К ВОПРОСУ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБРАБАТЫВАЕМОСТИ МАТЕРИАЛОВ

Обрабатываемость материалов – одно из важнейших технологических свойств, характеризующее совокупность качеств материала, которая определяет способность материала поддаваться обработке режущими инструментами. С другой стороны, можно сказать, что обрабатываемость металлов резанием отражает способность металлов ограничивать производительность их обработки, вызывать затруднения в обеспечении требуемой точности и качества обработанной поверхности, требовать для своей обработки специальных приспособлений и вообще вносить всякие трудности в их обработку.

Различают обрабатываемость лезвийными инструментами, абразивными инструментами (шлифуемость), обрабатываемость методами физико-химической обработки и др. Преобладающее положение лезвийной обработки в структуре современного машиностроение обусловило наибольшее развитие методов определения обрабатываемости для лезвийной обработкой. Причем, подавляющая часть этих методов разработана для оценки обрабатываемости металлов.

Анализ литературных источников, посвященных обрабатываемости, показал, что понятие обрабатываемости является сложным и не имеет строгого определения. Разные исследователи понимают под этим термином разные величины и используют различные показатели обрабатываемости (ПО). Для получения качественных оценок обрабатываемости ("лучше" – "хуже") используются абсолютные значения показателей обрабатываемости. А для получения количественных оценок – относительные, приведенные величины показателей обрабатываемости, получаемые сравнением величины показателя для исследуемого материала с величиной показателя для материла, выбранного в качестве эталона.

Выбор того или иного показателя обрабатываемости зависит от потребностей производства и его целей. Так при условиях дефицита какого-нибудь вида режущего инструмента следует выбирать показатели обрабатываемости, обеспечивающие снижение его расхода (максимум стойкости), при условии интенсификации обработки – показатели, обеспечивающие максимальную скорость резания, при условии нежесткости детали – силу резания, при проблемах с удалением стружки – показатели стружкодробления, при высоких требованиях к качеству обработанной поверхности – шероховатость и глубину дефектного слоя и т.д.

Использование известных на сегодняшний день показателей обрабатываемости накладывают на процесс резания некоторые (и часто весьма большие) ограничения. Большинство оценок обрабатываемости необходимо проводить на одной технологической операции в одинаковых условиях для одинаковых режущих инструментов, изготовленных из одного и того же инструментального материала. Другими словами, показатели обрабатываемости оценивают не свойства обрабатываемого материала подвергаться обработке вообще, а способность подвергаться вполне конкретной обработке во вполне конкретных условиях. Это объясняется тем, что процесс обработки резанием является чрезвычайно сложным физико-химическим процессом, зависят от большого числа факторов, характеризующих условия обработки (Ф_i): вида обработки, параметров режима резания, сочетания инструментального и обрабатываемого материалов, геометрических параметров режущего инструмента, технологических условий и других факторов.

Результатом воздействия этих факторов на процесс резания являются различные механизмы взаимодействия инструмента и обрабатываемого материала, а также широкий спектр давлений и температур, действующих в зоне резания. Это приводит к сильной зависимости величины параметра обрабатываемости материала от вышеперечисленных факторов. Поэтому нельзя говорить об обрабатываемости "вообще" без указания особенностей производимой операции. Необходимо четко указывать инструментальный материал, вид обработки, параметры режима резания (или диапазон их изменения) и т.д.

Учитывая зависимость параметров обрабатываемости от условий обработки можно записать выражение, описывающее "функцию обрабатываемости" в многомерном (по количеству факторов) поле факторов обработки:

При использовании различных показателей обрабатываемости используются различные "функции обрабатываемости", которые не позволяют сравнивать обрабатываемые материалы между собой. Так, материал, имеющий хорошую обрабатываемость по критерию стойкости инструмента может иметь плохую обрабатываемость по показателю качества обработанной поверхности и наоборот.

При определении большинства показателей обрабатываемости многомерные "функции обрабатываемости" не используются. Используются лишь одномерные функции, получающиеся из многомерной при введении некоторых ограничений на условия обработки (рис.1). При этом показатели обрабатываемости теряют инвариантность – независимость от условий обработки – возможное изменение подачи и глубины резания, марки инструментального материала, вида операции, СОТС и других факторов приведет к изменению показателя.

На практике чаще всего используют показатели относительной обрабатываемости, определяемые как отношение параметров обрабатываемости, достигаемых в одинаковых условиях обработки (Ф_i=const) – К=ПО₂/ПО₁. "Функция обрабатываемости" при этом вырождается в точку (см. рис.1). Таким способом определяют, например, обрабатываемость по скорости резания (ПО), обеспечивающей заданную стойкость (Ф_i)

Другими словами – из всей многомерной функции, описывающей обрабатываемость материала используется только одна точка, что сильно сужает область поиска лучшей обрабатываемости и не всегда оправданно.

