Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор 9
1.1 Отрезные и канавочные резцы 9
1.1.1 Конструкции отечественных и зарубежных отрезных и кана-вочных резцов 9
1.1.2 Геометрические параметры 22
1.1.3 Материал режущей части 25
1.1.4 Изнашивание и силы резания при отрезке и прорезке 26
1.1.5 Анализ причин износа и разрушения 31
1.2 Прочность режущей части инструмента 33
1.2.1 Закономерности распределения контактных напряжений на поверхностях режущего инструмента 33
1.2.2 Методы расчета компонентов напряжений 40
1.2.3 Влияние формы режущей части инструмента на прочность
и напряженно-деформированное состояние 46
1.3 Цель, задачи и этапы исследований 49
Глава 2. Теоретическое прогнозирование напряженного состояния и хрупкой прочности режущей части 53
2.1 Методика прогнозирования хрупкой прочности 53
2.1.1 Нагружение сосредоточенной силой 54
2.1.2 Нагружение распределенной нагрузкой 56
2.2 Определение термоупругих напряжений 60
2.3 Выводы по главе 2 62
Глава 3. Методика исследования и экспериментальная установка 63
3.1 Выбор методов экспериментального исследования 63
3.2 Обрабатываемый материал 63
3.3 Режущий инструмент 64
3.4 Измерение технологических составляющих силы резания 65
3.5 Измерение полной длины контакта и износа 67
3.6 Измерение усадки стружки 72
3.7 Исследование величины разрушающего усилия режущего клина... 72
Глава 4. Напряженное состояние режущей части отрезных и к ан авочных резцов 77
4.1 Экспериментальное определение исходных данных для расчетов... 77
4.2 Расчет напряженного состояния режущей части отрезных и кана-вочных резцов 82
4.2.1 Характер напряженного состояния режущей части при действии силовой нагрузки 82
4.2.2 Характер напряженного состояния режущей части при силовом и тепловом нагружении 4.3 Выводы по главе 4 95
Глава 5. Оптимизация формы передней поверхности отрезных и канавочных резцов 97
5.1 Методика расчета координат точек расчета профиля передней поверхности лезвия с равным запасом прочности 97
5.2 Анализ полученных расчетных профилей передней поверхности... 100
5.3 Разработка формы заточки отрезных и канавочных резцов с напайными режущими пластинами 102
5.4 Разработка проектов сменных режущих пластин для отрезных и канавочных резцов 106
5.5 Выводы по главе 5 109
Глава 6. Сравнительное экспериментальное исследо вание эксплуатационных свойств резцов с разработанной формой заточки
6.1 Сравнение разрушающего усилия режущих пластин с плоской передней поверхностью и с разработанной формой заточки 110
6.2 Сравнительное экспериментальное режущих свойств режущих свойств резцов с плоской передней поверхностью и с разработанной формой заточки 118
6.2.1 Результаты стойкостных экспериментов, проведенных резцами с плоской передней поверхностью 118
6.2.2 Сравнение результатов стойкостных экспериментов, проведенных резцами с плоской передней поверхностью, с данными рассчитанными по нормативам режимов резания 119
6.2.3 Результаты экспериментов, проведенных резцами с разработанной формой заточки 121
6.2.4 Сравнение полученных результатов стойкостных и динамометрических экспериментов 125
6.3 Экспериментальное определение влияния постоянной скорости резания на износ и производительность при отрезке, прорезке канавок и торцевом точении 128
6.4 Выводы по главе 6 133
Общие выводы 135
Список литературы
- Конструкции отечественных и зарубежных отрезных и кана-вочных резцов
- Закономерности распределения контактных напряжений на поверхностях режущего инструмента
- Нагружение распределенной нагрузкой
- Измерение технологических составляющих силы резания
Введение к работе
Отрезка является распространенной операцией как в заготовительном производстве, так и в технологических процессах изготовления деталей машин. Отрезные инструменты работают в особо тяжелых условиях, которые объясняются: во-первых, недостаточной жесткостью режущей части инструмента; во-вторых, переменным значением скорости резания, вызывающим колебание температуры резания, приводящее к тепловому напряжению твердого сплава и повышению интенсивности его хрупкого разрушения; в-третьих, трением между стенками прорезаемой канавки и стружкой, затрудняющим ее удаление из зоны резания; в-четвертых, стружкообразованием, происходящим в стесненных условиях. Характерными представителями данных инструментов являются отрезные и канавочные резцы.
