Скорость резания

Скорость резания — это кинематический параметр процесса обработки материалов резанием, определяемый как путь, пройденный точкой режущей кромки инструмента относительно заготовки в единицу времени. Скорость резания является одним из главных факторов, влияющих на производительность обработки, стойкость инструмента, качество обработанной поверхности и энергозатраты. Выбор оптимальной скорости резания для конкретных условий (материал заготовки, материал инструмента, тип обработки, требуемая шероховатость) представляет собой ключевую инженерную задачу в металлообработке, деревообработке и других отраслях промышленности.

Определение и физическая сущность

Скорость резания (\(V\)) — это векторная величина, характеризующая относительное движение инструмента и заготовки в зоне резания. Она складывается из скорости главного движения (например, вращения заготовки на токарном станке или вращения фрезы на фрезерном) и скорости движения подачи. Однако, в подавляющем большинстве практических случаев, скорость подачи (\(S\)) настолько мала по сравнению со скоростью главного движения, что ею пренебрегают, и скорость резания приравнивают к скорости главного движения.

Физически скорость резания определяет интенсивность взаимодействия режущего клина инструмента с материалом заготовки. При увеличении скорости возрастает температура в зоне резания, изменяются силы трения, деформации и отвода стружки. Это напрямую влияет на механизм износа инструмента — от абразивного и адгезионного до диффузионного и окислительного.

Формулы для расчета

В зависимости от вида обработки (точение, фрезерование, сверление, шлифование) используются различные формулы.

Точение, растачивание, сверление (вращение заготовки или инструмента)

Для токарных и расточных работ, а также для сверления, где главное движение — вращательное, скорость резания рассчитывается по формуле:

\[ V = \frac{\pi \cdot D \cdot n}{1000} \]

где:

• \(V\) — скорость резания, м/мин;
• \(\pi\) — математическая константа (3,14159);
• \(D\) — диаметр обрабатываемой поверхности (для точения — диаметр заготовки, для сверления — диаметр сверла), мм;
• \(n\) — частота вращения шпинделя, об/мин.

Деление на 1000 необходимо для перевода миллиметров в метры.

Фрезерование (вращение инструмента)

При фрезеровании формула аналогична, но диаметр \(D\) — это диаметр фрезы:

\[ V = \frac{\pi \cdot D \cdot n}{1000} \]

Шлифование

При шлифовании скорость резания — это окружная скорость шлифовального круга, которая может достигать 30–80 м/с (1800–4800 м/мин). Расчет ведется по той же формуле, где \(D\) — диаметр круга.

Классификация скоростей резания

Скорости резания классифицируют по величине и по характеру обработки.

По величине (для металлообработки)

• Низкие скорости (до 50 м/мин): характерны для обработки труднообрабатываемых материалов (нержавеющие стали, титановые сплавы, жаропрочные сплавы) инструментами из быстрорежущей стали (Р6М5, Р18) или твердых сплавов с низкой теплопроводностью. Также применяются при нарезании резьбы метчиками и плашками.
• Средние скорости (50–200 м/мин): типичны для обработки конструкционных сталей и чугунов твердосплавными инструментами (ВК8, Т15К6). Наиболее распространенный диапазон в универсальном машиностроении.
• Высокие скорости (200–800 м/мин): используются при обработке алюминиевых и магниевых сплавов, а также при чистовой обработке легированных сталей инструментами с износостойкими покрытиями (TiN, TiAlN, AlCrN). Применяются на станках с ЧПУ.
• Сверхвысокие скорости (свыше 800 м/мин, до 3000–5000 м/мин): реализуются на высокоскоростных обрабатывающих центрах (HSM — High Speed Machining) преимущественно для обработки алюминия, композитов и пластмасс. Требуют специальных шпинделей (с частотой вращения до 30 000–60 000 об/мин) и инструмента с высокой динамической балансировкой.

По виду обработки

• Черновая обработка: скорости обычно ниже, так как снимаются большие припуски (глубина резания 3–10 мм), что вызывает высокие нагрузки на инструмент.
• Чистовая обработка: скорости выше, так как снимаются малые припуски (0,1–1 мм), и приоритетом является качество поверхности и точность.

