Исследование влияния скорости резания на триботехнические характеристики процесса точения твердосплавным инструментом Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.9

Д. Г. Шатуров, В. К. Шелег

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СКОРОСТИ РЕЗАНИЯ НА ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССА ТОЧЕНИЯ ТВЕРДОСПЛАВНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ

UDC 621.9

D. G. Shaturov, V. K. Sheleg

RESEARCH INTO THE INFLUENCE OF CUTTING SPEED ON THE TRIBOTECHNICAL CHARACTERISTICS OF TURNING WITH A CEMENTED CARBIDE TOOL

Аннотация

Приведена методика определения триботехнических характеристик процесса точения с учетом изменения скорости резания и температуры в зоне резания. Получены зависимости, позволяющие определить скорость резания при переходе от абразивно-адгезионного вида износа к абразивно-окислительному.

Ключевые слова:

обработка, резец, стойкость, скорость резания, период стойкости.

Abstract

The technique for determining tribotechnical characteristics of the turning process is given, which takes into account changes in cutting speed and temperature in the cutting zone. Dependencies have been obtained that make it possible to determine the cutting speed during the transition from an abrasive-adhesive type of wear to an abrasive-oxidative one.

Keywords:

processing, cutter, durability, cutting speed, durability period.

При проектировании технологического процесса лезвийной обработки поверхностей первостепенная задача состоит в обеспечении их качества, под которой понимается, прежде всего, точность получения заданных чертежом размеров и необходимая величина шероховатости обрабатываемой поверхности при наименьших производственных затратах. Все эти требования зависят от режимов резания и износостойкости участка режущей кромки (РК) или лезвия, формообразующих обрабатываемую поверхность. Изменение размеров формообразующего участка РК в большей степени зависит от температуры в зоне резания, величина которой влияет

© Шатуров Д. Г., Шелег В. К., 2020

на триботехнические характеристики изнашиваемых поверхностей. Трибо-технические характеристики можно оценить таким параметром, как ресурс работы инструмента, равный произведению скорости резания на период его стойкости, показывающий максимальный путь резания в метрах до его затупления [1, 2]:

Ь = V7o, (1)

где V - скорость резания, м/мин; То - период стойкости инструмента, мин.

Чем больше ресурс работы инструмента, тем меньше скорость его изнашивания, тем более точно можно из-

готовить деталь, тем меньше переналадок резца на размер, тем больше будет производительность.

При обработке углеродистых конструкционных сталей можно установить несколько зон или участков по скорости резания, отличающихся между собой видами износа поверхностей инструмента. Всего таких четыре зоны (рис. 1). Первая зона - это зона скоростей резания до Упз механического износа поверхностей инструмента, при которой отсутствует нарост на передней его поверхности. Вторая зона - это зона от скорости резания Упз до скорости Ум при наличии нароста на передней поверхности инструмента и абразивно-адгезионного вида износа его рабочих поверхностей. Третья зона - это зона скоростей резания от Ум до Уп, связана с абразивно-окислительным видом износа поверхностей инструмента. Четвертая зона - это зона диффузионного износа поверхностей инструмента, имеет место при скорости резания больше скорости

резания Уп в точке В перегиба кривой То = / (у).

Расположение зон и их величина по скорости резания связаны с температурой в зоне резания, которая увеличивается при увеличении скорости резания. Температура определяет физическое состояние и триботехнические характеристики в зоне контакта изнашиваемых рабочих поверхностей инструмента со сходящей стружкой и с поверхностью резания обрабатываемой детали. При увеличении скорости резания и температуры имеет место неравномерная интенсивность изнашивания рабочих поверхностей инструмента. Так, период стойкости инструмента при изменении скорости резания имеет два экстремума, расположенных на двух уровнях по стойкости и на разных скоростях резания, образованных при разных температурах в зоне резания, между которыми расположена впадина (см. рис. 1) [1, 3].

