Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Повышение эффективности процесса резьбонарезания путем применения износостойких покрытий. цели и задачи работы 9
1.1 Методы и особенности процесса нарезания резьбы 9
1.2. Методы повышения эффективности токарных резьбовых резцов 13
1.3. Применение износостойких покрытий на операциях резьбонарезания 21
1.4. Выводы. Цель и задачи исследований 35
ГЛАВА 2. Методика проведения экспериментальных исследований 37
2.1. Инструментальные и обрабатываемые материалы 37
2.2. Оборудование для нанесения покрытий 38
2.3. Исследование параметров структуры и механических свойств покрытий 39
2.4. Исследование контактных характеристик процесса резания и работоспособности режущего инструмента 42
2.5. Статистическая обработка результатов экспериментальных исследований 46
ГЛАВА 3. Теоретико-экспериментальные исследования выбора износостойкого покрытия для токарных резьбовых резцов 56
3.1. Исследование параметров структуры и механических свойств износостойких покрытий 56
3.2. Особенности процесса нарезания резьбы по профильной схеме резания 59
3.3. Исследование контактных характеристик процесса резания 67
3.4. Исследование теплового состояния режущего инструмента с покрытием 81
3.5 Исследование напряженного состояния режущего клина инструмента с покрытиями 124
3.6. Исследование интенсивности изнашивания инструмента с покрытиями 131
3.7. Требования, предъявляемые к покрытиям. Принцип формирования многослойного покрытия 132
3.8. Выводы 134
ГЛАВА 4. Разработка конструкций многослойных покрытий для токарных резьбовых резцов 135
4.1. Технология нанесения многослойных покрытий 135
4.2. Исследование структурных параметров и механических свойств многослойных покрытий 138
4.3. Исследование интенсивности изнашивания режущего инструмента 149
4.4. Выводы 156
ГЛАВА 5. Исследование работоспособности токарных резьбовых резцов с многослойными покрытиями 158
5.1. Исследование влияния режима резания на период стойкости токарных резьбовых резцов с многослойными покрытиями 158
5.2. Опытно-промышленные испытания режущего инструмента с разработанными покрытиями 161
5.3. Экономическая эффективность применения режущего инструмента с разработанными многослойными покрытиями 163
5.4. Выводы 166
Заключение 168
Список литературы
- Методы повышения эффективности токарных резьбовых резцов
- Исследование контактных характеристик процесса резания и работоспособности режущего инструмента
- Исследование теплового состояния режущего инструмента с покрытием
- Исследование интенсивности изнашивания режущего инструмента
Введение к работе
Актуальность темы. Нанесение износостойких покрытий методом конденсации вещества в вакууме с ионной бомбардировкой (КИБ) позволяет существенно повысить работоспособность режущего инструмента (РИ). Наибольшее применение в настоящее время находят износостойкие покрытия (ИП) на основе нитрида титана, в том числе многослойные покрытия (МП). Несмотря на определенные успехи, достигнутые в области разработки ИП, остаются нерешенными вопросы, связанные с влиянием покрытий на работоспособность РИ, работающего в условиях стесненного резания, в частности на операциях нарезания резьбы. Не раскрыто влияние ИП на контактные процессы, тепловое и напряженное состояние режущего клина и интенсивность изнашивания токарных резьбовых резцов. Не разработана методика оценки теплового состояния РИ, учитывающая особенности стесненных условий резьбонарезания. Отсутствуют рекомендации по архитектуре и конструированию МП для РИ: составу, толщинам слоев и их взаимному расположению, общей толщине многослойного покрытия.
В связи с этим тема диссертационной работы, посвященной дальнейшему повышению работоспособности РИ, работающего в условиях стесненного резания, путем совершенствования ИП является актуальной.
Автор защищает:
-
Результаты теоретико-экспериментальных исследований токарных резьбовых резцов с различными покрытиями на операциях нарезания резьбы, в частности методику расчета тепловых полей в режущем клине РИ, закономерности влияния состава ИП на контактные процессы, тепловое и напряженное состояние режущего клина токарных резьбовых резцов.
-
Результаты экспериментальных исследований влияния конструкции МП на их структурные параметры, механические свойства и интенсивность изнашивания РИ.
-
Технологические режимы нанесения МП на токарные резцы.
