Техносфера - Обработка резанием сталей, жаропрочных и титановых сплавов с учетом их физико-механических свойств

Содержание

Предисловие 9

Методические указания для расчета режимов резания 14

Условные обозначения, принятые в книге 16

Формулы выдающихся российских ученых, оказавших большое влияние

на развитие науки о резании металлов 19

Глава 1. Общие сведения о материалах 20

1.1.

Физико-механические свойства конструкционных сталей

и жаропрочных сплавов 20

1.2.

Титановые сплавы 26

1.3.

Выбор инструментальных материалов 30

1.4.

Рекомендации по выбору режущего инструмента 43

1.5.

Сверхтвердые инструментальные материалы для обработки

сталей и титановых сплавов 49

1.6.

Соотношение некоторых внесистемных единиц с единицами СИ 56

1.7.

Деформации и напряжения при резании металлов 56

1.8.

Упрочнение (наклеп) 60

1.9.

Cоотношения между показателями прочности, твердости

и пластичности 86

Глава 2. Процесс резания металлов 90

2.1.

Контактные процессы на передней поверхности 90

2.2.

Контактные процессы на задней поверхности инструментов 97

2.3.

Напряжения и силы, действующие в процессе резания 99

2.4.

Постоянная силы резания. Формула профессора С. Ф. Глебова 109

2.5.

Определение сил при резании 114

2.6.

Средний коэффициент трения при резании металлов 122

2.7.

Примеры определения сил резания 127

2.8.

Напряжения и силы на задней поверхности инструмента 135

2.9.

Примеры определения сил на задней поверхности инструмента 148

2.10.

Влияние угла наклона главной режущей кромки на силы

резания 151

Глава 3. Определение элементов режима резания 153

3.1.

Введение 153

3.2.

Выбор глубины резания 154

3.3.

Расчет подачи s 157

3.4.

Формулы д. т. н., профессора В. К. Старкова для определения

длины и глубины пластически деформируемого слоя 159

3.5.

Расчет подачи исходя из минимальной глубины упрочнения (H  0) 161

3.6.

Примеры определения подачи s0 и глубины наклепа H 163

3.7.

Факторы, лимитирующие выбор подачи s 168

3.8.

Обрабатываемость сталей и жаропрочных сплавов 171

3.8.1.

Определение скорости резания 171

Содержание

3.8.2.

Формула к. т. н. Н. И. Ташлицкого для определения скорости

резания 175

3.8.3.

Практические примеры расчета скорости резания для

различных марок сталей и сплавов 188

3.8.4.

Прорезка канавок (пазов) и отрезка резцом 216

Глава 4. Строгание 220

4.1.

Силы резания при строгании 220

4.2.

Выбор глубины резания и расчет подачи 221

4.3.

Определение скорости резания 223

4.4.

Примеры определения скорости резания при строгании 225

Глава 5. Cверление 229

5.1.

Конструктивные элементы сверла и параметры резания 229

5.2.

Определение глубины резания и подачи 230

5.2.

Силы резания и момент резания при сверлении 232

5.3.

Расчет подачи so при сверлении 235

5.4.

Определение скорости резания при сверлении 239

5.5.

Примеры определения скорости резания при сверлении 241

Глава 6. Фрезерование 247

6.1.

Виды фрезерования и элементы резания 247

6.2.

Силы резания и напряжения в зоне контакта при фрезеровании

цилиндрической фрезой с прямым зубом 251

6.3.

Графическое построение траектории зубьев фрезы 255

6.4.

Выбор параметров фрезы и подачи с учетом упрочнения 260

6.5.

Расчет силы резания при фрезеровании фрезами с винтовыми

зубьями 268

6.6.

Торцовое фрезерование 275

6.7.

Фрезерование концевыми и шпоночными фрезами 286

6.8.

Определение скорости резания при фрезеровании 288

6.8.1.

Фрезерование цилиндрическими фрезами 289

6.8.2.

Примеры определения скорости резания цилиндрическими

фрезами 291

6.8.3.

Фрезерование торцовыми фрезами 294

6.8.4.

Примеры определения скорости резания при обработке

торцовыми фрезами 296

Глава 7. Протягивание 305

7.1.

Особенности процесса протягивания и элементы зубьев протяжки 305

7.2.

Определение режимов резания при протягивании 308

7.3.

Определение подачи и силы резания при протягивании 310

7.4.

Примеры определения составляющих силы резания при

протягивании 318

7.5.

Протягивание высокопрочных и закаленных сталей 319

7.6.

Скорость резания при протягивании 321

Глава 8. Обработка закаленных сталей 323

8.1.

Выбор параметров обработки 323

8.2.

Силы резания при обработке закаленных сталей 324

8.3.

Примеры расчета составляющих силы резания закаленных сталей 328

8.4.

Определение скорости резания при точении закаленных сталей 332

8.5.

Cверление закаленных сталей 335

8.6.

Фрезерование закаленных сталей торцовыми фрезами с режущей

частью из композита 335

Глава 9. Обработка титановых сплавов 336

9.1.

Точение титановых сплавов 336

9.2.

Скорость резания титановых сплавов 340

9.3.

Сверление титановых сплавов 348

9.4.

Фрезерование титановых сплавов 351

9.5.

Фрезерование титановых сплавов торцовыми фрезами 355

9.6.

Фрезерование концевыми фрезами 357

9.7.

Протягивание титановых сплавов 359

Глава 10. Прорезка пазов и отрезка заготовок ножовками, дисковыми

и ленточными пилами 361

10.1.

Способы прорезки пазов и отрезки заготовок 361

10.2.

Разрезка ручными ножовками 361

10.3.

Разрезка на станках с приводными (машинными) ножовками 363

10.4.

Фрезы отрезные (пилы) или круглые дисковые пилы 364

10.5.

Расчет режимов резания при отрезке заготовки дисковой фрезой

(пилой) 375

10.5.1.

Расчет подачи на зуб (sZ) и составляющих сил резания PZ и PУ

при отрезке заготовки дисковой фрезой (пилой) с прямым

зубом ( = 0°) 375

10.5.2.

Определение скорости резания дисковыми отрезными

пилами 376

10.5.3.

Примеры определения скорости резания при разрезке

заготовок дисковыми пилами 377

10.5.4.

Расчет подачи на зуб (sZ) и составляющих сил резания PZ и PУ

при отрезке заготовки дисковой фрезой (пилой) с винтовым

зубом ( > 0°) 380

10.6.

Отрезка металлов ленточными пилами на ленточноотрезных

станках 381

10.6.1.

Типы ленточноотрезных станков и ленточных пил 381

10.6.2.

Ленточные пилы 386

10.6.3.

Обкатка (приработка) ленточных пил 400

10.6.4.

Расчет параметров зубьев ленточной пилы 403

10.6.5.

Расчет режимов резания при отрезке на ленточнопильных

станках 411

10.6.5.1.

Расчет подачи 411

10.6.5.2.

Стойкость ленточных пил 416

10.6.5.3.

Определение сил при резании ленточной пилой 439

10.6.5.4.

Определение скорости резания ленточной пилой 456

10.6.6.

Расчет пилы на прочность и выбор сечения полотна пилы 465

10.6.7.

Расчет полотна пилы на прогиб 468

10.6.8.

Определение долговечности (выносливости) ленточной пилы 473

10.6.9.

Стоимость ленточных пил и станков 477

10.6.10.

