Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. задачи исследования 14
1.1. Анализ видов разрушения и износа СМП из твердых сплавов в процессе резания 14
1.2. Патентные исследования конструкций СМП 16
1.3. Факторы, определяющие конструктивные параметры СМП 18
1.4. Результаты исследования напряженно-деформированного со
стояния и прочности режущих элементов инструментов 22
1.5. Работоспособность режущих элементов из твердых сплавов 37
1.6. Основные сведения об инструментальных твердых сплавах и их разрушении 51 1.7 Теоретические основы механики разрушения и прочности структурно-неоднородных материалов 55 1.8.Анализ проведенных работ. Цели и задачи исследования 57
2. Разработка моделей напряженно-деформированного состояния, разрушения, прочности и максимальной работоспособности смп из твердых сплавов 62
2.1. Исследование взаимосвязи изменений физико-механических характеристик инструментальных твёрдых сплавов (ИТС) в зависимости от температуры с износом и работоспособностью инструментов 63
2.2. Взаимосвязь трещиностойкости твёрдых сплавов с инструментальным коэффициентом Ки 70
2.3. Разработка моделей напряженного состояния СМП из твёрдых сплавов с учетом напряжений I и II рода: 72
2.3.1. Разработка математической и физической моделей температурных микронапряжений в ИТС (напряжений II рода) 72
2.3.2. Разработка моделей напряженного состояния СМП с учетом напряжений I и II рода 77
2.4. Разработка моделей разрушения и прочности СМП из твёрдых сплавов 83
2.4.1. Теоретические основы 83
2.4.2. Разработка математической и физической моделей разрушения СМП из ИТС 90
2.4.3. Разработка моделей прочности и механики разрушения режущего клина СМП с учетом состояния ИТС 94
2.4.4. Статистика разрушения СМП из твердых сплавов 96
2.4.5. Усталостная прочность СМП из твердых сплавов 98
2.5. Алгоритм расчета на прочность СМП из ИТС 99
2.6. Разработка методики численного исследования НДС СМП инструментов на основе метода конечных элементов 101
2.7. Выводы 109
3. Разработка экспериментально-теоретического метода исследования ндс в режущем инструменте на основе лазерной интерферометрии 112
3.1. Новый метод определения деформаций и напряжений по данным интерферометрических измерений 113
3.1.1. Суть интерферометрического метода 113
3.1.2. Разработка математических моделей для расчета составляющих напряжений ах, ау, хху численным методом по суммам главных напряжений
3.1.3. Экспериментальная установка и методика проведения опытов
3.1.4. Расчет составляющих напряжений в клине по эксперимен тальным данным и теоретически
3.2. Новый способ определения модуля упругости Е и коэффициента Пуассона \х методом лазерной интерферометрии 125
3.2.1. Математическая модель способа 125
3.2.2. Устройство для определения модуля упругости Е и коэффициента Пуассона ц 127
129
3.3. Экспериментальная установка для исследования НДС режущего клина инструмента интерферометрическим методом с применением киносъемки
3.4. Установка для исследования напряжений в плоскости СМП 134
3.5. Расчет температур в режущем клине 138
3.6. Выводы 139
4. Результаты экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния и прочности смп инструментов 141
4.1. Определение силы резания при точении сборными резцами с СМП 141
4.2. Влияние схемы базирования и крепления СМП на жесткость сборных инструментов 143
4.3. Исследование напряженно-деформированного состояния режущего клина инструмента в плоскости схода стружки 144
4.3.1. Исследование механики процесса резания с переменной толщиной среза 145
4.3.2. Контактные напряжения на режущих кромках инструментов при резании с переменными толщинами среза 148
4.3.3. Распределение главных напряжений в режущей части инструмента при резании с постоянной толщиной среза и врезанием 150
4.3.4. Эмпирические зависимости распределения контактных напряжений на передней и задней поверхностях режущего клина инструмента 153
4.3.5. Моделирование напряженного состояния инструмента 156
4.3.6. Аналитический расчет напряженного состояния режущей части инструмента и экспериментальная проверка 158
кости СМП 162
4.4.1.Определение конструктивных параметров, характеризую щих напряженно-деформированное состояние и прочность СМП 162
4.4.2. Определение величины силы крепления СМП в корпусе сборного инструмента 173
4.5. Результаты исследования объемного напряженного состояния СМП 174
4.6. Циклический характер нагружения режущей части инструмента
в процессе резания 177
4.6.1. Цикличность нагружения режущего инструмента по результатам динамометрии и теоретическому расчету 177
4.6.2. Распределение напряжений в режущей части в условиях циклического нагружения 178
4.6.3. Анализ напряженно-деформированного состояния и прочности СМП в условиях циклического нагружения 185
4.6.4. Температурные поля в режущей части инструмента 190
4.7. Выводы 191
5. Исследование напряженно-деформированного состояния и прочности смп численным методом с применением метода конечных элементов 194
5.1. Исследование НДС в плоскости СМП 194