-
Результаты экспериментальных исследований работоспособности РИ с разработанными МП при нарезании резьбы на заготовках из углеродистых, низколегированных и нержавеющих сталей и результаты опытно-промышленных испытаний.
Цель работы:
Повышение работоспособности токарных резьбовых резцов, работающих в условиях стеснённого резания, путем разработки и применения многослойных износостойких покрытий.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи: 1) Выявлена доля деформационно-силовой нагрузки, вызванной стесненностью процесса нарезания резьбы резцами без покрытия и с покрытиями различного состава. 2) Разработана методика расчета тепловых полей в режущем клине токарного резьбового резца. 3) Установлено влияние состава покрытий на контактные характеристики, тепловое и напряженное состояние токарного резьбового резца. 4) На основе результатов анализа теплового и напряженного со-
стояния режущего клина инструмента и интенсивности его изнашивания выявлены требования, предъявляемые к покрытиям, и предложены архитектуры МП для токарных резьбовых резцов. 5) На основе выявленных взаимосвязей структурных параметров, механических свойств и интенсивности износа режущего инструмента разработаны конструкции МП. 6) Разработаны технологические режимы нанесения МП. 7) Экспериментально показана повышенная работоспособность инструмента с разработанными МП. 8) Оценена эффективность режущего инструмента с разработанными МП в условиях действующего производства.
Научная новизна:
-
Предложена методика расчета температурных полей в режущем клине токарного резьбового резца, учитывающая закономерности распределения деформационно-силовой нагрузки на контактной площадке передней поверхности инструмента, вызванной «стесненностью» процесса резания, выявлены закономерности влияния ИП на деформацию стружки, контактные процессы, тепловое и напряженное состояние режущего клина и интенсивность изнашивания токарного резьбового резца при различных схемах нарезания резьбы.
-
Установлено влияние архитектуры МП на их структурные параметры, механические свойства, предложены эмпирические зависимости этих факторов и интенсивности изнашивания токарного резьбового резца от общей толщины и толщины верхнего слоя МП, а также периода стойкости токарных резьбовых резцов при различных режимах резания.
-
Разработаны на уровне изобретений способы получения МП для токарных резьбовых резцов.
Практическая ценность и реализация работы:
1. Разработаны рекомендации по составу МП, соотношению толщин сло
ев и общей толщины покрытия, обеспечивающие высокую работоспособность
токарных резьбовых резцов.
2. Разработаны технологические параметры процесса нанесения МП:
компоновочные схемы, время осаждения слоев, опорное напряжение, ток дуги,
ток фокусирующих катушек.
Опытно-промышленные испытания, выполненные в производственных условиях завода «Гидроаппарат» (г. Ульяновск), подтвердили высокую работоспособность РИ с разработанными МП. Результаты диссертационной работы внедрены в учебный курс и лабораторный практикум подготовки магистрантов, обучающихся по направлению 151900.68 - «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств».
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на научно-технических конференциях (НТК) УлГТУ в 2008, 2009, 2010, 2011 годах; студенческой НТК «Студент - науке будущего», г. Ульяновск, УлГТУ, 2008 г.; НТК УлГТУ «Вузовская наука в современных условиях», г. Ульяновск, УлГТУ, 2009 г., седьмой международной конференции «Математическое моделирование физических, экономических, технических, социальных систем и процессов», г.Ульяновск; УлГУ, 2009г., 11-й международной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и уп-
рочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня», г. Санкт-Петербург., 2009 г.; IX Международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века», г. Пенза, 2011 г.; международной молодежной научной школы-семинара «Физические основы высокоскоростной обработки и технологическое обеспечение компьютерных технологий в машиностроении», г. Ульяновск, УлГТУ, 2011г.; III международной НТК «Теплофизические технологические аспекты повышения эффективности машиностроительного производства» (Рез-никовские чтения), г. Тольятти, ТГУ, 2011 г.; на научно-техническом семинаре кафедр «Технология машиностроения» и «Металлорежущие станки и инструменты» УлГТУ в 2011 г.; на заседании научно-технического совета машиностроительного факультета УлГТУ в 2012 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 2 статьи в изданиях из перечня ВАК, получено 5 патентов на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (175 наименований) и приложений (10 страниц), включает 196 страниц машинописного текста, 75 рисунков и 33 таблицы.
Методы повышения эффективности токарных резьбовых резцов
Резьба в машиностроении имеет широкое распространение и используется как для крепежных деталей, так и для механизмов передающих движение. Расширение области применения резьбы и диапазона инструментов для ее изготовления приводит к необходимости повышения производительности методов ее получения.
