Деформирование срезаемого слоя в условиях перехода от сливной к образованию суставчатой стружки при точении жаропрочных сталей и сплавов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010

УДК 621.9.025

Ю. И. НЕКРАСОВ

Тюменский государственный нефтегазовый университет

ДЕФОРМИРОВАНИЕ СРЕЗАЕМОГО СЛОЯ В УСЛОВИЯХ ПЕРЕХОДА ОТ СЛИВНОЙ К ОБРАЗОВАНИЮ СУСТАВЧАТОЙ СТРУЖКИ ПРИ ТОЧЕНИИ ЖАРОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ_____________________________________

Показано, что в процессе точения хромоникелевых жаропрочных сталей и сплавов при достижении провала пластичности обрабатываемого материала происходит переход от сливных к образованию суставчатых стружек. С использованием положений теории конечных пластических деформаций установлены условия этого перехода. Предложена кинематическая модель формирования суставчатых стружек и модели геометрии формируемых элементов во взаимосвязи с параметрами деформирования срезаемого слоя.

Ключевые слова: конечные пластические деформации, суставчатая стружка, текстура, элементность, степень пластической деформации, кинематический сдвиг при резании.

При точении хромоникелевых жаропрочных сталей и сплавов переход от образования сливной к образованию суставчатой стружки часто связывают с переходом от внутризеренного к межзеренному скольжению в срезаемом слое, деформируемом при прохождении через зону резания. По данным А.Д. Макарова, С.С. Силина и др., с увеличением контактных напряжений и температур такой переход целесообразно связывать с провалом пластичности в срезаемом слое обрабатываемого материала, превращаемого при резании в стружку. В результате на практике получают суставчатую стружку, «сплошность» которой по мере увеличения скоростей резания и толщин среза постепенно уменьшается, что отражено в исследованиях М.Ф. Полетики, Ю.А. Розенберга [1 — 2] и др.

Актуальность решения комплекса вопросов, связанных с точением высокопрочных трудно обрабатываемых материалов в условиях формирования суставчатых стружек, обусловлена тем, что циклическое нагружение инструмента сопровождается при этом изменением характера повреждений режущих лезвий. С интенсификацией режимов обработки хромоникелевых жаропрочных сталей и сплавов вместо образования фаски износа преобладающими становятся разрушения режущих лезвий, а стохастический характер их проявлений в условиях нестационарного резания затрудняет прогнозирование работоспособности инструмента и выходных параметров технологических процессов.

Деформированное состояние обрабатываемого материала при резании чаще всего представляют как сочетание деформации простого сдвига с деформацией сжатия. В соответствии с положениями теории конечных пластических деформаций (по В. Г. Осипову) величины главных истинных удлинений е1 и е2 при простом сдвиге определяют зависимостями е1 = + (ё/ 2) и е2=—(е/ 2), где е—простой сдвиг (при резании — относительный сдвиг).

Конечную степень деформации срезаемого слоя при резании принято характеризовать величиной

относительного сдвига е, а локальную зону пластических деформаций при превращении срезаемого слоя в стружку чаще всего определяют с учетом положения «условной плоскости сдвига», ориентированной под углом сдвига Ф к вектору скорости резания V. Принятые в ряде исследований более сложные и детализированные схемы деформационных и тепловых процессов в зоне резания используют, как правило, при анализе процессов формирования сливных стружек [3]. Для экспериментального определения конечных деформаций срезаемого слоя на практике проводят измерения длины l и толщины а среза, длины lt и толщины at стружки, что позволяет установить усадку стружки X с учетом известных соотношений X = at/a =l/l. По величине усадки X далее определяют относительный сдвиг е = [(X+ 1/X) — 2 Sing] / Cosy.

В настоящей работе определение усадки стружки X и геометрических параметров ее контакта с поверхностями инструмента проводилось на экспериментальной установке, смонтированной на базе станка мод. ТПК 125 ВРМ, оснащенного системой ЧПУ класса PCNC. Установка, переоснащенная специальным приводом, включает оптическую систему для макросъемки и цифровой видеозаписи процесса деформирования срезаемого слоя, динамометрическую систему, прецизионную систему измерения температуры резания [4], а также специальную видеосенсорную систему определения усадки стружки непосредственно в процессе резания [5].

