Оптимизация процессов лезвийной обработки отверстий

 
 
 
 
А. В. Баранов 
 
 
 
 
 
 
 
 
ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ  
ЛЕЗВИЙНОЙ ОБРАБОТКИ ОТВЕРСТИЙ 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
 
 
 

УДК 621.01 
ББК 34.41 
Б24 
 
 
 
Рецензенты: 
кафедра «Технология машиностроения» Государственного  
Санкт-Петербургского института машиностроения; 
зам. главного инженера ПАО «ОДК-Сатурн» 
доктор технических наук, профессор Л. Б. Уваров 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Баранов, А. В. 
Б24  
Оптимизация процессов лезвийной обработки отверстий : учебное 
пособие / А. В. Баранов. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 
140 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1708-2 
 
В краткой и простой форме излагается сущность ряда вопросов теории оптимизации операций лезвийной обработки. Рассмотрен аналитический метод оптимизации режимов резания при обработке отверстий осевым инструментом.  
Для студентов машиностроительных направлений. Может быть использовано магистрами и аспирантами, занимающимися теорией механической обработки материалов. 
 
УДК 621.01 
ББК 34.41 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1708-2 
© Баранов А. В., 2024 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
 
 

ОГ
ЛАВЛЕНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 6 
ГЛАВА I. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ 
И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 
ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ ОТВЕРСТИЙ ОСЕВЫМ 
ЛЕЗВИЙНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ 
........................................................................... 7 
1.1. Основные параметры обрабатываемости.  
Обзор методов определения режимов обработки 
.................................................... 7  
1.2. Скорости резания при лезвийной обработке отверстий  
осевым инструментом 
................................................................................................. 9 
1.3. Температурные поля в зоне работы зуба инструмента.  
Температура резания при обработке отверстий 
..................................................... 10 
1.4. Осевая сила и крутящий момент при сверлении, зенкеровании  
и развертывании. Пластическая деформация металла  
снимаемого припуска 
................................................................................................ 12 
1.5. Износ и стойкость мерного концевого инструмента 
...................................... 14 
1.6. Качество поверхности при механической обработке отверстий  
лезвийным осевым инструментом 
........................................................................... 17 
1.7. Точность обработки отверстий концевыми инструментами ......................... 20 
ГЛАВА II. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ  
ОБРАБАТЫВАЕМОСТИ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОЙ  
ОБРАБОТКЕ ОТВЕРСТИЙ ЛЕЗВИЙНЫМ ОСЕВЫМ  
ИНСТРУМЕНТОМ НА ОСНОВЕ СОВМЕСТНОГО ИЗУЧЕНИЯ  
МЕХАНИЧЕСКИХ И ТЕПЛОВЫХ ЯВЛЕНИЙ 
.................................................... 24 
2.1. Комплексно-теоретический инструмент для лезвийной  
обработки отверстий ................................................................................................. 24 
2.1.1. Расчетное определение геометрических параметров среза 
и угла схода стружки для КТИ ................................................................................. 25 
2.2. Расчетное определение средних действительных значений  
переднего и заднего углов зуба инструмента и угла 
наклона главной режущей кромки 
........................................................................... 31 
2.3. Уточненный расчет действительного среднего переднего  
угла зуба с учетом радиуса округления режущей кромки 
..................................... 34 
2.4. Особенности работы поперечной кромки сверла  
и ее геометрия ............................................................................................................ 36 
2.5. Расчетное определение составляющих силы резания .................................... 40  
2.5.1. Расчет составляющих силы стружкообразования 
........................................ 40  
2.5.2. Расчет сил смятия металла ............................................................................. 43 
2.5.3. Определение горизонтальной составляющей силы трения на задней  
поверхности зуба инструмента Fz и нормальной силы Ny (участок A1F) 
............. 45  
2.5.4. Расчетное определение составляющих силы резания 
Pz, Py, Px ..................................................................................................................... 46  
 