5.1.1. Влияние схемы базирования и крепления СМП 195
5.1.2. Влияние условий нагружения СМП 197
5.1.3. Влияние формы, типа и линейных размеров СМП 199
5.2. Разработка СМП новых форм повышенной прочности 208
. 5.3. Исследование НДС режущего клина в плоскости схода стружки 212
5.3.1. Влияние условий нагружения и геометрии режущего клина 213
5.3.2. Влияние формы передней поверхности режущего клина 217
5.3.3. Влияние фаски износа по задней поверхности режущего клина 219
5.4. Определение температурных полей в плоскости пластины и
плоскости схода стружки 222
5.5. Влияние конструктивных параметров СМП и условий их нагружения на деформации пластин 224
5.6. Напряженно-деформированное состояние, прочность и разрушение СМП из ИТС с учетом напряжений I и II рода 230
5.7. Выводы 234
6. Повышение работоспособности смп из инструментальных твердых сплавов 238
6.1. Экспериментальные исследования изменений механических характеристик инструментальных твердых сплавов (ИТС) от темпера туры резания 239
6.1.1. Исследование ударной вязкости ИТС 239
6.1.2. Исследование твердости ИТС 244
6.1.3. Экспериментальное определение температур максимальной работоспособности ИТС с применением метода естественной термопары 245
6.2. Номограмма определения температур максимальной трещино-стойкости, работоспособности и инструментального коэффициента твердых сплавов 250
6.3. Взаимосвязь механических характеристик ИТС с особенностями износа, разрушения и работоспособности инструментов 253
6.4. Способы ускоренного определения условий максимальной работоспособности режущих пластин по изменению механических характеристик ИТС от температуры 254
6.4.1. Способ определения оптимальной скорости резания по логарифму твердости 254
6.4.2. Способ определения температуры максимальной работоспособности по ударной вязкости 256
6.4.3. Способ определения инструментального коэффициента Кипо температуре максимальной работоспособности ИТС 257
6.5. Эмпирические формулы расчета температур максимальной трещиностойкости 0млр. и максимальной работоспособности мр. режу щих пластин из сплавов ВК 258
6.6. Повышение работоспособности инструмента путем предварительного подогрева ИТС 259
6.7. Оптимизация режимов обработки деталей из труднообрабатываемых материалов на станках с ЧПУ 263
6.7.1. Стойкостные испытания 263
6.7.2. Номограмма оптимизации режимов резания на основе стойкостных испытаний 266
6.7.3. Экспресс-метод определения оптимальной скорости резания 270
6.8. Испытание и внедрение дискретного точения на станках с про
граммным управлением 271
6.9 Выводы 274
7. Методология расчета, проектирования и эксплуатации смп и сборных инструментов повышенной работоспособности 277
7.1. Блок-схема методологии расчета, проектирования и эксплуатации СМП сборных инструментов повышенной работоспособности 278
7.2. Основные положения проектирования СМП и сборных инструментов 282
7.3. Методика выбора схем базирования и крепления СМП, обеспечивающих повышение эксплуатационных характеристик инструментов 284
7.4. Разработанные конструкции пластин и сборных инструментов
повышенной работоспособности 286
7.4.1. Сменные неперетачиваемые пластины повышенной прочности с цилиндрическими и коническими боковыми поверхностями (криволинейными режущими кромками) 287
7.4.2. Сборные резцы и фрезы с пластинами повышенной прочности 292
7.5. Разработанные конструкции сборных инструментов с пластина
ми правильной многогранной формы 295
7.5.1. Резцы сборные 295
7.5.2. Фреза торцовая и зенкер 299
7.5.3. Фрезы сборные цилиндрические с винтовым зубом 301
7.5.4. Фреза торцовая со ступенчатым расположением СМП 305
7.5.5. Протяжка для обработки наружных поверхностей 305
7.5.6. Резцы сборные с креплением СМП с помощью накладного прижима по системе М (ISO) 306
7.6. Выводы 308
Заключение 310
Литература
- Патентные исследования конструкций СМП
- Взаимосвязь трещиностойкости твёрдых сплавов с инструментальным коэффициентом Ки
- Разработка математических моделей для расчета составляющих напряжений ах, ау, хху численным методом по суммам главных напряжений
- Исследование напряженно-деформированного состояния режущего клина инструмента в плоскости схода стружки
Введение к работе
В условиях рыночной экономики невозможно обеспечить снижение издержек и повышение конкурентоспособности производства без использования современных технологий, оборудования, инструментов. Одним из путей подъема эффективности механической обработки резанием является переход с использования напайного режущего инструмента на сборный с механическим креплением сменных многогранных пластин (СМП). Целесообразность такого перехода для большинства случаев обработки резанием подтверждается мировой практикой и уже не вызывает сомнений у производственников.
В настоящее время широкое применение получили сборные инструменты с СМП при всех видах механической обработки резанием. СМП используются в следующих сборных инструментах: токарных резцах, сверлах, зенкерах, фрезах, протяжках.