На рис. 1 представлены фрагменты цифровых видеозаписей процесса деформирования срезаемого слоя и превращения его в сливную стружку, позволяющие определять геометрические характеристики: угол сдвига Ф, толщину среза а и стружки ар а также длины контакта по передней с и задней ct поверхности инструмента в условиях свободного прямоугольного резания. Проведенные экспериментальные исследования и анализ процессов деформирования срезаемого слоя при резании жаропрочных сталей и сплавов подтвердили адекватность схематизации Н. Н. Зоревым формирования текстуры срезаемой

б) в)

Рис. 1. Фрагменты цифровых видеозаписей формирования сливной стружки в процессе резания жаропрочного сплава

ХН56ВМТЮ-ВД - [ВК8] (у = 60; а= 80) с толщинами среза: а) а= 0,11 мм - [Х= 2,2]; б) а = 0,14 мм - [%= 3,1]; в) а= 0,4 мм - [%=2,0]

а)

Рис. 2. Схемы формирования текстуры и определения конечных пластических деформаций епр удлинения материала срезаемого слоя: а) при усадке стружки %= 4; б) при усадке стружки %= 2; в) при усадке стружки %= 1,5

стружки в виде системы эллипсов, направление которых соответствует деформациям конечных (предельных) удлинений епр пластически деформируемого при резании обрабатываемого материала.

На рис. 2 представлены схемы формирования текстуры стружки и определения параметров деформирования срезаемого слоя (епр, е, X) по данным проведенных экспериментальных исследований при различных усадках X и изменениях ориентации текстуры стружки. На представленных схемах отсчитываемый от условной плоскости сдвига угол наклона текстуры стружки c определяется (по А. М. Розенбергу и А. Н. Ерёмину) зависимостью

ctg c = 1+e = 1 + ctg Ф+tg (Ф—g). (1)

Анализ полученных экспериментальных данных и результаты расчетов с использованием зависимости (1) показали, что относительное удлинение деформируемого материала ее, определяемое в направлении формирующейся, текстуры, ориентированной под углом с к плоскости сдвига, при изменениях усадки стружки в диапазоне X ^ 2,5, не достигает конечных епр = е/ 2 (предельных) величин, т.е. ее<е. Установлено, что пластические деформации удлинения ее достигают конечных (предельных) значений (для инструмента с g = 0о ) при относительном сдвиге е »2,5. Формирование сливной стружки при относительном сдвиге е <2,5 (g = 0о), как показано на рис. 2в, становится невозможным ввиду того, что пластическая деформация удлинения ее в направлении формируемой при данном угле с0 текстуры

ограничивается величиной ee=e/2=OB, тогда как для образования сливной стружки необходимо удлинение до величины OFr В результате на расстоянии от режущей кромки OB=eexOA образуется «спинка» элемента формирующейся суставчатой стружки. При этом положение условной плоскости сдвига (под углом Ф0), отвечающее условию возникновения «провала пластичности», соответствует конечной (последней) стадии образования сливной стружки (при e0, Х0), имеющей конечную (предельную) пластическую деформацию удлинения (е0= епр =e== ОВ/ОА = е0 / 2) вдоль текстуры стружки, формирующейся под углом С0 к условной плоскости сдвига.

Таким образом, условие перехода от сливной к образованию суставчатой стружки формулируется исходя из достижения конечных (предельных) пластических деформаций ee удлинения металла в направлении текстуры стружки. Условием существования представленной на рис. 2б конечной стадии формирования сливной стружки (при Ф = Ф0) является обеспечение равенства a0 = AF=BК при e0=OB/OA=e0/2. Здесь Ф0, a0 — угол сдвига и толщина формируемой сливной стружки при достижении конечных пластических деформаций в срезаемом слое. С учетом Х0 = a/a0 модель перехода от сливной стружки к суставчатой при относительном удлинении е0 = епр = е представляется в виде

е < cos(Ф0-у)

0 2cos [ф0 - у + arcctg (e0 +1)] •

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010

Я

h

О

Рис. 3. Модели определения относительного сдвига 60 при переходе от сливной к образованию суставчатой стружки при резании

