Фраза «скорости и подачи» или «подачи и скорости» относится к двум отдельным параметрам в практике станков : скорости резания и скорости подачи . Их часто рассматривают как пару из-за их совместного влияния на процесс резания. Однако каждый из них можно рассматривать и анализировать по отдельности.
Скорость резания (также называемая скоростью поверхности или просто скоростью ) — это разница скоростей ( относительная скорость ) между режущим инструментом и поверхностью заготовки, на которой он работает. Она выражается в единицах расстояния по поверхности заготовки за единицу времени, обычно в футах поверхности в минуту (sfm) или метрах в минуту (м/мин). [1] Скорость подачи (также часто называемая твердым соединением , скоростью подачи или просто подачей ) — это относительная скорость, с которой резец продвигается вдоль заготовки; ее вектор перпендикулярен вектору скорости резания. Единицы скорости подачи зависят от движения инструмента и заготовки; когда заготовка вращается ( например , при точении и расточке ), единицы почти всегда представляют собой расстояние за оборот шпинделя (дюймы за оборот [in/rev или ipr] или миллиметры за оборот [mm/rev]). [2] Когда заготовка не вращается ( например , при фрезеровании ), единицами измерения обычно являются расстояние за единицу времени (дюймы в минуту [дюйм/мин или дюйм/мин] или миллиметры в минуту [мм/мин]), хотя иногда также используются расстояние за оборот или за зуб фрезы. [2]
Если бы переменные, такие как геометрия резца и жесткость станка и его инструментальной установки, могли быть идеально максимизированы (и сведены к пренебрежимо малым константам), то только недостаток мощности (то есть киловатт или лошадиных сил), доступной шпинделю, помешал бы использованию максимально возможных скоростей и подач для любого заданного материала заготовки и материала резца. Конечно, в реальности эти другие переменные являются динамическими и не пренебрежимо малыми, но все равно существует корреляция между доступной мощностью и используемыми подачами и скоростями. На практике недостаток жесткости обычно является ограничивающим ограничением.
Вне контекста станкостроения термины «скорости и подачи» могут использоваться в разговорной речи для обозначения технических деталей продукта или процесса. [3]
Скорость резания можно определить как скорость на поверхности заготовки, независимо от используемой операции обработки. Скорость резания для мягкой стали 100 футов/мин одинакова, независимо от того, является ли она скоростью прохода фрезы по заготовке, например, при токарной обработке, или скоростью перемещения фрезы мимо заготовки, например, при фрезеровании. Условия резания будут влиять на значение этой скорости поверхности для мягкой стали.
Схематически скорость на поверхности заготовки можно рассматривать как тангенциальную скорость на интерфейсе инструмент-резец, то есть как быстро материал движется мимо режущей кромки инструмента, хотя «на какой поверхности сосредоточиться» — это тема с несколькими допустимыми ответами. В сверлении и фрезеровании внешний диаметр инструмента является широко признанной поверхностью. В точении и растачивании поверхность может быть определена по обе стороны от глубины резания, то есть как начальная поверхность или конечная поверхность, и ни одно из определений не является «неправильным», если вовлеченные люди понимают разницу. Опытный станочник кратко резюмировал это как «диаметр, от которого я точу» по сравнению с «диаметром, к которому я точу». [4] Он использует «от», а не «до», и объясняет, почему, признавая, что некоторые другие этого не делают. Логика сосредоточения внимания на самом большом диаметре (внешний диаметр сверла или концевой фрезы, начальный диаметр обрабатываемой заготовки) заключается в том, что именно здесь наблюдается самая высокая тангенциальная скорость с наибольшим выделением тепла, что является основной причиной износа инструмента . [4]
Для каждого материала и набора условий обработки будет оптимальная скорость резания, и скорость шпинделя ( RPM ) может быть рассчитана из этой скорости. Факторы, влияющие на расчет скорости резания:
Скорости резания рассчитываются исходя из предположения, что существуют оптимальные условия резания. К ним относятся:
Скорость резания задается как набор констант, которые можно получить у производителя или поставщика материала. Наиболее распространенные материалы доступны в справочниках или таблицах, но всегда будут подлежать корректировке в зависимости от условий резания. В следующей таблице приведены скорости резания для выбора распространенных материалов при одном наборе условий. Условиями являются срок службы инструмента 1 час, резка без СОЖ (без СОЖ) и средние подачи, поэтому они могут показаться неверными в зависимости от обстоятельств. Эти скорости резания могут измениться, если, например, доступно достаточное количество СОЖ или используется улучшенный сорт HSS (например, включающий [кобальт]).