Для образования резьбовых поверхностей резанием используют различные способы: нарезание резцом, гребенками, метчиками, плашками, самооткрывающимися винторезными головками, фрезерование, резьбопротягивание и резьбонакатывание [20,21]. Метчики, плашки, самооткрывающиеся винторезные головки, гребенчатые резьбовые фрезы, фрезерные головки, работающие при внешнем и внутреннем касании, резьцовые резьбопротяжные головки, как правило, обрабатывают резьбу за один рабочий ход, а резьбовые резцы и гребенки - за несколько проходов.
С помощью резьбовых резцов и гребенок на токарно-винторезных станках нарезают резьбу как наружную, так и внутреннюю (внутренняя резьба, начиная с диаметра 12 мм и выше). В настоящее время нарезание резьбы резцами применяется в основном в средне- и мелкосерийном и индивидуальном производствах, а также при создании точных винтов, калибров, ходовых винтов и т.д. Достоинством этого способа является простота режущего инструмента и сравнительно высокая точность получаемой резьбы. Схематически он заключается в следующем: при одновременном вращательном движении детали, на которой нарезается резьба, и поступательном движении резца на токарном станке последний снимает (вырезает) часть поверхности детали в виде винтовой линии [13].
Нарезание резьбы плашками и метчиками применяют на монтажных, заготовительных и других работах, данные инструменты предназначены для нарезания наружной резьбы диаметром до 52 мм в один проход. Для более крупной резьбы применяют плашки особой конструкции, которые фактически служат лишь для зачистки резьбы после предварительной нарезки ее другими инструментами [13]. Плашки по конструктивным особенностям делятся на круглые - лерки и раздвижные - клупповые. Раздвижные плашки состоят из двух половин, вставляющихся в клупп и постепенно сближающихся в процессе резания. Метчик представляет собой стальной стержень с резьбой, разделенный продольными прямыми или винтовыми канавками, образующими режущие кромки. Эти же канавки служат для выхода стружки. По способу применения метчики разделяются на ручные и машинные. В работах [14, 17] подробно описаны процессы нарезания резьбы данными инструментами.
Основной промышленный метод изготовления резьбы в массовом и крупносерийном производствах в настоящее время - накатка на специальных резьбонакатных станках [16], имеющих корпус трехроликовой головки, роликодержатель и накатной ролик. Деталь зажимается в тисках суппорта. В этом случае при большой производительности обеспечивается получение высокого качества изделия (формы, размеров и шероховатости поверхности). Как показано в работах [16,22] процесс накатывания резьбы заключается в создании резьбы на поверхности детали без снятия стружки за счет пластической деформации поверхности обрабатываемой детали. Деталь прокатывают между двумя плоскими плашками или цилиндрическими роликами, имеющими резьбовой профиль, и на стержне выдавливается резьба такого же профиля. Наибольший диаметр накатываемой резьбы 25 мм, наименьший 1 мм; длина накатываемой резьбы 60...80 мм.
Работы [14, 19] посвящены исследованию процесса фрезерования наружной и внутренней резьбы, совершенствованию кинематики резания и конструктивно-геометрических параметров резьбовых фрез. Фрезерование наружной и внутренней резьбы производится на специальных резьбофрезерных станках. В этом случае вращающаяся гребенчатая фреза при радиальной подаче врезается в тело детали и фрезерует резьбу на ее поверхности. Периодически происходит осевое перемещение детали или фрезы от специального копира на величину, равную шагу резьбы за время одного оборота детали.
Менее распространенным способом образования резьбовой поверхности является шлифование резьб. Шлифование как способ создания резьбы применяется главным образом для получения точной резьбы на сравнительно коротких резьбовых деталях, например резьбовых пробках — калибрах, резьбовых роликах и т. д. [13,22]. Сущность процесса заключается в том, что шлифовальный круг, расположенный к детали под углом подъемна резьбы, при быстром вращении и при одновременном медленном вращении детали с подачей вдоль оси на величину шага резьбы за один оборот вырезает (вышлифовывает) часть поверхности детали. В зависимости от конструкции станка и ряда других факторов резьба шлифуется за два-четыре и более прохода.