Рис. 1. Зависимость периода стойкости от скорости резания

Интервал скоростей резания впадины от скорости V01 до V) (см. рис. 1) мало изучен и совместно с другими участками скорости резания, примыкающими к нему, определяет актуальность настоящих исследований. Экстремум по периоду стойкости от скорости резания образуется, когда между рабочими поверхностями инструмента, с одной стороны, стружкой и поверхностью резания, с другой стороны, образуется промежуточное третье тело, которое защищает их от непосредственного с ними контакта. В результате стойкость инструмента увеличивается. Так, образование первого экстремума по периоду стойкости связано с явлением наростообразования на передней поверхности резца и абразивно-адгезионным видом износа его рабочих поверхностей. Максимальное значение периода стойкости зоны наростообразования имеет место в диапазоне скоростей резания от 10 до 80 м/мин в зависимости от обрабатываемого материала [5]. В диапазоне этих скоростей резания при температуре резания, равной 300 °С, на передней поверхности образуется максимальной высоты нарост, повышенной в 2,5-3 раза твердости по отношению к обрабатываемому материалу [5, 7], который выполняет функции нового резца. Период стойкости для этого диапазона скоростей резания от Vпз до Vм определяется из выражения [3]

Т =■ ^01

Т

± л

01

1( V V

(2)

У01 - скорость резания, м/мкм.

Второй экстремум образуется при скорости резания V > Ум, где Ум - скорость резания, соответствующая минимальному периоду стойкости резца впадины (см. рис.1). При скорости резания Ум и температуре резания, равной 600 °С, отсутствует нарост на передней поверхности инструмента [5, 7], а на рабочих поверхностях резца начинает образовываться от действия кислорода (воздуха) окисная пленка, защищающая их от непосредственного контакта со сходящей стружкой и поверхностью резания. Вследствие этого при увеличении скорости резания больше Ум наступает период абразивно-окислительного вида износа рабочих поверхностей инструмента, где окисление, т. е. восстановление местами разрушенной от износа пленки, является преобладающим, и стойкость резца до скорости резания У0 увеличивается (см. рис. 1). Для этого диапазона скоростей резания, от скорости Ум до Vп, предлагается следующая зависимость для определения периода стойкости [1, 3]:

Т = ■ 10

7тП

Л

1 5У - 4

21 Уп

(4)

где

V = с

1,25

и0

\ 0,25

^ 100080К ,

С = СУКУ •

гх8у '

• (5)

(6)

грП

где Т 01 - максимальный период стойкости, мин;

Т

01

Тп 2 Vе;

(3)

т-гшах п-г / Т 0 =Т^е •

100080Кр

Т = - 0 р

Уи

(7)

(8)

Уп2, Тп2 - скорость резания, м/мин, и период стойкости, мин, резца в точке В2 перегиба (п01 = 1,0) кривой Т0 = _Ду);

Т,

0

максимальный период стойко-

сти, соответствующий второму экстремуму периода стойкости кривой

шах

21 Уп 2 У

е

шах

То = У(у), мин; Уп, Тп - скорость резания, м/мин, и период стойкости, мин, инструмента в точке В перегиба кривой То = У(у); t - глубина резания, мм; £ - подача, мм/об; 5о - оптимальная величина износа задней поверхности резца, мкм; Кр - коэффициент перевода величины линейного износа задней поверхности в радиальный (размерный), Кр « tgaз (аз - задний угол заточки резца); ио - величина относительного

размерного износа лезвия резца, и о = 5...7 мкм/км при обработке стали

резцом Т15К6 [6]; Су, Ку, х, у - коэффициенты и показатели степени, определяемые из [6].

Из рис. 1

Уо = о,8У„; Уп1 = о,6У„; Ур = о,847Уп; Тр = 1,бо3Тп,

(9)

(10)

(11) (12)

где Уо - скорость резания, соответствующая второму экстремуму периода стойкости кривой То = / (у), м/мин; Ур, Тр скорость резания, м/мин, и период стойкости, мин, максимального ресурса работы инструмента; Уп1 - скорость резания, м/мин, соответствующая второй точке перегиба кривой То = / (у).

Для четвертого диапазона скоростей резания, больших Уп, предлагается следующая зависимость для определения периода стойкости [1]:

Т = Т

1о 1п

(13)

Для определения скоростей резания Уо1, Уп2, Ум и периода стойкости Тп2 воспользуемся результатами работы [3], в которой отмечается, что оптимальная скорость резания должна быть такой, при которой в тонком (5.1о А) кон-

тактном слое стружки с передней поверхностью резца обеспечивается кристаллизация в нем фазы аустенита. Эта оптимальная температура зависит от содержания углерода в сплаве и определяется по диаграмме «железо - углерод» из следующих зависимостей [3]: - при С < о,8 % С

©о > 911 + 12о С2 - 326 С; (14)

- при С > о,8 % С

©о > 474 + 313 С.

(15)

где ©о - оптимальная температура резания, °С; С - процентное содержание углерода в сплаве.

