CC BY
58
УДК 621.9.025.74-415 © Е.С. Сотова, А.С. Верещака, М.Н. Лазарева,
2011
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОНАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ РИ ИЗ ВКК
Рассмотрена роль функциональных покрытий при резании высокотвердой стали инструментом из высокопрочной композиционной керамики (ВКК) в управлении контактными процессами при резании. Показано, что применение многокомпонентных покрытий, повышающих трение, приводит к росту длины контакта, снижению нормальных контактных напряжений и вероятности макрохрупкого разрушения режущей кромки инструмента из ВКК. Ключевые слова: высокопрочная композиционная керамика (ВКК); покрытие; длина контакта; управление контактными процессами.
В процессе высокоскоростной обработки резанием под действием внешних нагрузок происходит деформирование и разрушение материала. В срезаемом и поверхностном слоях возникает напряжённо-деформированное состояние (НДС). Для расчёта НДС необходимо знать следующие параметры [1]: определение длин пластического и общего контактов инструмента со стружкой по передней и задней поверхностям; распределение контактных нагрузок режущего инструмента.
На рис. 1 представлена схема обработки, при этом форма сечения среза в процессе точения определяли из построения, приведенного на рис. 2.
Рис 1. Схема обработки
Рис. 2. Схема к определению параметров сечения среза при точении
Из схемы видно (см. рис. 2), что точение криволинейным лезвием инструмента осуществляется в условиях косоугольного резания. При этом с учетом величин (£ х ^ контактные процессы практически локализуются на «упрочняющей» фаске. Учитывая имеющие место сложности расчетов контактных процессов при косоугольном резании и отсутствие в литературе достаточно достоверных данных в этой области исследований, считаем обоснованным и целесообразным схему резания упростить.
Для этого с учетом «классических» подходов М. И. Клушина
[2] при «криволинейном сечении» среза определяем параметры соответствующего прямоугольного» сечения среза — т.е. ширины Ъ и толщины а11с- среза, эквивалентного исходному «криволинейному».
Соединяя точки А и В (см. рис. 2) переменного сечения среза, получаем (упрощенно) величину ширины среза Ь = 0,4 мм. Корректное решение этого вопроса осложняется, потому что вектор схода стружки по передней поверхности инструмента (по М.И. Клушину) ориентирован перпендикулярно линии АВ, а длину контакта стружки с резцом Су в общем случае следует отсчитывать в направлении вектора схода стружки, направление которого следует определять с учетом величины Уфвян в точке расположения &тал сечения среза, определенного в плоскости расположения «упрочняющей» фаски при соответствующем угле у.
Площадь сечения среза Р (с учетом принятых упрощений) определяется из выражения
где азКс — эквивалентная толщина среза, используемая в дальнейших расчетах и определяемая из выражения:
Для оценки величин действующих контактных нагрузок на рабочие поверхности режущего инструмента вначале рассмотрим их средние значения.
Основываясь на подходах А.М. Розенберга, Ю.А. Розенберга и С.И. Тахмана, соотношение параметров контактного взаимодействия на передней поверхности инструмента и параметров
(1)
(2).
деформирования срезаемого слоя, адекватно описывается предложенной Л.С. Седоковым зависимостью:
^ (3)
:+\Ящ/* т+ Сг/аш
где Цг — средние касательные контактные напряжения на передней поверхности инструмента; т^. — касательные напряжения в условной плоскости сдвига; Су — длина полного контакта стружки с резцом по передней поверхности инструмента; — эквивалентная толщина среза; £ — усадка стружки при точении.
При этом касательные напряжения в условной плоскости сдвига тф для условий точения стали ХВГ, принимаем практически неизменными. По данным С.С. Силина [4] Г* тот ■ 603- '10 " Н/м2.
С учетом изложенного определяем средние касательные напряжения на передней поверхности инструмента Яр
(4)
Средние нормальные контактные напряжения на передней поверхности инструмента определяли согласно методике, предложенной в работе [5]:
** = + чМ^-у) ■ (5)
По экспериментальным данным, величины Тф. и А р являются постоянными для каждого материала. Следовательно, главными параметрами, определяющими величину являются: отношение толщины среза к общей длине контакта инструмента со стружкой /Ср, усадка стружки с, (через угол действия Ф) и величина переднего угла у.