Наиболее распространенным методом получения резьбы является многопроходное нарезание резцами с твердосплавными резьбонарезными пластинами [12, 13, 15,22], которое по сравнению с другими способами имеет ряд преимуществ: высокую точность и низкую шероховатость обработанной поверхности; простоту и дешевизну конструкции инструмента; универсальность - возможность одним резцом нарезать резьбы одинакового шага на деталях различного диаметра.
В работах [17, 18] показано, что нарезание резьбы резцами уступает производительности при однопроходной обработке резцовой головкой, оснащенной твердым сплавом, работающей по способу резьбопротягивания, однако, такие резцовые головки очень сложны по конструкции, дороги, недостаточно надежны в эксплуатации и предназначены для обработки только одного диаметра и шага. К тому же, при изготовлении различных изделий, имеющих резьбовые поверхности, используются труднообрабатываемые материалы, что исключает возможность применения таких высокоэффективных и хорошо поддающихся автоматизации процессов, как накатывание или выдавливание резьб. По этой причине, а так же вследствие наличия специфических конструкторских требований (соосность резьб с базовыми поверхностями изделия, жесткая регламентация сбега резьбы и зарезьбовой канавки) не удается применять такие высокопроизводительные резьбовые инструменты как резьбовые фрезы и резьбовые накатки.
Как показано в работе [28] оснащение токарных резьбовых резцов твердосплавными пластинами и автоматизация цикла резьбонарезания на современных станках с ЧПУ позволяет свести машинное время к величине, сопоставимой со временем обработки на других операциях технологического процесса.
Таким образом, нарезание резьбы резцами с твердосплавными пластинами является одним из самых высокопроизводительных способов, причем с ухудшением обрабатываемости материала нарезаемой детали его относительная производительность все более возрастает [12]. В сочетании с достоинствами, отмеченными выше, это и привело к тому, что при обработке точных крепежных резьб этот способ получил наибольшее распространение [15].
Исследование контактных характеристик процесса резания и работоспособности режущего инструмента
Контактные характеристики определяли по методике, изложенной в [1,3]. Оценивали полную длину контакта стружки с передней поверхности CY, коэффициент укорочения стружки KL, средние нормальные qN и касательные qF удельные нагрузки, максимальные нормальные ох и касательные rF напряжения, действующие на передней поверхности. При проведении экспериментов для определения составляющих силы резания использовали специальный измерительный комплекс.
Измерительный комплекс состоял из универсального станочного динамометра «УДМ-600», двух двухканальных усилителей фирмы «ZetLab» (Россия), аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) SigmaUSB, полумостовой платы, блока инверсного переключения, блока регулировки и дополнительного источника стабилизированного питания для запитывания мостовых схем тензодатчиков и усилителей.
Структурная схема измерительного комплекса приведена на рис. 2.4. Измерительный комплекс для исследования сил резания работал по следующему принципу: силы при резании воздействовали на измерительное устройство универсального станочного динамометра «УДМ-600», изменяя его тензометрическое сопротивление, далее по экранированным кабелям сигнал проходил через блок инверсного переключения и поступал на блок регулировки. Блок регулировки представлял собой мостовую резисторную схему, одно плечо которой собрано на специальной плате, другим является тензорезисторная схема динамометра. С одной из диагоналей резисторного моста снимается изменение сигнала от приложенных на динамометр сил резания, далее усилитель усиливал это изменение в 1000 раз. Усиленный аналоговый сигнал поступал на аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), который преобразовывал его в цифровой, и транслировал на портативный компьютер посредством высокоскоростного интерфейса USB 2.0. Регистрация сигнала и обработка результатов измерения производилась на компьютере.
Аналогово-цифровой преобразователь SigmaUSB обеспечивал одновременное преобразование аналоговых сигналов напряжением до 7 В, поступающих по 4 каналам, в цифровой сигнал. Для обработки полученных результатов измерений, регистрации и хранения сигналов, поступающих с комплекса, с целью их дальнейшего использования применяли портативный персональный компьютер с установленным специализированным программным обеспечением.
Программное обеспечение ZetLab Studio позволяло регистрировать сигналы с различной частотой дискретизации, на различных временных интервалах, производить автомасштабирование сигналов для удобства их восприятия, дистанционно управлять параметрами и настройками АЦП, менять частоту дискретизации и количество одновременно работающих входных каналов [131].