Тогда температуру резания при любой скорости резания можно определить, используя следующие формулы:

©У =©н + (©о -©н )

1в ©о - © н

Г у \ ху

V уо J

Ху =■

1вУо

; (16) (17)

где ©У - температура резания при скорости резания У, °С; ©н - температура резания в начале обработки, ©н = 2о.25 °С; Уо - скорость резания,

соответствующая максимальной стойкости инструмента второго экстремума.

Из зависимостей (16) и (17) определяется скорость резания при заданной температуре резания [3] по формуле

У = Уо

©у -©,

©о -©н j

1

^ х:

(18)

Так, для скоростей резания Уо1 и Ум температура резания соответственно равна 3оо и 6оо °С [5, 7], а температуру резания для скорости Уп2 можно предположить как среднюю температуру от

этих температур (©«2 = 450.. .460 °С).

Тогда скорости резания определяются из следующих зависимостей [3]:

Voi = V

V„2 = Vo

300 -0.

Xv

VM _ Vo

0 - V w 0 0н У

f 450- -0н ^

0 - V w 0 0 н ,

'600 - 0н T

Xv

0 -0

V W0 y

(19)

(20)

(21)

Определим скорость резания максимального ресурса работы инструмента Ll = VTol зоны наростообразования. Для этого с использованием зависимостей (1) и (2) возьмем производную dLl/dV и полученную функцию приравняем к нулю.

dL1 _ Tn 2^

dV

1 ( V - V01

2 V У, 2 - V01

X

1 -

V0

01

V V„2 - V.1 y

V -1

V V01 y

V

V

01

Откуда получаем уравнение

V2 - V V01 - (Vn1 - V01)2 = 0. (22) После решения имеем

вой периода стойкости Т01 = f (v) формируется при абразивно-адгезионном виде износа рабочих поверхностей инструмента. При увеличении скорости резания больше Vn2 стойкость резца значительно уменьшается, а шероховатость обработанной поверхности увеличивается из-за отрыва твердых частиц нестабильного нароста и их перемещения на заднюю поверхность инструмента и обработанную поверхность с формированием на них углублений. Правая сторона впадины или левая ветвь кривой периода стойкости от скорости резания Т0 = f (v) формируется при наличии на изнашиваемых поверхностях окисной пленки и абразивно-окислительного вида износа поверхностей инструмента. Поэтому увеличение скорости резания, большей скорости Vm, приводит к увеличению стойкости резца и уменьшению шероховатости обработанной поверхности. В силу этих причин заманчиво и целесообразно при скорости резания, большей Vn2, перейти на скорость резания V > Vm с целью замены абразивно-адгезионного вида износа на абразивно-окислительный, где окисление, т. е. восстановление окисной пленки, является преобладающим.

Минимальная скорость резания для этого перехода определяется из соотношения Т01 = f (v) > ТП:

e

1 f У„1 - V01

21 Vn, - V0

г > T ,

2 n '

(24)

уР1 _ 2 V01

1+.

1+4

У2

V V01

\2

- 1

где Уа1 - скорость резания левой

, (23) стороны впадины при стойкости Тп.

После решения зависимости (24) получим

где Vрl - скорость резания, соответствующая наибольшему ресурсу работы инструмента зоны наростообразования.

Далее произведем некоторый анализ скоростей резания впадины. Левая сторона впадины или правая ветвь кри-

Vd * V01 + (Уп2 - У01).

\g{Tn24~e / Tn ) lg e

. (25)

Тогда ресурс работы инструмента при скорости Уа1 находим как

1

1

e

Lla = Vai Т".

(26)

Определим минимальную скорость резания Уа правой стороны впадины левого участка кривой То = / (у), которая при переходе от скорости Уа1 к скорости Уа обеспечит равный или больший ресурс работы инструмента по сравнению с ресурсом Ь1а. Скорость Уа находим из сравнения ресурсов:

Тп2 = Тп + (Уа1 - Уп2) tga. (31)

После преобразования получим выражение для определения периода стойкости резца при скорости резания Уп2 в точке В2 перегиба кривой То1 = / (у):

T = T

1n 2 1n

+ 52Vm - VM - Vn2Л

V

Vn

(32)

У

L = Va Та > Lla = Vai Тп.

(27)

Тогда из рис. 1

где

Va1 Тп < (Vni - AV) (Тп - АТ), (28)

АТ = AV tga; T

tga = 5-в-.