По данным ВНИИ инструмента опыт внедрения резцов с СМП показал следующие преимущества, по сравнению с папайным инструментом: повышение стойкости пластин на 25-30%, уменьшение расхода твердого сплава в 2 раза, уменьшение суммарных затрат на изготовление инструмента в 3-4 раза, повышение производительности труда на 20-25% (рис. 1).
Рис. 1. Преимущества спорного инструмента с СМП
Статистика применения инструмента с СМП на машиностроительных предприятиях свидетельствует, что на долю отказов инструментов с СМП в результате разрушения пластин приходится 70-75%. Анализ видов отказов СМП в производственных условиях показал, что характерными видами разрушений являются выкрашивание, скалывание, поломка. Специфика нагружения СМП заключается в том, что напряжения возникают как от сил резания, так и от сил крепления. Причем каждая из них может привести к разрушению СМП. Это обуславливает необходимость исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) и прочности СМП инструментов.
Существует большое количество практических рекомендаций в инструментальных каталогах и справочниках по применению сборного инструмента, однако не разработаны инженерные методики выбора и расчета СМП, направленные на повышение прочности и работоспособности. Принципиально новый подход для решения этой проблемы стал возможным с появлением мощных программных комплексов на основе метода конечных элементов. Поэтому повышение эффективности применения сборного инструмента на основе исследования напряженно-деформированного состояния и прочности СМП при механической обработке путем создания инженерного метода выбора или расчета основных параметров СМП на основе прочностного подхода и определение условий их максимальной работоспособности является актуальной проблемой.
Целью исследований является научно-обоснованное повышение работоспособности сборных режущих инструментов на основе результатов исследования напряженно-деформированного состояния и прочности сменных твердосплавных пластин.
Для решения изложенной цели исследования сформулированы основные направления работы:
выявить основные факторы, влияющие на НДС, прочность и работоспособность СМП из ИТС;
разработать математические модели напряженно-деформированного состояния СМП из ИТС, механики их разрушения, прочности и работоспособности;
исследовать НДС и прочность СМП с учетом их конструктивных параметров, схем базирования, крепления и нагружения экспериментально, на основе лазерной интерферометрии, и численным методом, на основе конечных элементов;
установить взаимосвязь механических свойств ИТС с прочностью и работоспособностью инструментов, и разработать методики определения условий их максимальной работоспособности по зависимостям изменения их механических характеристик от температурно-силового воздействия;
разработать научно обоснованную методологию расчета, проектирования и эксплуатации СМП сборных инструментов с целью повышения их работоспособности на основе прочностного подхода;
на основании результатов исследований разработать новые технические и технологические решения.
Исследования основаны на использовании фундаментальных положений теории упругости, теории пластичности, современных численных методов решения задач. Разработан экспериментально-теоретический метод и установки исследования НДС СМП сборных инструментов на основе лазерной интерферометрии, защищенные патентами РФ на изобретение. Экспериментальные исследования выполнялись в лабораторных и производственных условиях и включали изучение НДС, механику разрушения, прочность и работоспособность СМП. Численные исследования НДС и прочности СМП проведены методом конечных элементов с использованием программ DAST и Cosmos. Автором выносятся на защиту следующие основные положения: -разработанные математические модели НДС с учетом напряжений I и II рода, прочности и максимальной работоспособности СМП из ИТС, механики разрушения, цикличности нагружения и состояния ИТС;
экспериментально-теоретический метод и установки определения силовых и температурных деформаций и напряжений в СМП инструментов с применением лазерной интерферометрии;
установленные экспериментально и расчетным путем закономерности распределения напряжений и деформаций в СМП из ИТС как на контактных поверхностях, так и внутри тела для различных конструктивных параметров пластин, схем базирования, крепления, условий силового и температурного нагружения, опасные зоны с позиций прочности;
научно обоснованная методология расчета НДС, прочности СМП из ИТС и определения условий эксплуатации режущих пластин, обеспечивающих их максимальную работоспособность;
новые технические и технологические решения, защищенные авторскими свидетельствами и патентами, конструкции СМП и сборных инструментов, способы и устройства определения и поддержания условий их максимальной работоспособности при резании металлов.
В первой главе приведен литературный и патентный анализы по теме диссертации, сформулированы цели и задачи исследования.
Во второй главе разработаны математические модели напряженно-деформированного состояния, прочности и работоспособности СМП из твердых сплавов с учетом напряжений I и II рода на стадии проектирования и эксплуатации на основе теоретических исследований взаимосвязи изменений механических характеристик ИТС от температуры с работоспособностью инструментов при резании металлов. Выявлено, что из большого количества механических характеристик инструментальных твердых сплавов только две отражают
температуру их максимальной работоспособности, которую можно определять по точке перелома на графике зависимости логарифма твердости по Виккерсу lgHV от температуры или по второй точке перелома на графике зависимости ударной вязкости KCV от температуры.