Рейтинг обрабатываемости материала пытается количественно оценить обрабатываемость различных материалов. Он выражается в процентах или нормализованном значении . Американский институт чугуна и стали (AISI) определил рейтинги обрабатываемости для широкого спектра материалов, проведя испытания на точении со скоростью 180 футов поверхности в минуту (sfpm). Затем он произвольно присвоил стали B1112 с твердостью 160 по Бринеллю рейтинг обрабатываемости 100%. Рейтинг обрабатываемости определяется путем измерения средневзвешенных значений нормальной скорости резания, чистоты поверхности и срока службы инструмента для каждого материала. Обратите внимание, что материал с рейтингом обрабатываемости менее 100% будет сложнее обрабатывать, чем B1112, а материал со значением более 100% будет легче обрабатывать.
Оценки обрабатываемости можно использовать в сочетании с уравнением срока службы инструмента Тейлора , VT n = C , чтобы определить скорость резания или срок службы инструмента. Известно, что B1112 имеет срок службы инструмента 60 минут при скорости резания 100 sfpm. Если материал имеет рейтинг обрабатываемости 70%, можно определить, используя известные выше данные, что для поддержания того же срока службы инструмента (60 минут) скорость резания должна быть 70 sfpm (при условии использования того же инструмента).
При расчете для медных сплавов рейтинг машины получается путем предположения рейтинга 100 в 600 SFM. Например, фосфористая бронза (марки A–D) имеет рейтинг обрабатываемости 20. Это означает, что фосфористая бронза работает на 20% скорости 600 SFM или 120 SFM. Однако 165 SFM обычно принимаются как базовый 100% рейтинг для «сортовых сталей». [12] Формула Скорость резания (V) = [πDN]/1000 м/мин Где D = диаметр заготовки в метрах или миллиметрах N = скорость шпинделя в об/мин
Скорость вращения шпинделя — это частота вращения шпинделя станка, измеряемая в оборотах в минуту (RPM). Предпочтительная скорость определяется путем отсчета от желаемой скорости поверхности (sfm или m/min) и включения диаметра (заготовки или фрезы).
Шпиндель может удерживать:
Чрезмерная скорость вращения шпинделя приведет к преждевременному износу инструмента, поломкам и может вызвать вибрацию инструмента, что может привести к потенциально опасным условиям. Использование правильной скорости вращения шпинделя для материала и инструментов значительно увеличит срок службы инструмента и качество обработки поверхности.
Для данной операции обработки скорость резания останется постоянной для большинства ситуаций; поэтому скорость шпинделя также останется постоянной. Однако операции торцевания, формовки, отрезки и выточки на токарном станке или винтовом станке подразумевают обработку постоянно изменяющегося диаметра. В идеале это означает изменение скорости шпинделя по мере продвижения реза по поверхности заготовки, что обеспечивает постоянную скорость поверхности (CSS). Механические устройства для воздействия на CSS существуют уже много столетий, но они никогда не применялись повсеместно для управления станками. В эпоху до появления ЧПУ идеал CSS игнорировался для большинства работ. Для необычных работ, которые этого требовали, прилагались особые усилия для его достижения. Внедрение токарных станков с ЧПУ предоставило практичное, повседневное решение с помощью автоматизированного мониторинга и управления процессом обработки CSS. С помощью программного обеспечения станка и электродвигателей с переменной скоростью токарный станок может увеличивать частоту вращения шпинделя по мере приближения фрезы к центру детали.
Шлифовальные круги предназначены для работы на максимально безопасной скорости, скорость вращения шпинделя шлифовального станка может быть переменной, но ее следует изменять только с должным вниманием к безопасной рабочей скорости круга. По мере износа круга его диаметр уменьшается, а его эффективная скорость резания снижается. Некоторые шлифовальные машины имеют возможность увеличения скорости вращения шпинделя, что компенсирует эту потерю режущей способности; однако увеличение скорости сверх номинала круга приведет к разрушению круга и создаст серьезную опасность для жизни и здоровья.
Вообще говоря, скорость вращения шпинделя и скорость подачи менее критичны в деревообработке, чем в металлообработке. Большинство деревообрабатывающих станков, включая электропилы, такие как циркулярные и ленточные пилы , фуговальные станки , рейсмусовые станки, вращаются с фиксированной частотой вращения. В этих станках скорость резания регулируется скоростью подачи. Требуемая скорость подачи может быть чрезвычайно переменной в зависимости от мощности двигателя, твердости древесины или другого обрабатываемого материала и остроты режущего инструмента.
В деревообработке идеальной скоростью подачи является та, которая достаточно медленная, чтобы не затормозить двигатель, но достаточно быстрая, чтобы избежать возгорания материала. Некоторые породы дерева, такие как черная вишня и клен, более склонны к возгоранию, чем другие. Правильная скорость подачи обычно определяется «ощущением», если материал подается вручную, или методом проб и ошибок, если используется электроподатчик. В рейсмусорезах (строгальных станках) древесина обычно автоматически подается через резиновые или гофрированные стальные ролики. Некоторые из этих станков позволяют изменять скорость подачи, обычно путем замены шкивов . Более медленная скорость подачи обычно приводит к более тонкой поверхности, поскольку для любой длины древесины делается больше разрезов.
