Техника ступенчатого реза: как распределить нагрузку на инструмент при обработке прерывистой поверхности

Обработка прерывистых поверхностей, вроде зубчатого венца шестерни, фланца с пазами или кулачковой шайбы, представляет собой серьёзное испытание для режущего инструмента. Каждый вход резца в материал сопровождается ударной нагрузкой, а при выходе в воздушный зазор снимается напряжение, что ведёт к циклическим термомеханическим воздействиям.

Такие условия провоцируют выкрашивание режущих кромок, интенсивный износ и, в конечном счёте, поломку оснастки. Классический подход с постоянной глубиной резания здесь неэффективен, так как инструмент на всей длине рабочего хода испытывает предельные нагрузки при встрече с кромкой заготовки.

Ступенчатая техника резания предлагает рациональный метод решения этой проблемы путём искусственного разделения полной глубины обработки на несколько проходов с разной величиной врезания. Идея заключается в том, чтобы первый проход снимал основную часть припуска, но не по всей обрабатываемой поверхности, а лишь на её сегменте.

Представьте зубья шестерни: вместо того, чтобы сразу проходить весь контур каждого зуба на полную глубину, скажем, в 5 миллиметров, мы разбиваем эту операцию. Первым проходом мы обрабатываем, условно, правые боковые поверхности всех зубьев, но на глубину лишь 3 миллиметра.

Следующий проход направлен на снятие оставшихся 2 миллиметров с этих же правых поверхностей, что уже представляет собой значительно меньшую нагрузку, так как инструмент входит не в цельный материал, а в зону с уменьшенным припуском. После этого алгоритм повторяется для левых сторон зубьев.

Таким образом, на каждом конкретном участке контура резец сталкивается с пиковой нагрузкой только один раз – во время первого врезания, а завершающие проходы выполняются в более щадящем режиме. Это принципиально отличает данный метод от простого последовательного уменьшения глубины на одном участке.

При программировании станков с числовым программным управлением реализация данной стратегии требует внимательного подхода к составлению управляющей программы. Вместо вызова стандартного цикла чистовой обработки контура необходимо создать несколько контурных подпрограмм, каждая из которых отвечает за свой уровень глубины на определённых сегментах детали.

Для фрезерования пазов между зубьями шестерни твёрдосплавной концевой фрезой диаметром 10 мм можно задать следующее: первый проход на глубину z = -4 мм по всему объёму паза, а последующие два прохода на глубины z = -7 мм и z = -10 мм исключительно для боковых стенок, где уже выполнено черновое удаление материала.

При ручном управлении, на универсальных фрезерных или токарных станках, техника требует от станочника высокого уровня квалификации и понимания процесса. Оператор вручную выставляет смещения по осям, последовательно переходя от одной ступени обработки к другой.

Для токарной обработки прерывистой поверхности вала с лысками рекомендуется сначала снять основной припуск по всей длине, но не доводя размер до конечного, оставив запас около 0.5 миллиметра на сторону, а затем аккуратными проходами довести каждую лыску до чистового размера, минимизируя биение и вибрацию.

Ключевые параметры, которые необходимо корректировать при применении ступенчатого метода, — это скорость резания и подача. При первом, наиболее напряжённом проходе, скорость часто снижают на 15-20% относительно рекомендованных значений для данного материала.

Скажем, для стали 45 с твёрдостью 200 НВ стандартная скорость для твёрдосплавной пластины может составлять 220 м/мин, а для врезания в прерывистую поверхность её стоит взять в районе 180 м/мин. Подачу на зуб также рационально уменьшить на этом этапе.

На последующих ступенях, когда условия резания становятся более стабильными, скорость и подачу можно вернуть к нормативным величинам или даже несколько увеличить для повышения производительности. При работе с вязкими материалами, такими как нержавеющие стали аустенитного класса, это особенно актуально, так как позволяет избежать налипания стружки на режущую кромку при снятии небольшого припуска.

Для чугуна СЧ20, напротив, можно применять более агрессивные подачи на финишных проходах, так как стружка легко ломается.

Выбор инструмента также диктуется особенностями метода. Предпочтение стоит отдавать пластинам и фрезам с повышенной прочностью режущей кромки, геометрии, рассчитанной на ударные нагрузки.

Часто применяют пластины с положительным передним углом, но с укреплённой кромкой фаской или ленточкой. Для черновых ступеней обработки шестерни из легированной стали 40Х хорошо зарекомендовали себя твёрдосплавные пластины маркировки GC4235 с покрытием, а для чистовых переходов – более острые пластины из той же линейки, но с маркировкой GC1040.

Расчёт глубин резания для каждой ступени – это не произвольное действие, а инженерная задача. Общее правило гласит, что первый проход должен снимать от 60% до 70% всего припуска.

Если полная глубина паза составляет 12 миллиметров, то первый проход рационально выполнить на 7-8 миллиметров. Второй этап забирает основную часть оставшегося материала, примерно 3-4 миллиметра, а последний, чистовой проход, служит для окончательного формирования поверхности и снятия десятых долей миллиметра.

Такое распределение оптимально дробит силовое воздействие.

На практике при фрезеровании зубьев цилиндрической шестерни модуля 4 это выглядит так: черновое нарезание выполняется на глубину, соответствующую полной высоте зуба, но ступенчатым методом для каждой впадины. Затем, после термообработки, чистовое шлифование или шевингование также может использовать аналогичный принцип, когда правка круга и режимы его работы настраиваются так, чтобы контакт с кромкой зуба был постепенным.

Это предотвращает появление прижогов и микротрещин на поверхностном слое ответственной детали.

Контроль качества при таком методе обработки фокусируется на проверке размеров после каждой значимой ступени, особенно перед финишным проходом. Использование штангенциркуля или микрометра позволяет убедиться, что оставленный припуск соответствует запланированному значению, например, 0.2-0.3 миллиметра на сторону для окончательной доводки.

Это даёт возможность скорректировать режимы и избежать брака, связанного с превышением допустимых отклонений формы, таких как конусность или бочкообразность паза.

Эффективность ступенчатого реза напрямую влияет на стойкость инструментального оснащения. При обработке труднообрабатываемого жаропрочного сплава типа ХН77ТЮР обычным методом пластина может выдержать 15-20 минут работы, в то время как применение ступенчатой стратегии позволяет увеличить этот интервал до 40-50 минут за счёт кардинального снижения ударных нагрузок на первом, самом тяжёлом этапе врезания.

Экономический эффект складывается не только из экономии на режущем инструменте, но и из сокращения времени переналадки станка.

Внедрение данного подхода в повседневную практику цеха требует определённой перестройки мышления технолога и оператора. Необходимо детально проанализировать чертёж детали, выделить все зоны с прерывистым резанием, спланировать последовательность проходов и заранее прописать все смещения в управляющей программе или технологической карте для ручного управления.

Затраченное на эту подготовку время многократно окупается стабильностью процесса, предсказуемым износом оснастки и отсутствием внеплановых остановок оборудования из-за поломок фрез или резцов.

Финишная обработка, выполняемая после ступенчатого чернового реза, также выигрывает в качестве. Поскольку основной объём материала удалён с минимизацией вибраций и деформаций заготовки, чистовой резец или шлифовальный круг работает в спокойных условиях.

Это позволяет добиться более высоких классов шероховатости, вплоть до Ra 0.8 на стальных деталях, и точнее выдерживать геометрические параметры, что критически значимо для тех же шестерён, от которых зависит бесшумность и долговечность работы всего механического узла.