Прочность и износостойкость инструмента

Размещено на http://www.allbest.ru/

Прочность и износостойкость инструмента

Для настоящего времени характерно применение более износостойких и теплостойких инструментальных материалов, обладающих, однако, пониженной прочностью. Поэтому растет число поломок инструмента, что заставляет ограничивать подачу, снижает стойкость инструмента, увеличивает ее рассеяние, а также расход инструмента.

Прочность -- одно из наиболее важных свойств инструмента. Однако существующие методы расчета на прочность не учитывают многие факторы, возникающие на производстве. Поэтому для оценки прочности большую роль играют испытания инструмента. В [101] описаны результаты исследования поляризационно-оптическим методом напряжений в рабочей части отрезного резца. Наибольшее значение имеют растягивающие напряжения на передней поверхности, причем их максимум находится далеко за пределами зоны контакта. Опасное сечение пластины, где имеют место наибольшие растягивающие напряжения, отклоняется от нормали к передней поверхности в сторону, противоположную задней поверхности.

На рисунке 13 показано положение нейтральной линии, которая делит пластину на зону растягивающих напряжений (+) у передней поверхности и зону сжимающих напряжений ( - ) у задней поверхности инструмента. От того места передней поверхности, где прекращается контакт стружки с резцом, нейтральная линия идет в тело пластины. Чем выше прочность инструмента, тем уже область растягивающих напряжений.

Важно отметить, что напряженное состояние резца с механическим креплением пластины, т. е. составного тела, при прочих равных условиях менее благоприятно, чем резца с напаянной пластиной. Требуется применение дополнительной опоры, а также обеспечение рациональной формы пластины, схемы ее крепления и базирования, чтобы повысить прочность инструмента с механическим креплением до уровня напайного, а в некоторых случаях и более высокого.

В [59] приведена упрощенная формула для ориентировочного расчета напряжений в опасном сечении рабочей части отрезного резца, отличающаяся большой наглядностью;

Рисунок 13. Положение нейтральной линии отрезного резца: 1 -- цельного резца; 2 -- напаянной пластины; 3, 4 -- механически закрепленной пластины с опорой и без нее соответственно

у=, (39)

где %₀ -- постоянный коэффициент, определяемый на основе экспериментальных исследований; С_Р -- постоянный коэффициент в формуле силы резания; b_lz -- коэффициент, учитывающий силы трения стружки о стенки канавки; b и Ь₀ -- ширина соответственно режущей и опорной пластин; h и h₀ -- толщина соответственно режущей и опорной пластин; Е и Е₀ -- модули упругости режущей и опорной пластин; % -- поправочный коэффициент, который отражает влияние P_xy/P_z и других факторов, не учтенных расчетом, на значение о.

Формула показывает, что основное влияние на прочность инструмента оказывает толщина режущей пластины, а при высоком модуле упругости материала опорной пластины также и толщина последней. Роль этих параметров на практике часто недооценивают. Экспериментально установлено, что с увеличением отношения рху/pz зона растягивающих напряжений у передней поверхности сужается, а величина этих напряжений уменьшается. Поэтому мероприятия, способствующие росту P_xy/P_z, например введение дополнительного скругления лезвий, существенно увеличивают прочность инструмента. Анализ напряженного состояния резцов [38] показал, что существенную роль играет также место приложения и значение силы, закрепляющей режущую пластину. Оно должно быть расположено достаточно близко от середины пластины, а эта сила для наиболее распространенных конструкций резцов должна составлять примерно 1/5 значения Р_г. Некоторые исследования [42, 59] свидетельствуют о том, что разрушение инструмента происходит вследствие явлений усталости. Это объясняется тем, что в процессе резания имеют место колебания сил резания как в результате цикличности стружкообразования, так и автоколебаний технологической системы. При работе инструмента протекают два процесса -- упрочнения и разупрочнения; в начале преобладает первый, затем -- второй. Установлено, что если подвергнуть твердый сплав предварительному поверхностному пластическому деформированию: обработкой дробью, виброабразивным или другим методом или подвергнуть "тренировке" на пониженных режимах резания, плотность дислокаций и прочность режущей части возрастает, что позволяет повысить подачу или время работы до разрушения [69].

Рисунок 14. Влияние времени работы резцов с пластинами из Т5К.10: 1 -- заготовка иэ стали 45, S = 0,53 мм/об; 2 -- заготовка из 40ХН, S = 1,27 мм/об

Появление небольшой площадки износа на задней поверхности и скругление лезвий увеличивает отношение P_xy/P_z и способствует повышению прочности инструмента в начальный период времени. Развитие лунки на передней поверхности с увеличенным передним углом вызывает снижение прочности при дальнейшей работе инструмента.

