CC BY
13
УДК 621.7
М.1. ПОДОЛЬСЬКИЙ, Ю.П. НЕЧИПОРУК, Б.В. КОСТЮК
Херсонський нацiональний технiчний унiверситет
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ДОСЛ1ДЖЕННЯ ВПЛИВУ ТОКАРНО1 ОБРОБКИ ПОЛ1МЕР1В НА ВЕЛИЧИНУ ЗНОСУ Р1ЖУЧОГО 1НСТРУМЕНТУ ТА МЕХАН1ЧН1 ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБРОБЛЮВАНО1 ДЕТАЛ1
У po6omi проведено ряд експериментальних до^джень впливу процесу токарног обробки деталей типу тш обертання з ргзних за структурою полiмерних матерiалiв, в тому Hucni - шаруватих пластиюв, що характеризуються абразивною здатнiстю, на величину зносу рiжучоi кромки iнструменту з найбшьш поширених марок твердого металокерамiчного сплаву. Також розглянуто питання пружног деформацИ заготовки деталi, що е причиною виникнення внутршнiх напружень та впливае на твердiсть та мщтсть поверхневого шару.
Ключовi слова: ргзання, токарна обробка, полiмери, склопластик, знос, яюсть обробки.
М.И. ПОДОЛЬСЬКИЙ, Ю.П. НЕЧИПОРУК, Б.В. КОСТЮК
Херсонский национальный технический университет
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКИ ПОЛИМЕРОВ НА ВЕЛИЧИНУ ИЗНОСА РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА И МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОБРАБАТЫВАЕМОЙ ДЕТАЛИ
В работе проведен ряд экспериментальных исследований влияния процесса токарной обработки деталей типа тел вращения из различных по структуре полимерных материалов, в том числе -слоистых пластиков, характеризующихся абразивной способностью, на величину износа режущей кромки инструмента из самых распространенных марок твердого металлокерамического сплава. Также рассмотрены вопросы упругой деформации заготовки детали, являющейся причиной возникновения внутренних напряжений и влияющей на твердость и прочность поверхностного слоя.
Ключевые слова: резание, токарная обработка, полимеры, износ, качество обработки
M.I. PODOLSKY, Y.P. NECHYPORUK, B.V. KOSTYUK
Kherson National Technical University
EXPERIMENTAL RESEARCH OF LATHE TREATMENT OF POLIMER PARTS ON SIZE OF WEAR OF TOOLPIECE AND MECHANSCAL PROPERTIES OF DESCRIPTION OF WORKPART
The row of experimental researches of influence ofprocess of lathe treatment of details of type of bodies of rotation is in-process conducted from different on a structure polymeric materials, including - laminates, being characterized abrasive ability, on the size of wear of cutting edge of instrument from same widespread brands of ceramet carboloy. Questions are also considered of resilient deformation of purveyance of detail, being reason of origin of internal tensions and influencing on hardness and durability of superficial layer.
Key words: cutting, lathe turning, polymers, wear, processing quality.
Постановка проблеми
Склопластик, будучи одним з перспективних матер1ал1в, характеризуеться високою мщтстю, низькою теплопровщшстю i високою корозшною стшшстю, широко застосовуеться для виготовлення вщповщальних виробiв, до яких пред'являються вимоги високо! мщносп i розмiрноl точность
Мета експериментальних дослщжень - визначення залежносп зносу рiзальноl кромки рiжучого шструменту вщ режимiв обробки та твердосп оброблено! поверхш в залежносп вщ умов токарно! обробки заготовок з полiмерного матерiалу. У якосп дослщжуваних матерiалiв були обраш так представники термореактивних i термопластичних пластмас, деталi та вироби з яких широко застосовуються в машинобудуванш, а саме: капролон, фторопласт-4, текстолгг та гетинакс - як представник рiзновиду шаруватих пластиков.