Статистика машиностроительных заводов показывает, что операции отрезки и прорезки, выполняемые на токарных станках, характеризуются большими издержками обрабатываемого материала и режущего инструмента, соответственно приводящими к увеличению себестоимости производимой продукции. При этом расход отрезных и канавочных резцов превышает расход проходных и расточных резцов более чем на 50%. Причинами этого являются недостаточная прочность и жесткость режущей части отрезных и канавочных резцов. Поэтому повышение прочности режущей части отрезных и канавочных резцов является актуальной задачей.
В настоящее время существует ряд путей решения этой проблемы, одним из которых является оптимизация геометрических параметров режущей части инструмента.
Целью работы является повышение работоспособности отрезных и канавочных резцов путем оптимизации формы их передней поверхности по критерию равнопрочности лезвия.
Теоретические исследования проводились на основе векторного исчис-
ления, численных методов, статистических расчетов, программирования и компьютерного моделирования с использованием современных средств вычислительной техники. Экспериментальные исследования выполнялись в лабораторных условиях по схеме однофакторного эксперимента. Научная новизна работы состоит в следующем:
На основе предложенной методики расчета хрупкой прочности оценены величина и характер распределения напряжений и определена наиболее опасная, с точки зрения прочности, область в режущей части отрезных и ка-навочных резцов.
Создана методика расчета профиля передней поверхности отрезных и канавочных резцов по критерию равнопрочности лезвия.
Выявлены закономерности изменения формы профилей передней поверхности равнопрочного лезвия от величины скорости резания, подачи и допускаемого напряжения, позволившие предложить новые формы заточки отрезных и канавочных резцов.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
Разработана новая форма заточки режущей части отрезных и канавочных резцов с напайными режущими пластинами повышенной прочности, обладающая удовлетворительными режущими свойствами.
Спроектированы твердотельные компьютерные модели сменных режущих пластин для отрезных и канавочных резцов, имеющих лезвие с равнопрочной формой, предназначенные как для операций отрезки и прорезки, так и для контурного точения.
Выработаны рекомендации по применению функции поддержания постоянной скорости резания при обработке на станках с ЧПУ как способа снижения вероятности хрупкого разрушения отрезных и канавочных резцов.
Результаты работы внедрены на ООО «ПО Юргинский машиностроительный завод». На разработанную форму заточки отрезных и канавочных резцов получен патент на полезную модель.
Диссертация состоит из шести глав, общих выводов, списка литературы и приложений. В первой главе приведен аналитический обзор материалов публикаций в отечественной и зарубежной периодической печати, нормативно - справочной информации, патентных материалов по операциям отрезки и прорезки, рассмотрены пути повышения прочности режущей части инструмента, сформулированы цели и задачи исследования. Во второй главе изложена предлагаемая методика расчета хрупкой прочности, позволяющая оценить величину и характер распределения напряжений в режущей части отрезных и каиавочных резцов. В третьей главе изложена методика проведения экспериментов. В четвертой главе приводятся полученные экспериментальные данные и результаты расчета напряженно — деформированного состояния режущей части. Пятая глава посвящена оптимизации геометрии передней поверхности отрезных и каиавочных резцов по критерию равной прочности. В шестой главе приводятся результаты сравнительных экспериментальных исследований резцов с разработанной формой заточки и с плоской передней поверхностью.
Конструкции отечественных и зарубежных отрезных и кана-вочных резцов
Конструкции державок и режущих пластин различных зарубежных фирм похожи и имеют много общего. Базирование пластины производится при помощи двух V-образных пазов, находящихся как на самой пластине, так и на корпусе резца. Пазы могут изготавливаться отрицательными (внутрен ними) или положительными (внешними). Верхняя и нижняя призматические поверхности пластины сцентрированы между собой, а сама пластина точно центрируется в гнезде державки, что гарантирует сохранение соосности и во время резания. Отрицательные призматические поверхности чаще вынолня ют на пластине, чем в гнезде державки. В результате этого обеспечиваются более высокая стабильность зажима режущей пластины и прочность губок гнезда державки [72].