Существенное влияние на изменение прочности инструмента с течением времени оказывает состояние опорной зоны под режущей пластиной. При черновой обработке в этой зоне у задней поверхности инструмента температура достигает 750К. Причем температура выше для больших глубин резания, малых толщин режущей пластины и при отсутствии СОЖ. Было показано [59], что при такой температуре в опорной зоне развиваются явления ползучести материала. Деформация при прочих равных условиях для резцов с механическим креплением пластин на два порядка больше, чем для напайных. Поэтому для резцов с механическим креплением пластин особенно важно применение опорных пластин, причем желательно, чтобы они были твердосплавными.

По результатам испытаний сборных резцов из Т15К6 при обработке заготовки стали 45 с глубиной резания 8 мм разрушающая подача (%) для разных материалов опор составила: для ВК15 -- 100; для Р6М5 -- 90, для 9ХС -- 85, для У8А -- 55.

Для проверки совокупного влияния различных факторов на изменение прочности инструмента за период его стойкости испытывали две партии резцов из Т5К10, работавших при большой и средней подаче. Перед началом работы и через каждые 10 -- 20 мин резания в случайном порядке отбирали четыре резца и для них определяли разрушающую подачу. Впервые 20 мин работы эта подача увеличивалась, а затем уменьшалась (рисунок 14).

Если пренебречь начальным периодом изменения свойств инструмента, можно считать, что между подачей и продолжительностью работы инструмента до разрушения существует обратная степенная зависимость. Эта зависимость отражает, прежде всего, явление усталости (подача обусловливает напряжения в инструменте, а время --* число циклов нагружения). В определенной степени влияют и другие факторы, например ползучесть материала опоры.

Рисунок 15. Зависимость подачи от числа периодов стойкости резцов с пластинами из Т5КЮ: 1 -- материал заготовки 90ХФ, t = 15 ... 20 мм; 2 -- материал заготовки 34ХНЗМ, t -- 12 ... 17 мм; 3 -- материал заготовки 90ХФ, t = 17 ... 22 мм; 4 -- материал заготовки Сталь 45, t -- 15 мм; 1, 2, 4 -- при Dc = 2000 ... 2500 мм; 3 -- при Dc -- 1250 ... 1600 мм; 1 -- 3 -- кривые, полученные в результате моментных наблюдений; 4 -- экспериментальная кривая

Для инструмента временным показателем может быть период стойкости до разрушения Тр или число периодов стойкости до разрушения К. Установлено, что

S_P=C_PT_P^-mP; S_K=C_KK^-mK , (40)

где С_р и С_к -- коэффициенты, зависящие от материала заготовки и условий работы; т_р = 0,08 ... 0,28 при точении т_р = 0,2 ... 0,38 при фрезеровании, т_р = 0,1 ... 0,15 при сверлении; /% = 0,3 ... 1,0, для наиболее распространенных условий при К. = 3 ... 5 т_к = 0,45 ... 0,70.

В качестве примера на рисунке 15 показана зависимость S_K от К, полученная при точении на тяжелых станках.

Решая уравнение (53) относительно подачи, используя уравнение (53), а также взаимосвязи, обусловленные диаграммой усталости [101], получаем формулу для подачи, соответствующей заданному числу периодов стойкости:

S_K=, (41)

инструментальный поляризационный резец сталь

где ч_Д -- коэффициент, учитывающий сжатие опоры; у_-1 -- предел выносливости твердого сплава при симметричном цикле; <ти -- предел прочности при изгибе; r --коэффициент асимметрии цикла; f -- частота колебаний; Nр.б --базовое число циклов до разрушения, при котором определяли у_-1; n_y -- показатель степени при числе циклов в уравнении усталости, аналогичном уравнению (54).

Методы повышения надежности инструмента путем увеличения конструктивной прочности рабочей части или прочности материала режущей части или регулирования режима нагружения нужно учитывать при проектировании инструмента, его изготовлении и эксплуатации. Выбор метода упрочнения зависит от многих факторов, обусловливающих его эффективность и затраты на осуществление упрочнения в определенных производственных условиях. Прежде всего должна быть проанализирована структура отказов инструмента, а также изменение их интенсивности в функции времени.

Если велик процент отказов в связи с выкрашиванием, имеет место хрупкое изнашивание (например, при фрезеровании); если велико число отказов в зоне приработки, целесообразно применять обработку ППД, скругление лезвий. Если велико число разрушений пластины и оно значительно на всем протяжении работы инструмента, целесообразно, кроме мероприятий, упомянутых выше, размещать пластины вдоль задней поверхности или применять дополнительную опору и т. д.

