Резание с опережающим пластическим деформирование

Московский государственный технический университет 
имени Н.Э. Баумана 

В.М. Ярославцев 

РЕЗАНИЕ С ОПЕРЕЖАЮЩИМ  
ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ 

 

Рекомендовано Научно-методическим советом  

МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия  

по курсу «Перспективные технологии реновации» 

 

Москва 

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 
2010 

УДК 621.9 
ББК 34.63 
Я76 

Рецензенты: Ю.Ф. Назаров, П.М. Чернянский 

Ярославцев В.М.  
Я76 
Резание с опережающим пластическим деформированием: 
учеб. пособие по курсу «Перспективные технологии ренова-
ции» / В.М. Ярославцев. – М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 
2010. – 46, [2] с. : ил.  

 

Изложены основы физического механизма комбинированного 
метода резания с опережающим пластическим деформированием 
(ОПД). Приведены сведения о его технологических возможностях, 
области рационального применения, методика аналитического рас-
чета оптимальных режимов обработки с учетом решаемых техно-
логических задач, а также указания по проектированию технологи-
ческой оснастки для практической реализации резания с ОПД. Рас-
смотрены особенности применения метода и его эффективность в 
условиях реновации. Представлен справочный материал для оценки 
показателей эффективности резания с ОПД.  
Для студентов, обучающихся по специальности «Реновация 
средств и объектов материального производства в машинострое-
нии», при проведении семинаров и выполнении домашних зада-
ний по курсу «Перспективные технологии реновации», курсовом 
и дипломном проектировании, КНИР. Может быть полезно сту-
дентам, осваивающим другие технологические специальности 
машиностроительных вузов. 

УДК 621.9 
ББК 34.63 

 
 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010 

ПРИНЯТЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 

Ао – удельная работа пластического деформирования материала сре-
заемого слоя при воздействии упрочнителя, Дж/м3. 
Аор, Ар – удельная работа пластического деформирования материала 
режущим инструментом при обработке с опережающим пластическим 
деформированием (ОПД) и при обычном резании соответственно, Дж/м3. 
а – толщина срезаемого слоя, мм. 
ао – толщина срезаемого слоя, при которой достигается наибольшая 
эффективность ОПД, мм. 
KТ – коэффициент относительного повышения стойкости инструмен-
та при обработке с ОПД. 
Kv – коэффициент относительной обрабатываемости по скорости ре-
зания вследствие ОПД. 
Lз, Dз – длина и диаметр заготовки, мм. 
lк – ширина поверхности контакта (поверхности резания), мм. 
Ро – сила действия упрочнителя ОПД перпендикулярно поверхности 
резания, при которой достигается максимальная эффективность, Н. 
РОПД – сила действия упрочнителя ОПД перпендикулярно поверхно-
сти резания, Н. 
Рос – максимальная сила воздействия зубчатого ролика на заготовку в 
момент насекания лунок для стружкодробления, Н. 
Роy – составляющая силы упрочнителя ОПД на ось y, Н. 
Рр – сила действия упрочнителя ОПД на заготовку, Н. 
Роyz – составляющая силы Рр упрочнителя ОПД на плоскость уz, Н. 
Рy, Рz – радиальная и главная составляющие силы резания при обыч-
ном точении, Н. 
Рzо – главная составляющая силы резания при точении с ОПД, Н. 
q – линейная нагрузка ОПД, нормальная поверхности резания, Н/м. 
R1 – радиус рабочей поверхности деформирующего инструмента, мм. 
R2 – радиус кривизны поверхности резания в месте ее контакта с де-
формирующим инструментом, мм. 
Rз – радиус заготовки, мм. 
Rр – приведенный радиус кривизны в месте контакта деформирующе-
го инструмента с поверхностью резания, мм. 
S0 – продольная подача, мм/об. 

