Сказка о шероховатости

Спорят технолог по механообработке, конструктор и специалист по сварке. Технолог упрашивает изменить материал сварной корпусной детали, а его оппоненты не соглашаются. Сварщик говорит, что сталь с большим содержанием углерода плохо варится, конструктору просто не хочется заниматься изменениями. Он знает, что за изменения его будут ругать: что это ты сразу правильно не спроектировал?

Обращаются ко мне: «Ты, старый Стружколом, у нас большой авторитет во всех делах, не зря тебя одни величают аксакалом, другие академиком. Технолог в малоуглеродистой стали не может получить хорошую шероховатость в отверстии под подшипник. Говорит, что все перепробовал, а результат все равно неудовлетворительный. Конструктор на худшую шероховатость не согласен, а сварщик не хочет изменить материал». Говорю: «Подождите денек, все осмотрю и выскажу свое мнение».

Пошел в цех на рабочее место. Горизонтально-расточной станок с ЧПУ, не самый новый, но у нас новых вообще на всем заводе нет. Обходимся тем, что до перестройки закупили. Паренек молодой на нем работает. Познакомились. Окончил полгода назад машиностроительный колледж и начал работать оператором на станке с ЧПУ. «А кто программы тебе разрабатывает?». С гордостью отвечает: «Я сам. Сейчас у нас в цехе серийность снизилась, а номенклатура выросла. Тем, кто умеет программировать доверили самим готовить управляющие программы. Я работаю в режиме оперативного управления, как на станках с ручным программным управлением». Порадовался я: грамотный парень, в политехнический институт заявление подал, побольше бы таких на рабочие места.

«Что за проблемы у тебя с расточкой?». «Вот посмотрите в отверстие, первые 5 мм еще ничего, а дальше сплошные рытвины, резец не режет, а рвет. Приглашал цехового технолога, он сказал, что на Стали 3 ничего лучше получить не удастся. Говорят, будут материал изменять».

«А как ты режимы резания выбирал?». «Мне сказали, что обороты нужно задать побольше, а подачу поменьше, я так и сделал. Обороты шпинделя 1000 в минуту, подача 2 мм/мин. Материал резца Т15К6». «А какая у тебя скорость резания?». Замялся, чувствую, не знает толком, что это такое. Видно, в колледже что-то упустили. Приходится начинать ликбез.

«Главное для нормального резания - правильно выбрать режимы обработки. От скорости зависит стойкость инструмента, а шероховатость в наибольшей степени определяется не скоростью, а подачей. У тебя отверстие диаметром 150 мм. Скорость резания v подсчитывается по формуле, которую ты никогда не должен забывать v = πDn/1000. Назовем эту формулу первой. У тебя n = 1000 мин^-1, D = 150 мм, π = 3,14. Получим скорость резания v = 3,14·15·1000/1000 = 471 м/мин. Для твердого сплава Т15К6 это очень, очень много. На твоем чистовом проходе, когда ты снимаешь припуск на сторону 0,25 мм, достаточно 160 м/мин. Запомни, что увеличение скорости на 25 % снижает стойкость инструмента в два раза, а ты превысил скорость резания почти в три раза. Вот у тебя инструмента и хватало на несколько миллиметров длины отверстия. Давай посчитаем по формуле п= 1000v/πD, какие обороты нужно иметь. Вот видишь, всего лишь 340 мин^-1.

Теперь разберемся с подачей. У тебя в чертеже стоит R_a 1,25 мкм. Запомни вторую формулу s_o = 0,14 √(r·R_a), s_o - это подача на один оборот резца, измеряется в мм/об. А ты в программе задавал не подачу на один оборот, а минутную подачу s_мин = 2 мм/мин. Запомни третью формулу s_мин = s_o·n. У тебя подача на оборот резца равнялась s_o = 2/1000 = 0,002 мм/об. Резец не может работать с такими малыми подачами. На лезвии есть некоторое округление, которое измеряется не тысячными, а сотыми долями миллиметра. Значит, и подачи должны быть большими.

Вторая формула покажет, какую подачу нужно иметь, чтобы получить нужную шероховатость. Формулу я сам придумал, нигде в литературе такую не находил, хотел ею гордиться. Есть же люди, которые что-то одно придумают и этого хватает на всю жизнь. Как бы здорово звучало: «формула старого Стружколома»! Но посмотрел я в компьютере уважаемой шведской инструментальной фирмы Сандвик Коромант, как подсчитывают подачу по значениям r и R_a, и увидел, что они используют эту же формулу. У них для гордости куда больше оснований, чем у меня.

