-
55

Rq,mhm
2,5
2,0
15
10
0,5
20 40 50 80 100 120 W 150 v,m/muh
Fq,mkm a)
y1
У2
3
2,5
2,0
15
W
0,5
[/-/
vA
\L
ГН
ч^ ;
v i**"»**
О
4
^.^
/
A
^
ли плотность обрабатываемого материала ниже 90%, то
получить шероховатость поверхности /?а=0,63-М ,25 мкм не
представляется возможным, даже применяя резцы из лейкосап-
фира.
Влияние скорости резания на шероховатость при точении
спеченных материалов носит немонотонный характер. В
интервале скоростей 5—
50 м/мин наблюдается
горбообразность кривой
Ra=f(v) (аналогичной
кривым, получаемым при
точении компактных
сталей). Явления наростооб-
разования являются
основной причиной такой
закономерности.
Влияние скорости
резания на шероховатость
обработанной
поверхности при точении
спеченных порошковых
материалов, имеющих
различную структуру, показано»
на рис. 17, б.
Анализ полученных
результатов показывает,
что наименьшая
шероховатость обработанной
поверхности получается при.
тонком точении
спеченного порошкового
материала со структурой перлит.
Увеличение
шероховатости обработанной
поверхности наблюдается с
переходом от перлитной
структуры к ферритной.
Увеличение количества*
феррита в структуре
спеченного порошкового
материала увеличивает
шероховатость обработанной поверхности. Наибольшая
шероховатость обработанной поверхности наблюдается при точении
ферритовых порошковых материалов. Аналогичное влияние
феррита на шероховатость обработанной поверхности
наблюдается и при обработке стали, а также при чистовом точении»
спеченных порошковых материалов.
На рис. 17, в показано влияние скорости резания на шеро-
20 40 50 80 100 120 140 160 v,m/muh
Яа,мкм 6)
20 40 60 80 100 120 140 160 v, м/мин
б)
Рис. 17. Влияние скорости резания на
шероховатость обработанной
поверхности спеченного материала:
а —с различной плотностью: /—85%; 2—90%;
3—95% (структура перлитная); б —с
различной структурой: / — феррнтовая; 2 —феррит+
+перлит; 3— перлитная; в— при тонком
точении спеченных порошковых материалов (/, 2)
и при обработке стали У8 (3)
56

ховатость обработанной поверхности при точении спеченного
порошкового материала (кривые 1 и 2) и стали У8 (кривая 3).
Кривые J и 2 характеризуют влияние твердости на
шероховатость обработанной поверхности при точении спеченного
порошкового материала и стали У8 (кривая 3). Кривые 1 и 2
характеризуют влияние твердости на шероховатости
обработанной поверхности при тонком точении спеченного
порошкового материала плотностью 95%. Установлено существенное
влияние твердости спеченного порошкового материала на
величину шероховатости обработанной поверхности (кривая 1—
твердость НВ 105, кривая 2 — твердость 135). Такое влияние
твердости на шероховатость обработанной поверхности можно
объяснить увеличением пластичности спеченного порошкового
материала при уменьшении твердости. Подтверждением этого
■является шероховатость обработанной поверхности, полученная
при тонком течении стали У8 (твердость НВ 185—195). При
точении этой стали на оптимальных режимах (и=140-£-
4-150 м/мин; 5=0,03 м/об; /=0,15 мм) достигнута
шероховатость обработанной поверхности Ra=0,2^ 0,32 мкм.
Изучалось влияние скорости резания на шероховатость
обработанной поверхности при свободном резании спеченных
порошковых материалов. Применяли резцы из лейкосапфира.
Геометрия резца: a=3-f-6°; у=—10°. Специфика тонкого
точения (метод свободного резания) заключается в том, что для
этого процесса характерно снятие весьма тонких слоев
металла (0,003—0,03 мм). Но как остро не был бы заточен резец,
режущая кромка всегда имеет какой-то радиус р. Для
твердосплавных резцов и резцов из гексанита-Р он составляет 0,003—
0,010 мм. Для резцов из лейкосапфира (как показала
практика) р'=1-т-2 мкм и меньше [5].
