Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 9
1.1 Ресурс твердосплавных режущих пластин и факторы, влияющие на его продолжительность 9
1.2 Особенности взаимодействия СМП с обрабатываемой деталью... 13
1.3 Описание процесса резания с позиций физики конденсированного состояния 18
1.4 Приспособляемость твердого тела к внешнему воздействию 21
1.5 Приспособляемость при взаимодействии материалов в паре трения 27
1.6 О возможности приспособляемости при обработке резанием 31
1.7 Утилизация изношенных СМП и перспектива их повторного применения 36
1.8 Цели и задачи диссертации по результатам литературного обзора 41
Выводы по главе 1 43
Глава 2. Приспособляемость лезвийного режущего инструмента 44
2.1 Теоретическое обоснование возможности процессов приспособляемости при лезвийной обработке 44
2.1.1 Геометрические условия приспособляемости 45
2.1.2 Энергетические условия приспособляемости 48
2.1.3 Возможность приспособляемости с помощью изменения структуры поверхности режущего инструмента 52
2.2 Проверка выдвинутых условий приспособляемости 56
2.2.1 Проверка условий на непротиворечивость 56
2.2.2 Экспериментальная и расчетная проверка условий приспособляемости на примере сплава ТІ 5К6 58
2.2.2.1 Проверка выполнения геометрических условий приспособляемости 59
2.2.2.2 Проверка гипотезы о возможных механизмах приспособляемости режущего инструмента 61
2.2.2.3 Проверка выполнения энергетического условия приспособляемости 63
2.3 О возможности приспособляемости других материалов 65
2.4 Практические рекомендации по применению явления приспособляемости режущих инструментов 72
Выводы по главе 2 74
Глава 3. Расчет угла сдвига на основе представлений о приспособляемости СМП 75
3.1 Расчет угла сдвига на основе модели механического взаимодействия СМП и детали 75
3.1.1 Описание теоретической модели 75
3.1.2 Расчет угла сдвига, исходя из представлений о приспособляемости 77
3.1.3 Экспериментальная проверка расчетных значений 86
3.2 Расчет угла сдвига на основе представления резания как процесса пластической деформации 91
Выводы по главе 3 97
Глава 4 Приспособляемость как проявление резонансного взаимодействия инструмента и заготовки 98
4.1 Обоснование применения резонансных представлений к процессу точения 98
4.2 Фононный аспект явления приспособляемости 102
Выводы по главе 4 107
Глава 5. Восстановление работоспособности твердосплавных многогранных режущих пластин с учетом представления о приспособляемости 108
5.1 Возможность повторного применения изношенных режущих пластин 108
5.2 Механическая обработка изношенных пластин с учетом представлений о приспособляемости 111
5.3 Нанесение покрытий на восстановленные пластины как копирование механизмов приспособляемости 120
5.4 Контроль качества восстановленных СМП 123
5.5 Расчет экономической эффективности восстановления СМП 126
5.6 Апробация и внедрение результатов диссертационной работы 129
Выводы по главе 5 130
Общие выводы 131
Литература 134
Приложения
- Описание процесса резания с позиций физики конденсированного состояния
- Экспериментальная и расчетная проверка условий приспособляемости на примере сплава ТІ 5К6
- Расчет угла сдвига, исходя из представлений о приспособляемости
- Механическая обработка изношенных пластин с учетом представлений о приспособляемости
Введение к работе
Одной из важнейших задач современного машиностроения является повышение производительности технологических процессов лезвийной механической обработки различных материалов на станках с ЧГІУ, в обрабатывающих центрах и гибких производственных системах. Производительность обработки в значительной степени определяется ресурсом лезвийного режущего инструмента, среди которого основное место занимает твердосплавный инструмент, в частности, инструмент с механическим закреплением твердосплавных режущих пластин. В связи с этим проблема увеличения ресурса твердосплавных режущих пластан является весьма актуальной задачей, что и определило научное и практическое значение выполненной диссертационной работы.
Традиционные попытки решения этой проблемы связаны с минимизацией деструктивных процессов изнашивания, происходящих при взаимодействии твердосплавного инструмента с поверхностью обрабатываемой детали, в частности, за счет создания более однородных и стабильных твердых сплавов, поверхностной обработки материала инструмента, нанесения покрытий, увеличения адгезии между частицами твердого сплава и т.д. На этом пути уже достигнуты впечатляющие результаты, однако следует учесть, что взаимодействие материалов (в частности, при обработке резанием) может приводить не только к их разрушению, но и к созидательным процессам, к образованию новых структур. В частности, известны явления приспособляемости, аккомодации и приспосабливаемое твердого тела к воздействию внешней среды. Такой подход к исследованию процесса резания является достаточно новым, малоисследованным, весьма перспективным, и активно применяется автором в рамках выполненной диссертационной работы.