Выводы 479

Глава 11. Применение смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ)

при резании сталей и сплавов 481

Приложение 1

Приближенные соотношения чисел твердости по Бринелю,

Роквеллу и Виккерсу, значения предела прочности при растяжении

и величина коэффициента К в формулах для определения глубины

и длины пластически деформируемого слоя при обработке сталей 484

Приложение 2

Перечень сталей и сплавов, представленных в книге 487

Список литературы 491

Предисловие
Начиная с первых исследований, выполненных российскими учеными в обла-
сти резания металлов, накоплен огромный теоретический и эксперименталь-
ный материал, который сохранил свое значение до настоящего времени. Однако
проблемы, связанные с их обработкой, являются такими же актуальными, как
и раньше. Это обусловлено непрерывным прогрессом в развитии машинострое-
ния, авиационной и космической техники, оборудования и агрегатов, снижаю-
щих затраты живого труда, с применением новых конструкционных материалов,
обладающих высокой твердостью, прочностью, но низкой обрабатываемостью
резанием. Большое количество работ посвящено исследованию этого вопроса,
они выполнены, как правило, в сравнительно узком диапазоне изменения усло-
вий резания и марок обрабатываемых материалов, что часто приводит к проти-
воречивым результатам исследований и основанных на их данных практиче-
ских рекомендаций, далеких от действительности.
Изготовление деталей на металлорежущем оборудовании является трудо-
емким процессом, требующим от технолога и оператора на станке большого
опыта работы и практических знаний. Обработка резанием сталей и сплавов,
особенно жаропрочных, — наиболее сложная часть технологического процесса
изготовления машин.
Требуется постоянное внимание для быстрого изыскания и определения
причин, способов и средств повышения производительности и качества из-
готовления деталей, особенно в условиях автоматизированного производства
и применения станков с ЧПУ.
Существующие справочные, теоретические и практические руководства
дают лишь общее представление по обработке этих материалов, весьма отда-
ленных от конкретного металла такой же марки, но с другой структурой и с ин-
дивидуальными физико-техническими характеристиками. Проведение ис-
следований по обрабатываемости новых материалов требует дополнительных
затрат этих материалов, времени и средств, что усложняет процесс изготовле-
ния прогрессивных деталей машин, особенно из высокопрочных, жаропроч-
ных и титановых материалов. Необходимо длительное экспериментирование,
чтобы в первом приближении дать рекомендации по их обработке.
Профессор Зорев Н. Н. в работе [172] писал: «Теория процесса резания долж-
на быть разработана в такой степени, чтобы на ее основе можно было проводить
необходимые инженерные расчеты с точностью, достаточной для практики…
Должны быть выявлены все существующие факторы, непосредственно влияю-
щие на практически важные характеристики процесса резания, и найдена за-
висимость этих факторов от условий резания. Нужно научиться предсказывать
изменения результатов процесса резания при заданном изменении условий
резания. Такой уровень развития теории резания необходим как минимальная
научная база автоматизации и программирования процессов обработки реза-
нием».
Однако многие давно известные и разработанные формулы и зависимости
по расчету режимов резания металлов до сих пор так и не нашли применения
в технологической и производственной практике.
В настоящей работе даны рекомендации и формулы для расчета режимов
резания с учетом физико-механических свойств и упрочнения сталей и спла-
вов, разработанные на основе обобщения результатов исследований выдающих-
ся российских ученых, внесших огромный вклад в науку о резании металлов,
но не получивших того признания, которого они заслуживают (С. Ф. Глебов,
Н. Н. Зорев, Н. И. Ташлицкий, В. К. Старков и др.). Обобщение и анализ работ
в области резания металлов, глубокое проникновение в суть физических яв-
лений и огромное количество собственных экспериментальных исследований
позволили получить теоретические закономерности, которые требуют более
широкого применения в практике резания металлов.
Для определения режимов резания необходимо провести множество вычис-
лений. Поэтому большинство инженеров-технологов отказывается от их рас-
чета, ссылаясь на справочные, нормативные, руководящие методические мате-
риалы, которые не только не могут в принципе охватить все обрабатываемые
материалы, но и, зачастую, дают противоречивые сведения по выбору режимов
резания. Практика показывает, что затраты времени на расчет режимов реза-
ния компенсируются точностью выбора параметров резания при изготовлении
на станке деталей из заданных конкретных металлов. Необходимо заранее,
до обработки, в первом приближении рассчитать режимы резания, удовлет-
воряющие требованиям к качеству поверхностного слоя (шероховатость, твер-
дость, напряженность и др.) и производительности процесса обработки с учетом
структуры и физико-механических свойств сталей и сплавов, а также их упроч-
няемости. Идея такой концепции расчета возникла у автора в процессе руко-
водства курсовым и дипломным проектированием студентов, а также общения
с технологами и заведующими исследовательских лабораторий на предприяти-
ях и в НИИ — разработчиках руководящих технических материалов (РТМ).
Встречающиеся в технической литературе и отдельных статьях ссылки авторов
на использование в формулах физико-механических параметров обрабаты-
ваемых металлов и наличие в этих же формулах других неизвестных факторов
делают применение их не только затруднительным, но иногда и невозможным
без специальных экспериментов. Обрабатываемость металлов определялась
в основном экспериментальным путем. Принципиально важным было распро-
странить идею расчета скорости резания с учетом физико-механических свойств
сталей и сплавов и их упрочняемости при обработке лезвийным инструментом.
Влияние механических свойств металлов на обрабатываемость было установ-
лено еще в 50-х годах в работах Н. И. Ташлицкого, где впервые была исследо-
вана зависимость обрабатываемости при точении от действительного предела
прочности SB при растяжении. Были вычислены приближенные величины ин-
тенсивности влияния различных легирующих элементов на скорость резания
и разработаны формулы для расчета скорости резания по химическому составу.
Несмотря на большое число работ по определению обрабатываемости металлов
от свойств, структуры и химического состава, выполненных во многих научно-
исследовательских и учебных институтах, а также в заводских лабораториях,
не удавалось определять обрабатываемость расчетным путем. Лишь в 2012 г.
к. т. н. Ташлицким Н. И. (ЦНИИТМАШ, Москва) в окончательном виде была
выведена формула обрабатываемости при точении сталей и сплавов в зависимо-
сти от их физико-механических свойств.
Автор книги распространил этот принцип расчета на все виды обработки
лезвийным режущим инструментом (сверление, фрезерование, протягива-
ние и др.). Стало возможным определение всех параметров обработки с учетом
физико-механических свойств и упрочняемости материала при резании.
Работы выдающихся российских ученых нашли свое отражение в материа-
лах по расчету таких параметров резания сталей и жаропрочных сплавов, как
подача, глубина и сила резания, величина упрочнения.
Исследования процессов резания охватывают большой период развития
промышленности и продолжаются в настоящее время. Поэтому при решении
примеров и задач в книге наряду с единицами физических величин, предусмо-
тренными системой СИ и новыми стандартами, чаще используются внесистем-
ные, в которых единицы физических величин даны в старых системах. Приве-
денная в работе таблица соотношений между размерностями позволит быстрее
и легче ориентироваться в имеющихся изданиях технической литературы по ре-
занию металлов (справочниках, общемашиностроительных нормативах, отче-
тах, статьях, информационных проспектах, брошюрах, сборниках и др.) в целях
их практического использования.
Автор не ставил перед собой задачу перечислить все работы, представляю-
щие тот или иной интерес, рассмотреть все виды обработки резанием и указать
всех исследователей в области науки о резании металлов, а ограничился только
наиболее принципиальными вопросами процесса резания: расчетом режимов
резания лезвийными инструментами наиболее трудоемких деталей, особенно
из новых нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов при точении, строга-
нии, фрезеровании, протягивании, сверлении, разрезке (прорезка, отрезка за-
готовок).
Значительным шагом вперед явились бы разработки новых инструмен-
тальных материалов на основе вольфрама, углерода и нитрида бора с более
высокими, по сравнению с выпускаемыми в настоящее время, прочностными
и режущими свойствами.
Каждой главе книги предшествует обзорный анализ, в котором даны ссыл-
ки на опубликованные работы по резанию металлов ученых разных научных
школ и направлений за большой промежуток времени (с 20-х годов прошлого
столетия по настоящее время), сопоставляются их совпадающие или противо-
положные мнения и точки зрения на ту или иную проблему, современные про-
грессивные решения, способствующие дальнейшему развитию науки о резании
металлов.
Обобщение разрозненных теоретических и практических данных по выбору
режимов резания и обрабатываемости конструкционных и жаропрочных сталей
и сплавов, в том числе титановых, в одной книге позволит заводским техноло-
гам и студентам машиностроительных специальностей значительно сократить
затраты времени на поиски этих данных, расход металла на экспериментальные
исследования, поможет использовать полученные материалы в своей практиче-
ской работе. В данной книге не рассматриваются вопросы обработки чугунов
и цветных сплавов, т. к. по сравнению со сталями силы резания и энергозатраты
при обработке чугунов гораздо меньше, а цветные металлы всех марок (кроме
титана) значительно легче поддаются обработке резанием [50], [172]; методику
расчета сил и режимов резания этих материалов легко можно выполнить, ис-
пользуя принципы расчета для сталей.
Автор книги не настаивает на пересмотре концепции расчета режимов ре-
зания сталей и сплавов с помощью нормативов, таблиц или практических ре-
комендаций, традиционно используемых на конкретном предприятии, если
это приводит к требуемому результату. Однако невозможно в одной работе или
справочнике предусмотреть все варианты расчета сил и режимов резания, воз-
никающих при обработке, особенно при резании все более увеличивающегося
числа марок жаропрочных сталей и сплавов, применяемых в машиностроении,
авиакосмической и оборонной промышленности, авто- и энергомашинострое-
нии. В книге представлены формулы и дано большое количество примеров, по-
зволяющих оперативно производить расчеты и решать задачи выбора режимов
резания на основе физико-механических характеристик, полученных в резуль-
тате испытаний металлов с учетом их упрочнения и изменения условий резания
(структуры металла, геометрических параметров и износа инструмента, режи-
мов резания и др.).
Проведеннные исследования в области ленточно-отрезного оборудования
позволят значительно расширить знания в этом виде заготовительного произ-
водства в целях не только приобретения импортного оборудования, но и вос-
производства его на российских инструментальных и станкостроительных за-
водах.
Приведенный подробный список литературы позволит читателю получить
исчерпывающие сведения по интересующему вопросу.
Возможно, в данной книге не удалось полностью выявить все особенности
процессов резания сталей и сплавов, особенно титановых, лезвийным режущим
инструментом. Тем не менее можно надеяться, что эта работа поможет техно-
логам, конструкторам и студентам машиностроительных специальностей бы-
стро и более рационально использовать новые методы расчета режимов резания
в повседневной работе, послужит практическим и справочным пособием при
разработке перспективных техпроцессов, для студентов, аспирантов и научно-
технических работников в области обработки металлов резанием. Технологиче-
ский процесс производительной обработки должен быть спроектирован с уче-
том физико-механических свойств сталей и сплавов, особенно жаропрочных
и высокопрочных, которые относятся к категории труднообрабатываемых, при-
чем не только для существующих марок, но и новых, более перспективных ма-
териалов — с высокими показателями прочности, твердости и жаростойкости.
Автор считает своим долгом выразить глубокую благодарность начальнику
отдела резания металлов к. т. н. Д. Н. Клаучу (ЦНИИТМАШ, Москва) за предо-
ставленную возможность ознакомиться с результатами экспериментальных ис-
следований обрабатываемости резанием металлов, жаропрочных сталей и спла-
вов, зав. кафедрой «Инструментальная техника и технологии формо образования
МГТУ «CТАНКИН», заслуженному деятелю науки и техники РФ, проф., д. т. н.
В. А. Гречишникову и к. т. н. Г. В. Боровскому — генеральному директору АО
«ВНИИИНСТРУМЕНТ», за ценные замечания и рекомендации, сделанные им
при рецензировании книги, а также А. В. Райхельсону — за оказание помощи
в составлении и редактировании программ и компьютерной подготовке данной
работы к публикации в печати.