Скорость вращения шпинделя становится важной в работе маршрутизаторов, фрезеров или строгальных станков и дрелей. Старые и меньшие маршрутизаторы часто вращаются с фиксированной скоростью вращения шпинделя, обычно между 20 000 и 25 000 об/мин. Хотя эти скорости подходят для небольших фрезерных фрез, использование более крупных фрез, скажем, диаметром более 1 дюйма (25 мм) или 25 миллиметров, может быть опасным и может привести к вибрации. Более крупные маршрутизаторы теперь имеют переменную скорость, а для более крупных фрез требуется более низкая скорость. Сверление древесины обычно требует более высоких скоростей вращения шпинделя, чем металла, и скорость не так критична. Однако для сверл большего диаметра требуются более низкие скорости, чтобы избежать ожогов.
Подачи и скорости резания, а также скорости шпинделя, которые из них выводятся, являются идеальными условиями резания для инструмента. Если условия неидеальны, то вносятся коррективы в скорость шпинделя, эта корректировка обычно заключается в уменьшении числа оборотов в минуту до ближайшей доступной скорости или той, которая считается (благодаря знаниям и опыту) правильной.
Некоторые материалы, такие как обрабатываемый воск, можно резать при самых разных скоростях вращения шпинделя, в то время как другие, такие как нержавеющая сталь, требуют гораздо более тщательного контроля, поскольку скорость резки имеет решающее значение, чтобы избежать перегрева как фрезы, так и заготовки. Нержавеющая сталь — это один из материалов, который очень легко затвердевает при холодной обработке , поэтому недостаточная скорость подачи или неправильная скорость вращения шпинделя могут привести к неидеальным условиям резки, поскольку заготовка быстро затвердеет и будет сопротивляться режущему действию инструмента. Обильное применение смазочно-охлаждающей жидкости может улучшить эти условия резки; однако, правильный выбор скоростей является критическим фактором.
В большинстве книг по металлообработке имеются номограммы или таблицы скоростей вращения шпинделя и скоростей подачи для различных фрез и материалов обрабатываемых деталей; аналогичные таблицы, скорее всего, имеются и у производителя используемой фрезы.
Скорости шпинделя можно рассчитать для всех операций обработки, как только известны SFM или MPM. В большинстве случаев мы имеем дело с цилиндрическим объектом, таким как фреза или заготовка, обрабатываемая на токарном станке, поэтому нам нужно определить скорость на периферии этого круглого объекта. Эта скорость на периферии (точки на окружности, движущейся мимо неподвижной точки) будет зависеть от скорости вращения (RPM) и диаметра объекта.
Одной из аналогий может быть скейтбордист и велосипедист , едущие бок о бок по дороге. Для заданной скорости поверхности (скорости этой пары по дороге) скорость вращения (RPM) их колес (больших для скейтбордиста и маленьких для велосипедиста) будет разной. Эту скорость вращения (RPM) мы и вычисляем, учитывая фиксированную скорость поверхности (скорость по дороге) и известные значения для размеров их колес (резец или заготовка).
Для оценки этого значения можно использовать следующие формулы [13] .
Точное число оборотов в минуту не всегда необходимо, подойдет и близкое приближение. Например, машинист может захотеть взять значение 3, если выполняет вычисления вручную.
например, для скорости резки 100 футов/мин (обычный резец из быстрорежущей стали по мягкой стали) и диаметра 10 дюймов (резец или заготовка)
и, для примера с использованием метрических значений, где скорость резания составляет 30 м/мин, а диаметр 10 мм (0,01 м),
Однако для более точных расчетов, хотя и в ущерб простоте, можно использовать следующую формулу:
и используя тот же пример
и используя тот же пример, что и выше
где:
Скорость подачи — это скорость, с которой фреза подается, то есть продвигается по заготовке. Она выражается в единицах расстояния за оборот для токарной обработки и расточки (обычно дюймы за оборот [ ipr ] или миллиметры за оборот ). Она может быть выражена таким же образом и для фрезерования, но часто выражается в единицах расстояния за время для фрезерования (обычно дюймы в минуту [ ipm ] или миллиметры в минуту ), с учетом того, сколько зубьев (или канавок) имеет фреза, затем определяется, что это означает для каждого зуба.
