Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и постановка задач исследований 7
1.1 Анализ рациональных форм геометрии режущего инструмента 7
1.2 Применение дополнительных теплоотводящих фасок и кромок 10
1.3 Особенности протекания тепловых явлений при работе сборными токарными резцами 11
1.4 Выбор оптимальных инструментальных материалов 16
1.5 Обзор выполненных работ по исследованию износостойкости сменных многогранных пластин 20
1.6 Выводы 27
1.7 Цель и задачи исследования 28
2. Анализ работоспособности многогранных пластин повышенной теплопроводности 29
2.1 Пути совершенствования новых конструкций сменных многогранных пластин повышенной теплопроводности 29
2.2 Расчет эквивалентного коэффициента теплопроводности пластины новой жонструкции 31
2.3 Контактная теплопроводность многослойной стенки 36
2.4 Моделирование температурных полей в сборных резцах, оснащенных пластинами повышенной теплопроводности 41
2.4.1 Аналитический расчёт. Подготовка исходных данных для компьютерного моделирования 43
2.4.2 Результаты моделирования температурных полей в сборных резцах, оснащённых пластинами повышенной теплопроводности 49
2.5 Результаты экспериментальных исследований износостойкости сменных многогранных пластин повышенной теплопроводности 53
2.6 Оценка эффективности сменных -многогранных- пластин -повышенной теплопроводности 56
2.7 Выводы 57
3. Сборный резец повышенной теплопроводности 58
3.1 Конструирование сборного резца повышенной теплопроводности 58
3.2 Методика расчёта контактной теплопроводности трехслойной стенки 66
3.3 Исследование процесса теплообмена в сборном резце повышенной теплопроводности 68
3.4 Определение температуры трения стружки по передней поверхности резца методом баланса 76
3.5 Определение максимальной температуры на контакте "стружка-передняя поверхность резца" методом источников 78
3.6 Моделирование температурных полей в сборном резце новой конструкции 81
3.7 Выводы 90
4. Экспериментальные исследования эффективности сборного резца повышенной теплопроводности 91
4.1 Методика проведения экспериментальных исследований 91
4.2 Исследование износостойкости резца повышенной теплопроводности при обработке титанового сплава марки ВТЗ-1 91
4.3 Исследование износостойкости резца повышенной теплопроводности при обработке марганцовистой стали 101
4.4 Сравнительные экспериментальные исследования термоЭДС 110
4.5 Исследование шероховатости обработанной поверхности 112
4.6 Исследование коэффициента усадки стружки 113
4.7 Выводы 118
5. Практическое применение результатов исследований 119
5.1 Область применения сборных резцов повышенной теплопроводности 119
5.2 Экономическая эффективность применения сборных резцов повышенной теплопроводности 122
5.3 Выводы 133
Общие выводы и рекомендации 134
Список используемой литературы 136
- Особенности протекания тепловых явлений при работе сборными токарными резцами
- Расчет эквивалентного коэффициента теплопроводности пластины новой жонструкции
- Исследование процесса теплообмена в сборном резце повышенной теплопроводности
- Исследование износостойкости резца повышенной теплопроводности при обработке марганцовистой стали
Введение к работе
Анализ современных методов обработки различных конструкционных материалов показывает, что подавляющее большинство способов изготовления деталей машин осуществляется путем удаления материала с помощью металлорежущих инструментов. При этом режущий инструмент является важнейшим элементом, надежность которого определяет производительность металлорежущих станков и качество обработки деталей.
Повышение эффективности изготовления изделий заданной точности и качества поверхности является основной задачей машиностроительного производства. Характерной особенностью современного машиностроения является замена устаревшего универсального оборудования станками с автоматическим циклом обработки, настроенными на автоматическое обеспечение качества и точности обработки (станки с числовым программным управлением (ЧПУ)). Это вызвано, в первую очередь, формированием рыночной экономики, требующей выпуска современной конкурентоспособной продукции. Появление и применение международных стандартов ИСО серии 9000 существенно способствует решению этих задач. Следует отметить, что в рамках требований новых стандартов появилось новое понятие - качество процесса.
