Способ механической обработки стальной заготовки с дроблением стружки
Владельцы патента RU 2764449:
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский горный университет» (RU)
Изобретение относится к области металлообработки и предназначено для обработки деталей из различного сортамента сталей и их сплавов, где предъявляются повышенные требования к удалению стружки из зоны обработки на токарных станках, оснащенных ЧПУ. Способ включает придание заготовке и формирование c помощью локального лазерного луча лазерной головки локальной метастабильной зоны на поверхности заготовки по винтовой линии с последующей обработкой режущим инструментом. При этом локальный лазерный луч лазерной головки настраивают на фокусное расстояние, обеспечивающее формирование переменной по глубине локальной метастабильной структуры на поверхности стальной заготовки, а последующую обработку осуществляют с использованием режущего инструмента с отрицательным передним углом в диапазоне от (-10°) до (-30°), создающим дополнительную деформацию сжатия срезаемого слоя для устойчивого сегментирования сливной стружки. Повышается стойкость резца за счет уменьшения динамической силовой нагрузки и снижения вибраций. 4 ил.
Изобретение относится к области металлообработки и предназначено для обработки деталей из различного сортамента сталей и их сплавов, где предъявляются повышенные требования к удалению стружки из зоны обработки на токарных станках оснащенных ЧПУ.
Известен способ дробления стружки (авторское свидетельство SU № 664753, опубл. 30.05.1979 г.), при котором стружку завивают в спираль, диаметр которой вписывается в область термического влияния дуги, а затем осуществляют дополнительную ориентацию стружки в направлении, перпендикулярном оси ее перемещения с помощью свободно вращающегося на оси ролика.
Недостатком является необходимость обеспечивать изменение ориентации стружки в зависимости от изменяющихся режимов резания и размеров припуска в рабочем пространстве технологического оборудования с помощью свободно вращающегося на оси ролика.
Известен способ механической обработки с подогревом (авторское свидетельство SU № 665983, опубл. 05.06.1979 г.), заключающиеся в том, что для осуществления дробления стружки создаются периодические кратковременные воздействия импульса тока плазматрона на поверхность резания для нанесения стружкоразделительных канавок.
Недостатком является наличие ударных нагрузок на режущий клин при прохождении стружкоразделительных канавок, приводящих к возникновению вибраций резца и снижению стойкости режущего инструмента. Помимо этого одновременное совмещение нанесения канавок и лезвийной обработки для устойчивой сегментации стружки является технологически сложным процессом.
Известен способ механической обработки с подогревом (авторское свидетельство SU № 860936, опубл.07.09.1981 г.), при котором перед резцом на поверхности резания источником-плазмотроном на пересечении поверхности резания и обработанной поверхности, образуют канавку при помощи нагрева слоя металла подлежащего удалению до температуры, при которой его механические свойства изменяются, с последующим удалением обычным резцом.
Недостатком способа является возможность обеспечения стружкодробления исключительно на технологических операциях обдирки литых и кованых слитков, что является энергозатратным процессом.
Известен способ механической обработки труднообрабатываемых материалов с подогревом срезаемого слоя (авторское свидетельство SU № 982847, опубл. 23.12.1982 г.), в соответствии с которым осуществляют локальный нагрев срезаемого слоя выше температуры рекристаллизации металла.
Недостатком способа является высокий коэффициент износа режущего кромки лезвийного инструмента, вызванного тем, что в зоне резания образуются высокие температуры из-за одновременного опережающего нагрева срезаемого слоя и операции точения, приводящего к увеличению вязкости обрабатываемого металла, что не позволяет обеспечить равномерную сегментацию сливной стружки.
Известен способ механической обработки с дроблением стружки (авторское свидетельство SU №1024155, опубл. 23.06.1983 г.), включающий нагрев обрабатываемой поверхности заготовки, осуществляемый газовой горелкой по винтовой линии с последующим охлаждением.