Кроме того, увеличение ресурса режущего инструмента (в частности, твердосплавных режущих пластин) может быть достигнуто не только за счет применения принципа приспособляемости, но и за счет развития различных методик восстановления его работоспособности после затупления. В настоящее время режущие свойства использованных пластин, как правило, не восстанавливаются, а утилизация таких пластин представляет собой довольно сложную задачу, требующую достаточно дорогостоящего оборудования.
Поэтому целью выполненной диссертационной работы является увеличение ресурса режущих пластин за счет применения концепции приспособляемости, используемой в физике конденсированного состояния и трибологии, а также разработка технологии восстановления работоспособности режущих пластин.
Указанная цель определяет и задачи исследования: обоснование правомерности применения понятия «приспособляемость» к процессу резания, установление механизмов приспособляемости инструмента к взаимодействию, установление условий действия механизмов приспособляемости, рассмотрение процессов приспособляемости в рамках различных моделей взаимодействия резца и обрабатываемой детали, расчет параметров резания, исходя из представления о приспособляемости, создание гибкой технологи, позволяющей восстанавливать режущие пластины различной формы на достаточно высоком уровне работоспособности (соизмеримом с уровнем работоспособности новых пластин) с учетом представлений о приспособляемости режущих пластин.
Научная новизна работы состоит в том, что впервые применены представления о приспособляемости твердого тела к описанию процесса обработки материалов резанием, сделана попытка описания с единых позиций различных процессов, протекающих при резании. В рамках
концепции приспособляемости рассчитан один из важнейших параметров процесса стружкообразования - угол наклона условной плоскости сдвига. Предложены геометрические и энергетические условия, при которых возможна приспособляемость режущего инструмента. Рассмотрены некоторые резонансные и фононные аспекты взаимодействия режущего инструмента и заготовки. Разработана и экспериментально апробирована технология восстановления режущих качеств многогранных пластин, позволяющая восстанавливать их работоспособность на достаточно высоком уровне.
Практическая значимость работы состоит в том, что разработанная
технология восстановления работоспособности изношенных
твердосплавных многогранных пластин нашла практическое применение па промышленных предприятиях г.Самары.
Описание процесса резания с позиций физики конденсированного состояния
Следует отметить, что в связи со сложностью протекающих при резании взаимосвязанных процессов, наличием большого количества факторов, определяющих течение этих процессов, известно довольно много эмпирических закономерностей, устанавливающих взаимосвязь отдельных параметров резания, и довольно мало физических теорий, объясняющих эти закономерности. В связи с этим является весьма актуальной задача разработки новых теоретических концепций и принципов (наряду с рассмотренными ниже), позволяющих объяснить, каким образом влияют на обработку резанием и на ресурс те или иные параметры этого процесса.
С точки зрения одних авторов, в числе которых С.В.Васильев, Ю.С.Дубров, Ю.В.Илясов, Ю.Ф.Коваль, А.А.Рыжкин [14,18,25,391, необходимо в первую очередь обращать внимание на процессы, протекающие на микроуровне структуры твердого тела (лезвийного инструмента), а именно на поведение электронов. По мнению этих авторов, износ инструмента можно объяснить переходами электронов из твердого сплава в материал заготовки, наличием фрикционных связей между электронами в пятнах контакта инструмента и заготовки, образованием дуг размыкания между контактирующими поверхностями и другими подобными явлениями. Исходя из этих представлений, С.В.Васильев, например, получает следующие формулы для силы резания F и стойкости режущего инструмента Г: где S- подача, / - глубина резания, V - скорость резания, V( - скорость, при которой в цепи «инструмент-заготовка» возникает ток. Как пишет сам автор, формулы (1.3) и (1.4) качественно верно отражают связь параметров резания, в частности, известную эмпирическую формулу Тейлора КҐ -const [83], в области скоростей, когда не происходит наростообразоваиия.