В современном гибком автоматизированном производстве широко применяются сложнейшие многооперационные станки и комплексы машин, агрегатов, приборов, коммуникаций и т.п. Создаются автоматизированные системы производства и управления на базе автоматики, телемеханики, электроники и вычислительной техники. Использование станков с ЧПУ и, особенно, многоцелевых станков позволяет обеспечить значительное снижение подготовительно-заключительного времени, создает возможность быстрого внедрения новых технологических процессов, обеспечить организацию гибкого автоматизированного производства (ГАП), повышая тем самым качество процесса, а, в конечном счете - и качество изделия.
Этому способствует широкое распространение сборных режущих инструментов, оснащенных сменными многогранными неперетачиваемыми пластинами (СМНП), которые по сравнению с используемыми при работе на универсальном оборудовании напайными инструментами имеют целый ряд преимуществ.
Особенностью сборного инструмента является то, что его качество определяется не только качеством режущей пластины, но, в значительной степени, способом крепления и качеством всех элементов конструкции. Управление процессом резания, получение оптимальных выходных показателей обработки может быть достигнуто при условии выбора наилучших входных параметров резания (элементов технологической системы, оптимальных режущих инструментов, назначения оптимальных режимов резания), что возможно лишь на основе изучения физических явлений, протекающих при формообразовании.
Анализ результатов многочисленных исследований, выполненных отечественными и зарубежными учеными, показывает, что превалирующая роль в сложном механизме физических процессов, происходящих при резании материалов, принадлежит тепловым явлениям. Отсюда вытекают задачи управления этими процессами с целью получения оптимальных выходных параметров металлообработки (качества, точности, производительности, экологичности и экономичности).
Целью данной работы является разработка методов перераспределения теплоотвода для повышения эффективности обработки сборными токарными резцами путём изменения конструкции СМП и сборного резца, учитывая протекающие тепловые процессы. Работа выполнена на основе изучения результатов многочисленных проведенных исследований, а также работ, выполненных автором в лаборатории кафедры ТАМ PFACXM. .'..-. 7
Особенности протекания тепловых явлений при работе сборными токарными резцами
Из-за смещения точки прижима от центра пластины можно заключить, что во всех случаях не обеспечивается максимальный контакт режущей пластины с опорной поверхностью. Дискретность контакта негативно влияет на сток теплоты из режущей пластины в державку, что ведёт к росту температур в режущей пластине, а, следовательно, к увеличению износа.
Напайные резцы конструктивно обладают высокой теплопроводностью стыка "пластина-корпус", однако, как уже было отмечено, в последнее время применение сборных резцов на станках с ЧПУ, по сравнению с напайными, существенно возросло. Поэтому следует подробнее рассмотреть преимущества и недостатки этих видов режущих инструментов (табл. 1.1).
В тоже время, образуемая теплота из-за теплопроводности, распространяется в объёме режущей пластины и державки, что снижает концентрацию тепла в зоне резания и выравнивает температуру в режущей пластине. Одновременно теплообмен осуществляется путем конвекции и излучения. Этот процесс имеет огромное значение, так как он ведёт к снижению температур инструмента и, следовательно, к повышению его стойкости и производительности обработки [5,32]. Этот вопрос был подробно рассмотрен Поповым В.М., который пришел к выводу, что одним из требований, предъявляемых к режущему инструменту, является, надёжный термический контакт опорной поверхности режущей пластины с державкой. [74]. Наличие надёжного контакта режущей пластины с корпусом резца в виде спая является отличительной особенностью напайного режущего инструмента. Однако, напайка твердосплавного инструмента - трудоёмкая и ответственная операция, из-за которой в инструменте могут возникать трещины, ведущие к выходу его из строя [41].
Это, прежде всего, связано с различными механическими и теплофизическими свойствами материалов режущих пластин и державок. Например, различные коэффициенты теплопроводности и температуропроводности приводят к различному времени их остывания, в связи с чем в режущей пластине могут возникать остаточные напряжения и как следствие - трещины (рис. 1.4). В отличие от напайных резцов сборные конструкции лишены вышеописанных недостатков. Но наряду с указанными преимуществами им присущ существенный недостаток, заключающийся в высоком термическом сопротивлении контакта между опорной и режущей пластиной.
