Что такое режимы резания на станке и как их рассчитать

Токарная обработка сводится к трём величинам, которые технолог задаёт до первого прохода: скорости, подаче и глубине. От их сочетания зависит машинное время, срок службы резца и то, уложится ли поверхность в требуемую шероховатость. Эти же цифры показывают, какая мощность привода и какой диапазон оборотов понадобятся при подборе оборудования.

Понять, что такое режим резания, проще через три параметра. Скорость V измеряют в м/мин, подачу S при точении в мм/об, глубину t в мм; так этот набор и определён ГОСТ 25762-83 «Обработка резанием. Термины, определения и обозначения общих понятий». Их берут из справочных таблиц, затем считают частоту вращения по формуле n = 1000 × V / (π × D) и округляют до ближайшей ступени. Итог уточняют пробным проходом: это стартовая точка, а не готовый ответ.

 

Из каких параметров складывается режим резания

Складывается он из трёх взаимосвязанных величин. Скорость V показывает, как быстро лезвие идёт по обрабатываемой поверхности. Подача S задаёт, насколько резец смещается за один оборот или за зуб фрезы. Глубина t (мм) равна толщине снимаемого слоя.

Терминологию по всем трём величинам задаёт ГОСТ 25762-83.

Изменить одну величину и не тронуть остальные не выйдет. Поднятая V греет зону контакта и сажает ресурс лезвия, увеличенная подача даёт более грубый след и большую нагрузку на привод. Толстый слой требует запаса мощности и жёсткости, которого у лёгкой машины может не оказаться.

Поэтому назначают все три числа сразу и сверяют с возможностями оборудования.

Чем режим резания отличается от режима обработки

Первое из них описывает конкретный проход, то есть скорость, подачу и глубину именно на нём. Режим обработки понятие более широкое. Сюда входят стадии от черновой до чистовой, число проходов, схема закрепления, применение СОЖ и последовательность переходов.

Разница видна по результату. Наружное точение по данным «Справочника технолога-машиностроителя» под редакцией А. Г. Косиловой и Р. К. Мещерякова (4-е издание, Москва, «Машиностроение», 1985) обеспечивает точность IT6–IT8 и шероховатость Ra 0,8–6,3 мкм, при растачивании Ra 0,4–3,2 мкм.

Верно посчитанный проход сам по себе этих цифр не вытянет, если припуск снимали одним махом, а вылет при закреплении вышел большим.

Параметр Ra определён ГОСТ 2789-73 «Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики», квалитеты точности IT задаёт ГОСТ 25346-2013 «Основные нормы взаимозаменяемости. Характеристики изделий геометрические. Система допусков на линейные размеры».

Скорость резания и частота вращения шпинделя

Скорость задают в метрах в минуту, а на пульте выставляют обороты. Связывает их формула n = 1000 × V / (π × D), где D означает диаметр в миллиметрах, а n частоту вращения. При точении D берут по обрабатываемой поверхности, при фрезеровании и сверлении по диаметру фрезы или сверла.

Возьмём вал из стали 45 диаметром 50 мм. Твердосплавный инструмент ведёт её на 100–160 м/мин, быстрорежущий на 20–30. Для середины первой вилки расчёт даёт n = 1000 × 120 / (3,14 × 50) ≈ 764 об/мин.

Такой ступени в ряду нет. Ближайшая 750 об/мин, её и ставят, а фактическая V получается около 118 м/мин, то есть внутри той же вилки. Округляют в меньшую сторону: на завышенной ступени лезвие садится быстрее.

Подача на оборот, на зуб и в минуту

Начать стоит с того, что такое подача при токарной обработке. Это путь, который резец проходит вдоль заготовки за один её оборот, отсюда и основная единица точения, мм/об.

Токарь покажет, что такое подача на оборот, прямо на рабочем месте, провернув шпиндель на оборот и замерив смещение суппорта.

При фрезеровании удобнее другие единицы. Подачу на зуб fz (мм/зуб) назначают по каталогу под конкретную режущую пластину, а на пульт выводится минутная подача Vf, поскольку фреза режет несколькими зубьями сразу.