3 

2.5.5. Определение сил, действующих на поперечной кромке  
инструмента ..............................................................................................................  47 
2.5.6. Определение крутящего момента и осевой силы 
......................................... 47  
2.6. Расчет температуры в зоне резания при обработке отверстий осевым 
лезвийным инструментом 
......................................................................................... 48 
2.6.1. Суммарная контактная температура на передней  
поверхности зуба инструмента ................................................................................ 50  
2.6.2. Суммарная контактная температура на задней  
поверхности зуба инструмента ...............................................................................  50 
2.7. Подогрев зоны резания впередиидущими зубьями при  
работе лезвийного осевого инструмента ...............................................................  52 
2.8. Расчет температуры резания ............................................................................. 56 
2.9. Баланс механической и тепловой энергий при обработке  
отверстий осевым лезвийным инструментом 
......................................................... 57 
2.9.1. Расчет количества тепла, уходящего из зоны резания  
в стружку .................................................................................................................... 58 
2.9.2. Расчет количества тепла, уходящего из зоны резания  
в деталь ....................................................................................................................... 60 
2.9.3. Определение количества тепла, уходящего в зуб 
 инструмента .............................................................................................................. 63  
2.9.4. Уравнение баланса механической и тепловой энергий ............................... 66  
2.10. Расчетное определение угла наклона условной плоскости 
сдвига для операций лезвийной обработки отверстий 
.........................................  72 
2.11. Получение уравнений обрабатываемости для оптимального  
по износостойкости инструмента резания 
.............................................................  73 
2.12. Оптимизация операций лезвийной обработки отверстий  
на основе использования энергетического критерия А 
......................................... 78 
2.13. Исследование параметров обрабатываемости сталей и сплавов  
при различных экономических критериях оптимальности .................................. 81 
2.13.1. Параметры обрабатываемости, соответствующие максимальной  
размерной стойкости инструмента (оптимальное резание) 
.................................. 82 
2.13.2. Параметры обрабатываемости, соответствующие минимальной  
себестоимости (экономическое резание) и минимальному штучному  
времени (резание максимальной производительности) ........................................ 84 
2.14. Точность обработки отверстий лезвийным осевым  
инструментом 
............................................................................................................  85 
2.14.1. Точность диаметрального размера отверстия ............................................ 86 
2.14.2. Увод оси отверстия ........................................................................................ 92 
2.15. Аналитическое определение параметров качества 
поверхностного слоя отверстия при работе 
лезвийного осевого инструмента 
............................................................................  93 
2.15.1. Шероховатость поверхности ........................................................................ 93 
2.15.2. Расчетный метод определения глубины и степени наклепа 
при обработке отверстий лезвийным осевым инструментом ............................... 94 
4 

2.16. Обеспечение прочности и устойчивости осевого 
лезвийного инструмента ........................................................................................... 96 
2.16.1. Обеспечение прочности инструмента 
......................................................... 96 
2.16.2. Обеспечение устойчивости инструмента ................................................... 97 
ГЛАВА III. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ МЕТОДАМИ  
ТЕОРИИ ПОДОБИЯ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ  
ПРИ ЛЕЗВИЙНОЙ ОБРАБОТКЕ ОТВЕРСТИЙ ОСЕВЫМ 
ИНСТРУМЕНТОМ ................................................................................................  100 
3.1. Оборудование, научная аппаратура, материалы, методы  
измерения при проведении исследований ...........................................................  100 
3.2. Изучение особенностей работы поперечной 
кромки сверла .........................................................................................................  103 
3.3. Определение величины отношения средних интенсивностей  
тепловыделения на полуперемычке и главной режущей кромке  
зуба сверла 
................................................................................................................ 106 
3.4. Температурные поля в зоне резания при лезвийной обработке  
отверстий осевым инструментом. Температура резания .................................... 108 
3.5. Силы резания и утолщение стружки .............................................................. 114  
3.6. Критериальные зависимости Ре = f(A) 
........................................................... 116 
3.7. Установление обобщенной зависимости между относительным  
линейным износом зубьев инструмента и энергетическим  
критерием А ............................................................................................................. 117  
3.8. Показатели качества поверхностного слоя: высота  
микронеровностей, глубина и степень наклепа ................................................... 122  
3.9. Показатели точности обработанных отверстий ............................................ 125  
3.10. Определение минимальной толщины среза при работе  
осевого лезвийного инструмента 
........................................................................... 127 
3.11. Определение коэффициента kсотс 
.................................................................. 129 
ГЛАВА IV. МЕТОДИКИ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ 
ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ И ГЕОМЕТРИИ 
ИНСТРУМЕНТА ПРИ ОБРАБОТКЕ ОТВЕРСТИЙ 
............................................ 132 
4.1. Выбор наиболее эффективного инструментального  
материала по его износостойкости ........................................................................ 132 
4.2. Определение целесообразной геометрии режущей части 
осевого лезвийного инструмента 
........................................................................... 132   
4.3. Методика теоретического определения оптимальных  
режимов при обработке отверстий ........................................................................ 133  
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 
........................................................................................................ 135   
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК .................................................................... 137   
 