Опорная поверхность пластины из твёрдого сплава после спекания покрыта плёнкой оксидов, имеющих низкую теплопроводность (на порядок ниже, чем у материала инструмента), поэтому распространение тепла в тело державки затруднено. Кроме этого, поверхность опорной пластины сборного резца в отличие от напайного должна быть обработана с обеспечением шероховатости Ra 0,05 - 0,025 мкм. Это связано с тем, что в напайном инструменте микронеровности контакта между режущей и опорной пластиной залиты припоем, содержащим высокотеплопроводный материал (медь). В сборном режущем инструменте между поверхностью опорной и режущей пластины существуют микронеровности, заполненные воздухом, имеющим теплопроводность на четыре порядка ниже меди, что также повышает термическое сопротивление и препятствует распространению тепла в направлении державки.
Можно также отметить, что с появлением двухсторонних сменных многогранных пластин с износостойкими покрытиями эта проблема стала ещё более актуальной, так как такие пластины, как правило, имеют сложную геометрию передней поверхности. Поэтому, перед конструкторами-инструментальщиками стоит проблема создания таких конструкций сборного режущего инструмента, которые бы позволяли снижать термическое сопротивление в местах контакта СМП с державкой, что обеспечило бы повышение доли тепла, уходящего в тело инструмента.
Конструкторами-инструментальщиками в настоящее время накоплен значительный опыт в решениях вопросов оптимизации форм и размеров СМП. Анализ опубликованных работ [13,41,95] показывает, что проблема дальнейшего повышения работоспособности сборных резцов решается в основном по трем направлениям: Путем регулирования параметров контактных площадок, Применением дополнительных теплоотводящих фасок и кромок, Повышением коэффициентов теплопроводности инструментального материала. 1.4 Выбор оптимальных инструментальных материалов Анализ тепловых явлений при резании материалов показывает, что температура резания в значительной степени зависит от теплопроводности обрабатываемого и инструментального материала (табл. 1.2). Это подтверждается исследованиями авторов [12,80]. При чистом точении определяющим фактором, влияющим на точность и качество обработки, являются тепловые деформации режущего инструмента [8,28,37,38]. Исследования влияния теплопроводности и твёрдости инструментального материала на величину тепловых деформаций сборного токарного резца, оснащённого многогранными неперетачиваемыми пластинами, выполнены в работах [27,99,102,101]. Исходные данные для проведения расчёта зависимости температуры резания от коэффициента теплопроводности инструмента, выполненного автором, получены по методике [25] и представлены в таблице 1.3.
Расчет эквивалентного коэффициента теплопроводности пластины новой жонструкции
Как ранее установлено, применение пластин ПТ обеспечивает повышение стойкости до 1,8 раза по сравнению со стандартными пластинами. Вместе с тем, следует отметить, что наряду с достоинствами пластин повышенной теплопроводности, они обладают существенным недостатком, а именно - нетехнологичностью конструкции. Из-за сложности изготовления, производство таких пластин возможно лишь на комбинатах твёрдых сплавов в условиях серийного производства. Поэтому, необходимы дальнейшие исследования, направленные на решение поставленных задач исследования.
Результаты моделирования, выполненные с применением метода конечных элементов (программный комплекс Solid Work), подтверждают благоприятное перераспределение температурных полей в режущем клине СМП ПТ за счёт более высокой эквивалентной теплопроводности (до 1,5 раз), что приводит к увеличению градиента температур по сравнению со стандартной пластиной. Это особенно актуально при резании труднообрабатываемых материалов, при обработке которых температура на режущей кромке до 2,5 раз выше, чем при обработке стали 45. 2. Как показывают экспериментальные исследования износостойкости пластин новой конструкции, применение высокотеплопроводных медных вставок, расположенных на вспомогательной задней поверхности пластины, позволяет выгодно перераспределять тепловые потоки, снижая максимальную температуру на режущей кромке резца и увеличивая стойкость режущего инструмента до 1,8 раза. Такая конструкция пластины может быть рекомендована для обработки на чистовых и получистовых режимах. 3. Вместе с тем, данная конструкция пластины имеет ряд недостатков, главным из которых является технологическая сложность изготовления. Этот недостаток можно исключить только в условиях специализированного инструментального производства. 