Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы по теме диссертации и постановка задач исследования
1.1. Прочностные и упругие характеристики твердосплавных режущих инструментов как неоднородных объектов
1.1.1. Прочность твердосплавных режущих пластин
1.1.2. Упругость неоднородных тел 17
1.2. Износ и Виды разрушения инструмента, и хрупкое разрушение твердосплавных пластин
1.2.1. Износ и Виды разрушения инструмента 19
1.2.2. Хрупкое разрушение твердосплавных пластин
1.3. Напряжения в твердом сплаве при резании и его влияние на работоспособность твердого сплава
1.4. Теоретические основы строения и разрушения твердосплавных пластинок
1.4.1.Состав, Классификация, и механические свойства твердосплавных пластин.
1.4.2.Структура и область применения твердосплавных инструментов
1.4.3.Технология изготовления и тенденция совершенствования твердосплавных инструментов
1.5. Обсуждение литературных данных и формулировка цели и задач исследования
2. Исследование напряжений в CTF неоднороднной среде методом фотомеханики
2.1. Методика проведения экспериментов методом фотомеханики.
2.1.1. Описание физической модели и ее свойства 46
2.1.2. Конструктивная схема экспериментальной уста новки и методика и техника исследования
2.1.3. Схема тарировки и результаты тарирования динамометра
2.2. Результаты экспериментов и техника обработки результатов
2.3. Обработка результатов эксперимента 64
2.3.1.Обработка результатов эксперимента и построение эпюр напряжений
2.3.2. Анализ эпюр напряжений при нагружении сосре доточенной и распределенной силой
2.3.3. Расчет разности главных напряжений (сті.аг) или максимального касательного напряжения ттах
2.4. Выводы исследования напряжений в структурно-неоднородной среде методом фотомеханики
3. Расчеты деформаций и напряжений на основе физического и математической моделирования
3.1. Расчет жесткости, податливости и деформации упругой связи поляризационно-оптической модели
3.2. Расчеты напряжений в упругих связях физической модели
3.3. Статически неопределимая модель привершинной области режущей пластины из двухкомпонентного твердого сплава
Глава 4. Математическое и физическое моделирование разрушения привершинной области 103 твердосплавной режущей пластины
4.1. Разработка дискретной компьютерной модели 103
4.2. Расчет напряжения и деформация твердосплавного инструмента моделью вариационно-разностным методом
4.3. Экспериментальное исследование и методика механических испытаний предела прочности твердосплавных пластин
Общие выводы по работе 132
Список литературы 134
Приложения 141
- Прочность твердосплавных режущих пластин
- Конструктивная схема экспериментальной уста новки и методика и техника исследования
- Расчеты напряжений в упругих связях физической модели
- Расчет напряжения и деформация твердосплавного инструмента моделью вариационно-разностным методом
Введение к работе
Механическая обработка резанием сегодня - это один из самых широко используемых производственных процессов в мире. Она остается до настоящего времени наиболее предпочтительным процессом для окончательной обработки размеров деталей (несмотря на значительный прогресс в развитии таких технологических методов как точное литье, штамповка, электрофизическая обработка, электрохимическая обработка и т.д.), что обусловлено гибкостью и мобильностью, высокой точностью и качеством обработанного поверхностного слоя, низкой себестоимостью.
Прогрессивные методы обработки металлов резанием, автоматизация технологических процессов, применение в машиностроении новых материалов и сплавов поставили перед исследователями в области резания металлов ряд новых задач и проблем. Одной из таких задач является проблема прочности твердосплавных режущих инструментов, которая становится все более актуальной благодаря распространению высокопроизводительных режущих материалов и сплавов, стойкость которых зачастую лимитируется хрупким разрушением режущей части.
Твердосплавные режущие инструменты широко применяют в машиностроении, так как они обеспечивают использования современного металлообрабатывающего оборудования производительности труда за счет увеличения скорости резания до 5 раз по сравнению с резцами из быстрорежущих сталей. Высокие твёрдость и теплостойкость твердых сплавов позволяют обрабатывать резанием заготовки из труднообрабатываемых конструкционных материалов и закалённых сталей. Однако, наряду с относительно высокой износостойкостью, твердые сплавы обладают недостаточной механической прочностью. К тому же исходная механическая прочность твердых сплавов снижается в процессе изготовления и эксплуатации режущих инструментов. Все это приводит к преждевременному выходу из строя инструментов, изготовленных из твердых сплавов.