Разработана физическая модель возникновения внутренних напряжений в ИТС группы ВК (напряжений II рода), как материале-композите, на основании которой разработана теория расчета внутренних напряжений в ИТС при резании металлов. Разработаны физическая и математическая модели разрушения режущих элементов из твердых сплавов, как структурно неоднородных материалов, на основе теорий микроразрушения американского ученого Авербаха и макроразрушения Писаренко-Лебедева. На основании анализа геометрической интерпретации принятого критерия прочности Писаренко-Лебедева выдвинута и доказана гипотеза о границах поверхностей предельных напряженных состояний и соответственно поверхностей разрушения СМП из твердых сплавов. Разработана теория механики разрушения режущих пластин из ИТС в зависимости от условий резания.
В третьей главе показаны авторские методы и установки для экспериментального исследования напряженно-деформированного состояния СМП из ИТС сборных инструментов на основе лазерной интерферометрии, математическая модель расчета составляющих напряжений численным методом по суммам главных напряжений с точностью, допустимой для инженерных расчетов. Разработаны с применением лазерной интерферометрии метод и устройство, позволяющие с высокой точностью определять модуль упругости Е и коэффициент Пуассона ц инструментальных твердых сплавов, которые запатентованы.
В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния СМП сборных инструментов методом лазерной интерферометрии в реальных условиях резания. Впервые экспериментально получена полная картина распределения напряжений в разных по форме СМП, при разных схемах их крепления и нагружения, позволившая определить опасные зоны: на главной режущей кромке - напряжения растяжения сть а на вспомогательной - напряжения сжатия а2, рациональные схемы крепления и нагружения пластин. Выявлено влияние конструктивных и геометрических параметров СМП, схем базирования, крепления и нагружения на их НДС в плоскости пластины и плоскости схода стружки, и прочность СМП в целом. В режущем клине инструмента из твердого сплава имеются две опасные зоны с напряжениями растяжения аь режущая кромка и точка на пе-
12 редней грани, удаленная от режущей кромки на расстояние, которое зависит от отношения сил Pz/Py. В этих точках имеют место напряжения растяжения сті. Предложен безразмерный параметр - коэффициент НДС, с помощью которого можно оценивать изменение напряжений в зависимости от формы СМП, геометрии режущего инструмента, режимов резания и прогнозировать ее прочность. Экспериментально подтверждена гипотеза о том, что одной из основных причин развития трещин и усталостного хрупкого разрушения режущей части инструмента в зоне контакта и за ее пределами является циклический характер ее нагружения при разных видах стружкообразования. Выведены уравнения нормальных и касательных контактных напряжений по передней и задней поверхностям. Сформулированы пути управления напряженно-деформированным состоянием СМП, использованные в дальнейшем для формирования основных положений методологии расчета, проектирования и эксплуатации СМП с целью повышения их работоспособности.
В пятой главе по разработанной методике на основе метода конечных элементов с использованием программных пакетов DAST и Cosmos получены результаты расчетов напряженно-деформированного состояния СМП, которые представлены в виде картин перемещений и изолиний главных напряжений 0\, аг в плоскости пластины и <5\, аз в плоскости схода стружки, а также построенных эпюр распределения главных напряжений. По этим эпюрам проведен качественный и количественный анализ влияния на напряженно-деформированное состояние СМП различных конструктивных и геометрических параметров пластин, схем базирования, крепления и нагружения. Результаты численных расчетов НДС СМП методом конечных элементов показали хорошую корреляцию с результатами, полученными экспериментально, а также расширили возможности познания путем решения новых задач: исследования влияния упрочняющей фаски и формы передней поверхности, а также наличия фаски износа по задней поверхности на перераспределение напряжений, что доказывает достоверность результатов работы, полученных как экспериментально, так и численным методом, и свидетельствует о создании методики расчета НДС СМП на основе метода конечных элементов. На основании полученных результатов пластины всех форм проранжированы в ряд по прочности, разработаны пластины повышенной прочности с криволинейными режущими кромками, на которые получен патент на изобретение РФ.
В шестой главе приведены результаты экспериментальных исследований изменений механических характеристик инструментальных твердых сплавов
группы ВК, ударной вязкости и логарифма твердости по Виккерсу, от температуры резания. На их основе разработан ряд запатентованных способов определения температур максимальной трещиностойкости, работоспособности и методики поддержания требуемой температуры, с применением метода естественной термопары, для обеспечения условий максимальной работоспособности режущих инструментов, не проводя трудоемких стойкостных испытаний. Изложена методика повышения работоспособности режущих пластин из ИТС путем их предварительного подогрева до температуры максимальной трещиностойкости до начала процесса резания. Приведена разработанная методика многофакторной оптимизации режимов резания при обработке деталей из труднообрабатываемых материалов на станках с ЧПУ.