Увеличение размеров державки особенно эффективно для отрезных резцов. Многие методы, которые повышают прочность рабочей части инструмента, но не влияют на его износостойкость, рекомендованы для обтачивания с подачами, равными или превышающими 0,3--0,6 мм/об, так как при меньших подачах доля неустранимых отказов не превышает 0,1 и не оказывает значительного влияния на надежность инструмента. Для торцового фрезерования и отрезки значения подач следует разделить на 4.

Раздельное применение рассмотренных методов повышает разрушающую подачу на 10--90 %, а в среднем на 30 %. В связи со значительным уменьшением числа поломок среднее число периодов стойкости увеличивается в 1,1--3,7 раза (обычно в 1,5 раза).

Износостойкость инструмента в основном определяется материалом режущей части. Конструкция инструмента влияет на износостойкость в меньшей мере, чем на прочность. Это влияние реализуется главным образом через виброустойчивость инструмента, а также теплопроводность его деталей и их стыков.

Получено [35] такое уравнение для определения среднего периода стойкости

T=, (42)

где Т_р и Т_И -- соответственно средний период стойкости до разрушения и износа; m_p/m и т_И/т -- соответственно доля резцов, отказавших в результате разрушения и износа; k -- коэффициент, отражающий влияние неучтенных факторов (для низкочастотных колебаний k -- 1, для высокочастотных k = 1,5); С -- коэффициент, который в рассматриваемых условиях равен 0,75.

Рисунок 16. Зависимость среднего периода стойкости резцов от амплитуды и частоты колебаний: резцы отрезные с пластинами из Т5К10, b = 6 мм, материал заготовки Сталь 45; S = 0,17 мм/об; v = 75 м/мин; 1 -- расчетная кривая; 2 -- экспериментальная кривая

В этом уравнении левый член отражает влияние колебаний на прочность инструмента, которое ранее было рассмотрено, а правый--на износостойкость. Влияние на износостойкость связано с приращением скорости резания в процессе колебаний. Уравнение (2.5) подтверждено экспериментально (рисунок 16). Амплитуда и частота колебаний не зависит от того, в результате каких изменений условий обработки и параметров резца получены соответствующие параметры колебаний. Установлено, что повышение низкочастотных колебаний (например, за счет снижения жесткости заготовки, станка) способствует разрушению инструмента, но практически не приводит к увеличению изнашивания. Усиление высокочастотных колебаний (например, за счет снижения жесткости резца) способствует разрушению и изнашиванию инструмента, но их влияние на процесс разрушения преобладает. Исследованиями подтверждено, что во многих случаях конструкция и размерные параметры твердосплавного инструмента с режущей пластиной одной и той же формы и размера влияют на его прочность и износостойкость только через их влияние на виброустойчивость. Поэтому при проектировании как чернового, так и чистового инструмента основное внимание должно быть уделено обеспечению высокой жесткости и виброустойчивости. При оценке указанных свойств инструмента большое значение имеют методы соответствующих испытаний. Прочность чаще всего целесообразно оценивать путем лабораторных испытаний опытных образцов инструмента методом ступенчато или непрерывно возрастающей подачи. Подачу Sp, при которой произошло разрушение, называют разрушающей или ломающей [5, 59], и она является мерой прочности инструмента. Если исследуемый параметр инструмента зависит от толщины среза, лучше оценивать прочность по периоду стойкости до разрушения Тр при форсированной подаче, обеспечивающей разрушение всех резцов до их изнашивания согласно уравнению (56).

Износостойкость инструмента можно также оценивать при ступенчатом или непрерывном возрастании нагрузки (скорости резания v). По аналогии с испытаниями на прочность критерием износостойкости служит скорость резания о„, при которой произошел отказ инструмента в связи с его изнашиванием. Возможны также традиционные испытания с определением периода стойкости до изнашивания и получением зависимости

v = C_vT^-m (43)

Следует указать на аналогию с формулой (43) при испытаниях на прочность.

При оценке виброустойчивости наиболее распространенными являются испытания со ступенчато или непрерывно возрастающей глубиной резания t и определением глубины t_max, при которой возникают вибрации, требующие прекращения процесса резания.

При эксплуатационных испытаниях опытно-промышленных партий инструмента показателем прочности, износостойкости и виброустойчивости является доля отказов по соответствующей причине. Кроме того, показателем прочности перетачиваемых пластин является число периодов стойкости К (при черновой обработке, когда инструмент, как правило, исключается из эксплуатации только после поломки), а показателем износостойкости - период стойкости до износа Т_И или период стойкости Т.

Размещено на Allbest.ru