CC BY
10
Анализ методики снижения внутренних напряжений в сменных
режущих пластинах
Б.В. Барбышев, Р.Ю. Некрасов, И.Н. Кокорин, В.В. Долгушин Тюменский индустриальный университет
Аннотация: В статье произведен анализ напряжений, возникающих в процессе механообработки в режущей пластине круглого сечения. Приведена методика и результаты распространения напряжений, зависящих от угла охвата пластины. Выявлен оптимальный угол охвата, при котором практически отсутствуют прогибы, возникающие в режущей пластине за счет использования схемы крепления в корпусе резцедержателя. Также была построена трехмерная модель режущей пластины, державки и прихвата для моделирования процесса токарной обработки. В программном продукте Ansys Workbench произведен расчет в рамках поставленной задачи. Получены результаты корреляции распространения напряжений в пластинах круглого сечения при токарной обработке и фрезеровании.
Ключевые слова: Режущий инструмент, напряжения изгиба, моделирование процесса резания, режущий клин, токарная обработка, фрезерная обработка, деформация, сменная многогранная пластина.
Машиностроительное производство является драйвером экономики любой страны, в том числе, и Российской Федерации. В машиностроении большая часть процессов отводится на изготовление изделий путем снятия (обработки) слоя материала режущим (лезвийным) инструментом, совершенствование которой ведет к увеличению качества изготавливаемых деталей машин и механизмов, а также повышению эффективности производства.
Повышение точности и качества поверхностного слоя изделия с минимальными временными и экономическими затратами является задачей номер один любого машиностроительного производства, для этого применяется высокоточная обработка резанием. Высокоточная обработка сопровождается рядом факторов, влияющих на процесс изготовления. Завышение режимов резания ведет к увеличению контактных нагрузок, действующих на режущую пластину инструмента, что, в свою очередь,
влияет на работоспособность данного режущего инструмента и ведет к снижению эффективности его использования. Условием поддержания работоспособности режущих пластин является снижение напряжений вблизи режущего клина инструмента, а также в местах контакта пластины (крепление) к резцедержателю, влияющих на прочность и надежность [1].
Установлено, что в производственных условиях отказ работы режущего инструмента ввиду разрушения режущих пластин, имеющих разное сечение, составляет 80-85%. Такой отказ в работоспособности приводит к актуальности изучения причин, возникновения разного рода напряжений. Выделяют несколько видов напряжений, влияющих на режущий клин инструмента в процессе обработки: температурные напряжения, контактные напряжения, напряжения второго рода и другие.
Вследствие возникновения температурных напряжений, в процессе механической обработки [2], при превышении предела прочности образуются трещины и разрушают режущий элемент пластины.
Исследованиями разрушения режущих пластин занимались многие ученые, были также разработаны и применены разные методики расчета от аналитического метода по сосредоточенной нагрузке, метода преобразований Меллина, метода последовательных приближений, до разработки специальных методов расчета, учитывающих силовые и температурные напряжения непосредственно режущей кромки инструмента при больших температурных и силовых нагрузках [3,4].
Помимо этого, исследования внутренних напряжений в пластинах круглого сечения при фрезеровании показывают, что неблагоприятное влияние на износостойкость круглой режущей пластины оказывают напряжения изгиба, возникающие в процессе механической обработки, следствием которых является частичный износ и выкрашивание режущей кромки пластины. Это происходит посредством закрепления СМП с большим
углом охвата а, значение которого может достигать 67,5°. Учеными доказано, что угол охвата, рекомендуемый и применяемый на стадиях проектирования и эксплуатации режущего инструмента, является неэффективным и ведет к снижению работоспособности инструмента.
Следует снизить напряжение изгиба путем уменьшения площади охвата, тем самым снижая волну прогиба под нагрузкой, которую испытывает режущий клин. На рис. 1 показаны характеристики эпюры изгиба с точками перегиба, в зависимости от угла охвата а [5,6].
Также в исследованиях были получены результаты зависимости прогибов от угла охвата пластины с помощью аналитических расчетов и аппроксимированы в виде графика. На графике рис.2 видно, что нагрузка, возникающая в процессе резания, приводит к возникновению прогибов. Идеальным углом для охвата пластины является значение, приближенное к 2а = 100°, где прогибы практически отсутствуют (минимальны).
О
и
Рис. 1. - Эпюра прогибов Ж и моментов М в пластине в зависимости от
угла охвата 2а в опоре
W*
'тх
Г
-к
-2
S
10
/]
2. 0 4 0 1 10 i \0 / 100 /2 0 (К I
i I I
i
1 1
Г Г Г
/
Рис. 2. - Зависимость прогибов W от угла охвата а
Расчетам напряжений посвящен ряд научных работ [7 - 9].
В статье рассмотрена возможность подтверждения корреляции распространения напряжений в круглой пластине при точении. Для этого были построены: трехмерная модель режущей пластины круглого сечения (диаметр 19 мм.), державка, прихват [10]. Расчет производился в программном обеспечении Ansys Workbench. При моделировании были выставлены стандартные граничные условия статического анализа (ограничение, нагружение).
В качестве нагрузки был смоделирован процесс точения с учетом возникающей температурной составляющей. Значение температур были подобраны и проанализированы с учетом исследований резания с температурой максимальной работоспособности.