Во второй формуле имеется r - это радиус при вершине инструмента в миллиметрах. Посмотри сверху на переднюю грань своего резца. У тебя этот радиус никак не меньше, чем 0,2 мм. Точное его значение можно определить на проекторе. Тебе настраивают резцы на приборах. Там можно увидеть точно, какой радиус при вершине. Давай посчитаем, какая подача нужна, чтобы получить шероховатость 1,25 микрометра. s_o = 0,14√(0,2·1,25) = 0,07 мм/об.

За сколько времени ты выполнял растачивание отверстия длиной 40 мм? Для этого нужно знать четвертую формулу: t_o = L/s_мин = 40/2 = 20 мин. Ты двадцать минут тратишь на один рабочий ход! А стойкость резца при используемой тобой огромной скорости резания составляет 2-3 мин. Вот и получается, что на первых пяти миллиметрах шероховатость еще допустимая, а дальше совсем негодная.

Сколько времени мы затратим при работе с нормальными режимами? Минутная подача будет равна: s_мин = 0,07·340 = 23,8 мм/мин. И время на один проход: t_о = 40/23,8 = 1,7 мин. Мы повысим производительность почти в 12 раз. И стойкость резца будет нормальная, и шероховатость будет та, которая необходима».

После изменения режимов были получены все требуемые показатели качества при большом росте производительности.

Другая часть моего рассказа о более серьезном. В чугунных корпусах шпиндельных бабок станков есть отверстия, в которых монтируют опоры шпинделей. Требования к точности этих отверстий очень жесткие, иначе точность вращения шпинделя собранного станка будет невысокой, подшипники будут перегреваться, виброустойчивость станка будет низкой. Растачиваем мы эти отверстия в специальном приспособлении, которое нами придумано. Все показатели точности очень хорошие, кроме шероховатости, она требуется по R_a в пределах 0,63 мкм. Резцы из лучшего отечественного материала для чистовой обработки чугуна ВК3М. Режимы все выбраны нормальные. Но технологическая система не очень жесткая, и остается единственный резерв - подобрать хорошие расточные резцы. Обратились к самым лучшим специалистам по режущим инструментам. Вы знаете, где их разыскать? Если вы этот журнал читаете, то вам искать их проще. Они и журнал выпускают, и по инструментам самую квалифицированную помощь окажут.

Дали они нам на пробу 4 вида чужеземных расточных резцов. Три резца твердосплавных с различной геометрией (у одного Wiper), а четвертый из кубического нитрида бора. Ничего мы хорошего твердосплавными резцами по шероховатости не получили, а резец из кубического нитрида бора на первой детали дал по шероховатости неплохие результаты, а на второй скололся. Задумались мы: а вдруг скол - это случайность? У нас такой же материал, эльбор, тоже нестабильностью отличается.

Изготовили эльборовые резцы. Просто переточили вставки к фрезам, мы их на заводе широко применяем для фрезерования чугуна и обработки закаленных стальных и чугунных поверхностей. На сыром чугуне скорость резания можно запредельную дать, шероховатость получишь просто блеск, и в прямом, и переносном смысле. Пальцем по поверхности водишь, палец чистый. Все поры и графитовые включения затянула стальная основа чугуна. А вот при растачивании точных отверстий повторить такое не удается. Лет тридцать назад намучались мы, пытаясь внедрить эльбор при чистовой расточке отверстий в чугунных деталях, и не смогли справиться с обратным конусом. Это такой конус, при котором в начале отверстие имеет меньший размер, а в конце больший. При прямом конусе сказывается износ инструмента, а при обратном тепловое расширение самого резца и припоя, который крепит режущий элемент к державке.

Вспомнил я, что и твердосплавные резцы дают в отверстиях обратный конус, если скорость резания очень повысишь. Охлаждение в нашем случае не применишь, от грязи избавиться не сможешь. И пришла мысль использовать эльборовые расточные резцы не для повышения производительности и точности обработки, а только для улучшения шероховатости.

Знаете, получилось. Скорость резания для эльбора смехотворная, всего 120 м/мин. Производительность та же, что при работе твердосплавным инструментом, но зато шероховатость не хочется таким шершавым словом называть. Куда лучше звучит - чистота поверхности - R_a 0,4 мкм.

Так зачем я эту сказку рассказал? Шероховатость хорошую можно получить многими способами. Но всегда нужно пытаться решить проблему наиболее простыми путями. Без хонингования, притирки, раскатывания и прочей дополнительной обработки. И, конечно, без изменения материала обрабатываемой заготовки.