Факторы, влияющие на выбор скорости резания

Выбор скорости резания является компромиссом между производительностью и стойкостью инструмента. Основные факторы:

1. Обрабатываемый материал: твердость, прочность, теплопроводность, химическая активность по отношению к материалу инструмента. Чем тверже и вязче материал, тем ниже допустимая скорость.
2. Материал и геометрия инструмента: быстрорежущая сталь (HSS) допускает скорости в 3–5 раз ниже, чем твердый сплав. Керамические и сверхтвердые материалы (кубический нитрид бора, поликристаллический алмаз) могут работать на скоростях, в 10–20 раз превышающих скорости для HSS. Важны также углы заточки, радиус при вершине, наличие стружколомов.
3. Тип обработки: точение, фрезерование, сверление, строгание. При прерывистом резании (фрезерование) скорости обычно ниже, чем при непрерывном (точение), из-за ударных нагрузок.
4. Глубина резания и подача: увеличение глубины и подачи требует снижения скорости для сохранения температуры в допустимых пределах.
5. Требования к качеству поверхности: для получения низкой шероховатости (Ra 0,4–0,8 мкм) часто применяют повышенные скорости, так как при этом уменьшается нарост на режущей кромке.
6. Жесткость системы СПИД (станок — приспособление — инструмент — деталь): недостаточная жесткость приводит к вибрациям, которые разрушают инструмент. В таких случаях скорость приходится снижать.
7. Наличие СОЖ (смазочно-охлаждающей жидкости): применение эмульсий, масел или тумана позволяет увеличить скорость на 15–30% за счет снижения температуры в зоне резания.

Влияние скорости резания на стойкость инструмента

Зависимость стойкости инструмента (\(T\)) от скорости резания (\(V\)) описывается эмпирическим уравнением Тейлора:

\[ V \cdot T^m = C \]

где:

• \(V\) — скорость резания, м/мин;
• \(T\) — стойкость инструмента, мин (время работы до затупления);
• \(m\) — показатель степени, зависящий от материала инструмента и условий обработки (обычно 0,1–0,5);
• \(C\) — константа, зависящая от конкретных условий.

Из уравнения следует, что даже небольшое увеличение скорости (на 10–20%) может привести к резкому (в 2–3 раза) снижению стойкости инструмента. Поэтому на практике часто выбирают не максимально возможную, а экономически оптимальную скорость, при которой сумма затрат на инструмент, его переточку и время обработки минимальна.

Скорость резания в различных отраслях

Металлообработка

• Сталь конструкционная (Ст3, 45): 80–200 м/мин (твердосплавный инструмент).
• Чугун серый (СЧ20): 60–120 м/мин (твердосплавный инструмент).
• Алюминиевые сплавы (Д16, АК6): 300–800 м/мин (твердосплавный инструмент).
• Нержавеющая сталь (12Х18Н10Т): 40–80 м/мин (твердосплавный инструмент).
• Титановые сплавы (ВТ6): 20–50 м/мин (твердосплавный инструмент).

Деревообработка

Скорости резания в деревообработке значительно выше, чем в металлообработке, из-за низкой прочности и теплопроводности древесины.

• Продольное пиление: 40–80 м/с (2400–4800 м/мин).
• Фрезерование: 30–60 м/с (1800–3600 м/мин).
• Шлифование: 20–30 м/с (1200–1800 м/мин).

Обработка пластмасс и композитов

Скорости резания для пластмасс (полиамид, полиэтилен, текстолит) могут достигать 500–1500 м/мин. Для углепластиков и стеклопластиков скорости обычно ниже (100–300 м/мин) из-за абразивного воздействия наполнителя.

Измерение скорости резания

На производстве скорость резания не измеряется непосредственно в процессе резания. Она рассчитывается по заданной частоте вращения шпинделя и диаметру обработки. Для контроля частоты вращения используются тахометры (контактные и бесконтактные) и датчики оборотов, встроенные в приводы станков. В современных станках с ЧПУ скорость резания является одним из программируемых параметров (код G96 — постоянная скорость резания, G97 — постоянная частота вращения).

Источники

1. Грановский Г.И., Грановский В.Г. Резание металлов: Учебник для машиностроительных специальностей вузов. — М.: Высшая школа, 1985.
2. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. / Под ред. А.М. Дальского, А.Г. Косиловой, Р.К. Мещерякова. — М.: Машиностроение, 2001.
3. Ящерицын П.И., Ефремов В.Д. Теория резания: Учебное пособие. — Минск: Вышэйшая школа, 2005.
4. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов. — М.: Машиностроение, 1975.
5. ГОСТ 25761-83. Обработка резанием. Термины и определения.