Скорость подачи зависит от:
При принятии решения о том, какую скорость подачи использовать для определенной операции резки, расчет довольно прост для одноточечных режущих инструментов, поскольку вся работа по резке выполняется в одной точке (выполняется «одним зубом», так сказать). В случае фрезерного станка или фуганка, где задействованы многозубчатые/многоканавочные режущие инструменты, желаемая скорость подачи становится зависимой от количества зубьев на фрезе, а также от желаемого количества материала на зуб для резки (выраженного как нагрузка стружки). Чем больше количество режущих кромок, тем выше допустимая скорость подачи: для эффективной работы режущая кромка должна снимать достаточно материала для резки, а не тереть; она также должна выполнять свою справедливую долю работы.
Соотношение скорости вращения шпинделя и скорости подачи определяет интенсивность резки и характер образующейся стружки .
Эту формулу [14] можно использовать для расчета скорости подачи, с которой резец входит в заготовку или движется вокруг нее. Это применимо к резцам на фрезерном станке, сверлильном станке и ряде других станков. Это не следует использовать на токарном станке для токарных операций, поскольку скорость подачи на токарном станке указывается как подача за оборот.
Где:
Скорость резания и скорость подачи вместе с глубиной резания определяют скорость съема материала , то есть объем материала заготовки (металла, дерева, пластика и т. д.), который может быть удален за единицу времени.
Выбор скорости и подачи аналогичен другим примерам прикладной науки, таким как метеорология или фармакология , в том, что теоретическое моделирование необходимо и полезно, но никогда не может полностью предсказать реальность конкретных случаев из-за чрезвычайно многомерной среды. Так же, как прогнозы погоды или дозировки лекарств можно смоделировать с достаточной точностью, но никогда с полной уверенностью, станочники могут предсказать с помощью диаграмм и формул приблизительные значения скорости и подачи, которые будут лучше всего работать на конкретной работе, но не могут знать точные оптимальные значения до выполнения работы. В обработке с ЧПУ обычно программист программирует скорости и скорости подачи, которые максимально настроены, насколько это могут предоставить расчеты и общие рекомендации. Затем оператор точно настраивает значения во время работы станка, основываясь на визуальных данных, звуках, запахах, температурах, выдерживании допусков и сроке службы наконечника инструмента. При правильном управлении пересмотренные значения фиксируются для будущего использования, так что при повторном запуске программы эту работу не нужно дублировать.
Однако, как и в случае с метеорологией и фармакологией, взаимосвязь теории и практики развивалась на протяжении десятилетий, поскольку теоретическая часть баланса становится более продвинутой благодаря информационным технологиям. Например, проект под названием Machine Tool Genome Project направлен на обеспечение компьютерного моделирования (симуляции), необходимого для прогнозирования оптимальных комбинаций скорости и подачи для конкретных установок в любом подключенном к Интернету цехе с меньшим количеством локальных экспериментов и испытаний. [15] Вместо того, чтобы единственным вариантом было измерение и тестирование поведения собственного оборудования, оно извлечет выгоду из опыта и моделирования других; в некотором смысле, вместо того, чтобы «изобретать велосипед», оно сможет «лучше использовать существующие колеса, уже разработанные другими в отдаленных местах».
Скорости и подачи изучались с научной точки зрения по крайней мере с 1890-х годов. Работа обычно выполняется в инженерных лабораториях, а финансирование поступает из трех основных источников: корпораций , правительств (включая их военные силы ) и университетов . Все три типа учреждений вложили большие суммы денег в это дело, часто в рамках совместных партнерств . Примеры такой работы приведены ниже.
В 1890-1910-х годах Фредерик Уинслоу Тейлор проводил эксперименты по точению [16] , которые стали знаменитыми (и основополагающими). Он разработал уравнение Тейлора для расчета ожидаемой стойкости инструмента .
Научное исследование Хольца и Де Леу из компании Cincinnati Milling Machine Company [17] сделало для фрез то же, что Ф. У. Тейлор сделал для однолезвийных фрез .
«После Второй мировой войны было разработано много новых сплавов. Для повышения производительности [в США] требовались новые стандарты. Metcut Research Associates при технической поддержке Лаборатории материалов ВВС и Научно-технической лаборатории армии опубликовали первый Справочник по данным обработки в 1966 году. Рекомендуемые скорости и подачи, приведенные в этой книге, были результатом обширных испытаний с целью определения оптимального срока службы инструмента в контролируемых условиях для каждого материала того времени, операции и твердости». [4]
Исследование влияния изменения параметров резания на целостность поверхности при точении нержавеющей стали AISI 304 показало, что скорость подачи оказывает наибольшее отрицательное влияние на качество поверхности, и что помимо достижения желаемого профиля шероховатости необходимо проанализировать влияние скорости и подачи на образование микроуглублений и микродефектов на обработанной поверхности. [18] Более того, они обнаружили, что традиционное эмпирическое соотношение, связывающее скорость подачи со значением шероховатости, не подходит в достаточной степени для низких скоростей резания.
{{cite book}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link){{cite book}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)