Коэффициент укорочения стружки KL определяли весовым методом по формуле: к--ткло - (2-6) где т - масса кусочка стружки, мг; Lc — длина кусочка стружки, мм; S — подача, мм/об; t - глубина резания, мм; р - плотность обрабатываемого материала, кг/м3. Длина контакта стружки по передней поверхности измерялась на малом инструментальном микроскопе МИМ-2.
Для экспериментального определения температурных полей на контактных площадках токарных резьбовых резцов использовали специальные термоиндикаторные краски «Tempilstik» (США) с различными температурными порогами перехода: 253 С, 302 С, 399 С и 510 С. Термоиндикаторные краски являются наиболее простым средством определения температуры нагретого тела и обеспечивают высокую точность измерения температуры (± 1 %) при простоте применения.
Термоиндикаторную краску наносили на контактные площадки резьбового резца с помощью специальной кисточки. После нанесения краска застывала и превращалась в темную непрозрачную пленку. В процессе резания при достижении заданной температуры краска плавилась и становилась прозрачной и яркой. Границы оплавления термокраски определяли на малом инструментальном микроскопе МИМ-2. По результатам измерения строили изотермы температуры, которые соответствовали данной краске. По аналогии получали изотермы температур с использованием других термокрасок. Исследование режущих свойств инструмента с покрытием производили на токарно-винторезном станке модели 16К25 с бесступенчатым регулированием частоты вращения шпинделя. Измерение скорости резания осуществлялось электронным тахометром CV-120.
Используемые для экспериментальных исследований резьбовые твердосплавные пластины устанавливали и закрепляли в державках, которые обеспечивали следующую геометрию: пластины из сплава HI ЗА: передний угол у = 0; задний угол а = 7; угол при вершине є = 60; радиус при вершине г = 0,2 мм; пластины из сплава НТИО: передний угол у = 0; задний угол а = 7; угол при вершине є = 55; радиус при вершине г = 0,2 мм; Твердосплавные пластины испытывали при резании без применения СОЖ. Заготовки из обрабатываемых материалов специально готовили для исследований, предварительно снимая с них припуск толщиной 5 мм, закрепляли в трехкулачковыи патрон и поджимали задним вращающимся центром. Диаметр заготовок был в пределах 0,15 - 0,2 м, длина 0,45 0,55 м.
Работоспособность режущего инструмента с многослойными покрытиями оценивали по интенсивности износа J при определении рациональной конструкции и по периоду стойкости Т — времени работы инструмента до образования фаски износа по вспомогательной задней поверхности (h3 = 0,4 мм) при проведении стойкостных исследований. Интенсивность изнашивания инструмента с покрытием или без него подсчитывали по формуле: где /г3 - износ режущего инструмента по задней поверхности, мм; Т -время работы режущего инструмента до величины износа h3, мин; V -скорость резания, м/мин.
Измерение величины износа режущего инструмента осуществляли на малом инструментальном микроскопе МИМ-2 с точностью до 0,01 мм.
Выбор режимов нарезания резьбы при стойкостных испытаниях определяли на основании справочных данных [132], рекомендациях для обработки заготовок из сталей 38ХГН и 12Х18Н10Т резьбовыми резцами. При нарезании резьбы на заготовках из стали 38ХГН скорость резания V варьировали в пределах 120 - 140 м/мин, шаг резьбы Р от 0,75 до 1,5 мм; на заготовках из стали 12Х18Н10Т скорость резания V изменяли в пределах 100-120 м/мин, шаг резьбы Р от 0,5 до 1,0 мм.
Статистическая обработка результатов экспериментальных исследований заключалась в определении необходимого числа опытов по доверительной вероятности, оценке точности измерений, существенности различия сравниваемых величин [133]. В процессе обработки результатов экспериментов использовали пакеты прикладных программ по обработке численных величин Mathcad 14.0 Professional и Microsoft Excel 2003, позволяющие производить обработку данных, вычисление необходимых статистических характеристик, проверку по требуемым критериям и др.
Для математического описания полученных зависимостей использовали методы регрессивного моделирования, включающие в себя в виде процедур метод наименьших квадратов и регрессионный анализ [133, 134].
Определение числа параллельных опытов выполняли по методике работы [133]. Проверку однородности дисперсий воспроизводимости параллельных опытов проводили по G-критерию Кохрена, оценку значимости коэффициентов регрессионной зависимости проводили по критерию Стьюдента, гипотезу об адекватности полученных полиномиальных моделей со всеми значимыми коэффициентами регрессии проверяли с помощью критерия Фишера согласно [133, 134]. На основании полученных уравнений регрессии определяли оптимальное (минимальное или максимальное) значение выхода и соответствующие ему значения факторов.
