Фраза «скорость и подача» или «подача и скорость» относится к двум отдельным скоростям в станкостроении : скорости резания и скорости подачи . Их часто рассматривают как пару из-за их совместного воздействия на процесс резки. Однако каждый из них также можно рассматривать и анализировать по-своему.
Скорость резания (также называемая скоростью поверхности или просто скоростью ) — это разница скоростей ( относительная скорость ) между режущим инструментом и поверхностью заготовки, с которой он работает. Оно выражается в единицах расстояния по поверхности заготовки в единицу времени, обычно это футы в минуту (футы в минуту) или метры в минуту (м/мин). [1] Скорость подачи (также часто называемая твердым соединением , скоростью подачи или просто подачей ) — это относительная скорость, с которой фреза продвигается вдоль заготовки; его вектор перпендикулярен вектору скорости резания. Единицы скорости подачи зависят от движения инструмента и заготовки; когда заготовка вращается ( например , при точении и растачивании ), единицами измерения почти всегда являются расстояние на оборот шпинделя (дюймы на оборот [дюйм/об или IPR] или миллиметры на оборот [мм/об]). [2] Когда заготовка не вращается ( например , при фрезеровании ), обычно единицами измерения являются расстояние за время (дюймы в минуту [дюймы/мин или дюйма в минуту] или миллиметры в минуту [мм/мин]), хотя расстояние за оборот или на зуб фрезы также иногда используются. [2]
Если бы такие переменные, как геометрия фрезы, жесткость станка и его настройки, можно было бы в идеале максимизировать (и свести до пренебрежимо малых констант), то только недостаток мощности ( то есть киловатт или лошадиных сил), доступной для шпинделя , помешал бы использование максимально возможных скоростей и подач для любого заданного материала заготовки и материала фрезы. Конечно, в действительности эти другие переменные являются динамическими и не являются незначительными, но корреляция между доступной мощностью и используемыми подачами и скоростями все же существует. На практике недостаточная жесткость обычно является ограничивающим ограничением.
Фразы «скорости и подачи» или «подачи и скорости» иногда использовались метафорически для обозначения деталей выполнения плана, которые могли знать только квалифицированные специалисты (в отличие от дизайнеров или менеджеров).
Скорость резания можно определить как скорость на поверхности заготовки, независимо от используемой операции обработки. Скорость резания мягкой стали, равная 100 футов/мин, одинакова независимо от того, является ли это скоростью движения фрезы над заготовкой, например, при токарной обработке, или скоростью фрезы, проходящей мимо заготовки, например, при фрезеровании. операция. Условия резания будут влиять на значение скорости резания для мягкой стали.
Схематически скорость на поверхности заготовки можно представить как тангенциальную скорость на границе между инструментом и фрезой, то есть как быстро материал движется мимо режущей кромки инструмента, хотя «на какой поверхности сосредоточиться» — это тема, требующая особого внимания. несколько правильных ответов. При сверлении и фрезеровании внешний диаметр инструмента является общепринятой поверхностью. При точении и растачивании поверхность может быть определена по обе стороны от глубины резания, то есть либо от начальной поверхности, либо от конечной поверхности, причем ни одно из определений не является «неправильным», если вовлеченные люди понимают разницу. Опытный машинист кратко охарактеризовал это как «диаметр, от которого я поворачиваюсь», по сравнению с «диаметром, на который я поворачиваюсь». [3] Он использует слово «от», а не «до», и объясняет почему, признавая, что некоторые другие этого не делают. Логика сосредоточения внимания на наибольшем диаметре (наружный диаметр сверла или концевой фрезы, начальный диаметр обрабатываемой детали) заключается в том, что именно здесь наблюдается самая высокая тангенциальная скорость и наибольшее выделение тепла, что является основным фактором износа инструмента . [3]
Для каждого материала и набора условий обработки существует оптимальная скорость резания, и на основе этой скорости можно рассчитать скорость шпинделя ( об/мин ). Факторами, влияющими на расчет скорости резания, являются:
Скорость резания рассчитывается 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 их всегда можно корректировать в зависимости от условий резки. В следующей таблице приведены скорости резания для некоторых распространенных материалов при одном наборе условий. Условия: стойкость инструмента 1 час, сухая резка (без СОЖ) и средние подачи, поэтому в зависимости от обстоятельств они могут оказаться неправильными. Эти скорости резания могут измениться, если, например, имеется достаточное количество охлаждающей жидкости или используется улучшенная марка быстрорежущей стали (например, содержащая [кобальт]).