Sп – поперечная подача, мм/об. 
Sр – перемещение упрочнителя перпендикулярно оси заготовки, 
мм/мин. 
Т, То – период стойкости режущего инструмента при обычном точе-
нии и точении с ОПД, мин. 
t – глубина резания, мм. 
v, vо – скорость резания при обычной обработке и с ОПД соответст-
венно, м/с. 
vS – скорость движения подачи, мм/мин. 
x, у, z – координатные оси технологической системы. 
εi – интенсивность деформаций. 
εiк – интенсивность деформаций в зоне стружкообразования при ре-
зании (конечная деформация). 
εio – интенсивность деформаций материала срезаемого слоя в резуль-
тате воздействия ОПД. 
ηр – относительное изменение главной составляющей силы резания 
от воздействия ОПД (показатель эффективности действия ОПД по сило-
вому фактору). 
μк – коэффициент трения упрочнителя ОПД в месте контакта с заго-
товкой. 
σв, σт – временное сопротивление и предел текучести материала заго-
товки, МПа. 
Σтз – предел текучести материала зубчатой вставки накатного ролика, 
МПа. 
σi – интенсивность напряжений, МПа. 
σiк – интенсивность напряжений в зоне стружкообразования при ре-
зании, МПа. 
σiо – интенсивность напряжений в срезаемом слое при воздействии 
упрочнителя ОПД, МПа. 
φ – главный угол инструмента в плане, град. 

ВВЕДЕНИЕ 

Развитие современного промышленного производства происхо-
дит в условиях высокой конкуренции на рынке сбыта и массового 
перехода производителей от выпуска продукции для обезличенного 
потребителя к систематическому поиску своего заказчика. Поддер-
жание конкурентоспособности выпускаемой продукции непрерывно 
требует решения задач, связанных с сокращением сроков создания 
изделия, снижением материальных затрат на его изготовление и 
обеспечением максимального соответствия качества продукции ин-
дивидуальным требованиям конкретного потребителя. Особые 
сложности в реализации указанных задач возникают при изготовле-
нии изделий из труднообрабатываемых сталей и сплавов, механиче-
ская обработка которых как при изготовлении деталей, так и при их 
восстановлении в процессе реновации сопряжена с крайне низкой 
производительностью труда (часто в 10–20 раз ниже, чем при реза-
нии обычных конструкционных сталей). Кроме того, недостаточная 
стабильность процесса резания некоторых материалов затрудняет 
выполнение требований, предъявляемых к качеству обработки. 
В настоящее время одним из направлений совершенствования 
процесса резания труднообрабатываемых материалов и повышения 
качества деталей, изготавливаемых из них, является разработка и 
применение комбинированных методов обработки, основанных на 
использовании дополнительных источников энергетического воз-
действия на обрабатываемый материал в зоне обработки. К таким 
методам относится, в частности, метод обработки резанием с опе-
режающим пластическим деформированием (ОПД), разработанный 
в МГТУ им. Н.Э. Баумана.  

НАЗНАЧЕНИЕ МЕТОДА 

Метод обработки резанием с ОПД предназначен для улучше-
ния обрабатываемости пластичных конструкционных материалов 
широкой номенклатуры (в первую очередь труднообрабатываемых 

сталей и сплавов с повышенной вязкостью). Метод способствует 
повышению производительности труда, увеличению стойкости 
режущего инструмента, снижению шероховатости поверхности, 
повышению точности обработки, эксплуатационных характери-
стик изделий, обеспечению надежного дробления сливной струж-
ки, улучшению условий труда и культуры производства. 
Применение метода ОПД позволяет существенно интенсифици-
ровать процесс резания за счет совмещения во времени положи-
тельных эффектов одновременно по ряду технологических показа-
телей, указанных выше, а также видов работ, обычно выполняемых 
раздельно и относящихся к разным группам технологических мето-
дов, например к резанию и поверхностному пластическому дефор-
мированию.  

СУЩНОСТЬ И ФИЗИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ 
ОБРАБОТКИ С ОПД 

Сущность метода заключается в целенаправленном изменении 
физико-механических свойств материала срезаемого слоя путем 
его предварительного деформирования, осуществляемого в про-
цессе резания дополнительным механическим источником энер-
гии. В качестве такого источника энергии используют разные ме-
тоды поверхностного пластического деформирования. 
Физический механизм действия ОПД на процесс резания объ-
ясняется изменениями свойств материала, происходящими на 
атомно-молекулярном уровне (наноуровне) при его пластическом 
течении и разрушении, что на макроуровне находит свое отраже-
ние в истинной диаграмме испытания материалов. Известно, что 
удельная работа пластической деформации единицы объема мате-
риала в условиях сложного напряженного состояния равна площа-
ди под кривой течения истинной диаграммы σi – εi, в которой σi и 
εi – соответственно интенсивности напряжений и деформаций. В 
свою очередь, стружкообразование при резании металлов есть 
процесс локализованной пластической деформации, доведенный 
по плоскостям сдвига до состояния, близкого к разрушению. Если 
при обычном резании вся работа пластической деформации со-
вершается режущим инструментом и количественно выражается 
площадью Ар диаграммы σi – εi (рис. 1, а), то при резании с ОПД 

часть работы Ао (рис. 1, б), затрачиваемой на пластические дефор-
мации, 
предварительно 
выполняется 
дополнительным 
ме-
ханическим источником энергии – упрочнителем ОПД. 