Толщина срезаемого слоя соизмерима с радиусом скругле-
ния режущей кромки (p=0,001-f-0,010 mm; a=0,001 -е-0,015 мм).
Из этого следует, что скругленная режущая кромка имеет
«большое значение в деформировании срезаемого слоя и в
деформировании вновь обработанной поверхности.
Влияние скорости резания на шероховатость обработанной
поверхности при свободном резании спеченных порошковых
материалов изучалось в пределах 50—350 м/мин при s=
= 0,005 мм/об.
Скорость резания оказывает существенное влияние на
шероховатость обработанной поверхности при свободном резании
спеченных порошковых материалов. Меньшая шероховатость
обработанной поверхности обеспечивается при скорости
резания 200—250 м/мин и для исследованных режимов Ra=
=0,08 мкм. При тонком точении стали У8 была получена
шероховатость поверхности 0,032 мкм.
Влияние радиуса при вершине резца и подачи на шерохо-
57

ватость обработанной поверхности. Установлено, что радиус
при вершине резца оказывает существенное влияние на
стойкость резца и качество обработанной поверхности. Влияние
радиуса при вершине резца на шероховатость обработанной
поверхности спеченных материалов исследовалось в
диапазоне 0,1—1,0 мм. Глубина резания 0,1 мм; подача s=0,03 мм/об;
а=165 м/мин.
В результате исследований установлено, что увеличение
радиуса при вершине резца выше 0,3 мм приводит к увеличению
шероховатости обработанной поверхности. Это можно
объяснить тем, что на резец с большим радиусом при вершине резца
большое влияние оказывает сила резания. Особенно резко
увеличивается радиальная составляющая силы резания.
С изменением радиуса при вершине резца изменяются
условия пластической деформации в процессе стружкообразова-
ния, так как значительно изменяются средняя и максимальная
толщины срезаемого слоя. Увеличение радиуса при вершине
резца вызывает уменьшение толщины срезаемого слоя. Это
обстоятельство изменяет условия процесса стружкообразова-
ния. Отдельные участки режущей кромки резца должны
снимать стружку, толщина которой соизмерима с радиусом скруг-
ления режущего лезвия.
В наиболее сложных условиях (с точки зрения
работоспособности) оказывается вершина резца, где толщина срезаемого
слоя имеет минимальное значение. Может случиться так, что
при увеличении радиуса при вершине толщина срезаемого слоя
окажется значительно меньше радиуса скругления режущей
кромки, процесс резания окажется нестабильным и
шероховатость резко возрастет.
Влияние подачи на шероховатость обработанной
поверхности исследовалось при точении спеченного порошкового
материала (структура феррит+перлит) резцами, оснащенными
лейкосапфиром. Обработка производилась при скорости
резания 165 м/мин. Глубина резания 0,1 мм. Подача изменялась от
0,01 до 0,1 мм/об. На рис. 18 приводится график Rz=f(s).
(Параметр Rz выбран потому, что исследования преследуют цель
сопоставления расчетных (по формулам) и экспериментальных
значений величин микронеровностей, а формулы выведены для
параметра Rz). Кривая 1 построена по уравнению Браммерца,.
кривая 2 является экспериментальной, кривые 3 и 4
представляют уравнения (7) и (8) соответственно (см. табл. 12).
Анализ графических зависимостей показал, что влияние
подачи на величину шероховатости обработанной поверхности
является экстремальным. Наилучшая шероховатость
обработанной поверхности при точении спеченного порошкового
материала (структура феррит плюс перлит) резцами из лейко-
сапфира наблюдается при подаче 5 = 0,04 мм/об (кривая 2>
рис. 18).