В Эфиопии ежегодно расходует на импорт режущего инструмента миллионы долларов. Однако наряду с колоссальными затратами эффективность использования инструмента крайне низка. Так, например, на некоторых предприятиях поломки инструмента достигают более 35%. Преждевременный выход из строя такого большого количества инструмента приводит к непроизводительному расходу дорогостоящей инструментальной стали, твёрдых сплавов, ценных легирующих элементов, к простою оборудования, а также к затрате других материалов и рабочей силы.
Практика эксплуатации и экспериментальные исследования твердосплавного режущего инструмента показывают, что причиной его отказов в 70%-80% случаев являются поломки, скалывания и выкрашивания режущего клина [99]. Такой существенной характеристикой прочностных свойств твердосплавных режущих пластин является предмет исследований этой работе.
Вариации стойкости и разнообразные видов разрушения при резании в идентичных условиях указывают на целесообразность изучения напряжений в режущей пластине путём представления её как квазидискретной области с локальными неоднородностями строения и прочностных свойств. Такой подход в первом приближении отвечает физическому строению твердого сплава как совокупности зерен карбидов вольфрама, титана и других туго плавких металлов, соединённых прослойками кобальта.
Наблюдение износа твердосплавных пластин показывает, что разрушение часто происходит не по передней и задней поверхности, как можно было бы предполагать, но в другом месте, сравнительно далеко от главной и вспомогательной режущих кромок. Можно предположить, что если бы структура режущих инструментов была бы однородной, то разрушение происходило бы по режущим кромкам, которые имеют непосредственный контакт с обрабатываемой поверхностью.
Несмотря на большую работу, проведенную многими исследователями в этом направлении, ряд вопросов остаётся нерешенным. К ним относится и
9 вопрос о расчете прочности режущих твердосплавных пластин с учетом неоднородности структуры. Эти соображения показывают, что исследование механики процесса разрушения твердосплавного инструмента с учетом представления его как структурно неоднородной среды представляет научный и практический интерес. Разработанные физическая и математическая модель могут способствовать правильному выбору режимов резания и прогнозирование его стойкости на основе знания структурной неоднородности режущего материала. Проведение исследований в этом направлении является актуальной научно технической проблемой.
ПРИЗНАНИЯ
Автор выражает благодарность коллективам кафедры технологии машиностроения, металлорежущих станков и инструментов РУДН, в частности Профессору Рогову В.А. и Кошеленко А.С..
Искрение чувства благодарности и признательности автор выражает своему научному консультанту доц. Соловьеву В .В: и научному руководителю Профессору Позняку Г.Г..
Автор искренно выражает благодарность Министерствам образования Эфиопии и России за финансовую поддержку в течение данной работы.
Наконец, автор желает расширить его благодарность и любовь всем членам его семья, детям и друзьям для их терпимости, постоянной поддержки и любви.
Прочность твердосплавных режущих пластин
Прочность и износостойкость режущей части инструмента из твердосплавных материалов в первую очередь характеризуют безотказность работы инструмента. Производительность обработки резанием многих материалов ограничивается недостаточной прочностью и износостойкостью инструмента. При недостаточной прочности режущей части инструмента, ее разрушение происходит путем хрупкого разрушения в виде выкрашивания и скалывания или в результате пластической деформации и последующего среза [14] . Это соответствует тому, что вообще в зависимости от условий нагруже-ния один и тот же материал может разрушаться как хрупко, так и пластично.
Основные положения прочности режущего инструмента были разработаны в основном путем накопления и анализа большего числа экспериментальных данных. Проблема прочности режущей части инструмента в первую очередь связана с определением ее напряженно-деформированного состояния под действием нагрузок возникающих в процессе резания материалов [9, 53].
Производительность труда и себе стоимость обработки деталей на металлорежущих станках зависит от скорости резания, определяемой главным образом износостойкостью инструмента ,и подачи , которая в случае черновой обработки твердосплавным инструментом обусловливается преимущественно его прочностью [49,71].
Как указано в работе [19,27] на практике при резании многих материалов во избежание разрушения режущей части снижают режимы резания. Поэтому повышение прочности режущей части инструмента является весьма важной для практики проблемой. В связи с этим изучение механизма разрушения, Установление его закономерностей, создание инженерных методов расчета прочности режущей части инструмента являются актуальными вопросами теории резания материалов. Основным критерием оценки качества режущего инструмента являются его прочность и износостойкость.