Исходя из определения обрабатываемости, можно сказать, что обрабатываемость показывает то, на сколько трудно (сложнее, дольше, дороже и т.д.) обрабатывать материал. В современных условиях степень "трудности" обработки лучше всего характеризуют себестоимость и производительность обработки – материал с пониженной обрабатываемостью обрабатывается с меньшей производительностью и с большими материально-техническими затратами. Другими словами, обрабатываемость материалов резанием определяет производительность и себестоимость обработки. Поэтому автор предлагает использовать в качестве показателей обрабатываемости величины себестоимости и производительности обработки. Эти показатели не имеют указанных выше недостатков и позволяют:

- рассчитывать значения "абсолютной" обрабатываемости, не зависящей от условий обработки;

- сравнивать обрабатываемость конструкционных материалов при обработке в различных условиях – на различных технологических операциях, с разными параметрами режима резания, различными инструментами, с использованием различных станков и приспособлений;

- определить относительную обрабатываемость материалов, рассчитав отношение себестоимости (производительности) обработки исследуемого материала к себестоимости (производительности) обработки эталонного: К'=ПО'₂/ПО'₁

Кроме того, эти показатели отвечают потребностям производства, которое в современных условиях стремиться иметь информацию о том "как дорого" или "как быстро" можно обработать данный конструкционный материал.

Для получения величины "абсолютной" обрабатываемости необходимо построить зависимость себестоимости (производительности) от факторов, характеризующих обработку (рис.1). После чего найти минимум (для себестоимости) или максимум (для производительности) – ПО'₂ на рис.1. Эти величины и можно считать показателями "абсолютной" обрабатываемости. Причем, это – наилучшее значение показателя для любых условий.

Из показателей обрабатываемости по себестоимости и производительности путем введения некоторых ограничений легко получить другие используемые в настоящее время показатели обрабатываемости – по скорости, по стойкости и др. (это будет показано ниже).

При определении показателей обрабатываемости по себестоимости или производительности могут возникнуть трудности при получении многомерной "функции обрабатываемости" из-за большого числа факторов и, следовательно, большого числа необходимых экспериментов. Однако количество экспериментов можно значительно сократить, учтя то, что факторы, влияющие на процесс резания и обрабатываемость, на практике могут изменяться в ограниченных пределах, определяемых конкретными условиями производства. Так, параметры режима резания ограничены возможностями технологического оборудования, применение инструментального материала ограничено организационно-экономическими причинами и т.д. Кроме того, скорость резания должна быть ограничена из-за ограниченной теплостойкости инструментального материала, шероховатость поверхности ограничена геометрией лезвийного инструмента и величиной подачи и т.д.

Показатели обрабатываемости по производительности и себестоимости обработки одной детали можно определить как:

,                                                          (1)

где Р – производительность, t_шт – штучно-калькуляционное время; С – себестоимость обработки детали, С_1часа – приведенная стоимость работы одного часа данного технологического оборудования, включающая стоимость инструмента, стоимость применяемых приспособлений и технологической оснастки.

С учетом того, что для условий определенного производства , а основное время для токарной обработки описывается выражением  можно записать:

,                                      (2)

где D – диаметр детали, t_Σ – срезаемый припуск, L – длина детали, V – скорость резания, S – подача, t – глубина резания.

Предлагаемые показатели обрабатываемости в явном виде включают в себя параметры режима резания (V, S, t). Кроме того, в них в неявном виде включены следующие характеристики:

−       условия производства (тип производства, используемые станки и приспособления и др.), которые влияют на величины коэффициентов k и C_1часа;

−       шероховатость обработанной поверхности, которая определяет подачу S и глубину резания t.

−       сила резания, которая влияет на показатели обрабатываемости через подачу и глубину резания;

Относительную обрабатываемость по себестоимости (K_с) и производительности (K_р) можно определить из отношения себестоимостей и производительностей, достигаемых при обработке исследуемого и эталонного материалов:

;                                                                 (3)

где K_с – коэффициент обрабатываемости по себестоимости; К_р – коэффициент обрабатываемости по производительности; С_и, С_э, Р_и, Р_э – себестоимость и производительность обработки исследуемого и эталонного обрабатываемых материалов, соответственно.

Выражение (3) для определения относительной обрабатываемости по себестоимости можно преобразовать следующим образом:

                                          (4)

Если обработка исследуемого и экспериментального материалов производится на одном и том же производстве, на одинаковых станках, с использованием одних и тех же приспособлений и инструментов, то С_1часа=const. Тогда из (4) с учетом (3) получаем:

                                                           (5)

Другими словами, при введении ограничений на тип производства, оборудование, инструмент и приспособления показатель обрабатываемости, определенный по минимальной себестоимости преобразуется в показатель обрабатываемости по производительности.

Исходя из выражения для определения относительной обрабатываемости по производительности (3) с учетом (2) получим:

                               (6)

В случае, когда обрабатываемость определяется на одной и той же детали при обработке в условиях одного и того же производства (k_и= k_э):

                                                               (7)

В случае обработки с постоянными подачей и глубиной резания для показателя относительной обрабатываемости по производительности получим выражение, совпадающее с выражением, используемым для определения обрабатываемости по скорости резания:

                                                                     (8)

Введение других ограничений на процесс обработки, по-видимому, позволит вывести из выражений (3) выражения для определения обрабатываемости по стойкости инструмента, по силе и мощности резания, по качеству обработанной поверхности и другим параметрам обрабатываемости.

Итак. Определение обрабатываемости материалов по себестоимости и производительности их обработки является наиболее общим показателем обрабатываемости. Показатели обрабатываемости по себестоимости и производительности позволяют сравнивать обрабатываемость материалов при их обработке на различных технологических операциях, разными инструментами, с использованием разных вспомогательных и технологических приспособлений, а также при изменении других условий обработки.