Оценка обрабатываемости материала позволяет количественно оценить обрабатываемость различных материалов. Он выражается в процентах или нормализованном значении . Американский институт железа и стали (AISI) определил показатели обрабатываемости для широкого спектра материалов, проведя испытания на токарную обработку со скоростью 180 футов в минуту (sfpm). Затем он произвольно присвоил стали 160 Brinell B1112 рейтинг обрабатываемости 100%. Рейтинг обрабатываемости определяется путем измерения средневзвешенных значений нормальной скорости резания, качества поверхности и стойкости инструмента для каждого материала. Обратите внимание, что материал с рейтингом обрабатываемости менее 100% будет труднее обрабатывать, чем B1112, а материал со значением более 100% будет легче.
Показатели обрабатываемости можно использовать в сочетании с уравнением стойкости инструмента Тейлора VT n = C для определения скорости резания или стойкости инструмента. Известно, что срок службы инструмента B1112 составляет 60 минут при скорости резания 100 футов в минуту. Если материал имеет рейтинг обрабатываемости 70 %, то, учитывая вышеизложенные известные данные, можно определить, что для поддержания того же срока службы инструмента (60 минут) скорость резания должна составлять 70 футов в минуту (при условии, что используется один и тот же инструмент). .
При расчете медных сплавов номинал машины определяется исходя из значения 100, равного 600 SFM. Например, фосфористая бронза (марки A–D) имеет рейтинг обрабатываемости 20. Это означает, что фосфористая бронза работает со скоростью, на 20% превышающей скорость 600 SFM или 120 SFM. Тем не менее, 165 SFM обычно принято в качестве базового 100%-го показателя для «сортовых сталей». [11] Формула Скорость резания (V) = [πDN]/1000 м/мин Где D = диаметр заготовки в метрах или миллиметрах N = скорость шпинделя в об/мин
Скорость шпинделя — это частота вращения шпинделя станка, измеряемая в оборотах в минуту (об/мин). Предпочтительная скорость определяется путем работы в обратном направлении от желаемой скорости поверхности (фут-футов в минуту или м/мин) с учетом диаметра (заготовки или фрезы).
Шпиндель может содержать:
Чрезмерная скорость шпинделя приведет к преждевременному износу инструмента, его поломке и вибрации, что может привести к потенциально опасным условиям. Использование правильной скорости шпинделя для материала и инструментов значительно увеличит срок службы инструмента и качество отделки поверхности.
Для данной операции обработки скорость резания в большинстве ситуаций останется постоянной; поэтому скорость шпинделя также останется постоянной. Однако операции торцовки, формовки, отрезки и прорезки на токарном или винтовом станке предполагают обработку постоянно меняющегося диаметра. В идеале это означает изменение скорости шпинделя по мере продвижения резания по торцевой поверхности заготовки, обеспечивая постоянную скорость поверхности (CSS). Механические устройства для управления CSS существовали на протяжении веков, но они никогда не применялись широко для управления станками. В эпоху до появления ЧПУ идеал CSS игнорировался в большинстве работ. Для необычной работы, требовавшей этого, были приложены особые усилия для достижения этого. Внедрение токарных станков с ЧПУ стало практичным повседневным решением благодаря автоматизированному мониторингу и контролю процесса обработки CSS. С помощью программного обеспечения станка и электродвигателей с регулируемой 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 шпинделя шлифовального станка может изменяться, но ее следует изменять только с учетом безопасной рабочей скорости круга. По мере износа круга его диаметр уменьшается, и его эффективная скорость резания снижается. Некоторые шлифовальные станки имеют возможность увеличения скорости шпинделя, что компенсирует потерю режущей способности; однако увеличение скорости, превышающей номинальную, приведет к разрушению колеса и созданию серьезной опасности для жизни и здоровья.
Вообще говоря, скорость шпинделя и скорость подачи менее важны в деревообработке, чем в металлообработке. Большинство деревообрабатывающих станков, включая электропилы, такие как циркулярные и ленточные пилы , фуганки , строгальные станки, вращаются с фиксированной частотой вращения. В этих станках скорость резания регулируется скоростью подачи. Требуемая скорость подачи может сильно варьироваться в зависимости от мощности двигателя, твердости древесины или другого обрабатываемого материала и остроты режущего инструмента.