58

При тонком точении спеченных материалов на микронеров-
иость обработанной поверхности влияет большое число
факторов. Однако существует такое сочетание этих факторов, при
котором величина
микронеровностей оказывается ми- Дг.мкм
нимальной, т. е. существует
оптимальное (с точки
зрения уменьшения величины
шероховатости) сочетание
их. Уменьшение или
увеличение одного из параметров
этого сочетания приводит к
ухудшению (увеличению)
микронеровностей
обработанной поверхности.
Например, экстремальное влияние
подачи на шероховатость
обработанной поверхности
можно объяснить тем, что
о уменьшением ее
уменьшается и минимальная
толщина срезаемого слоя. Это
приводит к тому, что радиус
скругления вспомогательной
режущей кромки
оказывается значительно больше ми-
лимальной величины
срезаемого слоя, а это приводит
к условию неустойчивого
процесса стружкообразова-
Ш¥
П7/
/ 1Н\
1 .hi \ \
щ
11 //! 1
ipi
1 1 N1^i3^CfJl I
|
i ! |
0,01 0,03 0,05 0,07 0,09 0,11s,mm/o&
Рис. 18. Влияние подачи на
шероховатость обработанной поверхности
при точении спеченного материала
лейкосапфировыми резцами
Таблица 12
Расчет величины микронеровности Rz по различным формулам (г=0,3 мм)
о
о
ча s, мм/
С
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
/0,07
По формул*
, мкм
из
а
8,20
5,00
4,10
4,00
4,16
4,50
z Браммерца
2S
ОС
N
ос
ос
82
38
24
19,5
22
И
Э,5
По формуле (7) с
учетом коэффициента
трения
s
а.
ос
3,90
2,70
2,58
2,80
3,03
3,58
^
^
ос
N
ОС
«
13,3
25
21,6
16,5
11
(
По формуле (8) с
учетом коэффициента
трения и пористости
S
2
и
*
4,3
2,97
2,84
3,08
3,34
3,94
^
ос
N
ос
ос
4,5
17,3
15
8
2
6
К
S
0>
С5
S
(Г.
о
К х
S *
as
4,5
3,6
3,3
3,35
3,4
3,75

ния и, как следствие, к увеличению шероховатости
обработанной поверхности. При минимальной (для данного радиуса
скругления вспомогательной режущей кромки) толщине
срезаемого слоя резко возрастает значение сил трения на задней
поверхности инструмента, которые могут превзойти по
абсолютной величине силы, действующие на переднюю поверхность
резца, что не может не отразиться на шероховатости
обработанной поверхности.
Влияние трения на износ инструмента и качество
обработанной поверхности при резании вообще, а при финишных
операциях в особенности чрезвычайно велико. Рассмотрим этот
вопрос несколько подробнее, применительно к тонкому точению
спеченных порошковых материалов.
Влияние износа инструмента на шероховатость
обработанной поверхности. Влияние износа инструмента на качество
обработанной поверхности чрезвычайно велико. Рассмотрим в
основном влияние износа инструмента на шероховатость
обработанной поверхности. Наиболее существенное влияние на износ
инструмента оказывают свойства обрабатываемого материала
и температура в зоне резания, причем последняя зависит от
режимов обработки, в особенности от скорости резания.
Чтобы избежать существенного влияния на результаты
исследований нароста и застойных явлений, эксперименты
проводились при скоростях резания, несвойственных для протекания
этих процессов, а именно для тонкого точения незакаленных
материалов лейкосапфировыми резцами — 50—350 м/мин, для
точения закаленных сталей и спеченных порошковых
материалов резцами из гексанита-Р — 80—250 м/мин. Глубина
резания /=0,1 мм; подача £=0,03 мм/об для сырых материалов и
5 = 0,05 мм/об для закаленных материалов. Использовались
резцы из лейкосапфира и гексанита-Р. Геометрические
параметры резцов: у==1°°» Ycp=—10°; Я=0; <р=45°; (p, = 15°;a=ai =
= 8°; /=0,2 мм; г«0,01 мм. Кроме того, использовались резцы
с радиусом при вершине г=0,3 мм. Точение производилось без
охлаждения.
