Скорость резания и подача при обработке материалов на станках.

Введение

Две отдельные скорости в работе со станками: скорость резания и скорость подачи.

Фразы «скорость и подача» или «подача и скорость» относятся к двум отдельным скоростям, используемым при работе со станками – скорости резания и скорости подачи. Их часто рассматривают в паре из-за их совместного влияния на процесс резания. Однако каждую из них можно рассматривать и анализировать отдельно. Скорость резания (также называемая скоростью поверхности или просто скоростью) – это разность скоростей (относительная скорость) между режущим инструментом и поверхностью обрабатываемой детали. Она выражается в единицах расстояния, пройденного по поверхности детали за единицу времени, обычно в метрах в минуту (м/мин) или футах в минуту (sfm). Скорость подачи (также часто называемая просто подачей) – это относительная скорость, с которой режущий инструмент перемещается вдоль обрабатываемой детали; её вектор перпендикулярен вектору скорости резания. Единицы измерения скорости подачи зависят от движения инструмента и детали: когда деталь вращается (например, при точении и расточке), единицы измерения почти всегда выражаются как расстояние на оборот шпинделя (дюймы на оборот [in/rev или ipr] или миллиметры на оборот [мм/rev]). Когда деталь не вращается (например, при фрезеровании), единицы измерения обычно выражаются как расстояние в единицу времени (дюймы в минуту [in/min или ipm] или миллиметры в минуту [мм/min]), хотя иногда также используются значения расстояния на оборот или на зуб режущего инструмента. Если бы такие параметры, как геометрия режущего инструмента и жесткость станка и его оснастки, можно было идеально максимизировать (и свести к пренебрежимо малым константам), то единственным фактором, препятствующим использованию максимально возможных скоростей и подачи для данного материала детали и режущего инструмента, была бы недостаточная мощность (в киловаттах или лошадиных силах), доступная шпинделю. Конечно, в реальности эти параметры динамичны и не пренебрежимы, но все же существует взаимосвязь между доступной мощностью и используемыми скоростями и подачей. На практике обычно именно недостаточная жесткость является ограничивающим фактором. Фразы «скорость и подача» или «подача и скорость» иногда используются метафорически для обозначения деталей реализации плана, которые известны только квалифицированным специалистам (в отличие от конструкторов или менеджеров).

The phrase speeds and feeds or feeds and speeds refers to two separate velocities in machine tool practice, cutting speed and feed rate. They are often considered as a pair because of their combined effect on the cutting process. Each, however, can also be considered and analyzed in its own right. Cutting speed (also called surface speed or simply speed) is the speed difference (relative velocity) between the cutting tool and the surface of the workpiece it is operating on. It is expressed in units of distance across the workpiece surface per unit of time, typically surface feet per minute (sfm) or meters per minute (m/min). Feed rate (also often styled as a solid compound, feedrate, or called simply feed) is the relative velocity at which the cutter is advanced along the workpiece; its vector is perpendicular to the vector of cutting speed. Feed rate units depend on the motion of the tool and workpiece; when the workpiece rotates (e. g., in turning and boring), the units are almost always distance per spindle revolution (inches per revolution [in/rev or ipr] or millimeters per revolution [mm/rev]). When the workpiece does not rotate (e. g., in milling), the units are typically distance per time (inches per minute [in/min or ipm] or millimeters per minute [mm/min]), although distance per revolution or per cutter tooth are also sometimes used. If variables such as cutter geometry and the rigidity of the machine tool and its tooling setup could be ideally maximized (and reduced to negligible constants), then only a lack of power (that is, kilowatts or horsepower) available to the spindle would prevent the use of the maximum possible speeds and feeds for any given workpiece material and cutter material. Of course, in reality those other variables are dynamic and not negligible, but there is still a correlation between power available and feeds and speeds employed. In practice, lack of rigidity is usually the limiting constraint. The phrases "speeds and feeds" or "feeds and speeds" have sometimes been used metaphorically to refer to the execution details of a plan, which only skilled technicians (as opposed to designers or managers) would know.