4. В связи с этим, необходимы дальнейшие исследования, направленные на решение поставленных задач, в частности, повышения контактной теплопроводности за счёт снижения термического сопротивления сборных резцов. Поэтому, логическим продолжением является создание резца новой конструкции, лишенного вышеуказанных недостатков. Известно, что коэффициенты теплопроводности различных тел неодинаковы и могут отличаться друг от друга в несколько десятков раз. Таким образом, возникла идея воспользоваться разницей теплопроводности для быстрого отвода теплоты от режущей кромки резца. Из-за невысокого коэффициента теплопроводности стали, в резце накапливается тепло, которое довольно медленно рассеивается в атмосферу и на нагревание прилегающих к резцу таких же стальных или чугунных частей станка. Однако, при достаточно высокой скорости резания поступление тепла в резец начинает значительно превышать его расход. В результате температура резца и его износ значительно повышается, что отрицательно влияет на качество и точность обработки. Если привести резец в тесный контакт с другим высокотеплопроводным металлом (в данном случае с медью), то, очевидно, уход теплоты из тела резца будет проходить гораздо интенсивнее, чем при стандартных условиях. Впервые вопрос искусственного отвода тепла с помощью медных пластин был поставлен инженером Н.И. Гринбергом ещё в 1934 году [24], а патент на этот метод (№ 52360) был взят инженером Лурье в 1920 году. В работе предложено несколько конструкций в зависимости от различных частных условий (рис. 3.1, 3.2, 3.3). Каждая из этих конструкций может быть использована в соответствующих случаях [5]. Практические испытания вышеуказанных конструкций, которые проводились при различных режимах резания, показывают увеличение стойкости резца по сравнению с обычным резцом от 20% до 50%. В исследовании Ю.М. Виноградова [20], показано, что омеднение быстрорежущих резцов (слой меди 0,2 - 0,3 мм) улучшает условия теплоотвода от режущей кромки, что понижает температуру последней и даёт возможность при данной стойкости повысить скорость резания на 3 - 10%. Дальнейшим развитием этих работ являются исследования, проведённые с помощью теплопроводящих футляров.
В опубликованной в 1942 году статье [4], описывался проведённый автором опыт резания с прокладками, сделанными из меди и миканита (толщиной 6=4 мм). На основе этих данных в той же статье было отмечено, что охват резца теплопроводящим футляром (из красной меди), соответствующим образом пригнанным к поверхности резца, будет способствовать повышению стойкости последнего.
Таким образом, высокотеплопроводный поглотитель теплоты (из меди или серебра) возможно большей массы необходимо подвести максимально близко к режущим кромкам насколько это требуется для нормального стружкообразования. К тому же нужно добиться идеальной пригонки меди к рабочим поверхностям резца, а также позаботиться о том, чтобы эти поверхности отдавали через радиацию и конвекцию по возможности больше тепла [4,5].
Вместе с тем, следует отметить, что такая конструкция футляра не обеспечивает должный отвод теплоты от рабочих поверхностей инструмента. Это связано с тем, что согласно теории теплообмена, контактное термическое сопротивление зависит от дискретности контакта твёрдых тел [35]. Соприкосновение тел происходит лишь в ограниченном числе пятен контакта, суммарная площадь которых очень мала относительно номинальной площади [50,110].
Пространство между контактирующими неровностями, как правило, заполнено воздухом, теплопроводность которого в десятки-сотни раз меньше теплопроводности твёрдых тел (рис. 3.5).
Исследование процесса теплообмена в сборном резце повышенной теплопроводности
Известно, что приложение источника тепла мгновенно приводит к изменению температуры во всех точках нагреваемого твёрдого тела (закон Фурье), поэтому невозможно полностью устранить влияние дополнительных термопар, даже в случае дополнительного охлаждения резца.
Во всех случаях цельный резец обеспечивает наибольшую термоэлектродвижущую силу по сравнению со сборными резцами, оснащенными пластинками из твёрдого сплава. В свою очередь напайной резец обладает наименьшей термоЭДС (рис. 4.36).
Величина термоэлектродвижущей силы напрямую связана с характеристиками износа режущего инструмента - чем меньше величина термоЭДС, тем выше износостойкость резца [51,83]. Резец повышенной теплопроводности в виду своих конструктивных особенностей обладает характеристиками напайного резца, тем самым обеспечивая наименьшую термоЭДС и повышенную износостойкость по сравнению со стандартными сборными резцами. Это связано с тем, что в цепи термопары высокотеплопроводного резца, кроме основной термоЭДС, имеются ещё две дополнительные термопары в месте припайки футляров к державке. Сплав Розе и твёрдый сплав в контакте дают термоток, направленный от твердосплавной режущей пластины в медь; медь и сталь 40 (материал державки) дают термоток в направлении от меди к стали 40. Таким образом, обе дополнительные термоэлектродвижущие силы суммируются и снижают величину основной термоЭДС.