Выбор двух разных геометрических параметров обусловлен
тем, что один является оптимальным для стойкости
инструмента, второй позволяет обеспечить наименьшую
шероховатость обработанной поверхности. Общеизвестна концепция о»
том, что при увеличении износа инструмента шероховатость
обработанной поверхности ухудшается. Аналогичные результаты
получены нами при точении спеченных порошковых
материалов резцами, имеющими при вершине радиус закругления г=
= 0,3 мм. С увеличением износа резца шероховатость
обработанной поверхности ухудшалась и при Аз'=0,1 мм была
выше (У?а=0,63 мкм).
Влияние радиуса при вершине на шероховатость
обработанной поверхности носит экстремальный характер. Наименьшая
60

1
/
/1
I
л
/
l\
/
\l
V
V
V
Л
L
/i
Л
1
J
/
aJ
Л
"1
Л
V
I
\l
li
It
a>
i
Ш
Mr
I 1 F
1 1 1 ] 1 I
л h Л
Ш1 i N\
,\ \ЩЛ М\шп
\l 1 У у\ц
it
Lki
шероховатость наблюдается при г=0,3—0,5 мм. Важно
отметить, что проведенные исследования по тонкому точению
компактных сталей привели к подобным результатам.
Следовательно, можно констатировать, что для конкретных условий
тонкого точения существует оптимальный радиус при
вершине, отклонение от которого в большую или меньшую сторону
приводит к ухудшению обработанной поверхности, и
возрастание износа инструмента
приводит также к ухудшению
шероховатости обработанной
поверхности.
Вместе с тем следует
отметить, что возрастание износа не
всегда сопровождается
ухудшением шероховатости
обработанной поверхности. При точении
стали 45 резцами из лейкосапфи-/
pa (v=10°; уф=—Ю°; Л=0; <р=
=45°; ф!=15°; a = ai = 8°; г»
^0,01 мм; /=0,2 мм) было
установлено, что при увеличении
износа резца по вспомогательной
задней поверхности от 0,01 до
0,05 мм шероховатость
обработанной поверхности несколько
улучшилась. Последующее
увеличение износа привело к
ухудшению шероховатости поверхно-»
сти. Такую закономерность
влияния износа инструмента на
шероховатость обработанной
поверхности можно объяснить следующим образом. При точении
новым резцом на обработанной поверхности остается след от
острозаточенного инструмента (см. рис. 19, а). Во время
работы инструмента происходит округление вершины резца и скруг-
ление режущих кромок его, т. е. происходит как бы
естественная оптимизация геометрических параметров инструмента.
Геометрические параметры инструмента принимают такие
формы и размеры, которые обеспечивают наиболее целесообразные
условия ведения процесса резания. На рис. 19, б показана
профилограмма обработанной поверхности, полученная после
30 мин работы тем же резцом. Профилограмма показывает, что»
шероховатость обработанной поверхности несколько
уменьшилась, а форма впадин стала более округлой.
При дальнейшем увеличении износа инструмента
происходит ухудшение шероховатости обработанной поверхности.
Иначе говоря, имеется факт экстремальности шероховатости
обработанной поверхности при возрастании износа инструмента.
<0
Рис. 19. Профилограммы
обработанной поверхности,
полученные при тонком точении
(вертикальное увеличение
10 000, горизонтальное 400):
а — острозаточным резцом; б
—изношенным (Л3-0,05 мм) резцом
61

Аналогичная картина наблюдается при тонком точении
резцами из различных инструментальных материалов и для всех
•обрабатываемых материалов (стали, чугуны, спеченные
порошковые материалы на основе железа).
Нам представляется целесообразным использовать
результаты этих исследований для оптимизации первоначальных
геометрических параметров инструмента.
п
ч
ы
/'
/ZS^
1 , 1 | ! |
rJALLj^X ЛОЛЫ
1
1 '
1 ! 1 1 ! 1
а)
^
\
А_
\
п
и..