 
 
5 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Современное машиностроение характеризуется широкой номенклатурой 
используемых видов механической обработки, металлорежущих станков, инструментов, схем резания, обрабатываемых и инструментальных материалов, 
смазочно-охлаждающих технологических средств, а также большим разнообразием технологических и технико-экономических требований к операциям размерной обработки.  
Оптимизация операций механической обработки связана с определением 
такого режима работы станочного оборудования, который научно обоснованно 
гарантирует получение готовой детали требуемого качества при минимальной 
стоимости. Решение этой сложной технико-экономической задачи не может 
быть в полной мере осуществлено широко распространенным в настоящий момент экспериментальным методом определения режимов резания, основанным 
на проведении трудоемких и дорогостоящих стойкостных опытов с получением 
степенных формул для скорости резания. Малая гибкость и оперативность экспериментального метода приходят в противоречие с современными требованиями резкого сокращения сроков технологической подготовки производства новых изделий машиностроения. Последнее особенно проявляется при переходе 
на изготовление деталей из новых сталей и сплавов, которые наиболее часто 
меняются в космической, оборонной, авиационной, энергетической, судостроительной и других отраслях машиностроения и для обработки которых нет готовых экспериментальных формул для определения скоростей резания.  
Задача научно обоснованного нормирования операций механической обработки может быть успешно решена аналитическим методом определения режимов резания, основу которого составляют обобщенные математические модели, устанавливающие связь между всеми наиболее важными параметрами 
процесса резания.  
Усложнение конструкций деталей, повышение требований к качеству обработки предполагает увеличение объема операций лезвийной обработки, среди 
которых операции по обработке отверстий занимают особо заметное место. 
Осевые инструменты для лезвийной обработки отверстий – сверла, зенкеры, 
развертки являются наиболее распространенными в общей массе инструментов, 
используемых для изготовления деталей машин, 60 % которых имеют отверстия различных видов. Обработка этими инструментами – во многих случаях 
наиболее экономичный способ получения отверстий. 
В данном учебном пособии рассматриваются вопросы, связанные с разработкой и применением аналитического метода для оптимизации операций 
лезвийной обработки отверстий.  
6 

Глава I. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ  
И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ  
ОБРАБОТКИ ОТВЕРСТИЙ ОСЕВЫМ ЛЕЗВИЙНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ 
 
1.1. Основные параметры обрабатываемости.  
Обзор методов определения режимов обработки 
 
Под обрабатываемостью в современной трактовке, сформулированной 
Н.И. Резниковым, понимают способность материалов подвергаться резанию по 
ряду технологических показателей. Это, прежде всего допускаемая скорость резания, возникающие в процессе обработки силы, усадка стружки, интенсивность изнашивания инструмента, качество поверхностного слоя и другие.  
Впервые значительное внимание изучению вопросов обрабатываемости 
было уделено русским ученым И.А. Тиме. Он отмечал большое практическое 
значение данных о допускаемых скоростях резания и разработал таблицу скоростей для обработки металлов различными инструментами. Я.Г. Усачев первым 
указал на важное значение температуры резания для оценки обрабатываемости.  
М.И. Клушин ввел понятие «истирающей способности» металлов для 
объяснения отсутствия однозначной связи между температурой резания и обрабатываемостью различных металлов. Значительные исследования по изучению 
влияния химического состава и термической обработки на обрабатываемость 
хромоникелевых аустенитных сталей, хромоникелевых и титановых сплавов 
при обработке быстрорежущими инструментами, в том числе при сверлении, 
были выполнены А.Д. Вершинской.  
Н.И. Ташлицким было впервые установлено, что влияние механических 
свойств сталей на их обрабатываемость следует оценивать не по твердости и 
пределу прочности, а по действительному пределу прочности, пропорциональному возникающему в контактном слое продольной текстуры стружки максимальному касательному напряжению, от величины которого зависит удельная 
работа, а, следовательно, и удельное количество теплоты, выделяющейся в этом 
слое.  
Большой объем исследований по определению обрабатываемости жаропрочных сталей, жаропрочных и титановых сплавов был выполнен под руководством Н.Н. Зорева, Н.И. Резникова, В.А. Кривоухова.  
Различные экспериментальные способы определения обрабатываемости: 
И.М. Беспрозванный предложил приемы определения обрабатываемости путем 
регистрации интенсивности начального износа инструмента, А.М. Розенберг  
и Н.И. Ташлицкий – способом увеличения скоростей резания по ступеням,  
Б.И. Прушков – при продольном обтачивании с непрерывно возрастающей скоростью резания, широко используемый на производстве; Е.П. Надеинская – методом радиоактивных изотопов; А.С. Кондратов – по зависимости «интенсивность износа – скорость резания» позволяли определять оптимальные условия 
обработки лишь для конкретных пар «инструментальный – обрабатываемый 
материал».  
7 