Зажим режущей пластины осуществляется следующими способами (29]: - за счет упругих свойств корпуса и сил резания (рис. 1.12, 1.14); - при помощи прихвата, прижимаемого винтом (рис. 1.13, 1.15); - при помощи винта (рис. 1.16).
Первый способ крепления режущей пластины используется на державці ках для отрезки, прорезки и отрезных блоках. При этом используются два типа фиксации режущих пластин: а) свободное перемещение пластин до заклинивания под действием сил резания (рис.1.18,а); б) фиксация перемещения в гнезде за счет буртика на верхней части пластины (рис. 1,18,6). В дан-пых державках применяются односторонние режущие пластины (рис.1.17,а).
Второй способ крепления нашел применение па державках для прорез ки канавок, отрезки заготовок небольших диаметров, контурного точения и точения «в разгонку». В данных державках применяются двухсторонние ре W жущие пластины (рис. 1.17,6).
Третий способ крепления используется для обработки канавок под стопорные кольца, при этом используются режущие пластины с тремя лезвиями (рис.1.17.в).
В настоящее время ведущими зарубежными фирмами, производящими режущий инструмент, разработаны различные формы передних поверхностей режущих пластин отрезных и канавочных резцов. Стружкообразующие поверхности этих резцов формируют завитую узкую стружку, свободно выходящую из паза без повреждения степок. Каждый профиль передней поверхности ориентирован на определенные условия обработки, обеспечивая при этом необходимую прочность режущей пластины. В качестве примера рассмотрим пластины выпускаемые фирмой ISCAR (Израиль) [30].
Тип С (рис. 1.19, а) - пластины имеют положительный передний угол, одну канавку с отрицательной фаской и буртиком, что обеспечивает исключительно высокую прочность режущей кромки. Они эффективны для большинства подач от умеренных до высоких, значение которых составляет примерно до 7% ширины режущей кромки.
Тип W (рис. 1.19, б) - подобны типу С, но выполнены с центровым ребром (выступом), которое образует двойные канавки на передней поверхности. Целесообразно использовать при обработке заготовок из коррозионно-стойких сталей и других марок сталей при умеренных подачах, значение которых составляет до 5% ширины режущей кромки.
Тип J (рис.1.19, в) - положительный передний угол и относительно острая передняя кромка в совокупности с вогнутой стружкозавивающей канавкой обеспечивают плавный сход стружки. Более высокая стойкость и лучшее качество поверхности достигается при подачах до 0,3 мм/об. Этот тип эффективен при обработке вязких сталей и авиакосмических материалов, где требуется применение режущего лезвия с положительным передним углом.
Тип U (рис. 1.19, г) - специального применения. Обеспечивает короткую стружку и используется при обработке заготовок для шарикоподшипников.
Таким образом, можно сделать вывод, что в настоящее время наиболее прогрессивными являются отрезные и капавочные резцы со сменными режущими пластинами, изготавливаемые зарубежными производителями металлорежущего инструмента. Применение определенной криволинейной формы передней поверхности обеспечивает образование стружки, свободно выходящей из прорезаемого паза и ее дробление, а также необходимую прочность сменной режущей пластины. Это позволяет при отрезке заготовок большого диаметра уменьшить ширину режущей части резца и в результате этого снизить расход обрабатываемого материала.
Геометрические параметры отрезных и канавочных резцов имеют свои особенности. Условия работы этих инструментов влекут за собой появление дополнительных вспомогательных углов ф и СС, позволяющих уменьшить трение о стенки прорези (рис. 1.20). Во избежание ослабления головки резца, а также из-за ограниченной ее толщины, приходится устанавливать вспомогательные углы в плане фі небольшой величины (в пределах 130 2). Отрезной резец должен иметь утонение также по направлению от вершины до опорной плоскости под углом ct, который принимают равным 1 30 +2 . Для усиления головки следует рекомендовать заточку под углами ф] и cti не по всей длине и высоте резца, а только на некоторых участках [33, 34].