В седьмой главе изложена научно обоснованная методология расчета НДС, прочности СМП из ИТС и определения условий эксплуатации режущих пластин, обеспечивающих пути управления напряженно-деформированным состоянием и прочностью пластин с целью повышения работоспособности сборных инструментов. Сформулированы основные требования как к выбору и расчету стандартных СМП, так и к разработке новых конструкций режущих пластин и сборных инструментов, обеспечивающих повышение их работоспособности. Приведены разработанные режущие пластины повышенной прочности и конструкции резцов и фрез с ними. Показаны новые конструкции сборных инструментов со стандартными СМП, защищенные авторскими свидетельствами и патентами.
Автор выражает благодарность научному консультанту, докт. техн. наук, профессору Утешеву М.Х. за помощь в формировании научных взглядов и многолетнее сотрудничество, коллективу кафедры «Станки и инструменты» за предоставленную возможность выполнения этой работы и поддержку в течение 30 лет.
Патентные исследования конструкций СМП
Специалисты совместного предприятия SANDVIK - МКТС г. Москва провели анализ характера и причин износа и разрушения режущих пластин при точении и фрезеровании [198]. Результаты исследований приведены в таблице П. 1.1 (приложение № 1). На основании этих исследований можно сформулировать основные причины, определяющие характер разрушения и износа СМП из инструментальных твердых сплавов (ИТС): высокие силовые и температурные нагрузки, недостаточная износостойкость и прочность твердого сплава, неоптимальные геометрические и конструктивные параметры.
Из нашей практики эксплуатации сборных режущих инструментов выявилось, что их работоспособность во многом определяется физико-механическими характеристиками ИТС, способом базирования и крепления, формой и типом используемых СМП, режимами резания. Анализ видов разрушений СМП в сборных режущих инструментах в производственных условиях показал, что наиболее характерным видом разрушений пластин является поломка. Доля СМП, выходящих из строя в результате поломок, составляет 30-40 %. Так, например, по Тюменскому моторному заводу при обработке высоколегированных сталей и жаропрочных сплавов количество отказов сборного режущего инструмента из-за поломок СМП составляет 40%. На рис. 1.1 показаны виды разрушений СМП, имеющих место при черновых условиях обработки: пластины с отверстиями -при точении (S=0,2 мм/об; t=4 мм), пластины без отверстий - при торцовом фрезеровании (S=0,2 мм/мин; t=3 мм). Статистика разрушений СМП сборных инструментов по этому заводу представлены на рис. 1.2.
На долю отказов сборных инструментов с СМП в результате поломки, скалывания и выкрашивания пластин приходится 70% для 5и-гранных СМП по ГОСТ 19064-80 и 75% для Зх-гранных СМП по ГОСТ 19075-80 (рис. 1.2)
Анализ статистических данных показывает, что поломка СМП наиболее часто встречается в инструментах, не обеспечивающих ее прижим по опорной и боковым поверхностям, и при больших подачах.
Другой вид разрушений СМП, наиболее часто встречающийся - это внут-риконтактные выкрашивания, сколы, изломы режущей кромки, которые появляются из-за повышенных режимов резания[152]. По данным работы [136] контактные разрушения возрастают на операциях отрезки и глубокой прорезки, при прерывистом резании. Например, при торцевом фрезеровании количество контактных разрушений выше, чем при точении. В этой же работе сделан вывод, что поломка СМП, в основном, зависит от подачи, а внутриконтактные выкрашивания, сколы, изломы - от скорости резания.
Таким образом, анализ видов разрушений СМП, обуславливает необходимость определения напряженно - деформированного состояния и прочности, заключающейся, прежде всего, в изучении распределения как силовых, так и температурных напряжений, выбора инструментального твердого сплава с определенными физико-механическими свойствами.
Влияние конструктивных и геометрических параметров СМП на их НДС и прочность в процессе резания до сих пор остается неизученной проблемой. В последнее время увеличена номенклатура и выпуск СМП, разработаны различные конструкции инструментов с механическим креплением СМП, существует большое количество патентов сборных инструментов с СМП.
На основании проведенных исследований патентов СМП сборных инструментов, целью которых было определение основных направлений, в которых ведутся разработки новых конструкций пластин, была сформирована блок-схема факторов, определяющих их выбор (рис. 1.3). В представленной блок-схеме показаны основные цели изобретений, направленные на совершенствование и разработку новых конструкций пластин.
По разработанной блок-схеме конструкции режущих пластин совершенствуются в 2 уровневой системе.
На первом уровне (I) работа ведется в двух направлениях: повышение надежности работы режущих пластин; расширение технологических возможностей.
На втором уровне (II) формулируется цель изобретения. По каждому направлению (цели изобретения) представлены конструкции пластин с кратким описанием пути решения поставленной задачи. Все основные цели изобретений свелись к 6 позициям.
По первому направлению: повышение прочности и стойкости. По второму направлению: улучшение стружкодробления; повышение производительности; повышение качества обработанной поверхности; повышение универсальности.