В конце 50-х – начале 60-х годов появляются первые работы по определению обрабатываемости металлов не экспериментальным, а расчетным путем 
по их химическому составу, механическим и физическим свойствам. Однако  
и они имели ограниченную область применения.  
В настоящее время на производстве для определения оптимальных режимов обработки применяют: 
а) таблицы и номограммы;  
б) банки данных; 
в) картотеки материалов в системах автоматического программирования; 
г) аналитические оптимизационные расчеты.  
В большинстве случаев выбор режимов резания производится по таблицам и номограммам. Этот способ, естественно, не может учесть все конкретные 
условия обработки материалов.  
Значительный интерес представляет создание за рубежом специализированных учреждений, занимающихся сбором, обработкой и распространением 
информации о режимах обработки. Эти «банки технологических данных» в 
настоящее время работают в США, Японии, Великобритании, Германии и некоторых других странах. Следует особо отметить и факт беспрецедентной организации Международной ассоциации по сверлению и кольцевому сверлению 
отверстий – BTA (Boring and Trepaning Association), занимающейся сбором и 
обработкой информации по различным вопросам обработки отверстий, прежде 
всего глубоких. Инициатором создания этой организации была немецкая фирма 
Heller, а в качестве ее членов вошли крупные фирмы ряда стран Европы, Америки и Японии. Источником первичной информации для этих банков является 
опыт, накопленный на промышленных предприятиях различных стран и оптимизационные расчеты, выполненные на основе математических моделей металлообработки при помощи ЭВМ. Хотя использование банков данных и получило 
широкое распространение, однако их создание требует больших затрат, кроме 
того, они не могут дать рекомендаций по резанию новых марок сталей и сплавов, опыта по обработке которых еще не накоплено.  
Создание систем автоматического программирования с целью машинного 
проектирования управляющих программ для станков с ЧПУ поставило перед 
технологами еще острее проблему назначения оптимальных режимов обработки. В настоящее время значительный интерес проявляется к аналитическим оптимизационным расчетам. При этом решается задача выбора среди множества 
вариантов наиболее рационального по некоторому критерию (минимальная себестоимость, максимальная производительность и др.) и обеспечивающего заданные параметры качества изготовления изделий. Однако, при этом назначение режимов производится без изучения физики процесса резания и не всегда 
высокоэффективно.  
В последние годы осуществляются исследования, целью которых является оптимизация процессов механической обработки на основе аналитического 
метода определения параметров обрабатываемости. Аналитический метод 
определения режимов обработки основан на использовании современных до8 

стижений в области изучения физики явлений, протекающих в зоне резания, 
одновременном исследовании механических и тепловых явлений и установлении их взаимосвязи с процессами изнашивания инструментов методами теории 
подобия [27]. Полученные математические модели позволяют оптимизировать 
с помощью ЭВМ операции механообработки, определять научно обоснованные 
нормы для различных операций. При этом экспериментальный метод может  
в отдельных случаях быть использован лишь для проверки точности аналитического метода.  
А.Д. Макаровым [19] было установлено, что выбор характеристик обрабатываемости должен быть связан с характером зависимости «интенсивность 
износа – скорость резания». Он пришел к выводу, что наиболее объективными 
для современного производства характеристиками обрабатываемости являются 
оптимальная скорость резания v0 и минимальный относительный поверхностный износ hопо, наблюдаемый при работе на скорости v0, которым соответствует оптимальная температура в зоне резания 
0
ș . Скорости v0 резания определяются влиянием особенностей обрабатываемого и инструментального материалов на температуру резания, а величина hопо – истирающей способностью материала детали и его адгезионной склонностью к материалу инструмента.  
 