Методические указания для расчета режимов резания
1. Необходимо ознакомиться со всеми разделами книги и вести расчеты режи-
мов резания внимательно и последовательно.
Перед каждой главой дается краткая аннотация по существу рассматривае-
мых достижениий в исследуемых вопросах для сокращения времени на поиск
требуемых материалов, что весьма важно для студентов, аспирантов, инжене-
ров и научно-технических работников.
2. Для расчета режимов резания обязательно требуются максимальные све-
дения (знания) об обрабатываемом металле (заготовке), в том числе о химиче-
ском составе металла. Указание только одной марки металла совершенно не-
достаточно для расчета режимов резания. Неправильные или недостоверные
данные о физико-механических свойствах заготовки, подлежащей обработке,
могут привести к ошибочным результатам расчета режимов резания.
3. Наиболее достоверные сведения по физико-механическим свойствам
могут быть получены при непосредственном их измерении перед обработкой
(если имеется такая возможность на предприятии). Если такой возможности
нет, то необходимо хотя бы в первом приближении ознакомиться с физико-
механическими свойствами и химическим составом конкретной заготовки,
подлежащей обработке, по справочникам или по сопроводительному паспорту
на заготовку или использовать соотношения в разделе 1.9.
4. Для расчета режимов резания предварительно необходимо рассчитать ве-
личину и степень наклепа для выбора режущего инструмента. С учетом опере-
жающего упрочнения твердость обрабатываемой поверхности может превы-
шать в 1,5–2 раза твердость исходной заготовки.
5. Лезвийный режущий инструмент в основном, кроме инструмента для об-
работки закаленных сталей, принят быстрорежущим. Рекомендуемые в книге
марки твердосплавного или сверхтвердого инструментального материала могут
быть заменены другими, используемыми на данном предприятии, что учитыва-
ется введением в формулу обрабатываемости соответствующего коэффициента
на инструментальный материал.
Методические указания для расчета режимов резания 15
6. В книге рассматривается влияние геометрических и прочностных пара-
метров режущей части инструментов на процесс резания. Конструкции ин-
струментов, их типоразмеры и характеристика оборудования в книге подробно
не рассматриваются и выбираются по справочникам или каталогам на инстру-
мент и металлорежущее оборудование, выпускаемое инструментальными
и станкостроительными заводами. Исключение сделано лишь для отрезных
ленточных пил по металлу в связи с отсутствием справочной и нормативной
литературы по этому виду инструмента.
7. Автор книги знает, что некоторые выводы и гипотезы, изложенные в кни-
ге, могут не совпадать с представлениями и взглядами других исследователей
в области резания металлов. Поэтому в книге приводится большой опытный
и экспериментальный материал, подтверждающий правильность выводов
автора.

Условные обозначения, принятые в книге
a — толщина среза,
b — ширина среза,
E — модуль упругости,
F — сила трения между стружкой и передней поверхностью инструмента;
площадь поперечного сечения образца,
F1 — сила трения между задней поверхностью инструмента и обработанной
поверхностью детали,
HB — твердость по Бринелю,
HV — твердость по Виккерсу,
HRC — твердость по Роквеллу, шкала C в пределах C  20–67 (HV240–900),
HRA — твердость по Роквеллу, шкала A в пределах A  70–85 (HV390–900),
HRB — твердость по Роквеллу, шкала B в пределах B  25–100 (HV60–240),
HSh — твердость по Шору, HB  7HSh, B  2,5HSh,
H — микротвердость,
B — условный предел прочности или временное сопротивление на диа-
грамме растяжения, условное напряжение, характеризующее сопротивление
максимальной равномерной деформации,
0,2 — условный предел текучести на диаграмме растяжения, при котором
остаточное удлинение достигает величины 0,2 %,
[И] — допустимый предел прочности на изгиб,
−1 — предел выносливости, максимальное напряжение цикла, при котором
еще не происходит усталостного разрушения после большого числа циклов на-
гружения,
SB — истинное напряжение, действующее в образце в момент достижения
точки b на диаграмме растяжения,
SK — истинное сопротивление разрыву, определяемое как отношение уси-
лия в момент разрушения к максимальной площади поперечного сечения об-
разца в месте разрыва в точке к на диаграмме растяжения,
 — относительное удлинение при испытании на растяжение, в %,
 — относительное сужение при испытании на растяжение, в %,
m — угол контакта зубьев фрезы с заготовкой,
N — нормальная сила на передней поверхности; мощность при резании,
N1 — нормальная сила на задней поверхности,
MKP — крутящий момент,
R — равнодействующая сил на передней поверхности инструмента,
PZ — тангенциальная сила резания,
PУ — радиальная составляющая силы резания,
PX — осевая составляющая силы резания,
Условные обозначения, принятые в книге 17
Po — осевая составляющая сила при резании инструментом с винтовым зу-
бом,
p — удельная сила резания,
CPZ — постоянная силы резания для конкретного обрабатываемого металла,
определяемая как сила резания при t  1 мм, so  1 мм/об и при оптимальной для
данного металла геометрии инструмента,
so — подача в мм/об,
sZ — подача в мм/зуб,
sдв.ход — подача в мм/дв.ход,
sм — подача минутная в мм/мин,
t — глубина резания,
 — скорость резания,
  60 180
Р , ВК 8 — скорость резания быстрорежущим или твердосплавным инстру-
ментом при различной его стойкости,
H — глубина наклепа (упрочнения); высота полотна ленточной пилы,
l — длина опережающего упрочнения при деформации,
l — длина хорды окружности для радиуса, равного единице,
D — диаметр заготовки или инструмента,
do — диаметр сердцевины сверла,
K — коэффициент, зависящий от содержания -фазы в сплаве и его твердо-
сти в формулах (139) и (140) (см. приложение); коэффициент заполнения канав-
ки стружкой при протягивании, прорезке паза и отрезке,
КМ и K0 — поправочные коэффициенты на обрабатываемый материал
в формулах скорости резания,
K К К PM Р Р
, ,
  — поправочные коэффициенты на материал инструмента, пе-
редний угол и скорость резания в формулах силы резания,
KL — коэффициент усадки стружки,
кT — коэффициент запаса прочности по пределу текучести 0,2,
f — площадь контакта задней поверхности инструмента с поверхностью об-
рабатываемой заготовки; величина прогиба полотна ленточной пилы,
,  ф — длина площади контакта, длина фаски износа или ленточки на зад-
ней поверхности лезвия режущего инструмента,
Sплощ — площадь поперечного сечения заготовки, м2  104 см2  106 мм2,
T — стойкость инструмента (время работы между двумя переточками),
hз — величина износа инструмента по задней поверхности,
h — толщина зуба ножовки; высота зуба протяжки и пилы,
hs — величина поперечного перемещения зуба пилы относительно вектора
скорости резания за 1 об. пилы, hs — величина поперечного перемещения зуба
пилы относительно вектора скорости резания за 1 об. пилы или высота хорды
окружности для радиуса, равного единице,
18 Условные обозначения, принятые в книге
 — передний угол в нормальной плоскости к главной режущей кромке ин-
струмента,
K — передний угол на режущей кромке винтового зуба инструмента в сече-
нии, нормальном к его оси,
 — главный задний угол к главной режущей кромке инструмента,
K — задний угол на режущей кромке винтового зуба инструмента в сече-
нии, нормальном к его оси,
 — главный угол в плане резца; центральный угол между двумя соседними
зубьями фрезы, угол контакта зуба фрезы с заготовкой,
1 — вспомогательный угол в плане резца,
S — толщина стенки трубы или профильного проката, мм,
s — шаг зубьев,
r — радиус инструмента, детали, шкива и др.; радиус закругления при вер-
шине резца в плане,
z — число зубьев,
 — радиус скругления режущей кромки инструмента,
 — угол между наклонным зубом и осью фрезы; теплопроводность,
 — угол между касательной к винтовому зубу и осью фрезы;
угол действия, характеризующий направление действия силы стружкообра-
зования,
 — угол трения на передней поверхности инструмента,
 — коэффициент трения между стружкой и передней поверхностью ин-
струмента,
1 — коэффициент трения между задней поверхностью инструмента и об-
работанной поверхностью детали,
ao — показатель степени в формуле силы резания при фрезеровании,
B — ширина фрезерования; толщина ленточной пилы, мм,
Q — производительность при отрезке пилой, см2/мин.,
L — общая длина всех резов ленточной пилой на одной заготовке, мм,
q — равномерно распределенная нагрузка на балку,
q0 — плотность материала