Недостатком способа является неустойчивость сегментирования стружки при механической обработке на различных режимах вследствие неопределенности параметров теплового воздействия и несогласованности их с параметрами механической обработки, приводя к неравномерным нагрузкам на режущий инструмент.
Известен способ механической обработки с дроблением стружки (патент РФ № 2578875, опубл. 20.01.2016 г.), включающий нагрев обрабатываемой поверхности заготовки пламенем газовой горелки, при этом ось факела расположена по касательной к обрабатываемой поверхности, за счет чего на этапе механической обработки обеспечивается безударное врезание лезвийного инструмента, вследствие параллельного расположения главной режущей кромки, в линию с локальным термическим воздействием, что приводит к дроблению стружки вследствие изменения упругих ее свойств.
Недостатком способа является длительный нагрев поверхностного слоя и низкая скорость охлаждения после термической обработки. Сформировавшаяся структура неравномерно распределяется в поверхностном слое по объему термического воздействия, приводя в процессе резания к периодическим ударным нагрузкам инструмента, что сказывается на кинетике изнашивания режущей кромки, а так же понижает надежность стружкодробления.
Известен способ лазерно-механической обработки (авторское свидетельство SU № 1583216, опубл.07.08.1990г.), с целью повышения точности и расширения технологических возможностей, включающий нагрев заготовки лучом лазера, охлаждения ее до температуры окружающей среды, причем глубину лазерного воздействия определяют из соотношения 
, где 
- глубина лазерного воздействия; 
- допустимая глубина дефектного слоя; 
- глубина резания.
Недостатком предлагаемого способа является скалывание режущей кромки по передней и задней поверхности в результате ударной нагрузки инструмента об упрочненный слой с микротвердостью Н = 165 кг/мм2, что не позволит достичь снижения шероховатости по параметру Rz в 2.5 раза.
Известен способ механической обработки стальной заготовки с дроблением стружки (патент РФ № 2641444, опубл. 17.01.2018 г.), включающий предварительную подготовку обрабатываемой поверхности путем нагрева непрерывным лазерным лучом на глубину снимаемого припуска. Лазерный луч перемещают по прямой траектории с линейной скоростью и с постоянными мощностью излучения и длиной волны под углом наклона к обрабатываемой поверхности заготовки в пределах от 75 до 80° в виде сфокусированного светового пятна, диаметр которого выбирают из условия обеспечения плотности мощности, достаточной для фазовых превращений в структуре заготовки на глубину припуска и формирования в ней локальной метастабильной зоны с измененными упругими свойствами, пересечение которой с плоскостью резания обеспечивает сегментацию и дробление стружки. Достигается повышение надежности стружкодробления.
Недостатком вышеприведенного способа является высокая динамическая силовая нагрузка на вершину резца, образованной передней и вспомогательной режущей кромкой, возникающая при соударении с метастабильной структурой, сформированной на глубину припуска, что приводит к снижению стойкости, возникновению механических дефектов на вершине и формирующих ее прилегающих кромках, увеличению вибраций, ухудшению шероховатости поверхности, снижению сегментирующих свойств.
Известен способ механической обработки стальной заготовки с дроблением стружки (патент РФ № 2699469, опубл. 22.04.2019 г.), принятый за прототип, включает дополнительное сообщение заготовке вращения с частотой 
, которое формирует локальную метастабильную зону на поверхности заготовки по винтовой линии с углом наклона, который при последующей обработке режущим инструментом, с положительным углом наклона главной режущей кромки, в плоскости резания совместно с главным углом в плане образует угол не более 
, при этом необходимое соотношение объема метастабильной структуры 
к объему срезаемого слоя 
определяется из диапазона 
в пределах подач 
, глубин резания 
и глубин метастабильной структуры от 0.1 до 0.7 мм для увеличения стойкости инструмента и устойчивой сегментации сливной стружки.