Пересчёт между единицами простой. Минутная подача равна произведению подачи на оборот и частоты вращения, при 0,3 мм/об и 750 об/мин выходит 225 мм/мин; для фрезы добавляется число зубьев, Vf = fz × z × n. Путаница здесь обходится дорого. Цифра в мм/зуб, введённая как минутная, ломает зуб на первых сантиметрах.

Глубина резания, припуск и число проходов

Глубина t равна толщине слоя, снимаемого за один рабочий ход. При наружном обтачивании черновая лежит в пределах 2–10 мм, чистовая 0,1–0,5 мм. Отсчитывают её по радиусу, и диаметр за один раз уменьшается вдвое больше.

Припуском называют весь слой, который предстоит снять, а число проходов считают как n = z / t max, где z и есть весь этот слой.

Пусть на сторону оставлено 8 мм припуска, а жёсткость системы и привод позволяют снимать не больше 3 мм за раз. Формула даёт 8 / 3 ≈ 2,67, то есть три черновых прохода. Последний из них выполняют неполным, два по 3 мм и один по 1,5 мм, чтобы под финиш осталось 0,5 мм.

Дробить припуск мельче невыгодно: каждый лишний ход добавляет машинное время и износ без всякого выигрыша.

Черновая, получистовая и чистовая стадии обработки

Технолога обычно интересует не общее определение, а какие бывают режимы резания на реальной операции. Деление идёт по стадиям, и у каждой свой диапазон подачи.

• Черновая. Снимает основную массу припуска при глубине 2–10 мм и подаче 0,5–1,5 мм/об, точность и чистота здесь не цель.
• Получистовая. Выравнивает погрешности предыдущей стадии, работает с подачей 0,2–0,5 мм/об и оставляет равномерный припуск под финиш.
• Чистовая. Идёт по малой глубине 0,1–0,5 мм с подачей 0,05–0,2 мм/об, обеспечивая Ra 0,8–6,3 мкм и точность IT6–IT8.

Силы и нагрев на черновой стадии деформируют и саму заготовку, и всю систему. Её слегка ведёт, а резец отжимается; получи размер сразу начисто, и поле допуска ушло бы вместе с этой деформацией.

Тонкий слой на финише снимают малой подачей, поэтому чистовая обработка почти не даёт съёма, зато занимает заметную долю машинного времени и держит итоговую точность размера.

Что влияет на выбор режима резания

Табличное значение остаётся стартовой точкой, а окончательный выбор определяет обстановка на конкретном участке механообработки.

• Материал заготовки и его твёрдость. Чем прочнее и вязче, тем ниже потолок.
• Тип инструмента и текущий износ: затупившаяся кромка требует снижения параметров.
• Геометрия детали. Тонкие стенки, длинные валы и большой вылет ограничивают подачу и съём.
• Требуемая шероховатость и квалитет точности, ради которых на финише режут мелко и медленно.
• Мощность привода и жёсткость машины, состояние направляющих и шпинделя.
• Наличие СОЖ и способ её подвода.

Жёсткость закрепления влияет не меньше выбранной марки. Вал, зажатый в патроне с вылетом в несколько диаметров, отжимается и получается бочкообразным, а по нему проступают следы вибрации. Лечится это поджимом задним центром, люнетом или коротким вылетом.

СОЖ отводит тепло и стружку, снижает трение по передней поверхности и позволяет работать быстрее без потери стойкости инструмента.

Режимы резания для разных материалов заготовки

Заготовка задаёт порядок величин раньше остальных условий: разница между сталью и алюминием измеряется не процентами, а разами. Ниже сведены ориентиры для наружного точения твердосплавом по таблицам «Справочника технолога-машиностроителя» под редакцией А. Г. Косиловой и Р. К. Мещерякова; справочная вилка даты актуальности не имеет и остаётся стартовой точкой.