Формулы выдающихся российских ученых, оказавших большое влияние на развитие науки о резании металлов

см. в книге

Конструкционные стали и жаропрочные сплавы по сравнению с чугуном
и цветными металлами по обрабатывемости относятся к средне- и трудно-
обрабатываемым металлам. Повышенные показатели твердости и предела
прочности увеличивают сопротивление, которое оказывает металл при обра-
ботке резанием.
Заготовки для механической обработки могут быть в виде проката, поковки
или отливки, что предопределяет вид оборудования и технологический процесс
обработки в целом. В сертификатах на поставляемые заготовки обычно указы-
ваются твердость HB и предел прочности на растяжение B. Считается, что при
входном контроле заготовки, поступающей в металлообрабатывающий цех, бы-
стрее и проще проверить твердость, чем значение предела прочности B. И по
этой причине твердость была принята в качестве основного входного параме-
тра, выражающего влияние механических свойств металла на уровень режимов
обработки резанием.
Из металловедения известно, что примеси, легирующие элементы в сталях
и сплавах, а также способы получения заготовки и ее термообработки могут из-
менять и вязкую, и хрупкую прочность при одной и той же твердости и ока-
зывать значительное влияние на обрабатываемость резанием. Поэтому в каче-
стве входного параметра, кроме химического состава и твердости, обязательно
должны быть указаны все параметры, полученные при испытании заготовки
на растяжение (B, 0,2, %, %). Диаметр и длина заготовки также оказывают
большое влияние на свойства и обрабатываемость металла в разных сечениях
(анизотропия механических свойств металла).
Углеродистые стали обладают хорошей технологичностью, относитель-
но низкой стоимостью и имеют наибольшее применение в машиностроении
(до 80 %). По содержанию углерода подразделяются на группы:
1.1. Физико-механические свойства конструкционных сталей и жаропрочных сплавов 21
1) низкоуглеродистые с содержанием углерода С  0,3 %;
2) среднеуглеродистые С  0,3–0,7 %;
3) высокоуглеродистые С > 0,7 %.
Легированием сталей и сплавов создают особые физико-механические и хи-
мические свойства. Примеси в технических металлах и легирующие элементы
в сталях и сплавах вызывают образование избыточных фаз, усиливающих де-
формационное упрочнение с самого начала пластического течения и ухудшаю-
щих обрабатываемость.
Различают легированные конструкционные стали: цементуемые низкоугле-
родистые (до 0,25 %углерода), низко- до (2,5 %) и среднелегированные (2,5–10 %
суммарное содержание легирующих элементов), улучшаемые (в основном сред-
неуглеродистые С  0,25–0,6 %) и высоколегированные стали, в которых содер-
жание железа — более 45 %, суммарное содержание легирующих элементов —
не менее 10 %. Наибольшее распространение в промышленности получили
высокохромистые стали.
По структуре легированные стали разделяются на пять классов: феррит-
ный, перлитный, мартенситный, аустенитный и карбидный.
Легированные стали ферритного класса (нержавеющие, жаропрочные) со-
держат мало углерода (С  0,2–0,4 %) и большое количество (до 30 %) легирую-
щих элементов (хром, кремний, вольфрам). Структура — легированный феррит
или легированный феррит и небольшое количество карбидов.
Легированные стали перлитного класса после нормализации, в зависимо-
сти от содержания углерода, имеют микроструктуру перлита, феррита и перли-
та, цементита и перлита, сорбита, троостита.
Легированные стали мартенситного класса после нормализации имеют ми-
кроструктуру мартенсита. Микроструктуры сталей перлитного и мартенситно-
го классов аналогичны структурам углеродистых сталей.
Легированные стали карбидного класса содержат значительное количество
углерода (С  0,7–2 %) и большое количество (до 25 %) карбидообразующих эле-
ментов (хром, ванадий, вольфрам, молибден). Особенностью структуры сталей
карбидного класса является наличие большого количества карбидов. Структу-
ра после нормализации в зависимости от состава стали может быть мартенсит-
ной, сорбитной или аустенитной. Типичным представителем стали карбидного
класса является быстрорежущая сталь.
Аустенитные стали после нормализации имеют структуру аустенита.
Эти стали обладают специфическими физическими и химическими свойства-
ми (нержавеющая, жаропрочная, с особыми тепловыми свойствами и др.), со-
держат большое количество (12–30 %) легирующих элементов (никель, марга-
нец).
22 Глава 1. Общие сведения о материалах
Жаропрочные стали и сплавы — это материалы, которые работают при вы-
соких температурах в течение заданного периода времени в условиях сложно-
напряженного состояния и обладающие при этом достаточной жаропрочно-
стью. Под жаропрочностью понимают напряжение, вызывающее деформацию,
не приводящую к разрушению, которую способен выдерживать металл в кон-
струкции при определенной температуре за заданный промежуток времени.
К жаропрочным сталям относятся материалы, содержащие более 45 % же-
леза.
К жаропрочным сплавам относятся материалы, основной структурой кото-
рых является твердый раствор хрома и других легирующих элементов в желе-
зоникелевой или никелевой основах, причем содержание никеля от 30 до 80 %.
Современные жаропрочные сплавы содержат более 15 легирующих элементов
(вольфрам, алюминий и титан, кобальт и молибден, ванадий, ниобий и др.).
Все большее применение в машиностроении находят материалы с высокой
удельной прочностью — высокопрочные стали. К ним относятся стали с преде-
лом прочности B  160 кгс/мм2.
Название марок сталей и сплавов состоит из буквенных обозначений эле-
ментов (А — азот, Б — ниобий, В — вольфрам, Г — марганец, Д — медь, Е —
селен, М — молибден, Н — никель, Р — бор, С — кремний, Т — титан, Ф —
ванадий, Ю — алюминий) и следующих за ними цифр, указывающих среднее
содержание легирующего элемента в процентах. Цифры в обозначении сталей
обыкновенного качества являются условными и никакого физического смысла
не имеют. Чем больше цифра в марке такой стали, тем больше углерода, тем она
прочнее и тверже, но имеет меньшую пластичность и вязкость. Цифры перед
буквенным обозначением конструкционных сталей указывают содержание
углерода в сотых долях процента; цифра впереди не ставится, если количество
углерода не ограничено нижним пределом при верхнем пределе 0,09 % и более;
при содержании углерода до 0,04 % впереди буквенного обозначения ставится
знак 00, а при содержании углерода до 0,08 % — знак 0. У инструментальной
и высоколегированной стали в начале марки стоит одна цифра, показывающая
содержание углерода в десятых долях процента.
Механические свойства жаропрочных сталей и сплавов взяты из техниче-
ских условий, а также по данным работ [216], [2], [3], [133], [134], [235], [55], [63],
[108] и др.
Твердость металлов дана в основном в состоянии поставки. Согласно техни-
ческим условиям холоднотянутая легированная сталь поставляется, как прави-
ло, в нагартованном виде. По требованию заказчика (в необходимых случаях)
сталь поставляется в отожженом, нормализованном или закаленном (с отпу-
ском) состоянии.