Прочность режущей кромки твердосплавного инструмента оказалось значительно ниже прочности инструментов из быстро режущих сталей. Трудность определения ряда механических свойств твердых сплавов привела к тому, что до сих пор основной характеристикой прочности считается предел прочности при изгибе.
В работе [68] отмечается, что прочность режущего инструмента слагается из прочности рабочей части (режущих кромок), корпуса и крепёжной части. В реальных условиях работы корпус инструмента подвержен одновременному действию сложных статических и динамических нагрузок (сжатие и кручение, растяжение и кручение, изгиб и кручение и т. п.). Рабочая часть инструмента (режущие кромки) дополнительно подвержена трению и высокой температуре, доходящей до 900.Одновременное действие перечисленных нагрузок разрушает режущий инструмент и выводит его из строя.
Инструменты из твердых сплавов плохо противостоят изгибу, растяжению, срезу и ударным нагрузкам, режущая часть инструмента оказывается менее прочной, чем тело инструмента, в связи, с чем задача расчета на прочность именно режущей части выдвигается на первый план.
Прочность твердых сплавов зависит, прежде всего, от химического состава сплавов и зернистости основной карбидной фазы WC [23,24]. Предел прочности твердых сплавов при сжатии также исключительно высок и достигает 4000МПа. В работе [35] указывается, что предел прочности при изгибе, как и другие механические свойства твер 12 дых сплавов, сильно зависит от содержания в сплаве связующего металла — кобальта. С увеличением содержания кобальта предел прочности при изгибе значительно возрастает, достигая максимума, когда процент кобальта доходит до 18—20. Для сплава ВК8 предел прочности при изгибе при комнатной температуре достигает 1373МПа и почти не изменяется при нагреве до 500, но при 900 составляет 785МПа. Предел прочности на изгиб у сплава Т15К6 равен 1128МПа. Легирование сплавов карбидами титана и тантала снижает прочность сплавов, однако влияние карбида тантала меньше, чем карбида титана, в чем заключается преимущество сплавов, содержащих карбиды тантала.
Конструктивная схема экспериментальной уста новки и методика и техника исследования
Исследования напряженного состояния модели твердосплавной пластинки методом фотомеханики проводились на кафедре технологии машиностроения, металлорежущих станков и инструментов Российского Университета Дружбы Народов. В работе использована проекционно-поляризационная модернизированная установка ППУ-7 (рис. 2.2), оборудованной цифровой фотокамерой с возможностью изменения масштаба изображения.
Установка состоит из двух основных частей - поляризаторной и анализаторной, между которым на специальном подъемно координатном столе располагается нагружающее устройство с моделью.
Все системы ППУ-7 располагаются в подвижных рейтерах на оптических скамьях, устанавливаемых на столах, управление осуществляется с помощью пульта. Подъемный координатный стол позволяет перемещать модель с на 50 гружающим устройством в плоскости, перпендикулярной оптической оси системы, по вертикальному и горизонтальному направлениям.
Сконструирован и изготовлен стенд для закрепления и нагружения модели (рис. 2.3). Он состоит из крепежной рамы 1, на которой при помощи промежуточного зажимного фиксатора 4 и передвижного механизма тяги 3 в крепежной плите 2 монтируется исследуемая модель 5, в плоскости которой расположены нагружатели-домкраты 6 и 7 с прихватами 8 и 9, которые передают нагрузку на модель через дисковые динамометры 10 и 11.
Для нагружения моделей был применен известный способ фиксации нагрузки с помощью дисковых динамометров. Дисковый динамометр представляет собой сплошной диск из оптически чувствительного материала диаметром 5.. .20 мм при толщине 5...7 мм. В настоящей работе были использованы диски диаметром 20мм, и толщиной 6мм, в которых достигались величины полос, соответствующие прогнозируемому нагружению. При такой нагрузке получались достаточно четкие картины напряженного состояния в модели зерна и элементах, имитирующих прослойки, которые в дальнейшем подвергались обработке.
Схема тарировки приведена на рис.2.4. Диск определенного размера d , который изготовлен из того же самого материала, что и модель, а именно ЭД6-МТГФА, был тарирован для получения оптической цены полосы и оптической постоянной. Для этого в реверсоре универсального пресса УП - 7 устанавливается диск и нагружается тарированной силой (рис. 2.4а). Порядки полос фиксируются по направлению горизонтального диаметра от контура к центру, т.е. на контуре всегда имеется нулевая полоса.