Щ
1р
0 1
\
•4
^ыд
! i
^
-у
в__
Ml1
J I ft—
Hr i i |
_J ^ ^-J
i
6)
Рис. 20. Профилограммы обработанной (гексанит-Р) поверхности спеченной
стали Х12Мп (вертикальное увеличение—10 000, горизонтальное 400):
л — участок, не содержащий пор; б — участок на котором имеется остаточная пористость
При тонком точении спеченных порошковых материалов
существенное влияние на шероховатость обработанной
поверхности оказывает остаточная пористость. На рис. 20
представлены профилограммы обработанной поверхности спеченной
стали Х12М (HRC 60) резцами из гексанита-Р: у=100 м/мин;
£ = 0,05 мм/об; t=0,l мм. На рис. 20, а показана профилограм-
ма участка обработанной поверхности, не содержащего пор
(Ra = 0,32ч-0,63 мкм), а на рис. 20,6 показан участок,
содержащий три поры Л, 5, С (Ra=0,8-M,25 мкм). Результаты
этих исследований подтверждают концепцию о том, что при
высоких требованиях к обработанной поверхности поры
оказывают существенное влияние. В связи с этим нам представляется
целесообразным вводить операцию алмазного выглаживания
при изготовлении прецизионных деталей из спеченных
материалов.
й. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ
На основании проведенных исследований можно сделать
следующие выводы:
1. Остаточная пористость обрабатываемого материала
оказывает существенное влияние не только на стойкость
инструмента, но и на шероховатость обработанной поверхности.
Причем это влияние столь существенно, что рассмотренная группа
62

спеченных материалов должна быть отнесена к классу
труднообрабатываемых материалов. Например, рациональные
режимы тонкого точения спеченного материала (98,7% Fe+1,3% С):
а=50 м/мин; 5 = 0,05 мм/об; £ = 0,1 мм (геометрия лейкосапфи-
рового резца: a = ai = 8°; r = 0,3 мм), при этом стойкость
резцов 37 мин, в то время как стойкость резцов при точении стали
45 126 мин при скорости резания 145 м/мин.
2. При тонком точении спеченных порошковых материалов
инструментального класса (70% ПЖ1МЗ+30%'ПХ30) в
закаленном состоянии (HRC 58—60) и плотностью 95% стойкость
резцов из гексанита-Р (a = ai = 8°; r = 0,3 мм: / = 0,1 мм; s =
= 0,05 мм/об; ir=73 м/мин) составляет 29 мин, в то время как
при точении стали 9ХС (при аналогичных условиях) — 60 мин.
3. Тонкое точение спеченных порошковых материалов
антифрикционного класса следует производить резцами,
оснащенными режущими пластинами из лейкосапфира. Они обладают
наивысшей стойкостью и обеспечивают наиболее высокие
качественные и эксплуатационные свойства обработанной
поверхности.
4. Существенное влияние на стойкость резцов оказывает
микроструктура спеченного материала. Наименьшую стойкость
резцы из лейкосапфира имеют при обработке спеченного
порошкового материала со структурой перлит + включения
цементита, а наивысшую — при точении ферритовой структуры.
5. При тонком точении сталей и спеченных порошковых
материалов в закаленном состоянии неоспоримыми
преимуществами обладают резцы из гексанита-Р. Инструментальные сталет
в закаленном состоянии обрабатываются лучше, чем
аналогичные по составу спеченные порошковые материалы. Это
связано с тем, что спеченные порошковые материалы обладают
более низкой теплопроводностью.
6. Большое влияние оказывает износ инструмента на
шероховатость обработанной поверхности при тонком точении
деталей из спеченных материалов. Исследования показали, что
функция влияния износа инструмента на шероховатость
обработанной поверхности является экстремальной.
7. При тонком точении спеченных порошковых материалов
антифрикционного класса наиболее существенное влияние на
шероховатость обработанной поверхности оказывают
пластические свойства материалов, а при обработке спеченных
материалов в закаленном состоянии — пористость.