Аналiз останшх дослiджень та публшацш
У проведених ранiше дослщженнях точiння шаруватих пластмас були розглянуп питання точiння пластмас рiзцями з рiзних iнструментальних матерiалiв. Встановлено, що при тонкому точшш гетинакса з порiвняно низькими швидкостями рiзання (1,5-2,5 м/сек) штенсившсть зносу твердосплавних
рiзцiв невисока. У цьому випадку переважае абразивно-мехашчний знос. З тдвищення швидкостi рiзання до 3,5-5 м/сек характер зносу рiзко змiнюеться. На заднiй поверхш з'являються лускатi вiдколи невеликих дмнок, сильно збiльшуеться радiус округлення рiзально! крайки, iнтенсивнiсть зносу значно зростае. Причина появи сколов - висока температура на заднш поверхш рiзця в зош контакту. Величина температури, вимiряно! методом тонких конденсованих плiвок, перевищувала 1300° К. [1].
Формулювання мети дослiдження Так1 температури на малш майданчику вершини рiзця призводять до утворення високого температурного градiента, що викликае тепловi розширення в локальнш зонi. У мюцях контакту виникають велик! внутрiшнi напруги i як наслiдок утворюються мiкротрiщини i вiдколи. У зонi швидкостей рiзання 3,5-5 м/сек превалюе тепловий знос. При цьому тепло напруженого стану вершини рiзця залежить вiд температурного гращента, який в свою чергу е функщею теплопровiдностi iнструментального матерiалу, в нашому випадку - твердого сплаву групи ВК та ТК.
Викладення основного матерiалу дослiдження Токарну обробку проводили на унiверсальному токарно-гвинторiзний верстатi 16К20. Режими рiзання, матерiал i геометричний-ськ1 параметри рiжучого шструменту вибиралися на основi резуль-татiв дослщжень, проведених ранiше [2, 3].
Зi збiльшенням теплопровiдностi температурний градiент падае, в результатi чого знижуеться теплонапряженности i пiдвищуеться зносостiйкiсть iнструменту. Шдвищенню останньо! в бiльшiй мiрi сприяе зниження коефiцiента лiнiйного розширення шструментального матерiалу, так як при цьому зменшуються внутрiшнi напруги в поверхневих шарах i утворення трiщин.
Таблиця 1
Фiзико-механiчнi властивостi матерiалу р1жучо~1 кромки_
!нструментальш матерiали Фiзико-механiчнi властивосп
Твердiсть ИЯЛ Теплопровщн iсть вт/м. град. Коефщент лшшного розширення а*10-6 Теплостiйкiсть ОК
Твердi сплави вольфрамово! групи ВК2 90 87,5 3,9 1250
ВК3М 91 - 4,1 1170
ВК6 88,5 79 4,5 1120
ВК8 87,5 75 4,8 1070
Твердi сплави титановольфрамово! групи Т15К6 90 27 6 1120
Т30К4 92 21 7 1220
З табл. 1 видно, що високу теплопровщшсть i найменший коефщент лiнiйного розширення мають твердi сплави вольфрамово! групи ВК2 i ВК3М. Це дае можливють припустити, що в процес рiзання пластмас зазначеш сплави матимуть шдвищену зносостiйкiсть в порiвняннi з iншими iнструментальними матерiалами. Необхiдно також пiдкреслити, що розрiзняючи по теплопровiдностi i коефiцiента лшшного розширення, сплави вольфрамово! i тггановольфрамово! груп мало вiдрiзняються за твердютю i теплостiйкостi.
Отже, зносостiйкiсть твердих сплавiв, що володiють бiльш високою теплопровщшстю i меншим коефiцiентом лшшного розширення, при високих швидкостях рiзання, т. е. в умовах, коли превалюе тепловий знос, повинна бути вище.
Шдтвердженням сказаного е представлен на рис. 1 експериментальнi залежносп зносу рiзцiв з рiзних матерiалiв вiд тривалостi рiзання гетинакса. Як видно, Найменшу стiйкiсть мають сплави титановольфрамово! групи (кривi 6, 7), найбшьшу - рiзцi ВК3 (крива 2) i ВК2 (крива 3).