По данным М.Ф. Полетики [1] средние нормальные контактные напряжения Ч ^ на передней поверхности инструмента определяется с использованием зависимости вида
4,- =-- (6)
где ' — показатель степени в зависимости между усадкой стружки и относительной длиной контакта; А. итп — коэффициент и показа-
тель степени, определяются по данным проведенных различными авторами экспериментальных исследований передним углом:
=/>■; (7)
Параметр чаще всего представляют в виде
л _____
ЧЛ' —
Г
(8)
где к' — постоянный коэффициент.
При этом по данным М. Ф. Полетики, Ю.И. Некрасова и др.
[3] для значительной части конструкционных сталей и сплавов к = 2; I — 0 5. Таким образом, с достаточной, на наш взгляд, степенью достоверности получаем максимальные нормальные контактные напряжения на передней поверхности инструмента
аИтих (9)
По данным Н.Н. Зорева [7] нормальные контактные напряжения по длине контакта Су на передней поверхности инструмента распределяются по степенной функции с максимальным их значением на режущей кромке, а касательные контактные напряжения ту имеют два участка: пластический, где они постоянны и выполняется условие: Ту ■ Ттйл. ■ : и упругий, где они
изменяются по степенной зависимости (рис. 3):
,
(10)
г < С.
уп
(11)
Рис. 3. Распределение нормальных а и касательных Ту напряжений в зоне контакта инструмента со стружкой
где Суп — длина пластического (плотного) контакта [8]:
: ■■ ■■ Ь ' ■■ ; (12)
— расстояние от точки отрыва стружки до рассматриваемой точки передней поверхности; и — показатель степени, который рассчитывали по зависимости, полученной в работе Ю. И. Некрасова, исходя из соотношений (.&нтах/Як), определенных в результате обработки данных лазерной нанометрии деформирования инструмента при точении:
■ "" ■' ■ ' . (13)
Объектом исследования служили пластины из ВКК квадратной формы ГОСТ 19042 без отверстия 03111 с радиусом г = 0,8 мм, без покрытия и с покрытием (Т1,Л1)К-(Т1,Сг)К-(Т1,Сг,Л1)К.
В табл. 1 представлены результаты испытаний физикомеханических свойств ВКК.
Из приведенных экспериментальных данных видно, что прочность полученного ВКК значительно выше прочности керамики, но незначительно уступает твердым сплавам, что позволит расширить область ее применения.
Нанесение покрытий на субстраты из ВКК производили на установке ВИТ-2 конструкции «СТАНКИН-ЭКОТЕК». Установка оснащена специальными источниками ионов, позволяющими реализовать несколько принципиально важных процессов. В частности, установка позволяет производить фильтрацию паро-ионного
Таблица 1
Физико-механические свойства ВКК
Материал Плотность р • 103, кг/м3 Микротвердость ИУ30, МПа Прочность при изгибе аизг, МПа
Керамика на основе А12О3 3,94 17100 550
Керамика на основе А12О3 — 10 % АШ 3,98 18350 540
Твердый сплав ТЮ — №,Мо 6,00 ИЯЛ 88,5 1100
Полученный ВКК — — 950
Длина контакта по передней поверхности
нормальные напряжения на передней поверхности СМП из ВКК без покрытия
нормальные напряжения на передней поверхности СМП из ВКК с покрытием (Т1,Л1)Ы-(Т1,Сг)ЩТ:[,Сг,Л1)Ы -------касательные напряжения на передней поверхности СМП из ВКК без покрытия
-------касательные напряжения на передней поверхности СМП из ВКК с покрытием
(Т1,Л1)Ы-(Т1,Сг)Ы-(Т1,Сг,Л1)Ы
Рис. 4. Распределение нормальных аы и касательных Ту контактных напряжений на передней поверхности режущего инструмента при сухом точении (ОМ — сталь ХВГИЯС 58..60; Г = 0,1 мм; Б = 0,1 мм/об; и = 250 м/мин; у= - 24°)
Таблица 2
Параметры зависимости распределения контактных напряжений на передней поверхности при точении* стали ХВГИЯС 58..60 для пластин из ВКК
Инструментальный материал С,, мм С Уп, мм Тф-10"5, Н/м2 Чр -10'5, Н/м2 Чы '10 5 Н/м2 ОЫтах 10 5, Н/м2 п
ВКК ВКК — (Т1,А1)]Ч-(Т1,Сг)М-(Т1,Сг,Л1)М 0Д14 0Д41 0,0533 0,0538 603 603 248999 207,285 761,751 624,020 2103,165 1747,627 1,639 1,697
Су — длина полного контакта по передней поверхности; С-т — длина пластического (плотного) контакта по передней поверхности; тф — касательные напряжения в условной плоскости сдвига; др — средние касательные напряжения на передней поверхности инструмента; — средние нормальные контактные напряжения на передней поверхности инструмента; оЫтаа — максимальные нормальные контактные напряжения на передней поверхности; п — показатель степени. Условия обработки: Г = 0,1 мм; Б = 0,1 мм/об; и = 250 м/мин; у = - 24°; а,т = 0,025 мм.