Передний угол оказывает большое влияние на виброустойчивость резца, которая резко снижается с уменьшением его величины (от нуля и ниже). Поэтому для предотвращения появления вибраций необходимо принимать передний угол у = 10... 15, причем он часто делается равным углу врезания пластинки [34].
Закономерности распределения контактных напряжений на поверхностях режущего инструмента
Первостепенное значение при решении вопросов прочности режущей части инструмента имеют величина и закономерности распределения контактных нагрузок на режущих поверхностях инструмента.
Исследовать распределение контактных напряжений при резании очень сложно. Малые размеры площадки контакта стружки с резцом, высокое контактное давление и температура на поверхности контакта, - все это затрудняет проведение опытов и получение надежных результатов.
Опубликованные работы свидетельствуют, что в настоящее время для определения контактных напряжений используются три различных метода; разрезного (составного) резца, поляризационно-оптический и интерферомет-рический.
Метод разрезного резца позволяет исследовать распределение контактных напряжений как по передней, так и по задней граням инструмента в условиях резания, приближающихся к реальным. Несмотря на то, что изменяются условия отвода тепла в резец и тем самым нарушается нормальное распределение температур на поверхности контакта, достоинством этого метода является возможность его применения при различных условиях резания [81, 82]. Экспериментальное определение контактных напряжений с использованием разрезного резца были выполнены Красильпиковым В.А. [48], Козловым В.Н [44, 84], Бутенко В.А. [28], и др.
Поляризационно-оптический метод основан на свойстве прозрачных изотропных материалов становиться при деформации анизотропными, т.е. на возникновении двойного лучепреломления. Данный метод позволяет проводить исследования только при малых скоростях резания, поскольку с повышением скорости резания растет средняя температура контакта, что приводит сначала к появлению термических напряжений, искажающих оптическую картину, а затем и к размягчению оптически активных полимеров, теплоустойчивость которых низка [2, 81, 82]. Наиболее полные исследования контактных напряжений поляризационно-оптическим методом выполнены По-летикой М.Ф. [80], Утешевым М.Х. [85, 106], Бетанели А.И. [22, 23], Чанд-рашекараном X. [22], Бобровым В.Ф. [24] и др.
Интерферометрический метод позволяет на основе интерференционной картины получить значение напряжений в режущей части инструмента и на его контактных поверхностях. В его основу положено измерение поперечной деформации модели, которая всегда сопровождает главные продольные деформации в плоскости нагрузок в случае плоского напряженного состояния.
Этот метод исследования напряжений применим не только для прозрачных инструментальных материалов, но также для материалов с хорошо доводимой отражающей поверхностью при применении соответствующей интерфе-рометрической схемы. Это позволяет исследовать напряженное состояние в режущем инструменте из реальных инструментальных материалов при реальных режимах резания [2, 107]. Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния режущей части инструмента и контактных напряжений с использованием этого метода выполнены Утешевым М.Х [2, 106, 107], Артамоновым Е.В., Ефимовичем И.А., Смолиным Н.И. [2] и др.
Типичные кривые распределения контактных напряжений на передней поверхности по длине контакта со стружкой, экспериментально полученные Полетикой М.Ф. и Красильниковым В.А. представлены нарис. 1.25. Из них видно, что примерно на половине длины контакта, то есть в пределах контактной пластической области, касательное напряжение остается постоянным. На упругом участке контакта оно постепенно уменьшается до нуля в месте отхода стружки от передней поверхности. Кривая распределения нормальных контактных напряжений в общем случае имеет более сложный характер и состоит из трех частей: крутопадающей ветви, прилегающей к режущей кромке, пологой ветви и плавно спадающей ветви на упругом участке контакта.
Некоторые результаты исследований контактных напряжений на задней поверхности, проведенных Козловым В.Н. методом разрезного резца [44] и Мелиховым В.В. [53] с помощью поляризационно-оптического метода, показаны на рис. 1.26. Приведенные формы эпюр имеют значительные отличия, которые можно объяснить применением различных методов исследования.
