По мере роста применяемых в настоящее время скоростей резания тепловые условия износа инструмента непрерывно ухудшаются. Поэтому допустимые значения температуры — красностойкость инструмента — определяют допустимые значения скорости резания. Это объясняется тем, что по мере роста скорости резания и определяемой ею скорости деформации материала срезаемого слоя работа пластической деформации уменьшается, а следовательно, уменьшается и количество тепла, выделяемого на единице пути движения резания. Однако благодаря повышению скорости движения количество тепла, выделяющегося в единицу времени и определяющего стойкость инструмента, возрастает. Идея сверхскоростного резания заключается в переходе на обработку резанием с особо высокими скоростями; в этом случае начиная с некоторого критического значения, происходит снижение температуры, т. е. температурные условия работы инструмента становятся аналогичными его работе в условиях обычно принимаемых скоростей резания. Это объясняется тем, что начиная с критических значений скоростей резания и соответствующих им скоростей деформации характер протекания процесса стружкообразования качественно изменяется — отделение материала срезаемого слоя происходит в результате не пластического, а хрупкого разрушения. Как известно, энергия, потребная на хрупкое разрушение, намного меньше энергии, необходимой для пластического разрушения. Поэтому этот вид разрушения характеризуется значительно меньше тепловыделением и определяет возможность практического осуществления сверхскоростного резания, обеспечивающего коренное повышение производительности. Кроме того, при резании с высокими скоростями деформации происходит освобождение накопленной в процессе деформирования потенциальной энергии, что понижает сопротивление деформированию вследствие внутреннего разогрева металла.
В этом случае также наблюдается локализация пластической деформации в малых объемах, а также интенсивный разогрев контактных слоев, приводящий к снижению сил трения. Все изложенное приводит к тому, что при сверх высоких скоростях резания получаются те же температуры в зоне резания, что при обычных скоростях резания. Правильность рассмотренной теоретической зависимости температуры резания от скорости подтверждается рядом экспериментов, выполненных как в нашей стране, так и за рубежом.
Сверхскоростное резание осуществляется на весьма высоких скоростях резания; например, для сверх скоростного резания чугуна быстро режущим инструментом необходимая скорость резания составляет 750 м/сек. Для перевода отожженной стали в хрупкое состояние необходима скорость деформации 3000 м/сек. Повышение красностойкости инструментальных материалов, т. е. повышение допустимых температур в зоне резания, сужает размеры зоны катастрофического теплового износа инструмента, следовательно, повышает допустимые скорости при обычном резании и снижает предельные скорости сверхскоростного резания.
В качестве энергии для осуществления сверхскоростного резания используют взрывчатые вещества, сжатый газ, мощный искровой разряд, сжигаемые газы, магнитные поля высокой плотности, а также обычные электрические двигатели. Подробные исследования сверхскоростного резания выполнены посредством использования для задания движения резания метательной энергии взрывчатого вещества. На жестком металлическом основании смонтирована винтовка. Обрабатываемые образцы диаметром 7,62 мм и длиной 30 мм вставляют в винтовочный патрон вместо пули.
При выстреле они пролетают между двумя резцами, которые срезают с них стружку. После этого образцы попадают в ящик с листами войлока 4 и тормозятся в неповрежденном виде. Образцы двигаются по гладкому каналу ствола без вращения. Срезанная стружка улавливается специальными карманами, помещающимися внутри резцедержателя; наличие в карманах ваты предохраняет влетающую стружку от дополнительной деформации. Обработка производилась со снятием малых толщин среза.
При испытаниях получена зависимость силы резания от скорости, аналогичная зависимости температур от скорости резания. Сила резания с ростом скорости сначала несколько увеличивается, при этом ее величина значительно меньше величины силы резания при обычном резании. Дальнейшее повышение скорости резания ведет к уменьшению силы. Относительная деформация стружки и микротвердость, начиная со скорости 6000 м/мин, остаются неизменными. По зарубежным данным, угол сдвига в этом случае становится больше 45°, т. е. стружка полу чается тоньше, чем толщина среза. Характерной особенностью износа резца является концентрация температур только в его поверхностном слое толщиной до 5 мкм, температура на расстоянии 4,8 мм от режущей кромки составляет всего 276° С. При испытаниях хорошую стойкость показывают инструменты из быстро режущей стали.