По мнению В.Г.Солоненко [93], при рассмотрении взаимодействия инструмента и заготовки, приводящее к износу резца, нужно учитывать не только наличие электрических зарядов на контактирующих поверхностях, но и наличие вакансий в приповерхностных слоях инструментального материала, возникающих за счет взаимодействия резца и обрабатываемой детали. В частности, этот автор получил следующую формулу для описания радиального износа резца hr: где D - коэффициент диффузии вакансий, е - заряд электрона, Z -валентность увлечения вакансий, Е - термоЭДС в зоне резания, Т - время работы инструмента, со - коэффициент температуропроводности, 0 -средняя температура контакта, к - постоянная Больцмана, А/г - критерий износа.
Как пишет В.Г.Солоненко, точечные объекты: электроны и вакансии -являются откликом на внешнее воздействие, так как они реагируют на внешнее механическое, тепловое и электрическое воздействие на инструментальный материал. Исходя из этих представлений, он и предлагает рассматривать взаимосвязь различных параметров резания и искать подходы к оптимизации этого процесса.
Однако следует отметить, что, как известно из литературы [35,721, твердое тело является многоуровневой иерархической структурой, поэтому особенности его взаимодействия с внешней средой (в частности, образование нароста, застойной зоны) нельзя полностью объяснить, опираясь только на поведение представителей микроуровня структуры твердого тела, например, вакансий и электронов. Кроме того, примем во внимание, что под действием внешней нагрузки в твердом теле происходит рождение квазичастиц - фононов [45]. Известно, что фононы взаимодействуют с электронами (например, при протекании электрического ока через образец они препятствуют прохождению электронов [1031), следовательно, они могут оказывать влияние на износ твердосплавного инструмента, вызванный переходами электронов. Таким образом, имеется принципиальная возможность увеличения времени работы инструмента за счет рассмотрения поведения фононов при резании, что не принималось во внимание указанными выше авторами. Так как фононы являются квантами колебаний кристаллической решетки, то есть коллективными эффектами, то отсюда вытекает, что решение задачи увеличения ресурса СМИ следует искать на более высоких уровнях структуры твердого тела.
Экспериментальная и расчетная проверка условий приспособляемости на примере сплава ТІ 5К6
Исходя из упоминаемых выше литературных данных, можно выдвинуть предположение о том, что явление приспособляемости может наблюдаться при применении резцов из твердого сплава Т15К6 для обработки сталей при скорости резания V \ м/с. Поэтому для проверки выражений (2.1)-(2.3) автором были проведены опыты по обработке стали 12Х2Н4А в состоянии поставки режущими пластинами квадратной формы со стороной 12.7 мм из твердого сплава Т15К6. СМИ имели следующие параметры: у=-10, у.г-300, а=20, (р=(р,=А5\ г=0.8, /=0.2мм (типа SRMM но системе ИСО). Режим резания был следующим: скорость резания F=150 м/мин (F=2.5 м/с), подача 5=0.15 мм/об и глубина резания =0.5 мм.
Исследовалось развитие износа по задней иоверхности СМИ h3 от времени Т. Износ по задней поверхности инструмента определялся с помощью микроскопа МПБ-2. В качестве критерия затупления была принята величина фаски износа но задней поверхности h3-0.4 мм. Обработка стальных заготовок проводилась на универсальных токарных станках: станке фирмы TOS с бесступенчатым регулированием числа оборотов шпинделя и станке 1К625 с вариатором для бесступенчатого регулирования числа оборотов.
Развитие износа по задней поверхности четырех образцов приведено ниже на рисунке 2.4. Из рисунка видно, что на графиках присутствуют пологие участки в районе h 0.25 мм и h3 0.37 мм, то есть в течение 30-60 минут износ по задней поверхности не возрастает. Кроме того, появлению пологих участков предшествует замедление процесса изнашивания, как в случае с явлением структурной приспосабливаемое. Следовательно, можно считать, что также как и в опытах Г.И.Шульги и Ю.Г.Кабалдипа [ ], рассмотренных в литературном обзоре, имеют место процессы самоорганизации на поверхности режущего инструмента, то есть режущий инструмент приспосабливается к взаимодействию с обрабатываемой деталью.
Проверим, как в данном случае выполняются выражения (2.1)-(2.3). Для этого определим толщину срезаемого слоя а как [20] где ро - начальное значение радиуса округления, Л—0.5; т 0.7. Считая начальный радиус округления малым, получим, что при h3 0.25 мм и /г3 0.37 мм радиус округления равен р 0Л9 мм и р 0.25 мм соответственно. Отсюда получаем, что
Сравнение выражений (2.1)-(2.3) и (2.10)-(2.12), (2.14), (2.15) показывает, что в данном случае выполняются геометрические условия приспособляемости, выдвинутые в начале текущей главы, то есть при точении стали 12Х2Н4А СМИ из твердого сплава Т15К6 пологие участки могут появиться на зависимостях износа по задней поверхности h3 от времени Т при выполнении условий (2.1)-(2.3). Ниже будут обсуждены возможные механизмы приспособляемости резца из Т15К6.