1.2. Титановые сплавы
Титановые сплавы находят все большее применение как конструкционные ма-
териалы для деталей с высокой усталостной прочностью в авиационной, косми-
ческой технике, в судостроении и др. отраслях.
Обработка резанием титановых сплавов — относительно новая область,
и в ней не накоплено достаточно большого опыта.
Чистый титан имеет весьма низкую прочность (B = 200–250 МПа) и высо-
кую пластичность ( = 50–60 %,  = 70–80 %). Однако путем легирования проч-
ность титана повышают до B = 1600 МПа.
По способу производства заготовок сплавы бывают деформируемые и ли-
тейные. Наибольшее применение имеют деформируемые сплавы (поковки,
прокат), которые по механическим свойствам разделяются на:
• сплавы повышенной пластичности ВТ1, ОТ4, ОТ4-1 ( > 20 %,
B = 600 МПа);
• сплавы средней прочности ВТ5-1, ВТ4, ВТ16, В Т20 (B = 600–1000 МПа);
• высокопрочные титановые сплавы ВТ14, ВТ22, ВТ23, ВТ15 (B = 1000–
1500 МПа);
• жаропрочные титановые сплавы ВТ3-1, ВТ9, ВТ18, ВТ25 (B = 1000–
1500 МПа).
Титановые сплавы подвергают термической обработке — отжигу, закалке
и старению, химико-термической обработке, термоводородной обработке (для
повышения конструкционной прочности).
Титановые сплавы относят к труднообрабатываемым материалам, т. к. вви-
ду низкой теплопроводности стружка налипает на режущий инструмент, тепло,
возникающее в процессе резания, не отводится со стружкой, а концентрирует-
ся в основном в инструменте — на режущей кромке.
Поэтому при снятии больших припусков рекомендуется вести обработку
на небольших скоростях при большой глубине резания острым или заточенным
инструментом.
Деформируемые титановые сплавы обрабатываются быстрорежущими
и твердосплавными инструментами при тех же скоростях резания, что и стали
аустенитные с равным действительным пределом прочности [172]. Значительно
хуже обрабатываются литые титановые сплавы, которые в процессе выплавки
приобрели примеси кислорода, азота и водорода, что резко уменьшает и без
того невысокую пластичность титановых сплавов. Скорости резания литых ти-
тановых сплавов быстрорежущими инструментами в 1,5–2 раза ниже, чем ско-
рости резания чистых деформированных титановых сплавов, имеющих такую
же твердость.
Особенностью титановых сплавов является то, что их обрабатываемость
в состоянии поставки (после ковки или прокатки) практически не удается улуч-
шить путем термической обработки. Некоторое улучшение обрабатываемости
достигается после закалки 1125°.
Отжиг после закалки не оказывает существенного влияния на обрабаты-
ваемость, однако уменьшает наклеп после обработки резанием, стабилизирует
структуру и практически не влияет на механические свойства титанового
сплава.
В отличие от стальных заготовок титановые сплавы в условиях высоких
температур (ковка, штамповка, литье) взаимодействуют с газами (кислородом,
азотом воздуха). Примеси кислорода и азота в титановых сплавах делают их
хрупкими, при ковке и штамповке образуется корка, твердость которой пре-
вышает твердость исходного металла. Титановые сплавы часто содержат вклю-
чения в виде окислов, нитридов и карбидов, которые обладают абразивными
свойствами, что способствует ускоренному износу режущих инструментов.
Высокая химическая активность титана, легко вступающего в соединение с со-
прикасающимися с ним металлами, также в большой степени влияет на износ
инструментов.
Большое значение придается подготовке поверхностного слоя заготовок
из титанового сплава к дальнейшей механической обработке резанием.
До обработки резанием кованных заготовок производится обдувка их песком
для удаления окалины и химическая обработка, которая включает: химическое
разрыхление корки в щелочном растворе едкого натрия и натриевой селитры
при температуре 130–145°, нейтрализацию после промывки в горячей и хо-
лодной воде в водном растворе, содержащем азотную и фтористо-водородную
кислоты; промывку в холодной воде; многократное повторение этой операции
травления в таком же растворе до тех пор, пока поверхность заготовки не при-
обретет глянцевый светло-серый металлический блеск. После этого заготовки
промывают в воде.
Такой же химической обработке подвергаются литые заготовки.
При обработке крупных заготовок эти методы не всегда удается использовать.
В этом случае удаление поверхностной корки прозводится резцами или
фрезами.
Рекомендуется [75] черновое точение производить после закалки, а чи-
стовое — после старения. Режимы резания при обработке титановых спла-
вов, рекомендуемые разными авторами, существенно отличаются друг
от друга, что объясняется весьма ограниченным числом исследований и не-
полным представлением о процессах, происходящих при резании титановых
сплавов.
Опубликованные исследования по обрабатываемости титановых сплавов
носят разрозненный характер без установления закономерностей и количе-
ственных связей между параметрами структуры, режимами термической обра-
ботки и обрабатываемостью резанием титановых сплавов.
Физико-механические свойства титановых сплавов (табл. 8) даны по мате-
риалам [2], [36], [30], [7], [151].
В титановых сплавах методами термообработки получают большое разно-
образие структур, причем оказалось, что тип и параметры структуры каждого
сплава сильнее влияют на механические, эксплуатационные свойства и обраба-
тываемость резанием, чем колебания химического состава в пределах ТУ.
Например, в работе [57] для сплава ВТ6 черновую и получистовую обра-
ботку целесообразно проводить после закалки, а чистовую — после старения.
Для сплава ВТ23 черновая обработка проводится после закалки и старения,
а чистовая обработка — после старения в течение 10 часов.

1.3. Выбор инструментальных материалов
Требования, предъявляемые к инструментальным материалам, определяются
условиями, в которых находятся контактные поверхности инструмента в про-
цессе резания.
Для того чтобы режущий клин не деформировался при срезании слоя метал-
ла, инструментальный материал должен иметь высокую твердость, значительно
превосходящую твердость обрабатываемого материала — более чем в 3–4 раза
[99].
Твердостью называют свойство материалов сопротивляться внедрению
в них других, более твердых тел. Твердость косвенно связана с прочностью ин-
струментального материала.
Отношение контактных твердостей инструментального и обрабатываемого
материалов определяет износоустойчивость инструмента, особенно в условиях
высоких температур, сопровождающих процесс резания, а также при упрочне-
нии и повышении твердости срезаемого материала [211], [167].
«В процессе резания изменяется не только твердость рабочей части резца,
но и твердость обрабатываемой детали в том месте, где отделяется стружка [86].
Исследования дали возможность обнаружить 2,5–3-кратное упрочнение
металла по сравнению с исходной твердостью. В процессе деформации (реза-
ния) действует какой-то фактор, способствующий снижению некоторой доли
упрочнения». Этим фактором может являться только теплота, выделяющаяся
в граничном слое. Зависимость температуры от скорости резания впервые уста-
новил Ф. С. Глебов [41]. Даниелян [59] выразил эту зависимость уравнением