Результаты исследований Бетанели А.И. с помощью поляризационно-оптического метода представлены на рис. 1.27. Эпюры распределения контактных напряжений на передней поверхности получены при свободном точении без охлаждения резцом из эпоксидной смолы ЭД6.
Нагружение распределенной нагрузкой
Рассмотрим случай нагружения режущего клина распределенной нагрузкой. Расчетная схема, представленная на рис. 2.1, а, показывает условия нагружения режущего клина распределенными нагрузками и необходима для расчета напряжений в контактной зоне.
Компоненты главных напряжений в полярной системе координат определяем по уравнениям (1.5), предложенным профессором А.И. Бетанели.
Исходя из аналитического обзора экспериментальных данных о законах распределения контактных напряжений на гранях инструмента, приведенного в п.п. 1.2.1, примем следующие законы распределения нормальных и касательных напряжений на передней и задней поверхностях (рис.2.1, а): Gn =cr -(1-у/п) -треугольника; (2.4) o =a -(1-z/h,,) -треугольника; (2.5) т = xm - постоянной по всей длине износа задней поверхности, h3; (2.6) I = xm - постоянной на участке пластического контакта, принятого равным половине длины контакта 1П; (2.7) х 2-хт -О У Ц) - треугольника на второй половине длины контакта п (2-8) где a , ат - максимальная величина нормальных контактных напряжений соответственно на передней и задней поверхности; тт хт " максимальная величина касательных контактных напряжений на передней и соответственно задней поверхности. Отметим, что технологические составляющие силы резания Р и Pz являются равнодействующими нормальных Рп и Р3 и касательных Fn и F4 сил на передней и задней поверхностях режущего клина (рис. 2.2, в).
Здесь, сила Рп вызывается давлением стружки на переднюю поверхность и для рассматриваемого случая плоской передней поверхности направлена нормально к ней. Сила Fn обусловлена трением стружки по передней поверхности и лежит в плоскости передней поверхности в направлении схода стружки. Сила Р3 вызвана давлением обрабатываемой заготовки на заднюю поверхность и в общем случае при наличии износа расположена нормально к ней. Сила F3 - сила трения между заготовкой и задней поверхностью, направленная параллельно ей. Спроектировав нормальные и касательные силы на оси координат Y и Z и приравняв их к составляющим силы резания, имеем:
Величина каждой из элементарных сил определяется как интеграл по площади контакта от соответствующих контактных нагрузок. Учитывая законы изменения контактных нагрузок (2.5 т- 2.8), получим [58]: Pn = Jdx l ? dy= —П ; (2.10) о о Іп 2 n bri h?ci«-z t aJL hvb P3 = jdx f- —dz = m 3—; (2.11) о о h3 2 b h3 F3=T jdx fdz=4-h3-b; (2.12) о 0 Fn-Cfdx j dy+Jdx J (2- m-У)dy = o,75-x -b- ,(2.13) 0 0 0 tl/2 a где b - ширина силового контакта, принятая для участка, прилегающего к рассматриваемому сечению режущего клина, одинаковой как для передней, так и для задней поверхностей (см. рис.2.2,в); h3 - величина контакта по задней поверхности; і и - полная длина контакта стружки с передней поверхностью.
Выражения (2.10 2.13) связывают параметры распределения контактных нагрузок с составляющими силы резания, и могут быть использованы для определения величин СТ ,Т , т Тт В полученной системе двух уравнений (2.9) имеется четыре неизвестных, поэтому для ее решения необходимо отдельно найти два неизвестных.
С достаточной достоверностью можно определить суммарные силы, действующие на задней поверхности, используя метод экстраполяции на ну левую толщину среза [53], предусматривающий использование экспериментально полученных зависимостей вертикальной и горизонтальной составляющих силы резания, а также коэффициента усадки стружки, поскольку обязательным условием его применения является постоянство степени деформации при изменении толщины срезаемого слоя.