Исследование теплового состояния режущего инструмента с покрытием
Исследование контактных характеристик процесса резания включало в себя определение составляющих сил резания при резьбонарезании Р:, Ру и Рх, длины контакта стружки с передней поверхностью С7 и коэффициента укорочения стружки KL.
В связи со сложностью измерения составляющих силы резания с использованием динамометра «УДМ-600» при генераторной схеме резания они были рассчитаны на основе экспериментальных данных по силам резания, полученным для профильной схемы резания.
Силы резания для различных методов механической обработки можно определить исходя из зависимостей сил резания для токарной обработки. Известно, что главная составляющая силы резания Р2 равна:
Аналогично определяются и другие составляющие силы резания Ру иРх. Анализ зависимостей (3.4) и (3.5) показывает, что составляющая силы резания Pz при генераторной схеме нарезания резьбы меньше аналогичного показателя при нарезании резьбы по профильной схеме на 20%. Таблица 3.5 Влияние износостойких покрытий на контактные характеристики процесса нарезания резьбы на заготовках из стали 38ХГН (генераторная схема резания) нарезали на заготовках из сталей 38ХГН и ЗОХГСА резьбовым резцом со сменными многогранными резьбовыми пластинами полного профиля CoroThread R.166 фирмы «Sandvik Coromant» из сплава Н13А без покрытия и с однослойными покрытиями TiN, TiCrN, TiCrAIN и TiCrZrN. Режим резания V = 120 м/мин, Р = 3 мм. Результаты исследований влияния износостойких покрытий на контактные характеристики процесса нарезания резьбы представлены в табл. 3.2, 3.5 и 3.6 и на рис. 3.5 - 3.10.
Установлено, что нанесение покрытий существенно изменяет контактные характеристики процесса нарезания резьбы.
При нарезании резьбы на заготовках из стали 38ХГН нанесение износостойких покрытий изменяет длину контакта стружки по передней поверхности инструмента С7 рис. 3.5. Максимальная длина контакта наблюдается у инструмента без покрытия при нарезании резьбы, как по профильной, так и по генераторной схемам резания. При нарезании резьбы по генераторной схеме нанесение покрытий способствует снижению величины Су в 1,47 - 1,88 раза, в зависимости от их состава. При переходе от одноэлементного к многоэлементным покрытиям длина контакта постепенно увеличивается на 13...28 %. При этом максимальная длина стружки по передней поверхности имеет место для резьбовых резцов с трехэлементными покрытиями. Снижение длины контакта Су объясняется уменьшением коэффициента трения при нанесении покрытий на контактные площадки режущего инструмента [84, 85]. Рост величины Су при переходе от одноэлементных покрытий к трехэлементным связан с большими значениями коэффициента трения у многоэлементных покрытий по сравнению с одноэлементными [84, 85]. Сравнение схем резания показывает, что для резьбовых резцов без покрытия работающих по генераторной схеме резания длина контакта больше на 10%, для резьбовых резцов с покрытиям TiN больше на 4 %, а для многоэлементных покрытий TiCrN, TiCrAIN и TiCrZrN больше на 13...20%.
При нарезании резьбы как по профильной схеме резания так и по генераторной схемам резания максимальный коэффициент укорочения стружки KL наблюдается у инструмента без покрытия. Как видно из диаграммы рис. 3.6. при нарезании резьбы по генераторной схеме резания коэффициент укорочения стружки для резцов с покрытиями уменьшается на 1... 16 %, в зависимости от состава покрытия. При этом, при переходе от одноэлементного покрытия TiN к многоэлементным TiCrAIN и TiCrZrN наблюдается небольшой рост величиныKL, равный 3...9 1, 2, 3 и 4 - соответственно проходы резца 1, 2, 3 и 4 При нарезании резьбы по профильной схеме резания имеет место аналогичное изменение величины KL. Нанесение покрытий снижает коэффициент укорочения стружки на 5...16 %, в зависимости от состава покрытия, по сравнению с инструментом без покрытия. Применение многоэлементных покрытий повышает величину KL на 2... 11%, по сравнению с покрытием TiN. Для профильной схемы резания характерно большее значение коэффициента укорочения стружки по сравнению с генераторной схемой. Для резьбовых резцов без покрытия и с покрытиями он больше в среднем на 25 %.