см. уравнение в книге

Износ резца зависит от соотношения их твердостей в процессе резания, ког-
да и резец, и деталь нагреваются и изменяют свою твердость.
Резец работает нормально до тех пор, пока его твердость превосходит в зна-
чительной мере твердость детали. Если при повышении твердости инструмен-
тального материала сохранялась его механическая прочность, то увеличение
отношения твердости инструмента к твердости обрабатываемого металла (см. в книге)
однозначно характеризовало бы улучшение режущих свойств инструменталь-
ного материала. Однако увеличение твердости HИ сопровождается возрастани-
ем хрупкости режущей части инструмента. Когда же твердость его приблизится
к твердости обрабатываемой детали или будет превосходить ее незначительно,
резец затупится и дальнейшая работа станет невозможной.
Другим требованием является высокая механическая прочность. Режущий
клин должен выдерживать высокие давления без хрупкого разрушения и пла-
стического деформирования. По данным работы [15], нормальные контактные
напряжения при резании конструкционных материалов имеют очень большие
значения, достигающие 50–70 кгс/мм2.
Все применяемые в настоящее время инструментальные материалы условно
можно разделить на группы: инструментальные стали, быстрорежущие стали,
твердые сплавы, режущие керамические материалы, сверхтвердые материалы.
В связи с внедрением новых материалов и технологий их обработки в авиа-
ционной, автомобильной и др. отраслях промышленности непрерывно растет
спрос на инструменты из сверхтвердых материалов (особенно в аэрокосмиче-
ской области машиностроения).
При разработке технологического процесса на основании физико-
механических характеристик материала, подлежащего обработке резанием, не-
обходимо вначале выбрать группу инструментального матерала.
При этом следует учесть возможные изменения условий процесса резания —
упрочнение, износ, повышение температуры в зоне резания и др.
Резание металлов сопровождается формированием сложного и взаимо-
связанного комплекса кинематических и физико-химических факторов, среди
которых определяющую роль играют пластическая деформация и упрочнение
(наклеп) (cм. раздел 1.8 «Упрочнение»).
В работе [98] механическая схема деформации поверхностных слоев дета-
ли при резании металлов по существу аналогична схеме деформации, имеющей
место при поверхностном волочении или калибровке.
Из таблицы (23) [45] (в главе 1.8 «Упрочнение») видно, как с увеличением
деформации особенно сильно увеличиваются прочностные и снижаются пла-
стические свойства стали. Более резко, чем B, растет при деформации предел
текучести T; с ростом степени деформации разность B − T уменьшается и, тем
самым, снижается способность к дальнейшей пластической деформации.
С повышением твердости и прочности в результате наклепа снижается
вязкость, увеличивается склонность детали к хрупким разрушениям (хладно-
ломкость) [48]. Это особенно свойственно сталям, содержащим легирующие
элементы, вызывающим упрочнение с самого начала деформации в процессе
резания, у которых с увеличением деформации кривая упрочнения резко воз-
растает.
В процессе деформации примеси способствуют появлению верхнего преде-
ла текучести (первая стадия). На второй стадии коэффициент упрочнения бо-
лее высокий (примерно на порядок), чем на первой стадии.
С увеличением деформации растет температура в зоне резания, что ускоря-
ет начало третьей стадии упрочнения вплоть до образования мартенсита [45],
[211].
Автор работы [161] считает, что обработка жаропрочных сплавов протекает
таким образом: вначале рабочие поверхности инструмента соприкасаются с от-
носительно мягким, неупрочненным металлом и под их воздействием происхо-
дит пластическая деформация срезаемого слоя, сопровождаемая значительным
поглощением энергии. При этом срезаемый слой получает большое упрочнение
и приобретает свойства наклепанного металла, т. е. становится хрупким. Запас
пластичности при этом в значительной мере исчерпывается, и происходит раз-
рушение, образование стружки.
Несколько иначе на основе исследований трактуется начало процесса ре-
зания в работе [211]. Свойства поверхностного слоя обрабатываемой заготовки
начинают формироваться в зоне опережающего упрочнения перед режущей
кромкой инструмента. Поэтому вблизи режущей кромки наиболее интенсивно
упрочняется обрабатываемый металл.
В процессе резания вследствие упрочнения обрабатываемого материала
его первоначальная твердость не может полностью характеризовать его обра-
батываемость, тем более что степень изменения твердости зависит от физико-
механических свойств металла, режима резания и геометрии инструмента [34].
Для вновь разрабатываемых сплавов наличие сведений о механических
свойствах при высоких температурах (добавим: а также и при обычных) может
сократить объем экспериментальных стойкостных исследований, необходимых
для оптимизации процессов резания [130].
В настоящее время накоплены некоторые данные по влиянию режимов ре-
зания и условий обработки на качество поверхностного слоя, основанные боль-
шей частью на измерениях твердости и глубины наклепа. Естественно, такой
метод не учитывает всех отклонений от заданных режимов, изменения геоме-
трических параметров инструмента и условий обработки — отмечается в работе
[171].
Наиболее приемлемой методикой оценки состояния поверхностного слоя
могло бы быть непосредственно измерение глубины и степени наклепа после
обработки соответствующих поверхностей или деталей. Это дало бы возмож-
ность корректировать режимы резания, производить смену инструмента или
его подналадку при отклонении состояния поверхностного слоя от установлен-
ных требований. Для этого необходимо установить зависимость между глуби-
ной и степенью наклепа и располагать данными микротвердости обработанной
поверхности. Установление связи между глубиной и степенью наклепа можно
провести на основе анализа влияния различных факторов на эти параметры.
К этим выводам можно добавить, что определение степени и глубины на-
клепа следует проводить на заготовках перед обработкой резанием, а может
быть, даже на стадии изготовления поковок или отливок на заготовительных
предприятиях с указанием этих данных в технических сертификатах на мате-
риал, поставляемый непосредственно для обработки на станке.
Зависимость между степенью наклепа и его глубиной можно записать сле-
дующим образом [251]:
см. в книге
где H — глубина наклепанного слоя, мкм; HB1 — твердость, измеренная на об-
работанной поверхности; HB — твердость исходного материала; K1 — коэффи-
циент пропорциональности, зависящий от свойств обрабатываемого металла
и условий резания.
Для нормализованных конструкционных сталей при торцевом фрезерова-
нии K1  40–60, при точении жаропрочного сплава ХН77ТЮР (ЭИ437) K1  80–
100 [131]. В качестве первого приближения H  K1N, где K1 — для жаропрочного
сплава ХН77ТЮР (ЭИ437) равен 3,3–3,8, N — степень наклепа в %.
Наибольшие изменения физико-механических свойств наблюдаются на по-
верхности, где микротвердость и степень деформации максимальны, т. е. на ре-
жущей кромке инструмента.
При внедрении режущего инструмента обрабатываемый материал под дей-
ствием нормальных напряжений N испытывает пластическую деформацию.
Деформация протекает в зоне опережающего упрочнения перед режущей кром-
кой инструмента, т. е. в зоне, в которой действующие напряжения близки к ве-
личине временного сопротивления обрабатываемого материала [211]. Согласно
работе [48] с первых моментов деформации упрочнение идет с наибольшей ско-
ростью и вблизи режущей кромки материал значительно упрочняется.
Контактные напряжения в непосредственной близости от режущей кром-
ки методами теории упругости не могут быть подсчитаны даже приближенно.
Для их определения необходим анализ напряженного состояния внутри основ-
ной пластической области зоны резания в той ее части, которая примыкает
к режущей кромке [163].
В работе [98] на основании теоретических исследований в зоне опережаю-
щего упрочнения (или переходной зоне) автор пишет׃ «Точные границы и фор-
ма переходной пластически деформируемой зоны пока неизвестны, но опреде-
ленно установлено, что она является в практически применяемых условиях
резания весьма узкой и имеет протяженность по толщине порядка сотых и реже
десятых миллиметра».
Согласно исследованиям в работе [211], в пластически деформируемой зоне
условно можно выделить область опережающего упрочнения обрабатываемого
материала впереди режущего клина над линией среза и область упрочнения,
которая формируется под линией среза и сохраняется в поверхностном слое
обрабатываемой детали. Длина области опережающего упрочнения в 2–3 раза
больше глубины упрочнения поверхностного слоя обработанной детали.
Размер упруго деформированной зоны примерно в 2 раза больше размера
пластически деформированной зоны.
Следовательно, режущая кромка инструмента деформирует металл в зоне
резания, более твердый и упрочненный по сравнению с исходным.
И после разделения обрабатываемого материала при перемещении режуще-
го клина поверхностный слой детали дополнительно деформируется и упроч-
няется. Этот процесс называют вторичной или сопутствующей деформацией
[211]. После сопутствующей деформации глубина упрочнения поверхностного
слоя детали возрастает до 15 % (что следует предусматривать при расчете режи-
мов резания для многолезвийных инструментов — протяжки, фрезы и др.).
К основной характеристике, определяющей режущие свойства инструмен-
тального материала, относят прежде всего оптимальное соотношение твердо-
стей инструментального и обрабатываемого материалов [99]:
см. в книге
В работе [172] отмечается, что износ инструмента зависит главным образом