 
а 
б 

Рис. 1. Физическая модель механизма действия ОПД на процесс  
стружкообразования при резании:  

а – обычное резание; б – резание с ОПД 

В результате режущим инструментом совершается лишь ос-
тавшаяся часть работы Аор, что приводит к снижению силы (на 15–
40 %) и температуры резания (на 4–12 %). Сила и температура ре-
зания определяют напряженность процесса механической обра-
ботки. Уменьшение этих параметров позволяет повысить период 
стойкости режущего инструмента и производительность труда. 
Принципиальная схема точения с ОПД с применением накат-
ного роликового устройства для предварительного пластического 
деформирования материала срезаемого слоя показана на рис. 2. 
Главной особенностью представленной схемы является локальное 
действие упрочнителя на поверхность резания и равномерное рас-
пределение нагрузки ОПД по всей ширине lк (lк = t/sin φ) срезаемо-
го слоя материала. 

Рис. 2. Схема наружного точения с ОПД:  

1 – заготовка; 2 – режущий инструмент; 3 – упрочняющее устройство ОПД 

Для дополнительного энергетического воздействия на срезае-
мый слой при обработке с ОПД кроме обкатывания роликом при-
меняют также методы выглаживания, ультразвукового упрочне-
ния, центробежной обработки, чеканки.  
Действие нагрузки ОПД на материал срезаемого слоя характе-
ризуется рядом закономерностей, которые учитывают при созда-
нии технологии резания с предварительным деформированием и 
отработке режимов резания: 
1) зависимость относительного изменения силы резания ηр от 
нагрузки ОПД РОПД имеет экстремальный характер (рис. 3, а), т. е. 
для конкретных условий обработки существует оптимальная деформирующая 
нагрузка Ро, при которой сопротивление резанию 
становится минимальным; 
2) определенному значению толщины срезаемого слоя соответствует 
свое оптимальное усилие ОПД (Ро1, Ро2, Ро3 на рис. 3, а), 
возрастающее с увеличением толщины а срезаемого слоя; 

3) для каждого обрабатываемого материала существует наиболее 
благоприятная толщина срезаемого слоя ао, соответствующая максимальному 
относительному снижению силы резания (рис. 3, б); 
4) влияние скорости резания vо на снижение силовых воздействий 
выражается сложной зависимостью (рис. 3, в); вместе с тем в 
интервале рабочих скоростей резания (vр1…vр2), определяемых 
нормативами по режимам обработки соответствующих материалов, 
эффективность ηр действия ОПД стабилизируется и ее принимают 
постоянной; 
5) изменение глубины резания t при постоянной линейной нагрузке 
q ОПД по ширине lк поверхности резания (q = Pо/lк) не оказы-
вает существенного влияния на эффективность метода (рис. 3, г). 

Рис. 3. Типовые закономерности относительного изменения силы резания 
ηр от нагрузки РОПД (а), толщины срезаемого слоя (б), скорости резания  
vо (в), глубины резания (г) 

Закономерности изменения температуры резания от нагрузки 
ОПД и условий обработки совпадают с аналогичными зависимо-
стями для силы резания; минимальные значения как температу-
ры, так и силы резания достигаются при одних и тех же нагруз-
ках ОПД Ро. 

а 

в 
г 

б 

Метод реализуется на различных операциях обработки резани-
ем: точении, фрезеровании, шлифовании, нарезании резьб метчи-
ками (рис. 4), протягивании, развертывании и др. 

Рис. 4. Принципиальные схемы обработки с ОПД:  

1 – устройство (упрочнитель) ОПД; 2 – заготовка; 3 – режущий инструмент 

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ МЕТОДА 

Повышение производительности труда  
и периода стойкости инструмента 

Нагрузка ОПД Ро, обеспечивающая минимальную энергоем-
кость процесса стружкообразования (см. рис. 3, а) и температуру 
резания, является одновременно оптимальной и для режущего 
инструмента, т. е. при Ро для заданных условий обработки дости-
гается максимальная стойкость инструмента или производитель-
ность труда. Данные об относительном повышении коэффициен-
тов стойкости инструмента KТ и производительности обработки