В деревообработке идеальная скорость подачи должна быть достаточно низкой, чтобы не заглохнуть двигатель, и в то же время достаточно высокой, чтобы избежать сжигания материала. Некоторые породы дерева, такие как черная вишня и клен, более склонны к возгоранию, чем другие. Правильная скорость подачи обычно достигается «на ощупь», если материал подается вручную, или методом проб и ошибок, если используется механический питатель. В рейсмусовых станках (строгальных станках) древесина обычно подается автоматически 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 получению более тонкой поверхности, поскольку для древесины любой длины делается больше пропилов.
Скорость шпинделя становится важной при работе фрезерных, фрезерных или формовочных станков, а также сверл. Старые и меньшие фрезерные станки часто вращаются с фиксированной скоростью шпинделя, обычно от 20 000 до 25 000 об/мин. Хотя эти скорости подходят для небольших фрез, использование фрез большего размера, 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 более крупные биты требуют более низкой скорости. Для сверления дерева обычно используются более высокие скорости шпинделя, чем для металла, и скорость не так важна. Однако сверла большего диаметра требуют более низких скоростей, чтобы избежать пригорания.
Подачи и скорости резания, а также вытекающие из них скорости шпинделя являются идеальными условиями резания для инструмента. Если условия далеки от идеальных, то производится регулировка скорости шпинделя. Эта регулировка обычно представляет собой снижение числа оборотов до ближайшей доступной скорости или скорости, которая считается (благодаря знаниям и опыту) правильной.
Некоторые материалы, такие как обрабатываемый воск, можно резать на самых разных скоростях шпинделя, в то время как другие, такие как нержавеющая сталь , требуют гораздо более тщательного контроля, поскольку скорость резания имеет решающее значение, чтобы избежать перегрева как фрезы, так и заготовки. Нержавеющая сталь — это материал, который очень легко затвердевает при холодной обработке , поэтому недостаточная скорость подачи или неправильная скорость вращения шпинделя могут привести к неидеальным условиям резания, поскольку заготовка быстро затвердеет и станет сопротивляться режущему действию инструмента. Обильное применение смазочно-охлаждающей жидкости может улучшить эти условия резания; однако правильный выбор скорости является решающим фактором.
В большинстве книг по металлообработке есть номограммы или таблицы скоростей шпинделя и подач для разных фрез и материалов заготовок; аналогичные таблицы, вероятно, также можно приобрести у производителя используемого фрезы.
Скорости шпинделя можно рассчитать для всех операций обработки, если известны SFM или MPM. В большинстве случаев мы имеем дело с цилиндрическим объектом, например фрезой или заготовкой, вращающейся на токарном станке, поэтому нам необходимо определить скорость на периферии этого круглого объекта. Эта скорость на периферии (точки окружности, проходящей мимо неподвижной точки) будет зависеть от скорости вращения (об/мин) и диаметра объекта.
Можно провести аналогию со скейтбордистом и велосипедистом , едущими бок о бок по дороге. При заданной поверхностной скорости (скорости этой пары по дороге) скорость вращения (об/мин) их колес (большая у конькобежца и малая у велосипедиста) будет различна. Эту скорость вращения (об/мин) мы рассчитываем, учитывая фиксированную скорость поверхности (скорость по дороге) и известные значения размеров колес (фрезы или заготовки).
Для оценки этой величины можно использовать следующие формулы [12] .
Точная частота вращения не всегда необходима, подойдет близкое приближение. Например, машинист может захотеть принять значение 3, если выполняет расчеты вручную.
например, для скорости резания 100 футов/мин (обычная стальная фреза из быстрорежущей стали по мягкой стали) и диаметра 10 дюймов (фреза или заготовка)
и, например, с использованием метрических значений, где скорость резания составляет 30 м/мин и диаметр 10 мм (0,01 м),
Однако для более точных расчетов и в ущерб простоте можно использовать эту 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 к заготовке. Оно выражается в единицах расстояния на оборот для точения и растачивания (обычно дюймы на оборот [ ipr ] или миллиметры на оборот ). Таким же образом его можно выразить и для фрезерования, но часто оно выражается в единицах расстояния за время фрезерования (обычно дюймы в минуту [ дюйм в минуту ] или миллиметры в минуту ), с учетом того, сколько зубьев (или канавок) имеет фреза. определил, что это означает для каждого зуба.