от отношения прочности и твердости инструмента и обрабатываемого материа-
ла в контакте.
Для дальнейших расчетов контактных процессов инструмента и заготовки
использованы экспериментальные данные, полученные на основании опреде-
ления механических свойств металлов по твердости.
Действительный (истинный) предел прочности SB, полученный при испы-
тании образца на растяжение (об этой величине в дальнейшем более подробно
см. в разделе 3.8), определим по формуле
см. в книге
Связь между HB и B (стали в наклепанном и ненаклепанном состоянии —
наклеп не меняет соотношения в деформациях при определении HB и B.
По данным работы [132]:
— для углеродистых и перлитных малолегированных сталей —
 B  0,345HB; по данным работы [76], B  0,33HB (в среднем B  0,34HB);
далее формулы см. в книге (3-13)/
далее см. текст в книге
Физико-механические свойства основных инструментальных
материалов [6]
В табл. 9 представлены свойства инструментальных материалов, широко при-
меняемые в машиностроении.
Сравнивая твердости инструментального материала и обрабатываемой за-
готовки, можно заранее выбрать инструмент, при применении которого от-
ношение контактных твердостей и прочности инструмента и заготовки будет оптимальным. По данным работы [172], износ зависит главным образом
от отношения этих величин в контакте.
При резании наивысшая микротвердость граничного контактного слоя
превышает микротвердость исходного материала в 2–2,5 раза [87].
Режущий инструмент изнашивается не материалом с исходными свойства-
ми, а материалом со свойствами, приобретенными в процессе резания за счет
наклепа и высоких температур [221].
Максимальная величина твердости (или максимальное напряжение) наблю-
дается в месте, прилегающем к передней поверхности инструмента [179], [211].
Приведенные примеры показывают, что можно на основании физико-
механических характеристик обрабатываемой заготовки определить заранее ве-
личину и степень наклепа и, исходя из этих данных, выбрать соответствующий
материал инструмента и параметры режима резания (см. также раздел 1.4).
По данным исследований [163], коэффициент запаса прочности и твердо-
сти должен приниматься в зависимости от стоимости и прочности конструкции
инструмента с учетом однородности и хрупкости материалов. Причем, в зави-
симости от стоимости режущего инструмента величина коэффициента изменя-
ется в широких пределах. Например, для более дешевых инструментов (резцов)
коэффициент запаса рекомендуется 1,2–1,5, для более дорогих инструментов
(протяжек) — 2–3 и т. д.
В связи с широким внедрением станков с ЧПУ, где требуется большая стой-
кость и стабильность процесса резания от инструментов, необходимо совер-
шенствовать инструментальные материалы — повышать твердость и пластиче-
скую прочность.
Степень наклепа мало зависит от изменения режимов и других условий об-
работки, в то же время глубина наклепа поверхностного слоя при обработке ре-
занием возрастает с увеличением подачи, скорости резания, радиуса скругления
 и износа инструмента. Общей зависимости размерного износа от факторов
резания (материала заготовки, материала и геометрии инструмента, режимов
резания и др.) нет. Приблизительную величину радиального (размерного) из-
носа при обработке стали 45 резцом с пластиной твердого сплава Т15К6 можно
определить по формуле [205]
см. формулу в книге
где T — время работы, в мин.;  — скорость резания, м/мин.
Твердость инструментального материала H1 известна или определяется
по справочнику. Твердость обрабатываемого материала H должна определяться
с учетом степени наклепа N. В зависимости от условий обработки резанием для
предварительных расчетов можно принять следующие коффициенты упрочне-
ния (табл. 10 ([205], [217], [211]):
Твердость металла в зоне опережающего упрочнения непосредственно пе-
ред соприкосновением с режущей кромкой будет равна исходной твердости,
умноженной на величину степени наклепа.
Например, для точения стали 45 твердостью HB197 необходимо выбирать
твердость H1 инструмента с учетом упрочнения, т. е. H1  197⋅1,5  295,5.
При обработке закаленных сталей твердость при резании почти такая же,
как и в исходной термообработанной заготовке. Если заготовка имеет структуру
сорбита или троостита, то при обработке резанием (особенно дисперсионно-
упрочняющихся сталей) возможно увеличение твердости до структуры мартен-
сита, т. е. третьего пика твердения.
Дисперсионное твердение чаще всего наблюдается при выделении кар-
бидных фаз в жаропрочных аустенитных сталях с карбидным 37Х12Н8Г8МФБ
(ЭИ481) или сплавах с интерметаллидным упрочнением, например ХН35ВТР
( ЭИ612), ХН77ТЮР (ЭИ437Б). При этом увеличиваются прочность и твердость
благодаря выделениям новых фаз, образованию относительно крупных выде-
лений по границам зерен, особенно у аустенитных и мартенситно-стареющих
сталей, подвергаемых старению при температуре вблизи максимума дисперси-
онного твердения.
Повышение степени твердости и прочности приводит к снижению вязко-
сти, увеличению склонности к хрупким разрушениям, что для сталей является
важнейшей характеристикой конструктивной прочности (и обрабатываемости
резанием) наряду с пределом текучести стали [48].
В работе [6] утверждается, что обработка возможна, если твердость инстру-
ментального материала превосходит твердость обрабатываемого материала бо-
лее чем в 1,4 раза.
На примере обработки жаропрочного сплава ХН55ВМТКЮ (ЭИ929) авто-
ры работы [24] считают, что поскольку твердость формируемой при резании
стружки составляет HVо.м. = 4,9–5,4 ГПа, то твердость инструментального мате-
риала при обычной температуре должна составлять не менее HVи.м. = 6,9 ГПа.
Если при температуре 1450° инструментальный материал будет иметь твердость
HVи.м. > 5,9 ГПа, то инструмент не будет подвергаться пластическому разруше-
нию при любых скоростях резания.
При точении конструкционных сталей резцом из быстрорежущей стали
температура резания может быть ориентировочно определена по формуле [99]
см. в книге
при точении этих сталей твердосплавным резцом Т15К6
см. в книге
Для сталей твердость стружки при обработке в среднем составляет 2,94 ГПа;
поэтому твердость инструментального материала при повышенных темпера-
турах резания должна быть выше 4,9 ГПа, а при температуре плавления стали
(Tпл.  1650°) HVи.м.  3,4 ГПа .
Из всех инструментальных материалов такую твердость при высоких темпе-
ратурах не имеет ни один материал, за исключением сверхтвердых инструмен-
тальных материалов — алмаза и кубического нитрида бора [24].
Чем больше отношение см. в книге
твердостей материалов инструмента и заготов-
ки, тем меньше износ и больше стойкость инструмента. Снижение отношения
контактных твердостей повышает интенсивность износа инструмента, что сле-
дует учитывать при выборе марки инструментального материала.
Инструментальный материал с последующим уточнением марки можно
определить (по табл. 11), составленной автором с учетом вышеуказанного соот-
ношения твердости инструментального материала и максимально допустимой
твердости обрабатываемой заготовки:
Например, согласно выводам работы [238], при деформировании в процес-
се резания отожженной подшипниковой стали ШХ15 упрочнение изменяется
от 60 кгс/мм2 (HB170) до 140 кгс/мм2 (HB400), т. е. степень упрочнения (наклепа)
составляет см. в книге
При этом стружка вначале получается «cливная», затем «дробленая», а в кон-
це пластического процесса резания происходит и трещинообразование.
Особенно большому упрочнению при резании подвержены титановые спла-
вы [241]. Например, при точении в обычных атмосферных условиях без охлаж-
дения титанового сплава ВТ3-1 со скоростью резания   200 м/мин, подачей
s0 = 0,22 мм/об и глубиной резания t = 1 мм поверхностный слой обрабатывае-
мой детали настолько интенсивно упрочняется, что происходит охрупчивание
со значительным увеличением твердости с 280 до 417,6.
При определении твердости, измеренной разными методами, можно ис-
пользовать следующие зависимости:
— если дана величина диаметра отпечатка d шарика диаметром 10 мм
по Бринелю, то твердость определится из следующей зависимости [117]:
см. в книге (17-18 формулы)
При выборе инструментального материала необходимо руководствоваться
не только физико-механическими свойствами, но и химическим составом этих
материалов по отношению к материалу заготовки. При обработке конструкци-
онных материалов [229] в теории резания существует правило, что для эффек-
тивной обработки инструментальный и обрабатываемый материалы не долж-
ны иметь химического родства. Например, при обработке титановых сплавов
рекомендуется применять инструменты, оснащенные однокарбидным твердым
сплавом (типа ВК). Зато титановые сплавы хорошо обрабатываются алмазны-
ми инструментами: их стойкость выше, чем твердосплавных инструментов
(см. раздел 1.5).
Алмазные инструменты не следует применять для металлов на основе желе-
за, проявляя к нему высокую химическую активность.
Трехкарбидные твердые сплавы (группа ТТК) не следует применять для об-
работки жаропрочных сталей и сплавов в связи с родством титана и тантала,
входящих в состав этих сплавов (происходит налипание стружки на режущую
часть инструмента и выкрашивание) [182].
В работе [223] рекомендуется при черновом точении, при работе по корке,
а также при черновой и чистовой обработке литых жаропрочных сталей и нике-
левых сплавов применять резцы, оснащенные твердым сплавом ВК8. При полу-
чистовом и чистовом точении конструкционных и жаропрочных сталей и спла-
вов (с малым количеством титана) следует использовать резцы, оснащенные
твердыми сплавами Т15К6, Т30К4.
Кубический нитрид бора (КНБ) химически инертен по отношению к железу
и углеродистым сталям и сплавам [15].