Материал заготовки	Скорость твердосплавом, м/мин	Марка сплава	Что учитывать
Сталь 45	100–160	Т15К6	Базовый ориентир справочных таблиц
Нержавеющая 12Х18Н10Т	40–60 (черновая)	ВК8	Наклёп, налипание, низкая стойкость
Серый чугун	70–120	ВК6	Стружка надлома, абразивная литейная корка
Алюминий АД1	400–800	ВК6	Наростообразование, нужен отвод стружки
Латунь, бронза	150–300	ВК6	Сыпучая стружка, малые силы

Конструкционные и легированные стали

Для углеродистых и легированных марок подходит титановольфрамовая группа Т15К6. Чем выше твёрдость, тем ближе к нижней границе табличной вилки уходит рабочее значение, а сталь 45 остаётся тем эталоном, по которому вилки и составлены.

Нержавеющая 12Х18Н10Т стоит особняком. Твердосплавом ВК8 её точат медленно, при черновой обработке порядка 40–60 м/мин. Она вязкая, склонна к наклёпу и плохо отводит тепло, а лезвие по ней, как правило, садится быстрее, чем по углеродистым маркам. Помогают острая заточка, обильная СОЖ и подача не ниже расчётной: работа по наклёпанному слою изнашивает пластину сильнее любого разгона.

Серый и высокопрочный чугун

Серый чугун точат сплавами группы ВК на 70–120 м/мин. Стружка получается сыпучей, надлома, а силы при той же глубине ниже. Литейная корка абразивна и содержит формовочный песок; первый заход по отливке ведут глубже корки и медленнее.

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом вязче серого, и точат его медленнее, а обрабатывают часто без СОЖ, убирая пыль отсосом.

Алюминий, медь и латунь

Алюминий АД1 точат твердосплавом на 400–800 метров в минуту, то есть в несколько раз быстрее сталей. Ограничение здесь не прочность, а частота вращения и отвод стружки: на малых диаметрах расчёт упирается в потолок паспортного диапазона.

Мягкие металлы налипают на кромку и дают нарост, портящий чистоту. Против него ставят пластины с полированной передней поверхностью и большими передними углами. Латунь и бронзу точат примерно на 150–300 м/мин. Оловянные бронзы при точении дают мелкую сыпучую стружку, и резец под них затачивают с малым передним углом, чтобы его не затягивало в металл; налипание и нарост дают вязкие безоловянные бронзы и мягкий алюминий.

Материал инструмента и износостойкие покрытия

Разница между быстрорежущей сталью и твёрдым сплавом видна на одном примере: сталь 45 точится на 20–30 м/мин быстрорежущим резцом и на 100–160 твердосплавным. Сплав держит нагрев до красного каления, а быстрорез теряет твёрдость раньше.

Отсюда правило выбора. Твердосплавный инструмент берут там, где важна производительность и есть жёсткость: серийное точение, непрерывная работа, штатная оснастка по каталогу. Быстрорежущий оправдан на прерывистом точении, на изношенном оборудовании с люфтами и в единичном производстве, где переточка дешевле сменной оснастки. Марку подбирают по обрабатываемой группе, Т15К6 для сталей и ВК6 для чугуна и цветных металлов. Подробнее об этом мы писали в отдельной статье о том, как подобрать инструмент для токарного станка.

Покрытия TiAlN и AlCrN, керамика и сверхтвёрдые материалы (ПСТМ) позволяют идти на 15–30 % быстрее относительно традиционных марок. Плата известна заранее. Перегретое лезвие выкрашивается, и деталь уходит в брак вместе с ним. Мера защиты считаемая: назначать V по каталогу производителя и менять пластину по нормативу, а не по факту разрушения.

Сменная пластина обходится дешевле, чем переделка изделия и внеплановая остановка шпинделя посреди партии.

Формулы времени обработки, съёма материала и мощности

Три формулы переводят выбранные значения в план участка. Основное машинное время считают как Tc = lm / (fn × n), где lm обозначает длину рабочего хода. Для вала из примера выше при длине 200 мм получается 200 / (0,3 × 750) ≈ 0,89 мин.