Фо=ZDOA1 Фкин= ZDOA; co= Z A2OL; скин = Z AOB Рис. 4. Схема формирования «элементов» суставчатой стружки

Модели относительного удлинения еёдеформиру-емого в направлении текстуры обрабатываемого материала в процессе резания инструментом с различными передними углами /при выполнении условия (2) получены с использованием аппроксимации полиномами вида

ее=0,064е2—0,585ё+ 2,45; при / = 0о; [Я2=0,96], (3) еЁ=0,061Ё2—0,534ё+ 2,28; при / = 10о; [ Я2 =0,95], (4) ее=0,059ё2—0,481 ё+ 2,22; при / = 20о; [Я2 =0,97], (5) еЁ=0,056ё2—0,445ё + 1,96; при / = 30о; [ Я2 = 0,96], (6) е1=0,075е2-0,721е+ 2,84; при / = - 10о; [Я2 = 0,96], (7) еЁ=0,033е2-0,373ё+ 2,20; при / = -20 о; [ Я2 = 0,99]. (8)

Здесь Я2-коэффициент достоверности аппроксимации.

Зависимости, характеризующие определение относительного сдвига ё0 при переходе от сливной к образованию суставчатой стружки в процессе резания инструментом с различными передними углами /, представлены на рис. 3. Использование моделей перехода, представленных на рис. 3, позволяет определять положение условной плоскости сдвига (угол сдвига Ф0) и угол наклона текстуры стружки %0, а также соответствующую усадку стружки ^0 при различных передних углах / режущего инструмента.

При переходе к образованию суставчатой стружки формирование каждого отдельного элемента (сустава), схема которого представлена на рис. 4, сопрово-

ждается сжатием деформируемого при резании материала в направлении перпендикулярном к передней поверхности инструмента, что приводит к соответствующему «удлинению» элемента от М0 до Мкин в направлении схода стружки по передней поверхности режущего инструмента. Таким образом, при образовании суставчатой стружки её геометрические параметры характеризуют следующими величинами: а0 — толщина суставчатой стружки, измеренная по вершинам сформированных элементов;

amin — минимальная толщина суставчатой стружки, измеренная по впадинам между элементами;

акин — кинематическая (эквивалентная аэ) толщина суставчатой стружки, определяемая из соотношения а =( а ) / 2, а = а ;

кин ' 0 min ' кин э

Ф0—угол сдвига в зоне резания, соответствующий величине относительного сдвига при достижении конечных (предельных) пластических деформаций;

Фкин— кинематический (эквивалентный Фэ) угол сдвига в зоне резания, соответствующий формированию суставчатой стружки толщиной акин=аэ при величине кинематического относительного сдвига екин; Мкин — кинематический шаг суставчатой стружки; М0 — шаг условного «сливного» аналога стружки. Как отмечает Ю.А. Розенберг, при образовании суставчатой стружки относительный сдвиг e имеет кинематический характер, т.е. e =e , Ф =Ф , а де-

э кин э кин

формирование срезаемого слоя при образовании суставчатой стружки с учетом величин аэ и ао определяется

а)

б)

Рис. 5. Фрагменты суставчатой стружки с различной «элементностью» Экин в условиях резания жаропрочного сплава ХН56ВМТЮ-ВД инструментомВК8 {у=0°) с толщиной среза а=0,21 мм: а) Экин = 0,49, Хкин =1,48; б) Экн = 0,29, £кин=1,71; в) Экин = 0,128, %кин =1,96

>

Рис. 6. Схема к сравнению геометрических параметров фрагментов суставчатой стружки при резании сплава ХН56ВМТЮ-ВД инструментом ВК8 {у=0°) с толщиной среза а= 0,21 мм: а) Экин=0,49, Хкин =1,48; б) Экин=0,29, %кин =1,71; в) Экин=0,128, %кин =1,96

через кинематическую Хкш (эквивалентную £э) усадку стружки, соответствующую Хкин, т.е. Хкин = Хэ = акин/ а.