Мехашчна обробка шаруватих пластиков мае ряд особливостей в порiвняннi з обробкою металiв i сплавiв. Низька теплопровщшсть (у дек1лька сотень разiв менше, нiж у металiв) ютотно впливае на спiввiдношення складових загального теплового балансу, лише 10-15% теплоти, що утворюеться при рiзаннi, поглинаеться виробом i ввдноситься стружкою. Основна частина теплоти сприймаеться iнструментом i сприяе iнтенсивному зносу останнього. За рахунок високих пружних властивостей прешого вiдбуваеться пружне вiдновлення шару оброблюваного матерiалу, що лежить над поверхнею рiзання. Це призводить до збшьшених майданчик1в контакту, i, як наслщок, до пiдвищених значень сили рiзання на заднiй поверхнi, яка в 10-20 разiв нижче, шж при аналопчнш обробцi металiв. Враховуючи
висок пружш характеристики, це приводить до того що точшсть !х обробки в меншш м1р1 визначаеться пружними деформащями системи верстат - пристосування - шструмент.
2 2
%0,20
са
о
| 0,15 д
я
о
§ 0,10
о
о
X го
0.05
7/ 4 3
5з (
30 60 90 120 Тривалшть р1зання хв.
5,0 45" 4 О 3,5 3.0 2,5 2,0 1.5 1.0 0,5
Л
♦
1
0.025 0,05 0.075 0.10 0.125 0.15 Ь,
Рис. 1. Вплив тривалост рпаммя на змос рiзцiв з рпмих iнструментальних матерiалiв при точшш у=5 м/сек; 8=0,05 мм/об; 1=0,05 мм; 1-ВКЗМ; 2-ВК2; 3-ВК6; 4-ВК8; 5-Т15К6; 6-Т30К4
Рис. 2. Залежмкть величими шорсткост оброблювамоТ поверхмi вiд величими змосу рiзця: 1 - гетимакс Г- ВКЗМ; 2 - стеклотекстолит СТ ВКЗМ
При тонкому точшш склопластишв з пор1вняно невеликими швидкостями р1зання (до 1,5 -3 м/сек) спостер1гаеться переважаюча роль абразивно-мехашчного зносу р1зщв по заднш поверхш. Однак штенсившсть його вище, шж при точшш гетинакса в 7-10 раз1в. Це пов'язано з наявшстю в склопластику значно! шлькосп скло наповнювача. Стшшсть твердосплавних р1зщв ВК3М 1 ВК2 при точшш склотекстолгги СТ з1 швидк1стю 1,7 м/сек, подачею 0,05 мм/обрт 1 глибинно! р1зання 0,05 мм до зносу задньо! поверхш 0,15 мм не перевищувала 7 хв.
Встановлено залежшсть шорсткосп оброблено! поверхш в1д зносу шструменту рис. 2. З1 збшьшенням зносу по заднш поверхш до 0,05 0,06 мм висота м1кронер1вностей знижуеться, так як майданчик зносу р1зця також бере участь в р1занш. Представляючи собою вельми розвинену поверхню зламу з великою к1льк1стю гострих кромок, вона вщтворюе явище м1крор1зання, та «подшл1фовування» оброблено! поверхш. Подальше збшьшення зносу шструмента к1лька попршуе чистоту оброблено! поверхш, що пов'язано з ростом сил р1зання 1 особливо з ращально! силою Ру.
В табл. 2 наведен! результати визначення твердост! як вихщного матер!алу, так ! оброблено! поверхш заготовок, а також в1дпов1дн1 значения коефщеипв зм1цнения, що були розраховаш за формулою
де НВпро- твердеть оброблено! поверхн1 заготовки;
НВ„ - початкова твердеть необроблено! поверхн1 заготовки.
Позитивне значення коеф1ц1ента N сввдчить про п1двищення твердост1 оброблювано! поверхш.
Таблиця 2
Показники твердост деталей_
Твердеть матерiалу заготовок (НВ)
Капролон Второпласт Текстоли'
Шсля токарно! обробки 179 41 200
До обробки 152 34,7 220,2
Змщнення 0,21 0,175 - 0,11
Порiвняння даних експерименту (табл.2), показуе, що обробка заготовок з термопласпв призводить до тдвищення твердостi оброблено! поверхнi. Коефщент змiцнення в разi обробки капролона становить 0,21, для фторопласта 0,175. Для текстолиу коефiцieнт рiвний - 0,11. Це сввдчить про те, що твердеть текстолiту знижуеться.