Результаты сравнительных экспериментальных измерений зависимости величины термоЭДС от скорости резания в стандартном резце и резце ПТ представлены на рисунке 4.37. Результатами многочисленных исследований [14,15,29,84,87] установлено, что при больших значениях термоЭДС наблюдается повышенная интенсивность изнашивания инструментального материала. Таким образом, можно сделать предположение, что при работе резцом повышенной теплопроводности снижение величины термоЭДС в цепи естественной термопары является еще одной из причин его более высокой эффективности. Исследование шероховатости выполнено в зависимости от времени резания при обработке титанового сплава ВТЗ-1. С этой целью снимались слепки обработанной поверхности валов на станке с ЧПУ марки 16К20ФЗ. Измерения шероховатости осуществлялись с помощью профилографа-профилометра "Абрис-ПМ7.4" [76]. Применение оттискно-слепочных материалов в общем случае позволяет получать копии с поверхностей, имеющих параметры шероховатости Ra в пределах 0,04.... 10 мкм, с отклонением от значения параметра на самой поверхности не более 20% [76]. На основе полученных данных (протокол - приложение 9), построим график зависимости шероховатости поверхности от времени резания при заданном режиме обработки (рис. 4.38). Анализ полученных результатов показывает, что шероховатость обработанной поверхности при точении резцом повышенной теплопроводности через 40 минут работы вследствие меньшего темпа изнашивания достигает величины Ra=\,l мкм, в то время, как величина шероховатости поверхности, обработанной стандартным резцом, достигает Ra=2,5 мкм. Таким образом, применение резцов повышенной теплопроводности обеспечивает более стабильное получение требуемой шероховатости в течение гарантированного периода стойкости [31,46]. Величина усадки стружки может служить одним из способов приближенной оценки пластической деформации. Известно, что деформация весьма неровно распределена в стружке, поэтому усадка является усреднённой количественной оценкой её деформации. Под действием силы, движущей резец, а также силы трения, препятствующей перемещению стружки вверх, стружка укорачивается и, поэтому, путь, пройденный резцом в теле заготовки больше, чем длинна. отделившейся стружки. Отношение пути, пройденного резцом, к средней длине стружки называют продольной усадкой стружки [68]. Усадка показывает во сколько раз укоротился снятый слой металла и характеризует пластичность металла, т.е. его способность претерпевать под действием силы большие или меньшие пластические деформации. Чем мягче, пластичнее металл, тем величина усадки больше [18,90]. Величина усадки стружки может быть определена различными способами, но одним из наиболее точных является весовой метод. В его основе лежит отношение площадей поперечного сечения стружки асЬс и снимаемого слоя аЪ. Методика заключается в следующем: от исследуемой стружки отламывают кусочек произвольной длины /с (примерно 5 - 10мм, измеряется гибкой мерой по выпуклой стороне стружки) и взвешивают [68]. Пусть масса этого кусочка составляет G, тогда площадь сечения стружки:
Исследование износостойкости резца повышенной теплопроводности при обработке марганцовистой стали
Теплофизический анализ показывает, что по мере увеличения отношения длины малонагруженной кромки Ъ\ к подаче S (рис. 1.1) интенсивность теплоотвода из режущего клина в деталь возрастает, особенно резко при b\ 2S. Отвод теплоты 7з по вспомогательной кромке почти не влияет на интенсивность теплопередачи q\ от стружки в инструмент, но снижает интенсивность подвода теплоты q2 к главной задней поверхности, а, следовательно, температуру и износ последней, особенно вблизи вершины резца, при больших длинах малонагруженных кромок (Ь\ 25). Это может способствовать значительному повышению .температуры на вспомогательной задней поверхности и концентрации износа на этом участке инструмента [81,82]. Поскольку размеры режущего инструмента гораздо меньше размеров заготовки, то распределение тепла в меньшем объёме (режущей пластине) оказывает наибольшее влияние на её температурные деформации и, следовательно, на точность обработки. Поэтому, при достаточно больших размерах заготовок следует перераспределять тепло в тело заготовки, тем самым снижая температуру в режущем клине. Эта проблема решается путём применения особой конструкции режущего клина. В последнее время ведущие производители СМП [80] предлагают пластины с зачистной кромкой (например, малонагруженные теплоотводящие кромки или зачистные пластины, представляющие собошфаску, параллельную направлению подачи, выполненную вместо радиуса при вершине резца). Такие кромки незначительно увеличивают общее количество выделяемой теплоты, однако, они способствуют активному отводу тепла из резца через контакт по задней поверхности, обеспечивая более высокую чистоту обработки. Поэтому, предпочтительной областью применения такой конструкции резцов является чистовая обработка [65,47]. Из-за смещения точки прижима от центра пластины можно заключить, что во всех случаях не обеспечивается максимальный контакт режущей пластины с опорной поверхностью. Дискретность контакта негативно влияет на сток теплоты из режущей пластины в державку, что ведёт к росту температур в режущей пластине, а, следовательно, к увеличению износа.