Расчеты скорости вращения шпинделя

В большинстве книг по металлообработке есть номограммы или таблицы скоростей вращения шпинделя и подачи для различных режущих инструментов и материалов заготовки; подобные таблицы также можно найти у производителя используемого инструмента. Скорость вращения шпинделя можно рассчитать для всех видов механической обработки, зная SFM или MPM. В большинстве случаев речь идет о цилиндрическом объекте, таком как фреза или заготовка, вращающаяся на токарном станке, поэтому необходимо определить скорость на периферии этого круглого объекта. Эта скорость на периферии (точки на окружности, движущейся относительно неподвижной точки) зависит от скорости вращения (RPM) и диаметра объекта. Можно привести аналогию: скейтбордист и велосипедист едут рядом друг с другом. При заданной скоростью поверхности (скоростью движения обоих по дороге) скорость вращения (RPM) их колес (большая у скейтбордиста и меньшая у велосипедиста) будет разной. Именно эту скорость вращения (RPM) мы и рассчитываем, зная фиксированную скорость поверхности (скорость движения по дороге) и размеры колес (инструмента или заготовки). Для оценки этого значения можно использовать следующие формулы.

Приближение

Точный RPM не всегда требуется, достаточно близкого приближения. Например, токарь может округлить значение π до 3 при выполнении расчетов вручную. Например, для скорости резания 100 футов в минуту (обычный резец из быстрорежущей стали на мягкой стали) и диаметра 10 дюймов (резаца или заготовки), и, для примера с использованием метрических значений, где скорость резания составляет 30 м/мин и диаметр 10 мм (0,01 м).

Глубина разреза

Скорость резания и подача в сочетании с глубиной резания определяют производительность по удалению материала, то есть объем материала заготовки (металла, дерева, пластика и т.п.), который можно удалить за единицу времени.

Взаимоотношения теории и практики

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 огромного количества переменных факторов. Подобно тому, как прогнозы погоды или дозировки лекарств можно моделировать с разумной точностью, но не с абсолютной уверенностью, токарь может предсказать с помощью графиков и формул приблизительные значения скорости и подачи, которые лучше всего подойдут для конкретной задачи, но не сможет узнать точные оптимальные значения, пока не запустит эту задачу. При станке с ЧПУ программист обычно задает скорости и подачи, максимально оптимизированные на основе расчетов и общих рекомендаций. Оператор затем тонко настраивает эти значения непосредственно во время работы станка, опираясь на визуальные, слуховые, обонятельные, температурные ощущения, точность обработки и ресурс инструмента. При должном управлении скорректированные значения сохраняются для дальнейшего использования, чтобы избежать повторения этой работы при повторном запуске программы. Однако, как и в метеорологии и фармакологии, взаимосвязь теории и практики развивается десятилетиями, поскольку теоретическая составляющая баланса становится более совершенной благодаря информационным технологиям. Например, проект под названием «Проект генома станка» направлен на создание компьютерного моделирования (симуляции), необходимого для прогнозирования оптимальных комбинаций скорости и подачи для конкретных установок в любом цехе, подключенном к интернету, с меньшим количеством локальных экспериментов и испытаний. Вместо того, чтобы полагаться исключительно на измерения и тестирование поведения собственного оборудования, он сможет воспользоваться опытом и результатами моделирования других; в некотором смысле, вместо того, чтобы «изобретать велосипед», он сможет «более эффективно использовать существующие велосипеды, разработанные другими в отдаленных местах».

Примеры академических исследований

Скорости и подачи изучаются научно с 1890-х годов. Работа обычно выполняется в инженерных лабораториях, финансирование поступает из трех основных источников: корпораций, правительств (включая их вооруженные силы) и университетов. Все три типа учреждений инвестировали значительные средства в эту область, часто в рамках совместных партнерств. Примеры таких работ приведены ниже. В 1890-х – 1910-х годах Фредерик Уинслоу Тейлор проводил токарные эксперименты, которые стали известными и основополагающими. Он разработал уравнение Тейлора для определения ресурса инструмента. Научное исследование, проведенное Холцем и Де Лиу из компании Cincinnati Milling Machine Company, для фрезерных резцов сделало то, что Ф. В. Тейлор сделал для одноточечных резцов. "После Второй мировой войны было разработано множество новых сплавов. Для повышения производительности труда в США были необходимы новые стандарты. Metcut Research Associates, при технической поддержке Лаборатории материалов ВВС и Лаборатории науки и технологий армии, опубликовала первый справочник по данным обработки в 1966 году. Рекомендуемые скорости и подачи, представленные в этой книге, были результатом обширных испытаний для определения оптимального ресурса инструмента в контролируемых условиях для каждого материала, операции и твердости". Более того, они обнаружили, что общепринятое эмпирическое соотношение между скоростью подачи и шероховатостью поверхности недостаточно точно для низких скоростей резания.