При мехашчнш обробцi рiзанням шаруватих полiмерних матерiалiв типу текстолiту вiдбуваeться руйнування цiлiсностi поповерхневого шару деталi, перерiзаються армуючi волокна. Все це разом призводить до утворення дефектного, джерела деструкцп поверхневого шару, фiзико-хiмiчнi характеристики якого значно вiдрiзняються вiд характеристик вихщно! структури. Стиснення заготовок призводить до тдвищення крихкосп частини матерiалу, що дозволяе трохи знизити рiвень термомехашчно! деструкцп поверхневого шару заготовки при подальшш токарнiй обробцi, про що сввдчить збiльшення твердостi оброблено! поверхш текстолиу.
На рис.3 представлен графiки залежностi величин твердости оброблено! точшням поверхнi вiд часу витримки деталей до вимiрювання.
Фторопласт
50
£ 30
с. о
£ 20
0 20 40 60 80 100 120
Час витримки, год
Капролон
200 180
т
- 160 -О
о
'Й 140 р.
5 120
0 20 40 60 80 100 120
Час витримки. год
Текстолп
240
£ 180
& 160 о
СС
ь 140
0 20 40 60 80 100 120
Час витримки, год
Рис. 3. Твердкть обробленоТ поверхш в залежност ввд часу витримки деталей до вимiрювання
Як випливае з анатзу даних, витримка дослвджуваних зразшв до початку вимiрювання незначно впливае на його шнцевий результат. Спостережуваш незначнi, в межах 5 -8 вщсотшв, вiдхилення твердостi поверхнi дослщжуваних матерiалiв пiсля токарно! обробки пояснюються нерiвномiрнiстю розпод^ фаз по довжиш й перетину заготовки, наявнiстю i випадковим розташуванням дефектiв в об'емi матерiалу. Для випадку обробки текстолиу коливання значень твердостi в значному ступеш зумовленi високою гетерогеннiстю структури матерiалу.
Висновки
При токарнiй обробщ знос рiжучо! кромки вiдбуваеться переважно по заднiй поверхнi за рахунок пружного притискання цилiндрично! поверхнi деталi до задньо! поверхнi рiзця
Токарна обробка заготовок з полiмерних матерiалiв в бiльшостi випадк1в призводить до тдвищення твердостi оброблено! поверхнi за виключенням шаруватих пластиков, де мають мiсце вкрапления наповнювача, що вщграе роль концентратору внутрiшнiх напружень.
Для кожного дослщжуваного матерiалу, незалежно вщ способу виробництва заготовок, мiцнiсть мае приблизно постiйнi значення до певно! величини технологiчного режиму подачi, при перевищенш яко! спостерiгаеться плавне зниження твердостi оброблено! поверхнi.
Вплив пружного вщновлення матерiалу пiсля проведення токарно! або комбшовано! обробки на значения твердосп при вибраних умовах обробки не проявляеться, що забезпечуе стабшьшсть механiчних характеристик оброблено! деталi тд час експлуатацп (не враховуючи фактори зносу та старшня).
Список використаноТ лiтератури
1. М. Ф. Семко, А. I. Грабченко, А. Г. Воликов, А. Т. Пугачев. Вимiрювання температурного поля методом конденсованих плiвок. Зб. Матерiалiв науково-технiчно! конференцi! ХП1 iм. В. I. Ленiна. Харюв 1968.
2. Лашнев С.1., Юлика М.1. Проектування рiжучо! частини шструменпв: Машинобудування, 1980.206 с.
3. Штучный Б. П. Механическая обработка пластмасс: Справочник. М.,1987.
4. 4. Карташов Э. М., Цой Б., Шевелев В. В. Структурно-статистическая кинетика разрушения полимеров. М., 2002.
5. Кабалдин Ю. Г., Шпилев А. М. Самоорганизующиеся процессы в технологических системах обработки резанием. Диагностика и управление. Владивосток, 1998.