1.4. Рекомендации по выбору режущего инструмента
Несмотря на увеличивающийся объем выпуска новых инструментальных ма-
териалов, следует признать, что на предприятиях до сих пор используют (или
применяют) инструменты, оснащенные традиционно ранее используемыми ин-
струментальными материалами, — в силу недостаточной информации о новых
материалах, либо их высокой стоимости, либо из-за нежелания менять давно
внедренный устаревший техпроцесс на новый с экспериментальной проверкой
на своем производстве. Но развитие машиностроения требует создания новых,
более прочных конструкционных материалов и технологии их обработки, со-
вершенствования современных инструментальных материалов.
Опыт мирового производства инструмента позволяет говорить о том, что из-
менился не только марочный состав, но и качество, надежность, стабильность
однородности свойств инструментальных материалов, повышающих произво-
дительность инструмента (рис. 1).
1. Быстрорежущие стали. Применяют для всех видов режущего инструмента.
Широкое использование быстрорежущих сталей определяется сочетанием вы-
соких значений твердости (до 67HRC) и теплостойкости (620–640 °С) при высо-
ком уровне хрупкой прочности и вязкости. Кроме того, быстрорежущие стали
обладают достаточно высокой технологичностью.
Порошковые быстрорежущие стали по сравнению с обычными бы-
строрежущими сталями предназначены для режущих инструментов повы-
шенной производительности, обеспечивают повышение стойкости до 2 раз
и стабильность стойкости на 40–50 % [17], [168]. Результаты исследования
применения в производстве быстрорежущих сталей представлены в табл. 12,
их можно использовать в качестве практических рекомендаций при выборе
инструментов из быстрорежущих сталей, расчете режимов резания обработ-
ки деталей [17].
2. Твердые сплавы. Являются основным инструментальным материалом,
обеспечивающим высокопроизводительную обработку материалов.
Объем стружки, снимаемой твердосплавным инструментом, составляет 60–
70 % от всего объема снимаемой стружки. Обладают высокой твердостью (HRA
82–92) и сопротивлением изнашиванию. Эти свойства сохраняются в значи-
тельной степени и при повышенных температурах (до 900 °С).
Твердые сплавы не подвергаются заметному пластическому деформирова-
нию и имеют высокий предел прочности при сжатии.
Однако предел прочности при изгибе и ударная вязкость этих сплавов отно-
сительно невелики. Поэтому способность твердых сплавов сохранять высокие
значения твердости и сопротивления деформированию при высоких темпера-
турах в сочетании с удовлетворительной прочностью является важным преиму-
ществом перед другими инструментальными материалами и прежде всего бы-
строрежущими сталями.
Увеличение доли труднообрабатываемых материалов, обладающих осо-
быми физико-механическими свойствами (коррозионной стойкостью, жа-
ростойкостью, жаропрочностью и высокой прочностью), требует примене-
ния твердых сплавов с повышенными физико-механическими свойствами,
т. к. для большинства труднообрабатываемых сталей и сплавов скорости ре-
зания в 2–20 раз ниже по сравнению со скоростями резания при обработке
углеродистых сталей. Улучшение твердых сплавов достигается за счет введе-
ния дополнительных легирующих элементов (тантал, ниобий, хром, рений),
разработки и внедрения сплавов с мелкозернистой и особо мелкозернистой
структурами, усовершенствования технологии их изготовления. Твердость
инструмента зависит в основном от содержания кобальтовой связки в объеме
твердого сплава. По данным исследований [165], особенности нового способа
уменьшения кобальта в сплаве на 5 % лишь на 2 единицы HRA увеличивает
твердость инструмента. И, следовательно, существующий метод изготовления
инструмента не может значительно повысить режущие возможности и изно-
состойкость, скорость резания, качество и производительность обработки.
Авторами работы [165] предложен новый способ изготовления инструмента
(пат. РФ № 2043870,1995), заключающийся в том, что смесь порошков карбида
вольфрама и карбида титана подвергается прессованию ударной волной с по-
следующим высокотемпературным спеканием в течение определенного вре-
мени, что на стадии изготовления позволяет получать заданную определен-
ную прочность и твердость. Это становится возможным, т. к. при прессовании
ударной волной зерна карбидов вольфрама и титана соединятся по свежеоб-
нажившимся «ювенильным» поверхностям. Высокотемпературное спекание
за счет активного протекания диффузионных процессов по контактным пло-
щадкам зерен карбидов позволяет значительно повысить твердость и проч-
ность прессовки. Если твердость инструмента, изготовленного обычным спо-
собом порошковой металлургии, находится в пределах от 87HRA (ТТ7К12)
до 89,5HRA (ВК3), то твердость инструмента, полученного по новому способу,
составляет до 107HRA. Причем содержание кобальта хотя и не влияет на твер-
дость, но позволяет удерживать отколовшиеся при резании частицы зерен
карбидов и дает им возможность до конца исчерпать свои режущие свойства
в процессе резания.
В табл. 13, 14 даны рекомендации по выбору отечественных марок твердого
сплава [6].
Применяемые твердые сплавы условно можно разделить на три вида.
1 вид — износостойкий: Т30К4, Т15К6, ВК3 — сравнительно твердые и об-
ладают высокой сопротивляемостью износу.
2 вид — сплавы Т5К10 — обладают большей вязкостью, но меньшей износо-
стойкостью.
3 вид — ВК6, ВК6-М, ВК8 — имеют наименьшее сопротивление износу,
но большую вязкость и нечувствительность к ударным нагрузкам.
Для повышения скорости резания и стойкости при обработке трудноо-
брабатываемых сталей и сплавов используют твердосплавные сменные мно-
гогранные пластины (СМП) с покрытием. Например, применение СМП
из ВК10-ХОМ с нанодисперсным многослойным композиционным покрытием
Ti-TiN-TiAlCrN повысило износостойкость режущего инструмента в 3 раза при
обработке жаропрочного сплава ХН77ТЮР и более чем в 4 раза — при точении
сплава Х65НВФТ по сравнению с износостойкостью инструмента из ВК10-ХОМ
[93]. Подобные исследования с многослойным покрытием для обработки жа-
ропрочных сталей и сплавов так же широко были проведены в ЦНИИТМАШ
(Москва). Для обработки закаленных, жаропрочных сталей и сплавов на сред-
них и высоких скоростях, а также при прерывистом резании применяют пла-
стины из износостойкого субмикронного твердого сплава с покрытием PVD
TIAlN (фирма ISKAR, Израиль).
Рекомендации по выбору твердого сплава для режущего инструмента при
обработке труднообрабатываемых материалов даны в табл. 14а [17].