Выбор режимов резания в зависимости от прочности режущего инструмента

Цель – повышение эффективности процесса свободного резания металлов за счет максимизации работоспособности режущего инструмента путем выбора режимов резания в зависимости от его запаса прочности. В работе использовали метод конечных элементов со специальной моделью Джонсона–Кука и алгоритмом локальной адаптации сетки срезаемого слоя Arbitrary Lagrangian-Eulerian для моделирования процесса резания и выявления распределения напряженного состояния в инструменте. В качестве материала инструмента принят твердый сплав ВК8, заготовки – сталь 45. Также были изучены алюминиевый и титановый сплавы 6061Т-6, Ti-6Al-4V – в качестве материалов заготовки. Адекватность модели подтверждена соответствием полученных распределений напряжений «растяжение–сжатие» в инструменте, наблюдаемых в виде линий изохром при резании свинца резцом из эпоксидного материала. Установлено влияние на прочность режущего инструмента режимов резания, механических свойств материалов заготовок и геометрии режущей кромки инструмента. Выявлено, что при увеличении глубины резания от 0,2 до 1,4 мм максимальное главное напряжение σ1макс линейно возрастает в 2,05 раза, а прочность режущего зуба инструмента, соответственно, уменьшается. При глубине резания 1,4 мм максимальное главное напряжение σ1макс достигает 780 МПа, и режущий инструмент разрушается. Показано, что влияние скорости резания изменяется по экспоненте. С ростом переднего угла прочность режущего инструмента уменьшается. Так, при обработке инструментом с передним углом, равным 20° (при σ1макс = 760 МПа), он теряет способность резания. Установлено, что запас прочности у инструмента при обработке материала из алюминиевого сплава 6061Т-6 в 3,1 раза больше, чем при свободном резании заготовки из стали 45. На основе расчетной модели и результатов анализа взаимосвязи прочности режущего инструмента с технологическими факторами предложена методика назначения режимов свободного резания с учетом его запаса прочности.

1. Бетанели А.И. Прочность и надежность режущего инструмента. Тбилиси: Сабчота Сакартвело, 1973. 301 с.

2. Лоладзе Т.Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента. М.: Машиностроение, 1982. 320 с.

3. Пикалов А.А., Чайников К.К. Применение специальной технологической оснастки и гибких сверлильных шаблонов для сверлильных машин с автоматической подачей режущего инструмента // Известия Самарского научного центра РАН. 2016. Т. 18. № 1-2. С. 260–263. EDN: WLWZBD.

4. Bouzakis K.D., Michailidis N., Vidakis N., Efstathiou K., Leyendecker T., Erkens G., et al. Optimization of the cutting edge radius of PVD coated inserts in milling considering film fatigue failure mechanisms // Surface and Coatings Technology. 2000. Vol. 133-134. P. 501–507. https://doi.org/10.1016/S0257-8972(00)00971-3. EDN: KJJYKR.

5. Остафьев В.А. Расчет динамической прочности режущего инструмента. М.: Машиностроение, 1979. 168 с.

6. Мокрицкий Б.Я., Верещагин В.Ю., Верещагина А.С. Моделирование процессов резания с применением программы ANSYS // Вестник машиностроения. 2018. № 4. С. 69–72. EDN: XMZUXR.

7. Öpöz T.Т., Chen X. Chip formation mechanism using finite element simulation // Journal of Mechanical Engineering. 2016. No. 11. P. 636–646. https://doi.org/10.5545/SV-JME.2016.2523.

8. Gamboa C.B., Andersson T., Svensson D., Vilches F.J.T., Martín-Béjar S., Hurtado L.S. Modeling of the fracture energy on the finite element simulation in Ti6Al4V alloy machining // International Journal of Scientific Reports. 2021. Vol. 11. Iss. 1. Р. 18490. https://doi.org/10.1038/s41598-021-98041-5.

9. Pal S., Velay X., Saleem W. Finite element investigation of cutting speed effects on the machining of Ti6Al4V alloy // Discover Mechanical Engineering. 2024. Vol. 3. Iss. 1. Р. 1–24. https://doi.org/10.1007/s44245-024-00031-0. EDN: WQXTAU.