Съём показывает, сколько металла уходит в стружку: Q = Vc × ap × fn, где ap означает толщину слоя. На фактических 118 м/мин, глубине 2 мм и той же подаче выходит около 71 см³/мин.

Потребляемую мощность оценивают по формуле Pc = Vc × ap × fn × kc / (60 × 10³), где kc есть удельная сила резания в Н/мм². Она растёт от лёгких полимеров к закалённым сталям твёрдостью 58–62 HRC и отличается по группам на порядок, а значение kc берут из каталога.

Полученное значение сравнивают с паспортным у привода, оставляя запас на КПД передач и износ.

Порядок назначения режима перед операцией

Назначение идёт по устоявшемуся порядку, и пропуск любого шага всплывает позже, на первой же партии.

1. Анализ заготовки: марка, твёрдость, состояние поверхности. Шаг закрыт, когда известна нужная строка для этой марки. Новичок ошибается, когда работает по «стали вообще», не различая углеродистую и нержавеющую.
2. Проверка станка. Смотрят биение шпинделя, люфты суппорта, состояние направляющих, паспортный диапазон оборотов и мощность. Готово, если расчёт заведомо укладывается в паспорт. Часто ошибаются здесь: считают как для нового, а работают на изношенном.
3. Выбор и установка резца: марка сплава, геометрия, радиус при вершине, вершина по оси центров. Признак завершения — вылет державки выставлен минимальным и промерен. Длинный вылет ради удобства подхода отзовётся дребезгом.
4. Назначение параметров по таблицам под выбранную пластину и стадию. Дальше идут, когда три числа выписаны для каждой из них. Здесь часто ошибаются и берут чистовую подачу к черновой глубине.
5. Расчёт: частота вращения, минутная подача, машинное время и мощность, с округлением. На машине с ЧПУ они уходят в управляющую программу, как устроены токарные станки с ЧПУ, разобрано отдельно. Оставить расчётные 764 там, где есть только 750, значит завысить V.
6. Фиксация заготовки и пробный проход. Её зажимают, при необходимости поджимают центром, снимают пробную стружку. Дело сделано, если размер и шероховатость детали в допуске.

Порядок одинаков для универсальной машины и для ЧПУ, меняется только способ ввода.

Признаки неверно подобранного режима

Ошибка выдаёт себя раньше контрольного замера, и каждый симптом указывает на свой источник.

Дребезг и вибрация при точении означают, что система потеряла устойчивость: снижают V, уменьшают вылет, меняют подачу, чтобы уйти от резонанса, а на длинном вале ставят люнет.

Частое затупление почти всегда говорит о завышенной скорости, а плохая шероховатость появляется от избыточной подачи, малого радиуса при вершине или изношенного лезвия.

Крайности стоят денег в обе стороны. Завышение ведёт к интенсивному износу и разрушению режущей кромки, заниженная подача снижает производительность, и оборудование занято почти вхолостую.

Если результат уже не достигнут, партию останавливают на первой детали, вышедшей за допуск, замеряют её и возвращают параметры к табличным, а не правят наугад. Изделие с лишним съёмом не восстанавливается: наплавка или новая заготовка обходятся дороже получистового хода, ради экономии которого всё и затевалось.

Переделка по такой причине обычно ложится на исполнителя работ, если договором не оговорено иное, и пробную деталь согласовывают с заказчиком до запуска.

Контроль размеров и стойкость инструмента

Размеры контролируют в процессе работы. Штангенциркуль с ценой деления 0,1 или 0,05 мм подходит для черновых и получистовых ходов, микрометр 0,01 мм нужен для финишных размеров и посадочных шеек. Замер делают дважды, после снятия основного припуска и перед финишем, пока ещё можно скорректировать съём.

Горячую деталь не меряют. Остывая, она отдаёт несколько сотых миллиметра.