При нарезании резьбы по профильной и генераторной схемам, как видно из рис. 3.8, величины составляющих силы резания у инструмента без покрытия и резьбовых резцов с покрытиями монотонно увеличиваются от первого прохода к четвертому, примерно на 30 %, что объясняется увеличением площади срезаемого слоя. Наибольшие составляющие силы резания наблюдаются у резьбовых резцов без покрытия. При генераторной схеме резания нанесение покрытия TiN уменьшает составляющие силы резания в среднем на 14 %, по сравнению с инструментом без покрытия. При переходе от одноэлементного покрытия к многоэлементным наблюдается незначительный рост составляющих силы резания в среднем на 2.. .5 %.
При нарезании резьбы по профильной схеме резания влияние покрытий на составляющие силы резания аналогично. Как видно из данных на рис. 3.7. нанесение покрытия TiN привело к снижению составляющих сил резания на 25 %, по сравнению с инструментом без покрытия, а нанесение покрытий TiCrN, TiCrAIN и TiCrZrN уменьшило составляющие силы резания соответственно в среднем на 5 %, 7 % и 8 %.
Нанесение покрытий оказывает существенное влияние на средние контактные удельные нагрузки и контактные напряжения. Как видно из табл. 3.5 и 3.6 и рис. 3.9 и 3.10 средние контактные нагрузки монотонно уменьшаются от первого прохода к последнему в среднем на 10...20% при генераторной и на 20...30% при профильной схемам резания, что, как было отмечено выше, связано с увеличением площади срезаемого слоя от одного прохода резца к другому. При нарезании резьбы по профильной схеме резания нанесение покрытия TiN ведет к повышению средних нормальных нагрузок qK в 1,48 раза и нормальных напряжений 7Л в 1,66 раза по сравнению с резцами без покрытия.
Исследование интенсивности изнашивания режущего инструмента
Нанесение покрытий на резьбовые резцы, как при генераторной, так и при профильной схемам резания позволяет снизить температуру на контактных площадках. Наибольшее снижение температуры, независимо от схемы резания наблюдается при нарезании резьбы резцом с покрытием TiN. Так при нарезании резьбы по профильной схеме температура на контактных площадках уменьшилась на 11 % и при генераторной схеме на 14 %, по сравнению с резцом без покрытия. Применение покрытий TiCrN и TiCrZrN так же приводит к уменьшению температуры резания по сравнению с резцом без покрытия на 5...7% в зависимости от схемы нарезания резьбы.
Нанесение покрытия TiN смещает изотермы температуры на контактных площадках по сравнению с резцом без покрытия к вершине резца, что связано с уменьшением длины контакта Сг Увеличение длины контакта Су для резцов с многоэлементными покрытиями напротив отодвигает изотермы температуры от вершины резца по сравнению с покрытием TiN. Наибольшее смещение изотерм вызывает нанесение покрытия TiCrZrN, что положительно сказывается на тепловом состоянии режущего клина.
На рис. 3.21 и 3.22 представлены температурные поля в режущем клине в главной секущей плоскости при нарезании резьбы по профильной и по генераторной схемам резания в зависимости от прохода резьбового резца. Видно, что температура в главной секущей плоскости увеличивается от прохода к проходу резца. При этом температура в поверхностном слое передней поверхности для резца без покрытия выше по сравнению с резцом с покрытиями. С увеличением количества проходов изотермы температуры смещаются от режущей кромки, что свидетельствует о повышении количества теплоты поступившей в резьбовой резец. Сравнение данных на рис. 3.21, а и 3.22, а показывает, что для профильной схемы резания характерно большее смещение изотерм температуры в основу инструментального материала. Так, например, при профильной схеме резания изотерма 800 С после третьего прохода резца смещается в инструментальную основу по передней поверхности на расстояние в 1,8 раза большее, чем при генераторной схеме резания.