Из приведенной блок-схемы следует, что в направлении «повышения надежности работы пластин» основными целями являются: повышение прочности, повышение стойкости. Для лучшего восприятия достоинств и недостатков различных конструкций пластин, приведенных в патентной проработке, была разработана сравнительная таблица П.2.1 (приложение № 2), в которой даётся сравнение факторов, определяющих выбор режущих пластин. Оценка конструкций режущих пластин, полученных экспертным методом, произведена по бальной системе (0-низкая, 5-высокая). Разработанная сравнительная таблица будет полезна для конструктора-инструментальщика, так как она сокращает время на анализ всех технических решений, приведенных в патентных материалах.
При использовании инструмента с СМП одной из важнейших становится проблема выбора конструктивных и геометрических параметров СМП. При обработке напайным инструментом все параметры можно довести до нужной геометрии с помощью заточки, что не применимо при обработке сборным инструментом с СМП.
Факторы, определяющие выбор формы и линейных размеров пластин
В связи с широким диапазоном форм обрабатываемых деталей возникает необходимость классифицировать их по какому-либо признаку. Для этого обработка разбивается на отдельные переходы, а затем выбирается пластина приемлемой формы. В инструментальных каталогах для токарной обработки фирмы SANDVIK COROMANT, чтобы учесть все формы поверхностей приводятся комплексные детали в виде вала при наружной обработке и в виде втулки при внутренней обработке, в которых представлены возможные при обработке переходы и применяемые для них формы СМП [150].
Взаимосвязь трещиностойкости твёрдых сплавов с инструментальным коэффициентом Ки
Размеры карбидных зерен в сплавах WC- Со в зависимости от их назначения колеблются в основном между 1 и 5 мкм, а участки цементирующей фазы, видимые под микроскопом, имеют обычно толщину 1 - 2 мкм.
Третьяков В.И., Гольдберг В.И. и Чапорова И.Н. [223] в результате проведенного металлографического исследования края разрушаемых на Копре Шар-пи образцов сплавов с содержанием 3-30% (вес.) Со выявили, что трещины проходят главным образом по границе между цементирующей фазой и карбидными зернами. Трещина обходит, как правило, зерна карбида вольфрама, и границы излома представляют, таким образом, резко очерченные контуры целых зерен карбида. Такой характер разрушения был подтвержден Креймером Г.С., Сафоновым и Барановым А.И. [128].
На рис. 1.53 изображены кривые усталости сплавов с 4, 6 и 8 % (вес.) Со при комнатной температуре. Предел выносливости сплава ВК4 равен 105, ВКб—116, ВК8—121кГ/мм . Следовательно, предел выносливости тем выше, чем больше в сплаве кобальта, т.е. зависимость аналогична зависимости, характерной для предела прочности. Кроме того, как видно из рис. 1.53, с увеличением содержания в сплаве кобальта повышается число циклов до разрушения сплава при напряжениях выше предела выносливости [127].
Результаты исследования влияния температуры на величину предела выносливости сплавов ВК4 и ВК8, имевших приблизительно одинаковый размер карбидных зерен, представлены на рис. 1.54. Оба сплава при 520К имеют предел выносливости более высокий, чем при комнатной температуре, а при даль нейшем повышении температуры наблюдается падение усталостной прочности. Следовательно, и в этом отношении имеется полная аналогия со статической прочностью. Приблизительно при температурах 870 - - 920 К происходит пересечение кривых, показывающее, что сплав с повышенным содержанием кобальта, имеющий более высокую прочность при температурах до 870К, оказывается менее прочным при более высоких температурах.
Термические (межфазовые) микронапряжения в твердых сплавах Свойства твердых сплавов и их поведение в процессе эксплуатации определяются не только составом, особенностями микроструктуры и специфическими чертами субструктуры фазовых составляющих, но и характером взаимодействия между компонентами [137]. Так как твердые сплавы - это композиционные материалы, и состоят из фаз, значительно отличающихся температурными коэффициентами линейного расширения, то при охлаждении сплавов с температур спекания между фазами возникают микронапряжения, названные межфазовыми или термическими. Их исследованию и расчету посвящен ряд работ, показывающих, что термические микронапряжения могут вносить определенный вклад в прочностные свойства сплавов.
По классификации, предложенной Н.Н. Давиденковым, остаточные напряжения подразделяются на три группы [137]: 1. Напряжения 1-го рода - уравновешиваются в объемах, соизмеримых с размерами обработанной поверхности. На рентгенограммах они проявляют себя в виде смещения интерференционных линий. 2. Напряжения 2-го рода - уравновешиваются в объемах отдельных зерен. На рентгенограммах они обнаруживаются в виде размытых интерференционных линий. 3. Напряжения 3-го - рода уравновешиваются в объемах, соизмеримых с элементом кристаллической решетки. На рентгенограмме они вызывают ослабление интенсивности интерференционных линий.