Улавливание обработанного образца производился с помощью бункера с паклей, отстоящего от выходного среза трубы на расстоянии 20 м. Инструментом служат цельные резцы из стали Р18, обеспечивающие получение на заготовке шпоночного паза. Подобная установка позволяет подбирать оптимальные условия сверхскоростной обработки в широком диапазоне режимов резания. Для практического использования она непригодна ввиду ограниченности номенклатуры обрабатываемых деталей.
Для освоения этого метода в производственных условиях в МВТУ им. Баумана создана малогабаритная установка для обработки сквозных отверстий, пазов и шлицев любой формы на наружных и внутренних поверхностях; при этом внешние очертания обрабатываемой детали могут быть любыми. В установке, в качестве энергии для сверхскоростного резания используют обычный охотничий патрон; можно применять также взрыв бензина, пневматические и другие источники энергии. Применение энергии метательных взрывных средств обеспечивает большую простоту конструкции установки, меньшие габариты и вес при достаточно больших полезных усилиях. Установки такого типа легче механизировать и автоматизировать; они более безопасны в эксплуатации. Конструктивно установка оформлена следующим образом: в корпус трубы помещена гильза, которая закрывается крышкой. Труба через резьбовый переходник вворачивается в рабочий цилиндр. В цилиндре помещен подвижный поршень, уплотненный четырьмя поршневыми кольцами: В дне поршня имеется резьбовое отверстие для соединения ползуна с различными рабочими инструментами — в данном случае резцедержателем. В гнезде резцедержателя крепится резец двустороннего резания. Резец своими передними гранями лежит на кольцевой заготовке, устанавливаемой внутри корпуса. Заготовка расположена на подкладках. Для смягчения удара резцедержателя в конце рабочего хода о стол пресса под резцедержатель положена резиновая шайба-буфер. Резьбовые соединения трубы с переходником и переходника с цилиндром герметизированы свинцовыми прокладками. В трубе предусмотрено отверстие для отвода пороховых газов, компенсирующее ошибки расчета навески пороха. Инициирование заряда производят электрозапалом. В полость рабочего цилиндра заливают жидкость (воду, масло индустриальное, водомасляную эмульсию), являющуюся средой, передающей энергию выстрела. Между уровнем газоотводного отверстия и уровнем жидкости помещен резиновый поршенек; на него непосредственно действуют пороховые газы.
Помимо энергии взрывчатых веществ в практике производства применяют также мощное электромагнитное поле и пневматику. Известны схемы, использующие для сверхскоростного резания двусторонне действующую воздушную подушку. Подобные же установки используются в производственных условиях за рубежом. В США выпускается портативное ручное пневмогидравлическое ружье для протягивания отверстий в листовых деталях самолетов взамен ручного развертывания. Работа цилиндра осуществляется передвижным стандартным преобразователем давления; он заправляется воздухом из заводской сети. Протягивание отверстий при помощи ружья характеризуется высокими производительностью и точностью обработки, а также низкой шероховатостью поверхности.
Все эти схемы построены на поступательном характере движения резания. Получение необходимых скоростей на обычных станках при вращательном характере движения резания пока является не всегда возможным из-за трудностей тщательной балансировки. В настоящее время в связи с ростом скоростей вращения шпинделей станков появились станки, допускающие высокие скорости резания. Так, например, выпускаются станки со скоростью вращения 10 000—15 000 об/мин. В ближайшее время будут широко освоены еще более высокоскоростные станки, например с воздушной подушкой. Все это создает техническую основу для промышленного освоения сверхскоростного резания и ставит задачу широкой теоретической и экспериментальной разработки и практического внедрения этого качественно нового и высокопроизводительного метода резания труднообрабатываемых материалов.