Назначение реверсора — создать напряженное состояние сжатия в тарируемом диске вдоль действия сжимающей силы Р между его плитами. Перед нагружениям система пресса юстируется, а затем нагружается до полной кратной единице полосы пс в центре диска.
После подсчета числа полос в центре выполняется расчет оптической постоянной о-д0 по формуле (2.1) по тарировочному диску, а цена полосы а рассчитывается для модели по формуле (2.2). Следовательно, по формуле из теории упругости известно, что при сжатии диска вдоль диаметра напряжения в центре его связано с силовыми и геометрическими параметрами.
Расчеты напряжений в упругих связях физической модели
На первом этапе расчетов рассмотрим напряжения в упругих связях, возникающих при нагружении физической модели только на передней поверхности силой 750 Н на расстояние 5,5 мм от вершины модели (модель Dsc-206 в гл. 2). Рассмотрим отдельно напряжения, вызываемые силой Р- (рис. 3.2) и моментом М (рис. 3.3). Перенесём силу PZB центр зерна и для сохранения первоначальной нагрузки приложим к зерну крутящий момент Pz(a/2 —5,5), направленный по часовой стрелке. Указанная нагрузка вызовет деформации и напряжения сжатия-растяжения в упругих связях, расположенных на нижней грани зерна, и деформации и напряжения изгиба и сдвига в упругих связях, расположенных на левой боковой грани.
Мысленно расчленим систему по месту соединения упругих связей с зерном (рис. 3.2) и приложим в местах разъединения противоположно направленные уравновешивающие друг друга силы.
Вначале рассмотрим состояние системы при действии силы Р:. Как указывалось выше, на боковой грани силы реакции в упругих связях будут определяться деформациями изгиба и сдвига, т.е.
Соотношения между суммарными силами в боковых и в нижних опорах может быть установлено, исходя из их жесткости. Расчетная схема нагружения боковых и нижних упругих связей моментом Pz(a/2-5,5). при переносе силы Рг в центр зерна, вызовет поворот зерна по часовой стрелке (на рисунке показан пунктиром). В результате этого в упругих связях произойдет сжатие или растяжение: в связях 1, 2, 6 и 7 - сжатие, а в связях 4, 5, 9 и 10 - растяжение. В связях 3 и 8, расположенных по осям, проходящих через центр зерна, поворот зерна практически не повлияет на их деформации.
Аналогично для сравнения результатов физической модели и математической модели выполнены расчеты при нагружении физической модели на передней и задней поверхности силой 450Н на расстояние 5мм от вершины модели в обеих сторонах (модель Dsc-220 в гл. 2).
Рассмотренная в предыдущих параграфах математическая модель соответствовала по размерам и форме поляризационно-оптической модели. Это было сделано для того, чтобы путем сопоставления расчетных и экспериментальных данных о деформациях и напряжениях на границах модели зерна выявить расхождения между этими моделями, оценить точность расчетных формул и наметить необходимые изменения при математическом моделировании привершинной области реальной режущей пластины.
Основные выводы по результатам предыдущих расчетов состоят в следующем. Форма элементов, имитирующих межзеренные упругие связи, отражает не реальные связи, а получена из-за технологии обработки поляриза 94 ционно-оптического материала (сверления), она неоправданно сложна для расчетов. Кроме того, такая форма этих элементов не отражает соотношения сдвиговых, изгибных и сжимающих напряжений и деформаций.
Все элементы, имитирующие упругие связи, имели одинаковые размеры, что упрощало расчеты, но не соответствует реальности. Несмотря на это, сопоставление результатов расчетов с результатами обработки фотограмм поляризационно-оптических экспериментов, позволяет разработать статически неопределимую модель и надеяться на получение приближенных к реальности результатов.
Условное изображение привершинной области режущей пластины показано на рис. 3.4. Учитывая неоднородное строение режущей пластины, будем полагать, что в первом приближении зерна карбидов можно рассматривать как абсолютно жесткие недеформируемые тела, а все деформации будут локализоваться в межзеренных прослойках. Наиболее полное представление математической модели, отвечающей высказанному предположению, можно представить в виде многоопорного параллелепипеда (рис. 3.5). Будем рассматривать задачу в плоской постановке, так что положим размер зерна в направлении, перпендикулярном плоскости рисунка равным единице.