Напайные резцы конструктивно обладают высокой теплопроводностью стыка "пластина-корпус", однако, как уже было отмечено, в последнее время применение сборных резцов на станках с ЧПУ, по сравнению с напайными, существенно возросло. Поэтому следует подробнее рассмотреть преимущества и недостатки этих видов режущих инструментов (табл. 1.1).
В тоже время, образуемая теплота из-за теплопроводности, распространяется в объёме режущей пластины и державки, что снижает концентрацию тепла в зоне резания и выравнивает температуру в режущей пластине. Одновременно теплообмен осуществляется путем конвекции и излучения. Этот процесс имеет огромное значение, так как он ведёт к снижению температур инструмента и, следовательно, к повышению его стойкости и производительности обработки [5,32]. Этот вопрос был подробно рассмотрен Поповым В.М., который пришел к выводу, что одним из требований, предъявляемых к режущему инструменту, является, надёжный термический контакт опорной поверхности режущей пластины с державкой. [74]. Наличие надёжного контакта режущей пластины с корпусом резца в виде спая является отличительной особенностью напайного режущего инструмента. Однако, напайка твердосплавного инструмента - трудоёмкая и ответственная операция, из-за которой в инструменте могут возникать трещины, ведущие к выходу его из строя [41].
Это, прежде всего, связано с различными механическими и теплофизическими свойствами материалов режущих пластин и державок. Например, различные коэффициенты теплопроводности и температуропроводности приводят к различному времени их остывания, в связи с чем в режущей пластине могут возникать остаточные напряжения и как следствие - трещины (рис. 1.4). В отличие от напайных резцов сборные конструкции лишены вышеописанных недостатков. Но наряду с указанными преимуществами им присущ существенный недостаток, заключающийся в высоком термическом сопротивлении контакта между опорной и режущей пластиной. Опорная поверхность пластины из твёрдого сплава после спекания покрыта плёнкой оксидов, имеющих низкую теплопроводность (на порядок ниже, чем у материала инструмента), поэтому распространение тепла в тело державки затруднено. Кроме этого, поверхность опорной пластины сборного резца в отличие от напайного должна быть обработана с обеспечением шероховатости Ra 0,05 - 0,025 мкм. Это связано с тем, что в напайном инструменте микронеровности контакта между режущей и опорной пластиной залиты припоем, содержащим высокотеплопроводный материал (медь). В сборном режущем инструменте между поверхностью опорной и режущей пластины существуют микронеровности, заполненные воздухом, имеющим теплопроводность на четыре порядка ниже меди, что также повышает термическое сопротивление и препятствует распространению тепла в направлении державки. Можно также отметить, что с появлением двухсторонних сменных многогранных пластин с износостойкими покрытиями эта проблема стала ещё более актуальной, так как такие пластины, как правило, имеют сложную геометрию передней поверхности. Поэтому, перед конструкторами-инструментальщиками стоит проблема создания таких конструкций сборного режущего инструмента, которые бы позволяли снижать термическое сопротивление в местах контакта СМП с державкой, что обеспечило бы повышение доли тепла, уходящего в тело инструмента.