Недостатком вышеприведенного способа является сформированная метастабильная структура, которая в поперечном сечении заготовки однородно распределена по глубине резания в виде сегмента. Выбранное соотношение вызовет дополнительную силовую нагрузку на главную режущую кромку инструмента при сжатии и разрушении метастабильной структуры, что приведет к снижению стойкости инструмента, повышению уровня вибраций, ухудшению качества поверхности, понижает эффективность сегментации стружки.
Техническим результатом является повышение эффективности сегментирования сливной стружки и стойкости инструмента, посредством формирования в поперечном сечении переменной по глубине метастабильной структуры с последующей механической обработкой режущим инструментом с отрицательным передним углом, создающим дополнительную деформацию сжатия срезаемого слоя.
Технический результат достигается тем, что локальный лазерный луч лазерной головки настраивают на фокусное расстояние, обеспечивающее формирование переменной по глубине локальной метастабильной структуры на поверхности стальной заготовки, а последующую обработку осуществляют с использованием режущего инструмента с передним углом в диапазоне от -10° до -30°, создающим дополнительную деформацию сжатия срезаемого слоя для устойчивого сегментирования сливной стружки.
Способ механической обработки стальной заготовки с дроблением стружки поясняется следующими фигурами:
фиг. 1 - схема ориентирования локального лазерного луча на поверхности стальной заготовки;
фиг. 2 - схема механической обработки заготовки с переменной по глубине локальной метастабильной структурой;
фиг. 3 - износ режущего кромки инструмента при точении заготовки с переменной по глубине локальной метастабильной структурой;
фиг. 4 - износ режущего кромки инструмента при точении заготовки с равномерной по глубине локальной метастабильной структурой, где:
1 - стальная заготовка;
2 - диаметр заготовки, 
;
3 - шпиндельный узел;
4 - лазерная головка;
5 - фокусное расстояние, 
;
6 - локальный лазерный луч;
7 - лазерный пучок, 
;
8 - частота вращения, 
;
9 - постоянная линейная скорость лазерного излучения, 
;
10 - глубина локальной метастабильной структуры, 
;
11 - локальная метастабильная структура;
12 - ширина локальной метастабильной структуры, 
;
13 - винтовая траектория лазерного воздействия;
14 - скорость резания, 
15 - режущий инструмент;
16 - отрицательный передний угол, 
;
17 - глубина резания, 
;
18 - сегментированная сливная стружка.
Способ осуществляется следующим образом. На этапе предварительной подготовки, стальную заготовку 1 диаметром 2 устанавливают в шпиндельный узел токарного станка с ЧПУ 3 (Фиг. 1). К поверхности стальной заготовки 1 подводится лазерная головка 4 на фокусное расстояние 
5 для точечного позиционирования локального лазерного луча 6. При этом в сфокусированном лазерном пучке 7 необходимо сконцентрировать достаточную плотность мощности для осуществления аллотропного превращения, находящуюся в интервале от 
до 
.
После настройки лазерного луча 6, стальной заготовке 1 сообщается движение с заданной частотой вращения 8. Локальный лазерный луч 6 с длинной волны излучения 
перемещается с постоянной линейной скоростью лазерного излучения 9 вдоль осевой линии, осуществляя нагрев поверхности стальной заготовки 1 выше температуры критических точек фазового перехода. Последующий сверхскоростной процесс охлаждения вглубь стальной заготовки 1 приводит к формированию в поперечном сечении переменной по глубине 10 локальной метастабильной структуры 11, с шириною локальной метастабильной структуры 12 по винтовой траектории лазерного воздействия 13.