Скорость подачи зависит от:
При принятии решения о том, какую скорость подачи использовать для определенной операции резания, расчет довольно прост для одноточечных режущих инструментов, поскольку вся работа резания выполняется в одной точке (выполняется, так сказать, «одним зубом»). При использовании фрезерного или фуговального станка, в котором используются многозубые/многозубые режущие инструменты, желаемая скорость подачи становится зависимой от количества зубьев фрезы, а также от желаемого количества материала на зуб, подлежащего резке (выраженного в качестве нагрузки чипа). Чем больше количество режущих кромок, тем выше допустимая скорость подачи: для эффективной работы режущей кромки она должна удалять достаточно материала для резки, а не тереть; он также должен выполнить свою долю работы.
Соотношение скорости шпинделя и скорости подачи определяет, насколько агрессивным будет рез, а также характер образующейся стружки .
Эту формулу [13] можно использовать для определения скорости подачи, с которой фреза движется в заготовку или вокруг нее. Это применимо к фрезам на фрезерном станке, сверлильном станке и ряде других станков. Его нельзя использовать на токарном станке для токарных операций, поскольку скорость подачи на токарном станке определяется как подача на оборот.
Где:
Скорость резания и скорость подачи вместе с глубиной резания определяют скорость съема материала , которая представляет собой 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 которых теоретическое моделирование необходимо и полезно, но никогда не может полностью предсказать реальность конкретных случаев из-за огромного количества многомерной среды. Точно так же, как прогнозы погоды или дозировки лекарств можно смоделировать с достаточной точностью, но никогда с полной уверенностью, машинисты могут предсказать с помощью диаграмм и формул приблизительные значения скорости и подачи, которые лучше всего подойдут для конкретной работы, но не могут знать точные оптимальные значения до тех пор, пока выполнение работы. При обработке на станках с ЧПУ обычно программист программирует скорости и подачи, которые максимально точно настроены, насколько это позволяют расчеты и общие рекомендации. Затем оператор точно настраивает значения во время работы станка на основе внешнего вида, звуков, запахов, температуры, соблюдения допусков и срока службы наконечника инструмента. При правильном управлении измененные значения сохраняются для использования в будущем, поэтому при последующем 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 «Проект «Геном станка»» направлен на обеспечение компьютерного моделирования (симуляции), необходимого для прогнозирования оптимальных комбинаций скорости и подачи для конкретных настроек в любом магазине, подключенном к Интернету, с меньшим количеством локальных экспериментов и испытаний. [14] Вместо того, чтобы единственным вариантом было измерение и тестирование поведения собственного оборудования, компания выиграет от опыта и моделирования других; в некотором смысле, вместо того, чтобы «заново изобретать колесо», оно сможет «лучше использовать существующие колеса, уже разработанные другими в отдаленных местах».
Скорости и подачи изучаются 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 вооруженные силы ) и университетов . Все три типа учреждений вложили в это дело большие суммы денег, часто в рамках партнерских отношений . Примеры таких работ приведены ниже.
В 1890-1910-х годах Фредерик Уинслоу Тейлор проводил эксперименты по токарной обработке [15] , которые стали известными (и плодотворными). Он разработал уравнение Тейлора для определения ожидаемого срока службы инструмента .
Научное исследование Хольца и Де Леу из компании Cincinnati Milling Machine Company [16] сделало для фрез то же, что Ф. В. Тейлор сделал для одноточечных фрез .
«После Второй мировой войны было разработано множество новых сплавов. Новые стандарты были необходимы для повышения производительности труда в США. Metcut Research Associates при технической поддержке Лаборатории материалов ВВС и Лаборатории науки и технологий армии опубликовала первые данные по механической обработке. Справочник 1966 года. Рекомендуемые скорости и подачи, представленные в этой книге, были результатом обширных испытаний, направленных на определение оптимального срока службы инструмента в контролируемых условиях для каждого материала, режима работы и твердости». [3]
Исследование влияния изменения параметров резания на целостность поверхности при точении нержавеющей стали AISI 304 показало, что наибольшее ухудшающее влияние на качество поверхности оказывает скорость подачи, причем помимо достижения желаемого профиля шероховатости , необходимо проанализировать влияние скорости и подачи на создание микроямок и микродефектов на обрабатываемой поверхности. [17] Более того, они обнаружили, что традиционное эмпирическое соотношение, связывающее скорость подачи со значением шероховатости, не подходит адекватно для низких скоростей резания.
{{cite book}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link){{cite book}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)