8. Разработанная аппаратура для исследования процесса
резания методом прозрачного инструмента открывает
перспективы для дальнейшего изучения физических явлений,
сопровождающих процесс отделения стружки от основного материала.
9. Изучено влияние режимов и геометрических параметров
резцов на температуру в зоне резания при тонком точении
спеченных порошковых материалов.
63;

10. Разработан новый метод измерения температуры по
инфракрасному излучению — метод прозрачного инструмента.
Этот метод позволяет с высокой точностью определить
расположение максимально термонапряженной зоны инструмента в
процессе работы.
11. Максимальная температура в процессе износа
инструмента изменяет месторасположение. Путем экспериментов
доказано, что наиболее термонапряженная зона резания
расположена в первой канавке износа по вспомогательной задней
поверхности инструмента. Износ инструмента оказывает более
существенное влияние на температуру в зоне резания, чем
подача и глубина (для исследованных режимов).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аваков А. А. Физические основы .теории стойкости режущих
инструментов. М., Машгиз, 1960, 210 с.
2. Белькевич Б. А., Николаев В. А. Прибор для измерения температуры
в зоне резания.—Промышленность Белоруссии, 1970, № 10, 56 с.
3. Белькевич Б. А., Николаев В. А. Стойкость резцов, армированных
ленкосапфиром, при тонком точении материалов.—В кн.: Прогрессивная
технология машиностроения. Минск, Вышэйшая школа, 1972, вып. 4,
с. 78—80.
4. Верещагин Л. Ф., Яковлев Е. Н., Слесарев В. Н. Сверхтвердый
материал на основе кубического нитрида бора.— Станки и инструмент, 1972, № 6,
с. 5—7.
5. Верещако Е. С, Летун Д. М. Некоторые особенности процесса тонкого
точения алмазными и рубиновыми резцами.—В кн.: Резание и инструмент.
Харьков, Харьковский государственный университет, 1970, вып. 1(13),
с. 15-17.
6. Геоданян С. О. Шероховатость обработанной поверхности при
шлифовании кругами из синтетического лейкосапфира.— Промышленность
Армении, 1969, № 9, с. 16—19.
7. Дечко Э. М. Обработка отверстий в металлокерамических деталях.
Минск, Наука и техника, 1965, 96 с.
8. Каменкович А. С, Музыкант Я. А. Применение резцов из эльбора-Р
в машиностроении.— Станки и инструмент. 1972, № 6, с. 5—7.
9. Капелевич И. И., Кононович А. Ю., Николаев В. А. Исследование
влияния режимов и геометрических параметров резцов на температуру
резания при точении металлокерамических материалов.—Порошковая
металлургия, 1970, Кя 8, с. 95—96.
10. Кисилев В. Н. Стружкообразование при тонком точении.—В кн.:
Технология и автоматизация машиностроения. Киев, Наукова Думка, 1971,
вып. 7, с. 34—39.
И. Кононенко В. И. Износ инструментов при резании
металлокерамических материалов. М., Машиностроение, 1972, с. 26—57.
12. Круглое Г. А. Обработка алмазными резцами деталей приборов. М.,
Машиностроение. 1968, с. 5—30.
13. Маркарян Г. К., Арутюнян А. М. Оптимизация геометрии режущей
пластинки из синтетического корунда.— Промышленность Армении, 1970,
Л° 7, с. 29-31.
14. Методы и приборы для контроля качества кристаллов рубина/Под
ред. С. В. Грум-Гржимайло, М. В. Классен—Неклюдова. М., Наука, 1968,
106 с.
^64

СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие 3
1. Получение деталей методами порошковой металлургии .... 5
2. Инструментальные материалы 12
3. Физические явления, сопровождающие процесс резания спеченных
порошковых материалов 18
4. Износ и стойкость резцов при тонком точении спеченных материалов 41
5. Шероховатость обработанной поверхности 52
6. Практические рекомендации 62
Список литературы 64