1.2. Скорости резания при лезвийной обработке отверстий  
осевым инструментом 
 
Определение наиболее эффективной скорости обработки является одной 
из главных задач науки о резании металлов. Неслучайно поэтому ее определению уделяется значительное внимание в исследовательских работах по обработке отверстий Г.С. Андреева, Н.М. Еремеевой, Н.М. Федорова, Н.И. Резникова, Я.Л. Гуревича, Е.Г. Люткевич, С.В. Загорова и других авторов. Однако результатами этих исследований являлись эмпирические зависимости степенного 
вида для конкретных обрабатываемого и инструментального материалов. Нормативные справочники по расчету режимов резания дают аналогичные формулы, которые имеют весьма узкий диапазон применения.  
Подходы к установлению рациональных скоростей резания при обработке отверстий могут быть различными. Например, в работе [10] предлагается методика определения эффективных режимов резания при сверлении по оптимальным скоростям резания и стойкости сверла с учетом особенностей обработки на многоцелевых станках с использованием системы адаптивного управления, позволяющей регулировать как скорость резания, так и подачу по активной мощности резания. Однако, это связано с использованием средств активного контроля и позволяет решать лишь конкретные задачи.  
Определенный интерес представляет определение скоростей резания  
с учетом показателей надежности в работах В.И. Жилиса и Б.Д. Даниленко, однако за основу при этом берутся оптимальные скорости, устанавливаемые экспериментальным путем.  
9 

В работе Ю.П. Холмогорцева [36] показано, что при изменении скорости 
резания в широком диапазоне для различных процессов обработки отверстий 
мерным концевым инструментом в деталях из различных сталей зависимости 
стойкости, пути резания и числа обработанных отверстий от скорости носят 
экстремальный характер. Положение экстремальных точек зависит от физикомеханических свойств материала детали и инструмента, режима и других условий резания.  
Закон постоянства оптимальной температуры резания, установленный 
первоначально для продольного точения различных сталей и сплавов, нашел 
экспериментальное подтверждение и для различных операций механической 
обработки отверстий лезвийным осевым инструментом [1, 36].  
Влияние скорости резания на температуру резания и суммарную глубину 
просверленных отверстий представлено в работе А.Д. Макарова [19], что подтверждает существование оптимальных скоростей и для этого вида лезвийной 
обработки, сверление на которых поддерживает в зоне резания оптимальную 
температуру ș = 480 °С.  
Для процесса зенкерования также было подтверждено положение об оптимальных скоростях резания [16].  
 
1.3. Температурные поля в зоне работы зуба инструмента.  
Температура резания при обработке отверстий 
 
Известно, что практически вся механическая энергия упругопластического деформирования металла снимаемого припуска и поверхностного слоя, а 
также трения на контактных поверхностях зубьев инструмента превращается в 
тепловую энергию, следствием которой являются температурные поля в стружке, детали и инструменте. Температурные поля, в свою очередь, изменяют механические и теплофизические свойства обрабатываемого и инструментального 
материалов, интенсивность протекания упругих и пластических деформаций, 
определяют значения напряжений и сил резания, определяющим образом влияют на износ инструмента.  
Подавляющее большинство исследований – экспериментальные, и результаты их порой противоречивы. П.Г. Алексеев установил, что максимум 
температуры находится в зоне работы поперечной режущей кромки. В работах 
же П.А. Юдковского и А.А. Виноградова показано, что наиболее высокая температура развивается на диаметре d′ = 0,8⋅d сверла, что объясняется облегчением процесса резания на участках с большими передними углами и теплоотводом в массу обрабатываемого материала через ленточки сверла. Также было 
установлено, что зона передней поверхности зуба, где температуры достигают 
максимума, удалена не только от периферии, но и от режущей кромки инструмента. То же относится и к задней поверхности. Причем эти результаты были 
получены как для сверл, так и для зенкеров [6].  
В.А. Аршинов и Ю.Н. Тельянов установили, что при обработке титанового сплава ВТ20 сверлами из твердого сплава ВК10М температура интенсивно 
10