Нанесение покрытий уменьшает количество теплоты, поступающей в резьбовой резец, подтверждением чего является смещение изотерм температуры вглубь инструментальной основы на меньшее расстояние, по сравнению с резцом без покрытия. Например, при нарезании резьбы резцом с покрытием TiN по профильной схеме резания изотерма, соответствующая температуре 800 С, после третьего прохода смещается вглубь инструментальной основы по передней поверхности на расстояние в 2,2 раза меньшее, по сравнению с резцом без покрытия. Нанесение многоэлементных покрытий сокращает данное расстояние по сравнению с покрытием TiN в 1,16 раза. При нарезании резьбы резцом без покрытия по генераторной схеме резания наблюдаются аналогичные тенденции. Так, применение покрытия TiN сдерживает смещение изотермы, соответствующей 700 С, после третьего прохода в 2,9 раза, а применение многоэлементных покрытий - в 1,3 раза по сравнению с резцом без покрытия.
Сравнение распределения температуры в режущем клине резьбового резца без покрытия и с покрытиями TiN и TiCrZrN в главной секущей плоскости и плоскости симметрии резца для последнего прохода нарезания резьбы по профильной и генераторной схемам резания показано на рис. 3.23 и 3.24. Видно, что при нарезании резьбы по профильной схеме распределение температуры в главных секущих плоскостях одинаково. Применение покрытия TiN приводит к смещению изотерм температуры к задней поверхности резца, что связано с уменьшением длины контакта стружки по передней поверхности Сг Нанесение покрытий TiCrZrN, из-за роста величины Су и мощности теплового источника смещает изотермы температурных полей в сторону от задней поверхности и вглубь резца.
Распределение температуры вдоль режущей кромки при профильной и генераторной схемам нарезания резьбы показано на рис. 3.25 и 3.26. Установлено, что режущая кромка при нарезании резьбы по генераторной схеме находится в более благоприятных тепловых условиях по сравнению с профильной схемой резания. При нарезании резьбы по профильной схеме резания наблюдается увеличение температуры на режущей кромке резцом по сравнению с генераторной схемой резания на 15...20 % (здесь и далее первая цифра соответствует значению у вершины резца, вторая - значению на расстоянии 2 мм вдоль режущей кромки) для резьбового резца без покрытия, на 25...33% для резьбового резца с покрытием TiN и соответственно на 22...29 % и 18...25 % для резцов с покрытиями TiCrN и TiCrZrN. При нарезании резьбы по профильной схеме резания покрытие TiN снижает температуру на режущей кромке в 1,15-1,34 раза в зависимости от расстояния рассматриваемой точки на режущей кромке до вершины инструмента. Для резцов с многоэлементными покрытия TiCrN и TiCrZrN характерно повышение температуры вдоль режущей кромке по сравнению с покрытием TiN С
При нарезании резьбы по генераторной схеме резания использование покрытия TiN снижает температуру на режущей кромке в 1,15-1,36 раза, а покрытий TiCrN и TiCrZrN по сравнению с покрытием TiN повышает температуру вдоль режущей кромке на 8...6% и 13... 17% соответственно. Аналогичные тенденции характерны для распределения температуры вдоль оси симметрии резьбового резца.
Для экспериментальной проверки данных по тепловому состоянию инструмента с различными покрытиями, полученных с использованием предложенной методики, были проведены исследования по определению температурных полей на контактных площадках резьбовых резцов с помощью термокрасок. Использовали термоиндикаторные краски «Tempilstik» (США) с различными температурными порогами перехода: 253 С, 302 С, 399 С и 510 С.
Результаты экспериментальных исследований представлены на рис. 3.27 и 3.28. Как видно характер распределения изотерм по контактным площадкам резьбового резца достаточно точно совпадает с характером расположения изотерм полученных расчетным путем по предложенной выше методике.
Установлено, что при нарезании резьбы по генераторной схеме резания происходит смещение изотерм температуры в сторону к главной режущей кромки и вглубь инструментального материала. При нарезании резьбы по профильной схеме резания по сравнению с генераторной схемой резания происходит равномерное смещение изотерм температуры вдоль двух режущих кромок и вглубь инструмента, что свидетельствует о большей тепловой напряженности режущего клина. Нанесение покрытий TiN при нарезании резьбы по профильной и генераторной схемам резания сдвигает изотермы температуры к вершине резца, а нанесение покрытий TiCrN и TiCrZrN смещает их вглубь инструмента по сравнению с покрытием TiN.
Таким образом, распределение температуры на контактных площадках резьбовых резцов, полученное экспериментальным путем, аналогично распределению температур, полученному расчетным методом по предложенной выше методике (рис. 3.17-3.19).