Пфау и Рикс [137] показали, что линии карбида вольфрама на рентгенограмме сплавов WC-Co размыты, что связано с внутренними напряжениями в решетке. Эти напряжения растут с увеличением размера зерен WC и зависят от температуры. При температуре около 670 К решетка в значительной степени свободна от напряжений. После удаления кобальта из твердого сплава напряжения в решетке исчезают, что привело авторов к выводу о том, что наблюдаемые в решетке WC микронапряжения вызваны разницей в коэффициентах термического расширения карбида вольфрама и цементирующего кобальта. Известно, что коэффициент термического расширения кобальта в 3 раза больше такового для карбида вольфрама, поэтому при охлаждении от температуры спекания в карбиде вольфрама возникают остаточные напряжения сжатия, а в кобальтовой фазе-напряжения растяжения. Величина этих напряжений по различным данным [91], [122], [128] колеблется для WC от -50 до -100 МПа, для СО - от 500 до 2000 МПа. Термические напряжения в фазах оцениваются с помощью рентгено-структурного анализа. Термические напряжения в фазах твердых сплавов уменьшаются с повышением температуры и при температуре порядка 700С равны нулю, однако при охлаждении снова растут до первоначальных значений [246].
Разработка математических моделей для расчета составляющих напряжений ах, ау, хху численным методом по суммам главных напряжений
Для решения первой задачи исследования необходимо разработать математические модели напряженно-деформированного состояния СМП из ИТС, механики их разрушения, прочности и максимальной работоспособности. Сложность решения сформулированной задачи обусловлена рядом причин: СМП при резании испытывает как силовое, так и температурное нагружение, которое не описывается простыми аналитическими выражениями. Контактные площадки между пластиной и обрабатываемым материалом по передней и задней поверхностям малы. Инструментальные твердые сплавы являются структурно неоднородными композитами, например, сплав группы ВК состоит из карбидов вольфрама (WC) и кобальтовой связки (Со), что обуславливает, в соответствии с теорией Шпета при изменении температуры возникновение в твердых сплавах температурных напряжений (напряжений II рода), для которых необходимо разработать расчетные модели.
Таким образом, необходимо разрабатывать модели напряженного состояния СМП с учетом напряжений I и II рода. Литературный анализ показал, что твердые сплавы разрушаются как на микроуровне (размер зерна WC 2- 5 мкм), так и на макроуровне (в пределах размера пластины). Это обуславливает необходимость разработки математической и физической моделей разрушения СМП из ИТС. Режущие пластины работают в широком диапазоне силового и температурного нагружения при резании металлов. Это обуславливает пребывание пластин в различном состоянии, например, упругом или пластическом, что обуславливает необходимость изучения состояний ИТС в зависимости от температурно-силового воздействия и разработку соответствующих моделей механики разрушения и прочности.
Широкая номенклатура и многообразие конструктивных и геометрических параметров, схем базирования, крепления и нагружения пластин, различных физико-механических характеристик твердых сплавов обуславливает применение современных численных методов, применимых на ПЭВМ, например, метод конечных элементов.
Режущие инструменты в процессе обработки материалов резанием испытывают наряду с установившимися циклические нагружения режущей части.
Для расчета напряжений и прочности режущих пластин из ИТС с учетом напряжений I и II рода, цикличности нагружения, состояния ИТС следует разработать алгоритм и методику численного решения задачи.
Во второй главе разработаны математические модели напряженно-деформированного состояния СМП, механики разрушения и прочности с учетом напряжений I и II рода, цикличности нагружения, состояния ИТС: упругого, упругопластического, пластического и текучести кобальтовой связки. Сформулированы гипотезы о зависимостях механических характеристик ИТС от температурно-силового воздействия, которые могут оказывать существенное влияние на работоспособность инструментов.
На основании изучения результатов исследований по оптимизации режимов резания деталей из труднообрабатываемых материалов В.Ф. Безъязычного, А.Н. Еремина, Н.Н. Зорева, Ю.Г. Кабалдина, Т.Н. Лоладзе, А.Д. Макарова, B.C. Мухина, М.Ф. Полетики, А.И. Промптова, A.M. Розенберга, Ю.А. Розенберга, А.Н. Рыкунова, С.С. Силина, Н.В. Талантова и механических характеристик твердых сплавов В.И. Горбачевой, М.Д. Киффера, Г.С. Креймера, М.Г. Лощака, было сформулировано предположение о том, что для каждого инструментального твердого сплава имеется температура резания, обеспечивающая условия его максимальной работоспособности, т.е. температура максимальной работоспособности вмр_, которая может отражаться изменениями механических характеристик твердых сплавов от температуры.
Для выявления механических характеристик ИТС, отражающих работоспособность пластин, был проведен сравнительный анализ предельных значений основных механических характеристик твердых сплавов в зависимости от температуры, приведенных в монографии Г.С. Креймера (рис. 2.1, а) [127], с особенностями износа режущих элементов инструментов из твердых сплавов на примере исследований Н.Н. Зорева при точении молибдена МОЇ сплавом ВК8 (рис. 2.1, б) [111].