10. Qiao Shifan, Feng Chaobo, Wang Gang, Liu Taofu, Singh Jenisha. Two-dimensional finite element analysis and cutting force model for the cutting of circular steel bars using negative rake angle cutters: accounting for chip accumulation effects // Materials. 2025. Vol. 18. Iss. 6. Р. 1339. https://doi.org/10.3390/ma18061339. EDN: CBYZXX.

11. Krumme E., Donnerbauer K., Saelzer J., Zabel A., Walther F. Numerical chip formation simulations of AISI 304 steel with varying cutting tools // Procedia CIRP. 2025. Vol. 133. P. 132–137. https://doi.org/10.1016/j.procir.2025.02.024.

12. Пивкин П.М., Бабаев А.С., Козлов В.Н., Семёнов А.Р., Назаренко Е.С., Надыкто А.Б. Методология численного моделирования резания для расчетов распределения контактных напряжений на примере фрезерования стали // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. 2025. № 96. С. 92–107. https://doi.org/10.17223/19988621/96/8. EDN: HEGJKT.

13. Ghani J.A., Ismanizan M.A., Rahman H.A., Haron C.H.C., Juri A.Z., Kasim M.S., et al. Machining analysis of S45C carbon steel using finite element method // Journal Tribologi. 2024. Vol. 40. P. 226–246.

14. Савенков В.Н., Тимохин Ю.В., Тимохина В.Ю. Исследование процесса несвободного резания при механической обработке деталей машин // Сборник научных трудов Донецкого института железнодорожного транспорта. 2021. № 62. С. 56–66. EDN: XHMQPP.

15. Astakhov V.P., Outeiro J.C. Metal cutting mechanics, finite element modelling // Machining: Fundamentals and Recent Advances. London: Springer, 2008. P. 1–27. https://doi.org/10.1007/978-1-84800-213-5_1. EDN: YDNBJR.

16. Cheng Wenyu, Outeiro J.C.М. Modelling orthogonal cutting of Ti–6Al–4V titanium alloy using a constitutive model considering the state of stress // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2022. Vol. 119. Iss. 7-8. Р. 4329–4347. https://doi.org/10.1007/s00170-021-08446-9.

17. Xu Xiang, Outeiro José, Zhang Jun, Xu Binbin, Zhao Wanhua. Machining simulation of Ti6Al4V using coupled Eulerian-Lagrangian approach and a constitutive model considering the state of stress // Simulation Modelling Practice and Theory. 2021. Vol. 110. Р. 102312. https://doi.org/10.1016/J.SIMPAT.2021.102312. EDN: YCMGBE.

18. Schraknepper D., Peng Bingxiao, Bergs T. Advanced calculation of the stress distribution in milling tools during cutting under consideration of residual stresses and tool wear // Procedia CIRP. 2021. Vol. 102. P. 19–24. https://doi.org/10.1016/j.procir.2021.09.004. EDN: LEWIEG.

19. Вульф А.М. Резание металлов. М.: Машиностроение, 1973. 496 с.

20. Лошак М.Г. Прочность и долговечность твердых сплавов. Киев: Наукова Думка, 1984. 328 с.

21. Johnson G.R., Cook W.H. Fracture characteristics of three metals subjected to various strains, strain rates, temperatures and pressures // Engineering Fracture Mechanics. 1985. Vol. 21. No. 1. P. 31–48. https://doi.org/10.1016/0013-7944(85)90052-9.

22. Свинин В.М., Шутенков А.В., Пономарев Б.Б. Определение основных технических параметров проектируемой сверлильной машины с автоматической подачей // iPolytech Journal. 2024. Vol. 28. № 2. P. 224–237. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2024-2-224-237. EDN: DQWDDT.

23. Писаренко Г.С., Лебедев А.А. Деформирование и прочность материалов при сложном напряженном состоянии. Киев: Наукова Думка, 1976. 415 с.

24. Spear D.G., Palazotto A.N., Kemnitz R.A. Modeling and simulation techniques used in high strain rate projectile impact // Mathematics. 2021. Vol. 9. Iss. 3. Р. 1–29. https://doi.org/10.3390/math9030274. EDN: IELUYA.

25. Бобров В.Ф., Грановский Г.И., Зорев Н.Н., Исаев А.И., Клушин М.И., Ларин М.Н. [и др.]. Развитие науки о резании металлов. М.: Машиностроение, 1967. 417 с.