На стадии последующей механической обработки стальной заготовки 1 придается движение с частотой вращения 8. Процесс резания осуществляется со скоростью 
14 режущим инструментом 15 с отрицательным передним углом 
16, который осуществляет обработку на глубину резания 
17, превышающую глубину локальной метастабильной структуры 10 (Фиг. 2). Режущий инструмент 15 с отрицательным передним углом 16 в диапазоне от -10° до -30° обеспечивает вхождение в область с переменной по глубине 10 локальной метастабильной структурой 11 с шириною локальной метастабильной структуры 12 и создает дополнительную деформацию сжатия срезаемого слоя для устойчивого сегментирования сливной стружки 18 от стальной заготовки 1 и повышения стойкости инструмента.
Предлагаемый способ механической обработки с дроблением стружки позволяет: снизить динамические силовые нагрузки на главную режущую кромку; уменьшить вибрации при механической обработке; повысить стойкость режущих кромок резцов; повысить эффективность сегментирование сливной стружки. При таком способе возможна обработка с дроблением стружки не только конструкционных материалов, но и труднообрабатываемых сталей и их сплавов.
Способ поясняется следующим примером. На стадии предварительной подготовки, к поверхности заготовки из углеродистой стали 45 цилиндрической формы диаметром 
, закрепленной в шпинделе станка с ЧПУ, подводится лазерная головка иттербиевого волоконного лазерного комплекса мод. Лс-5 на фокусное расстояние 
для позиционирования локального лазерного луча в декартовых координатах под прямым углом 
. Последующую ориентацию лазерной головки осуществляют таким образом, чтобы локальный лазерный луч в полярных координатах находился под углом наклона 
в виде лазерного пучка эллиптической формы. При этом выбранная мощность лазерного излучения 
позволяет сконцентрировать в лазерном пучке достаточную плотность мощности для совершения структурно-фазовых превращений в поверхностном слое стальной заготовки.
Цилиндрической стальной заготовке сообщается вращательное движение 
с постоянной частотой. Генерирующееся локальное лазерное излучение, движущееся с постоянной линейной скоростью вдоль осевой лини 
, осуществляет нагрев поверхности стальной заготовки выше температуры критических точек фазового перехода. Сверхскоростное охлаждение вглубь заготовки приводит к формированию в поперечном сечении переменной по глубине 
локальной метастабильной структуры шириной 
по винтовой траектории лазерного воздействия.
Последующая механическая обработка стальной заготовки осуществляется с частотой вращения 
. Режущим инструментом с твердосплавной пластиной, имеющей отрицательный передний угол 
, осуществляют механическую обработку со скоростью резания 
на глубину 
, превышающую глубину локальной метастабильной структуры .
Режущий инструмент с отрицательным передним углом обеспечивает плавное вхождение в область с переменной по глубине локальной метастабильной структурой и создает дополнительную деформацию сжатия для устойчивого сегментирования сливной стружки от стальной заготовки и повышения стойкости инструмента (Фиг. 3) по сравнению с предлагаемым способом, взятым за прототип
(Фиг. 4).
Предлагаемый способ механической обработки с дроблением стружки позволяет снизить динамические силовые нагрузки на главную режущую кромку и уменьшить вибрации при механической обработке. Повысить стойкость режущих кромок резцов, эффективность сегментирование сливной стружки. При таком способе возможна обработка с дроблением стружки не только конструкционных материалов, но и труднообрабатываемых сталей и их сплавов.
Способ механической обработки стальной заготовки с дроблением стружки, включающий придание заготовке вращения с частотой nзаг и формирование c помощью локального лазерного луча лазерной головки локальной метастабильной зоны на поверхности заготовки по винтовой линии с последующей обработкой режущим инструментом, отличающийся тем, что локальный лазерный луч лазерной головки настраивают на фокусное расстояние, обеспечивающее формирование переменной по глубине локальной метастабильной структуры на поверхности стальной заготовки, а последующую обработку осуществляют с использованием режущего инструмента с отрицательным передним углом в диапазоне от (-10°) до (-30°), создающим дополнительную деформацию сжатия срезаемого слоя для устойчивого сегментирования сливной стружки.