Определим возможный механизм приспособляемости в этом случае. Вычислим критерий Пекле по формуле (2.7). В данном случае коэффициент температуропроводности со=\0 мм /с, поэтому критерий Пекле Ре 2$. Согласно [55], если при таком критерии Пекле при точении стали 12ХНЗЛ резцом из Т15К6 выполняется соотношение то на передней поверхности инструмента существует довольно развитая застойная зона. Следовательно, можно предполагать, что и в данном случае (при точении стали 12Х2Н4А резцом из Т15К6) при условии (2.12) на передней поверхности инструмента существует развитая застойная зона (рисунок 2.5, на рисунке она заштрихована). Эта застойная зона и может являться механизмом приспособляемости в данном случае, так как известно [11], что нарост при точении со скоростями выше F 100 м/мин не образуется.
Расчет угла сдвига, исходя из представлений о приспособляемости
Будем считать энергию Ех - энергией внешнего воздействия, а энергию Еу - энергией «отклика» на это воздействие. Исходя из выражения (2.5), полагаем, что приспособляемость определяется условием примерного равенства энергий Ех и Еу, и попробуем на основе этого предположения рассчитать угол наклона условной плоскости сдвига/?/. Масса тонкого слоя АВ зависит от длины отрезка АВ. Из рисунка 3.1 видно, что длину / этого отрезка можно выразить как Скорости Уи. Vc связаны следующим соотношением при у=0 8] С учетом выражений (3.3) и (3.4) можно записать где m0 - масса единицы длины тонкого слоя АВ. Исходя из выражений (2.22), (2.23), полагаем, что отношение энергий может изменяться от 0.4 до 1.0. Иначе говоря, будем считать, что возможны два случая Полученный результат согласуется с теоретическими расчетами различных авторов [52], согласно которым величина угла сдвига при отсутствии трения и нулевом переднем угле у должна составлять от 38.5 до 50. Покажем, что при таких значениях угла сдвига общая энергия стружкообразоваїїия будет близка к минимальной, то есть определение угла сдвига по нашей методике не противоречит принципу расчета угла сдвига по минимуму энергии стружкообразоваїїия, предложенному К.А.Зворыкиным [56]. Действительно, общая кинетическая энергия Е стружкообразоваїїия рассматриваемого процесса запишется в виде График функции E=E(fii) представлен на рисунке 3.2. Видно, что эта Выражение (3.12) показывает, что производная обращается в нуль при следующем условии Равенство (3.13) выполняется, если /?/т/л 35 , то есть значение угла сдвига, рассчитанное по принципу минимума энергии стружкообразования, находится внутри интервала 32 ...58. Отсюда вытекает, что явление приспособляемости может соответствовать минимальной энергии стружкообразования. Кроме того, получается, что представление о соизмеримости различных видов энергии при приспособляемости согласуется с известным представлением о стремлении системы к минимуму возможной энергии.
Таким образом, из вышеизложенного следует, что в рамках предлагаемой модели стружкообразования величина угла сдвига при нулевой величине переднего угла составляет около 35. Следовательно, отношение компонентов энергии Ех и Еу составляет примерно 2:1. Иначе говоря, величина, характеризующая внешнее воздействие, примерно равна удвоенной величине «отклика» на это воздействие, так же как и в случае «отклика» тонкостенного шара на внешнее воздействие, рассмотренного в литературном обзоре. Этот факт еще раз подтверждает возможность проведения аналогии между процессами приспособляемости тонкостенного шара к внешнему воздействию и процессами взаимодействия лезвийного режущего инструмента с обрабатываемой деталью. Рассмотрим, как повлияет на значение /?/„„„ учет трения, происходящего при образовании стружки. Будем учитывать трение, происходящее между тонким слоем и передней поверхностью, а также между тонкими слоями, возникающее при торможении очередного слоя. Тонкий слой АВ давит на переднюю поверхность резца за счет изменения своего импульса в направлении ОХ. При этом возникает сила давления
Механическая обработка изношенных пластин с учетом представлений о приспособляемости
Форма пластины может быть сохранена, если ее прошлифовать по контуру задней поверхности. Поэтому технология восстановления включает в себя высокоточное шлифование но контуру задней поверхности с сохранением всех углов и радиусов закругления СМП.