В результате впервые было выявлено, что из большого количества механических характеристик ИТС только две отражают особенности износа и разрушения пластин из ИТС и соответственно работоспособность инструментов: зависимости ударной вязкости KCV и логарифма твердости по Виккерсу lgHV от температуры (рис. 2.1, б)
Исследование напряженно-деформированного состояния режущего клина инструмента в плоскости схода стружки
Результаты расчетов и экспериментальной проверки методом лазерной интерферометрии (см. гл. 3) показали возможность получения достоверной информации о НДС бесконечного клина за пределами длины контакта при приложении равнодействующей силы резания R к вершине. Однако в пределах длины контакта эта модель не применима.
Поэтому при решении о НДС режущей кромки и режущего элемента в целом следует применять контурное загружение в виде эпюр контактных напряжений и температур, и использовать численные методы расчетов, например, метод конечных элементов.
Модель НДС и прочности СМП сборных инструментов Разработка модели НДС и прочности СМП сборных инструментов является сложной задачей ввиду сложных контурных условий нагружения: контактные силовые и температурные напряжения по передней и задней граням, реакции на опорных и упорных поверхностях, режущий клин имеет ограниченные размеры, что обуславливает неприменимость решения теории упругости о бесконечном клине. В итоге была разработана модель НДС СМП из твердых сплавов с учетом напряжений I и II рода. На рис. 2.16, а, б показана модель на виде сверху, в плоскости пластины, и в главной секущей плоскости. В ее основу положена ко-нечноэлементная модель СМП, построенная для расчетов напряжений I рода (ari, аф1, Gei) методом конечных элементов, в которой учтены конструктивные и геометрические параметры пластины, схемы базирования и крепления, их тем-пературно-силовое нагружение в процессе резания задается в виде нормальных, касательных контактных напряжений и температур по передней и задней поверхностям пластины, которые определяются экспериментально-теоретическими методами по известным зависимостям механики процесса резания металлов в зависимости от обрабатываемого и инструментального материалов, режимов резания, составляющих силы резания Pz, Ру, Рх. На модель наложены рассчитываемые методом конечных элементов температурные поля, которые используются для определения состояния твердого сплава (I, II, III, IV) в расчетных узлах, а также напряжений II рода (агц, стфП, аеи) по выведенным формулам (1), (2), (3), (4). При определении напряженного состояния в любом узле данной модели напряжения I и II рода, в соответствии с теорией Шпета, алгебраически суммируются: аг — тг/ + угП, сТу-хт а рп, (Те — (Та + (Теп
Решение этой задачи разобьём на решение плоских задач и рассмотрим НДС СМП в плане в осях ХОУ(рис. 2.16, а) и главной секущей плоскости в осях У 0 Z1, которые проведены параллельно YOZ (рис.2.16, б).
В плоскости ХОУ сечение 1-І задаём углом ф плоскость схода стружки (У 0 Z ) и затем в ней в полярной системе координат параметрами 0 и г задаём расчётную точку А.
Определяем НДС и поля изотерм по сечениям СМП 1-І, И-П, Ш-Ш, а затем строим в 3-хмерной системе координат равнопрочные поверхности и прогнозируем условия и поверхности разрушения СМП на стадии проектирования СМП и сборных инструментов.
При наличии фаски износа по задней грани, применение упрочняющих фасок по задней грани [169], радиуса округления [229], фаски по передней грани [228] внешние силовое и температурное загружения описываются на основании исследований, приведенных в выше перечисленных источниках.
В настоящее время не имеется разработанных математической и физической моделей разрушения режущих пластин из твердых сплавов. Сложность решения задачи заключается в том, что твердые сплавы являются структурно неоднородными материалами (композитами). На основании литературного анализа мы отдали предпочтение теории микроразрушения хрупких материалов американского ученого Авербаха и на макроуровне - теории прочности Писаренко-Лебедева. В данном разделе сформулирована гипотеза о возможности описания траекторий разрушения твердых сплавов линиями максимальных касательных напряжений. Проведена аппроксимация траекторий предельных напряжений по критерию прочности Писаренко-Лебедева линиями максимальных касательных напряжений, что является первым этапом доказательной части сформулированной гипотезы. Разработаны модели прочности и механики разрушения пластин из ИТС с учетом их состояния во всем температурном диапазоне резания металлов.
Теория разрушения хрупких материалов по Авербаху Проведя анализ теорий механики разрушения хрупких материалов, [134], [178], [219], [248], мы отдали предпочтение подходам к этому вопросу американского ученого Авербаха. По этой теории хрупкое разрушение материала происходит через микропластическое течение в устье разрушающей трещины и отрывом по площадкам максимальных нормальных напряжений растяжения [178]. «Разрушению всегда предшествует локальное пластическое течение, и в результате этого течения возникает основная доля концентрации напряжений, необходимая как для образования, так и для распространения трещины. Область чистого пластического течения во всем образце может быть мала, и она может быть даже сосредоточена в непосредственной близости к трещине, но она всегда есть. Локальное пластическое течение в форме скольжения или двойникования имеет место в окрестности поверхностей разрушения в каждом материале.
Поскольку скольжение в поперечном направлении затруднено, основные пути снятия локальной концентрации напряжений в головке полосы течения состоят или в скольжении, или в образовании микротрещины.