Для определенности, что прослойки отличаются друг от друга длиной и площадью поперечного сечения, следовательно, и величинами жесткости на сжатие-растяжение, сдвиг и изгиб. Для нахождения деформаций и напряжений в прослойках условно преобразуем, модель путем перерезывания упругих связей таким образом, чтобы она превратилась в статически определимую. Таким образом, получаем основную систему с неизвестными (так называемыми лишними) силами в упругих перерезанных связях (рис. 3.6).
Расчет напряжения и деформация твердосплавного инструмента моделью вариационно-разностным методом
В данной главе проводится расчет напряженно-деформированного состояния модели ТСИ при различных условиях нагружении с помощью вариационно-разностного метода. Расчет выполнялось с целью утверждения достоверности результатов полученных экспериментальным путем метода фотоупругости. Конструкции сложной геометрической формы используются в строительной индустрии, машиностроении, химической промышленности и других областях техники. Современное машиностроение нередко использует методику пространственных конструкций сложной геометрической формы.
Для описания напряженно-деформированного состояния конструкции, в частности твердосплавного инструмента, в литературе используются аналитические методы расчета, например, широко распространенный в последние десятилетия метод конечных элементов [26 и др.]. Альтернативу этому методу может служить вариационно-разностный метод. На кафедре прочности материалов и конструкций РУДН разработана методика расчета тонко 117 стенных конструкций вариационно-разностным методом. На основе методики совместно разработан алгоритм и программа расчета тонкостенной конструкции пластинки сложной формы, в том числе конструкции неоднородной структуры.
В основу вариационно-разностного метода положен принцип Лагранжа — принцип минимума полной энергии деформации [26]. В выражении функционала потенциальной энергии дифференциальные соотношения заменяются конечно-разностными, и функционал варьируется по независимым узловым перемещениям. Принцип Лагранжа можно сформулировать следующим образом: из всех кинематических возможных напряженно-деформированных состояний твердого деформированного тела, для действительного деформированного состояния, полная энергия деформации достигает минимального значения [28,65].
Для упрощения реализации численных методов на ЭВМ, целесообразно представить их в векторно-матричной записи, что и осуществляется в дальнейшем в алгоритме вариационно-разностного метода. Метод используется для расчета конструкции в виде пластинок и оболочек.
Пластинка основного элемента закреплена в двух боковых сечениях модели вдоль оси Y в координатах (0,13) и (0,44). При этом модель лишена всех трех степеней свободы, и реализуются граничные условия u = v = 0.
Для расчета напряженно-деформированного состояния модели ТСИ вариационно-разностным методом, в программе необходимо задавать некоторые данные, описывающие ее геометрические размеры и механические свойства материала. Ввод необходимых исходных данных осуществляется построчно, строго в следующем порядкегобщие данные о конструкции; граничные условия; матрица направляющих косинусов местной системы координат элемента в глобальной системе координат; узлы связи элемента в разностной сетке элемента; упругое основание, упругие опоры; нагрузки.
Расчет напряженно-деформированного состояния конструкции модели проводился на действие сосредоточенных нагрузок. Величины сосредоточенных нагрузок определены исходя из опыта выполненным нами при исследовании статической прочности ТСИ методом фотоупругости. На рис. 4.12 представлен график сравнения результатов физической и аналитической моделей для одного нагруженного состояния (Dsc220).CpaBHeHHe сделалось как на горизонтальном сечении (упругие связи 1-5) так и на вертикальном сечении (упругие связи 6-10). Средняя Разность результатов расчета максимальных тангенциальных напряжений в экспериментальных и аналитических методах находиться в пределах 22%.
В заключение можно сделать вывод о том, что характер результатов экспериментальных и ВРМ полностью совпадают. Они показывают повышенные напряжений в областях отверстий. Что касается, величинам результатов в обоих методов, находятся в приемлемом пределе. Результаты показали согласованность расчетов с аналогичными расчетами, полученными из экспериментальных исследований и математических моделей.
Так как отверстие слабые звена в модели трещины, сколы и выкрашивание ожидаются именно в этих местах. Еще к этому можно добавить, что на границах упругих связей и отверстий возникает большая разность напряжений, что может углубить возникновение разрушения этих областях.