При этом формируется «элементность» Экин стружки [6], а ее величина через параметры толщины стружки и деформации срезаемого слоя выражается в виде

Экин _ -

2а0

-1 =

Xa ' ХЪ — 1 _Ь о' ЪЪ — 1

О: Хъ

(9)

где Ха — усадка стружки по толщине; X — усадка стружки по длине; Х—усадка стружки по ширине; Х0 — усадка стружки, соответствующая е0(при Х0 = а/а).

Из анализа схемы, представленной на рис. 4, при отсутствии «уширения» стружки, т.е. при (вкин / в 0 = 1) кинематическая модель шага Мкин суставчатой стружки представляется в виде

\ЭШН +1) cosy

(10)

На рис. 5 представлены фрагменты суставчатой стружки, образующейся в процессе резания жаропрочного сплава ХН56ВМТЮ-ВД инструментом ВК8 (7=0°), характеризующие ее геометрические параметры при изменениях условий деформирования срезаемого слоя и элементности Э.

Результаты проведенных экспериментальных исследований при точении хромоникелевых жаропрочных сталей и сплавов Х12Н22Т3МР, ХН56ВМТЮ-ВД, 35ХНМА, Х16Н25Г7АР твердосплавным инструментом из металлокерамических сплавов Т15К6, ВК6, ВК8 подтвердили адекватность представленных выше моделей деформирования срезаемого слоя в процессе резания. С использованием специального устройства для определения температуры резания [4] и измерением микротвердости деформируемых в зоне реза-ния материалов нашли подтверждение данные А.Д. Макарова, С.С. Силина и др. о провале пластичности деформируемого материала при достижении оптимальных

скоростей резания (V^ Уд) и переходе к образованию суставчатой стружки в процессе точения перечисленных выше хромоникелевых жаропрочных сталей и сплавов.

Подтверждение адекватности полученных моделей представлено на рис. 6 в виде наложения фрагментов суставчатой стружки, полученной при резании хромоникелевого жарочного сплава ХН56ВМТЮ-ВД, на контуры элементов, построенных по данным расчетов геометрических параметров деформирования срезаемого слоя. Использование представленных моделей для определения параметров циклического нагружения лезвий режущего инструмента позволяет оценивать циклическую прочность инструмента и прогнозировать его прочностной ресурс в условиях нестационарного резания при точении высокопрочных труднообрабатываемых материалов.

Заключение

Установлено, что точение хромоникелевых жаропрочных сталей и сплавов при достижении температуры, соответствующей провалу пластичности обрабатываемого материала, сопровождается переходом от сливной к образованию суставчатой стружки. Получила экспериментальное подтверждение гипотеза перехода от сливной к образованию суставчатой стружки, определяющая условие этого перехода, как достижение конечных (предельных) пластических деформаций удлинения деформируемого при резании обрабатываемого материала в направлении формирующейся текстуры стружки. Показано, что формирование «спинки» каждого элемента суставчатой стружки обуславливается конечной (предельной) деформацией удлинения в направлении текстуры формирующейся стружки пропорционально половине величины кинематического относительного сдвига при резании. Предложена кинематическая модель образования суставчатой стружки, позволяющая по данным о деформировании срезаемого слоя определять геометрические параметры формируемых элементов суставчатой стружки и параметры циклического нагружения лезвий инструмента в процессе резания.

«0 + amin

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010

Библиографический список

1. Полетика, М.Ф. Некоторые закономерности элементного стружкообразования при резании металлов [Текст]/М.Ф. Полетика, А.И. Афонасов, А.А. Ласуков // Известия ТПУ. — Томск, 2002.— Т. 305, вып. 1.-С. 34-41.

2. Розенберг, Ю.А. Один из методов аналитического определения степени деформации металла стружки при резании [Текст] / Ю.А. Розенберг // Региональн. научн.-техн. конф: сб. научн. тр. — Тюмень: ТюмГНГУ,1997. — С. 91-92.

3. Васин, С.А. Резание материалов: термомеханический подход к системе взаимосвязей при резании [Текст] / С.А. Васин, А.С. Верещака, В.С. Кушнер. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001.— 448 с.