Измерение технологических составляющих силы резания
Результаты проведенных экспериментов являются исходными данными для расчета и получения графического изображения картин изолиний напряжений в режущем клине, позволяющих оценить характер распределения и величину напряжений в режущей части отрезных и канавочных резцов, возникающих в процессе резания. Для обеспечения большей универсальности и автоматизации расчетов, а также для возможности математического описания метода экстраполяции силовых зависимостей на нулевую толщину среза, полученные экспериментальные зависимости полной длины контакта и коэффициента усадки стружки от скорости резания в среде универсального математического пакета Maple были аппроксимированы полиномами пятого порядка. Получаемые по ним расчетные значения имеют отличие от экспериментальных не более 1 %.
По предложенной в главе 2 методике в среде математического пакета Maple была разработана программа для расчета и графического построения изолиний главных напряжений сг,, а2, эквивалентных напряжений а1КВ в контактной области и за ее пределами, возникающих в режущем клине отрезных и канавочных резцов (Приложение 2).
Данная программа построена по следующему алгоритму: 1) ввод исходных данных; 2) определение значения длины контакта; 3) определение значений коэффициента усадки стружки; 4) определение по полученным зависимостям (4.1, 4.2) значений технологических составляющих силы резания; 5) определение физических составляющих силы резания на задней поверхности; 6) определение максимальных нормальных и касательных напряжений на передней и задней поверхностях резца; 7) определение неизвестных коэффициентов в уравнениях (1.5) компонентов главных напряжений j ,а2в режущем клине; 8) определение диапазона значений напряжений СУ] ,0"2,оэкп путем построения зависимостей Gj — f(r,@); 9) построение картин изолиний &\,&2 жв п0 заданным значениям их величины.
Исходными данными для расчетов являются значения: скорости резания, подачи, величины фаски износа по задней поверхности, геометрических параметров, ширины режущей части резца, пределов прочности инструментального материала на растяжение и сжатие. Конечным результатом расчета по программе являются полученные картины изолиний заданных значений напряжений в главной секущей плоскости.
Величина упругого контакта задней поверхности инструмента с заготовкой h3 принималась на основании физико-мсханичсских характеристик обрабатываемого материала равной 0,2 мм [1, 44].
Расчеты проводились для случая обработки заготовки (сталь 45) отрезным резцом (материал режущей части Т5К10, Ь=5 мм, а =8, у =12 ), скорость резания принималась равной 75 и 105 м/мин, подача 0,1, 0,13, 0,048 мм/об. Исходные данные и значения полной длины контакта, коэффициента усадки стружки и составляющих силы резания Pz, Ру, Р3, F3 сведены в таблицу 3. Значения максимальных напряжений на передней и главной задней поверхностях приведены в таблице 4, а коэффициентов в уравнениях для определения компонентов главных напряжений (1.5) в таблице 5. Значения коэффициентов (табл. 5), приведенных в скобках, соответствуют решению системы уравнений (2.17). смешанное напряженное состояние, т. е. j\ 0;С2 йО [22]. Максимальные значения главных и эквивалентных напряжений, как правило, находятся непосредственно у границы контактной зоны. Их изолинии начинаются на передней поверхности и уходят внутрь режущей части. Полученные расчетные данные о величине и характере распределения напряжений в контактной зоне подобны результату, который был получен А.И. Бетанелли [22, 23].
Распределение изолиний главных напряжений за пределами длины контакта (рис. 4.9) показывает на появление зон растягивающих и сжимающих напряжений, разделенных нейтральной линией. Здесь при положительной величине напряжений мы имеем о , а при отрицательных значениях ст2 [22].
Эквивалентные напряжения (рис. 4.10) вдоль передней поверхности имеют большие, чем на задней поверхности, значения и градиент. Изолинии максимальных значений этих напряжений расположены непосредственно вблизи границы с контактной областью.
В определенной степени достоверность полученных результатов подтверждается поляризационно-оптическими исследованиями [23], которые показывают, что как при непрерывном, так и прерывистом резании в режущей части могут быть области растягивающих и сжимающих напряжений. При этом в контактной зоне, в основном во всех случаях, преобладают сжимающие напряжения, а нейтральная линия, разделяющая области растягивающих и сжимающих напряжений, обычно начинается за пределами контактной зоны.
Сравнение картин изолиний, полученных при различных исходных условиях, показало, что напряженно-деформированное состояние отрезных и канавочных резцов постоянно изменяется в процессе резания.