Стойкость инструмента нормируют по наработке лезвия. На практике период стойкости назначают в пределах 30–90 минут машинного времени, около 30 для быстрореза и 60–90 для твёрдого сплава, а критерием служит допустимый износ по задней поверхности.

Отсюда считают, как часто менять пластины: при машинном времени 0,89 мин на деталь и часовом ресурсе лезвия его хватает примерно на 67 штук. Расход оснастки на партию известен заранее.

Калькуляторы и программы для расчёта режимов

Считать вручную приходится редко.

Изготовители ведут калькуляторы под свои пластины, CAM-системы подставляют подачу в управляющую программу и показывают машинное время, а таблицы «Справочника технолога-машиностроителя» остаются опорой там, где оснастка отечественная и без фирменного каталога.

Ограничение здесь принципиальное и с качеством программы не связано. Каталоги дают приближённый старт, посчитанный для эталонной жёсткости, новой машины и заявленной марки. Самые точные значения получают экспериментально, на своём участке и партии заготовок.

Ни один калькулятор не знает износа ваших направляющих и разброса твёрдости в поставке, а пробную деталь и журнал он не отменяет.

Перед покупкой станка такой расчёт удобно использовать как чек-лист, сверяя цифры по типовой номенклатуре с паспортом.

• Частота вращения укладывается в паспортный диапазон, а не в его крайнюю ступень.
• Расчётная мощность Pc ниже паспортной у главного привода с запасом, равенство означает работу на пределе.
• Жёсткость и масса машины соответствуют той нагрузке, которую вы планируете.
• Система подачи СОЖ и отвод стружки рассчитаны на ваш материал.
• Продавцу задают вопрос про мощность и диапазон под конкретную деталь; ответ «потянет всё» считают плохим.

Мы в «Кайласе» на консультации считаем подачи по типовой номенклатуре заказчика и сравниваем расчёт с паспортом машины; этот шаг полезно пройти до заказа, а не после первой партии. Логику подбора мы разбирали в материале о том, как выбрать токарный станок для производства.

Частые вопросы о режимах резания

Как увеличить подачу без ухудшения шероховатости?

Чистота поверхности зависит от сочетания подачи и радиуса при вершине резца. Пластина с большим радиусом или зачистной геометрией держит Ra 0,8–3,2 мкм при подаче вдвое выше обычной чистовой. Второе условие связано с жёсткостью системы, без которой прибавка уйдёт в вибрацию.

Как выбрать подачу на токарном станке для чистового прохода?

Отталкиваются от требуемой шероховатости и радиуса при вершине, справочная вилка чистовой подачи 0,05–0,2 мм/об. Нижнюю границу берут при жёстких требованиях к Ra, верхнюю на коротком жёстком вале. Слишком малая подача тоже вредна, кромка начинает скоблить металл.

Чем назначение режимов на станке с ЧПУ отличается от универсального?

На универсальном частоту выбирают из фиксированного ряда ступеней, поэтому расчёт округляют. Привод ЧПУ задаёт обороты бесступенчато, подача пишется в кадре, а корректировать её можно процентом прямо во время работы. Табличные значения при этом одни и те же.

Чем обрабатывают закалённую сталь твёрдостью выше 50 HRC?

Твёрдым сплавом с износостойким покрытием, керамикой или сверхтвёрдыми материалами (ПСТМ). Значения берут по каталогу производителя, глубину и подачу назначают малые, система должна быть жёсткой. Быстрорежущая сталь по такой твёрдости не работает.

Что сильнее сокращает стойкость резца: скорость или подача?

Скорость. Из трёх параметров именно она определяет температуру в зоне контакта, поэтому её превышение сажает кромку быстрее сопоставимой прибавки подачи, а слабее всего влияет глубина. Отсюда и порядок корректировки: сначала снижают V.

Можно ли точить твердосплавным резцом без СОЖ?

При непрерывном точении можно, твёрдый сплав рассчитан на высокую температуру кромки. Опаснее прерывистая работа с периодическим попаданием жидкости, перепад температур даёт тепловые трещины. Либо льют обильно и постоянно, либо работают всухую.