4. А. с. 901844 СССР, МКИ 001 К 7/02. Устройство для измерения температуры [Текст] / Ю.И. Некрасов, Е.В. Артамонов, И.А. Ефимович, В.С. Воронов (СССР). — № 2884590/18-10; Заявл. 19.02.80; Опубл. 30.01.82, Бюл. № 4.

5. Пат. 2254210 Российская Федерация, МПК 7 В 23 В 1/00. Устройство и способ измерения усадки стружки [Текст] / Некрасов Ю.И., Потерянский С.Л., Проскуряков Н.А. и др.; заявитель и патентообладатель Тюм. гос. нефтегаз. ун-т.—№ 2003134568/02 ; заявл. 27.11.2003 ; опубл. 20.06.2005, Бюл. № 17. — 6 с.: ил.

6. Обработка резанием жаропрочных, высокопрочных и титановых сплавов [Текст] / под ред. Н.И. Резникова.—М.: Машиностроение, 1972. — 200 с.

НЕКРАСОВ Юрий Иннокентьевич, кандидат технических наук, профессор кафедры технологии машиностроения.

Адрес для переписки: 625000, г. Тюмень, ул. Володарского, 38.

Статья поступила в редакцию 02.06.2010 г.

© Ю. И. Некрасов

УДК 621.9.025 : 622.276 Ю. И. НЕКРАСОВ

Т юменский государственный нефтегазовый университет

ОЦЕНКА РАЗРУШЕНИЙ ИНСТРУМЕНТА ПРИ ТОЧЕНИИ ЖАРОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ НА СТАНКАХ С ЧПУ_________________________________

Показано, что накопление повреждений твердосплавного инструмента при точении жаропрочных сталей и сплавов с образованием суставчатых стружек характеризуется множественными усталостными и смешанными разрушениями режущих лезвий. С использованием метода лазерного сканирования установлены объем и площадь повреждений лезвий твердосплавного инструмента. Полученные модели разрушений позволяют прогнозировать накопление повреждений и определять интенсивность разрушения лезвий при нестационарном резании высокопрочных труднообрабатываемых материалов.

Ключевые слова: нестационарное резание, суставчатая стружка, накопление повреждений, лазерное сканирование, разрушение лезвия режущего инструмента.

В высокотехнологичных отраслях металлообработки анализ структуры затрат и сопоставление значимости функций инструмента со стоимостью станкоминуты эксплуатационных расходов показывают, что на основной элемент технологической системы (ТС) приходятся лишь доли процента от общей стоимости современного станка с ЧПУ, что предопределяет интенсификацию режимов резания, обусловленную экономикой производства. На предприятиях авиастроения, энергетического, нефтегазового машиностроения и др. точение хромоникелевых жаропрочных сталей и сплавов в экономически целесообразном диапазоне режимов резания, представляемом известной зависимостью Урез = Су/ Тт, сопровождается, как правило, переходом от сливной к образованию суставчатой стружки [1]. Образование суставчатой стружки, снижение ее сплошности и циклическое нагружение инструмента при резании приводят к изменению характера накопления повреждений и вместо образования фаски износа преобладающими становятся отказы, связанные с разрушениями, проявляющимися в виде выкрашиваний, а также микро- и макросколов режущих лезвий [2].

Таким образом, при точении высокопрочных труднообрабатываемых материалов на станках с ЧПУ в условиях нестационарного резания необходимость наиболее полного использования прочностного ресурса инструмента неизбежно должна основываться на оценке накопления повреждений режущих лезвий. Оценка разрушений режущего инструмента при точении жаропрочных сталей и сплавов с целью обеспечения надежности прогнозирования его работоспособности и создание моделей накопления повреждений режущих лезвий позволяют разрабатывать эффективные алгоритмы управления процессами обработки при использовании в современном производстве станков, оснащенных интеллектуальными системами ЧПУ класса РСЫС [3].

Проведенные с использованием метода фракто-графии исследования и анализ повреждений лезвий твердосплавного режущего инструмента показали, что в условиях нестационарного резания представленное на рис. 1 накопление повреждений инструмента характеризуется множественными усталостными и смешанными разрушениями лезвий, а также сложной геометрией их формирования.