Шлифование по контуру задней поверхности выполняется на стайке с программным управлением для обеспечения высокой точности восстановления формы СМП, что позволяет использовать восстановленные пластины в станках с ЧПУ и обрабатывающих центрах. Эта операция может быть выполнена на заточном станке типа ВЗ-208ФЗ.
Обрабатываемая пластина ориентировалась одной из своих граней перпендикулярно оси Z станка, закреплялась и вращалась вокруг своей оси. Шлифовальный круг двигался по программе, подходил и отходил от поверхности пластины вдоль координаты Z станка (рисунок 5.2). Первоначально круг врезался в пластину на величину «, =0.03-0.05 мм, после первого оборота пластины глубина увеличивалась в 2 раза, после второго оборота - в 3 раза и так далее, пока не достигалась требуемая глубина h.
Шлифование на ВЗ-208ФЗ выполнялось алмазным шлифовальным кругом формы ПП с размерами 300х32х6 мм, зернистостью 125/100, на бакелитовой связке Б1. Скорость резания составляла 1 =25-30 м/с. Закрепленная СМП вращалась с частотой «=0.167 Гц (1 об/мин). В процессе шлифования алмазный круг совершал осциллирующие движения вдоль своей оси, что обеспечивало более равномерный износ круга но всей его ширине. Время обработки одной СМП составляло 3-4 минуты.
При шлифовании координата центра круга в зависимости от угла поворота СМП изменялась, как показано в Приложениях, но следующему закону для СМП квадратной формы: где Rm=d - ihi - радиус окружности, вписанной в пластину, d - радиус окружности, вписанной в новую пластину (определялся согласно ГОСТ 19042-80) ; RKp - радиус шлифовального круга, а - угол поворота СМИ от первоначального положения, / - порядковый номер оборота пластины, г -радиус закругления СМП.
При углах больше 45 градусов круг смещался симметричным образом в обратную сторону. Затем при достижении 90 опять смещался вправо и так до полного оборота пластины. После полного оборота глубина шлифования возрастала скачком, и цикл повторялся вновь. Когда размеры пластины принимали необходимое значение, СМП совершал еще один полный оборот без увеличения глубины шлифования (алмазное выхаживание), и ее обработка по задней поверхности завершалась.
В Приложениях показано, по какому закону изменялась координата центра шлифовального круга, если СМП имела форму ромба или правильного многоугольника. При равномерном вращении СМП угол а определяется следующим образом: где t - время движения СМП.
При восстановлении СМП на станке тина ВЗ-208ФЗ достигалась точность порядка 0.02 мм, что позволяет использовать восстановленные пластины в станках с ЧПУ. Параметр шероховатости поверхности Ra (среднее арифметическое отклонение профиля) составил около 1 мкм.
Для обеспечения достаточно высокого качества прошлифованных задних поверхностей необходимо уменьшить уровень напряжений, возникающих в процессе воздействия шлифовального круга на СМП. Для этого в зону резания необходимо подавать СОЖ. В данном случае был использован 3 % водный раствор соды. С целью улучшения тенлоотвода СОЖ подавалась в распыленном состоянии.
После восстановления режущей способности пластины типа CNMG 190612 были проведены рентгеноструктурный и металлографический анализ задней поверхности СМП.
Рентгеноструктурный анализ был выполнен на дифрактометре ДР011-2.0. Использовалось Ка-излучение Fe с длиной волны А,=1.937 Л при напряжении на рентгеновской трубке Um=30 кВ и токе /w=20 мА. Скорость счетчика составляла v=2 град/мин. Достаточно четкие дифракционные максимумы на ленте самописца дифрактометра свидетельствуют о достаточно низком уровне микронапряжений в зернах инструментального материала и достаточно крупных размерах зерен материала СМ11 (рисунок 5.3).
Металлографические исследования структуры поверхности восстановленной пластины проводились па микроскопе МИМ-8М при общем увеличении 400 крат. Образец шлифовался на наждачной шкурке с последующей полировкой пастой ГОИ. Травление проводилось в растворе Лякомба(50мл HNO3 + 50 мл НС1 + 3 мл IIF) в течение 20 секунд. Фотография протравленной поверхности приведена ниже (рисунок 5.4).
Похожие диссертации на Увеличение ресурса твердосплавных режущих пластин за счет явления приспособляемости и восстановления их работоспособности