Местом приложения нагрузок является область, охватывающая режущую кромку инструмента, моделирующую чистовую обработку с глубиной резания 0,15 мм.
На рис. 3 показана картина эпюры напряжений изгиба, в круглой пластине, закрепленной в токарном резцедержателе. Область возникновения напряжений характеризует увеличивающийся прогиб, жесткость всей конструкции резко возрастает и создается условие для увеличения напряжений в сечении пластины.
Рис. 3. - Эпюра напряжений изгиба
Результаты моделирования процесса токарной обработки свидетельствуют, что изгибающий момент в месте приложения нагрузки
также растет при увеличении угла охвата пластины, как и в случае, описанном исследованиями при фрезеровании. Таким образом, подтверждается корреляция распространения напряжений в процессе обработки круглой пластиной при фрезеровании и точении.
Литература
1. Барбышев Б. В., Путилова У. С., Некрасов Р. Ю., Некрасов Ю. И., Харитонов Д. А., Утешев М. Х. / Механика деформирования и разрушения при резании. Т. 1. Нестационарный процесс резания / ред. Утешев М.Х.; ТюмГНГУ. - Тюмень: ТюмГНГУ, 2012. - 212 с.
2. Абзалов А. Р., Волкова И. И. Технологические методы обеспечения усталостной прочности упругих элементов // Инженерный вестник Дона,
2014, № 2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2014/2351/.
3. Nekrasov R. Y., Putilova U. S. Laser nanometry of cutting tool deformation. - 2016. - 144 p.
4. Lasukov A. A. Selection of machining conditions in terms of the temperature dependence of chip formation // Russian Engineering Research. -
2015. - Т. 35. - №. 9. - С. 679-681.
5. Василега Д. С., Киреев В. В., Зырянов В. А. Моделирование методом конечных элементов для определения напряженно-деформированного состояния в сменных многогранных пластинах червячной фрезы // Обработка металлов: технология, оборудование, инструменты. - 2019. - Т. 21. - №. 1. -С. 50-60.
6. Vasilega D. S., Shtin A. S. Method for the determination of hard alloys' maximum performance temperature in the context of the metal-cutting tools' usage
quality estimation technique // Key Engineering Materials. - Trans Tech Publications Ltd, 2017. - Т. 737. - pp. 59-63.
7. Artamonov E. V., Tveryakov A. M., Shtin A. S. Determination of maximum working capacity of retrofittable cutters on the basis of physical-mechanical features of tool hard alloys // MATEC Web of Conferences. - EDP Sciences, 2018. - Т. 224. - С. 1-6.
8. Артамонов Е. В., Тверяков А. М., Штин А. С. Определение температуры максимальной работоспособности сменных режущих твердосплавных пластин на основе исследования изменения электромагнитных свойств // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). - 2021. - Т. 23. - №. 1. - С. 33-44.
9. Баландин А. Д., Санова Л. А., Тягунова З. В. Расчет профиля инструмента и моделирование процесса формообразования при зубодолблении шлицевых втулок // Инженерный вестник Дона, 2015. № 2-2. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n2p2y2015/2951/.
10. Иванов Ю. В., Скорская Ю. Н. Рациональная конструкция дисковой ступенчатой фрезы для обработки пазов //Инженерный вестник Дона, 2016, № 4. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4y2016/3967/.
References
1. Barbyshev B. V., Putilova U. S., Nekrasov R. Yu., Nekrasov Yu. I., Kharitonov D. A., Uteshev M. Kh . Mekhanika deformirovaniya i razrusheniya pri rezanii. T. 1. Nestatsionarnyy protsess rezaniya [Mechanics of deformation and destruction during cutting. Vol. 1. Non-stationary cutting process] red. Uteshev M.Kh. ; TyumGNGU. Tyumen': TyumGNGU, 2012. 212 p.
2. Abzalov A. R., Volkova I. I. Inzhenernyy vestnik Dona. 2014, № 2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2014/2351/.
М Инженерный вестник Дона, №3 (2022) ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2022/7546
3. Nekrasov R. Y., Putilova U. S. Laser nanometry of cutting tool deformation. 2016. 144 p.
4. Lasukov A. A. Russian Engineering Research. 2015. T. 35. №. 9. pp. 679681.
5. Vasilega D. S., Kireev V. V., Zyryanov V. A. Obrabotka metallov: tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty. 2019. T. 21. №. 1. pp. 50-60.
6. Vasilega D. S., Shtin A. S. Key Engineering Materials. Trans Tech Publications Ltd, 2017. T. 737. P. 59-63.
7. Artamonov E. V., Tveryakov A. M., Shtin A. S. MATEC Web of Conferences. EDP Sciences, 2018. T. 224. pp. 1-6.
8. Artamonov E. V., Tveryakov A. M., Shtin A. S. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty). 2021. T. 23. №. 1. pp. 33-44.
9. Balandin A. D., Sanova L. A., Tyagunova Z. V. Inzhenernyy vestnik Dona, 2015. № 2-2. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n2p2y2015/2951/.
10. Ivanov Yu. V., Skorskaya Yu. N. Inzhenernyy vestnik Dona, 2016, № 4. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4y2016/3967/.