потока и сепарировать нейтральные частицы (микрокапельную фазу) в результате отклонения заряженных частиц ионного потока (ионов, электронов) мощным магнитным полем. Кроме того, сепаратор может выполнять роль ускорителя ионов, служить источником электронов для термоактивации инструмента и источником высокозаряженных ионов газа (например, азота) для стимулированной химико-термической обработки инструмента.
С учетом низкой электропроводности субстратов из ВКК была разработана специальная технология синтеза покрытий на основе использования источников низко- и среднеэнергетической плазмы (газовой и газометаллической), разделения процессов термоактивирования и очистки поверхности субстрата, гашения микродуг и сепарации капельной составляющей, особенно при использовании элементов с относительно низкой атомной массой (А1,Т1 и др.).
Для эксперимента использовали: резцы с механическим креплением керамических пластин, геометрические параметры режущей части проходных резцов: Уф = -8°; а = 8°; ф = 45°; ф! = 45°; X = 0; обрабатываемый материал сталь ХВГ ИЯС 58..60 (ГОСТ 5950); точение стали ХВГ на станке мод. 16К20 ОАО «Красный пролетарий» для широкого диапазона изменения режимов резания (п, Г, Б, Т),; универсальный тензометрический динамометр УДМ — 600. для получения необходимой информации о составляющих сил резания Р2 и Ру.
В табл. 2 и рис. 4 представлены параметры зависимости распределения контактных напряжений на передней поверхности инструментов из ВКК без покрытия и с покрытием (Т1,А1)К-(Т1,Сг)К-(Т1,Сг,А1)К при сухом точении закаленной стали ХВГ НЯС 58..60 (£ = ОД мм; 5 = ОД мм/об; V = 250 м/мин; У = - 24°).
Проведенные исследования позволяют сделать вывод, что нанесение покрытий способствует увеличению длины полного контакта стружки с передней поверхностью инструмента Су, увеличив адгезию с обрабатываемым материалом (о чем говорит увеличение коэффициента трения по передней поверхности Ду),
улучшить теплоотвод из зоны резания, повысив теплопроводность поверхностных слоев инструментального материала (об этом свидетельствует увеличение длины пластического (плотного) контакта Сун). тем самым снизить удельные термомеханические нагрузки на режущую кромку керамического инструмента, т.е. более благоприятно распределить контактные напряжения на передней поверхности инструмента.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кирюшин Д.Е. Напряжённо-деформированное состояние при высокоскоростной обработке титановых сплавов / Д.Е. Кирюшин, Т.Г. Насад // Автоматизация и управление в машино- и приборостроении: сб. науч. тр. / СГТУ. — Саратов, 2006. — С. 101-105.
2. Клушин М.И. Резание металлов. Элементы теории пластического деформирования срезаемого слоя / Изд. 2-е. — М., Машгиз, 1958. — 454 с.
3. Некрасов Ю.И. Разработка методологии управления обработкой при точении жаропрочных сталей и сплавов на станках с ЧПУ: Дис. на соиск. уч. степ. докт. техн. наук. — Тюмень, 2010. — 295 с.
4. Силин С.С. Метод подобия при резании материалов. — М.: Машиностроение, 1979. — 152 с.
5. Васин С.А. Резание материалов: Термомеханический подход к системе взаимосвязей при резании: Учеб. для техн. ВУЗов / С.А. Васин, А.С. Верещака, В.С. Кушнер — М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2001. — 488 с.: ил.
7. Зорев Н.Н. Вопросы механики процесса резания металлов. — М.: Машгиз, 1956. — 367с.
8. Абуладзе Н.Г. Определение длины контакта сливной стружки с передней поверхностью инструмента // Тр. Грузин. Политехн. Ин-та, 1969. №3 (131). — Тбилиси: Сабчота Сакартвело. — С. 131 — 137.