Vn

Можно предложить и другую зависимость по определению периода стойкости

Tn2 = Tm + (Tn - Tm ) Vm-V2

Vni - Vm

(33)

Для точек В и В2 перегиба кривых То = /(у) и То1 = / (у), где интенсивность износа равномерная (по = 1) [4],

Тп Упио = Тп2 Уп2 ио1. Откуда

После решения получим

AV = 0,4V„

1 - 0,25 +1,25

Va

a1

Vn

. (29)

n у

Скорость резания правой стороны впадины

Va= Vn1 -AV =

/

= 0,2 Vn

1 + 2 0,25 +1,25

Va

a1

Vn

(30)

n

В зависимость (25) входит такой параметр, как период стойкости Тп2.

Предполагая симметричность расположения скоростей резания Уа1

и Уп1 впадины относительно скорости резания Ум, можно записать

Va1= 2Vm - vn1;

rr = TnVnU0 U 01 T V

1 n Г n 2

(34)

где U01 - величина относительного размерного износа лезвия в зоне скоростей наростообразования, мкм/км.

При известности максимального

rp max

периода стойкости ^ можно определить величину температуры резания от времени обработки ©т, °С, по формуле

0х=©н + (©0 -©н)

/ V1

т

rp max

V T0 у

, (35)

где т - время резания, мин;

п = lg ©0 - lg ©н 1 1 _ T^max

lg T

(36)

Из выражения (36) легко находится время стабилизации температуры в

зоне резания и величина температуры в момент ее стабилизации:

7ттах 1—n .

а П 1 ,

Тп© = T0 П

(37)

метров процесса резания стали 45 резцом Т15К6 на режимах 1=1 мм; 5 = 0,24 мм/об.

Заключение

©п0= (©0 — ©п )V—'

(38)

Для оценки триботехнических параметров процесса резания можно, используя [4], определить величины изно-сов задней поверхности резца от времени резания для второй Toi = f (v) и для третьей Too = f (v) зон скоростей резания (табл. 1):

h = а т"01 Пз1 ис1 L

т"01;

rp"oi 1 01

h3 = а т"0 = т"0;

з с гр"0

Т 0

(39)

(40)

1. Разработана общая методика определения триботехнических параметров процесса резания твердосплавным инструментом: периодов стойкости инструментов, величины износа лезвия от времени резания, ресурса работы инструментов, показателя степени noi и величины относительного размерного износа Uoi для кривой Toi = f (v), средней температуры резания.

2. Получены зависимости для определения скоростей резания при переходе от абразивно-адгезионного к абразивно-окислительному виду износа.

П01 =

T0VU01

1000ô0 Kp

1,67

(41)

П0 =

TVU

10у и0

1000ô0 Kp

1,67

(42)

С учетом полученных значений noi и no, периодов стойкости Toi и To легко определяются [4] такие параметры процесса, как время приработки X и !n,

время установившегося износа X и хн ,

величина износа задней поверхности резца ôwi и 5п, средние скорости изнашивания Vins и ¥2из за эти периоды и скорости Voins и Vous изнашивания за весь период стойкости инструмента для второго Toi = f (v) и третьего To = f (v) диапазона скоростей резания.

В табл. i представлены результаты расчетов всех триботехнических пара-

1

Табл. 1. Триботехнические параметры процесса резания (резец Т15К6; материал сталь 45; Кр = 0,167; Ку = 0,9; Х= 0,15; У= 0,2; С = 503)

V, м/мин ут Уо, У и УРх Уп2 К« Уа Гн1 И, Уо Уп

8 40 44 58 72 84 110 113,4 124 145 165 175 207 221 253

Таи мин 132 220 218,5 186 132 85 57

То, мин 57 63 85 124 140 136 85 57 15

ит 9,2 мкм/км

и0 5,0 мкм/км

«01 0,025 0,87 1,0 1,22 1,0 0,614 0,494

По 0,178 0,222 0,425 1,0 1,575 1,655 1,0 0,572 0,077

аа 442 4,58 2,29 0,851 3,79 32,7 67,9

ас 243 199,3 75,7 4,03 0,21 0,147 5,88 49,5 406

¿1, м 1056 8800 9592 10788 9504 7140 6270

£, м 6270 7144 10540 17980 23100 23800 17595 12597 3795

©у,°с 108 300 320 387 449 500 602 615 655 731 800 834 939 983 1082

т„, мин 3,0 75,4 80 75 48,5 24 14

7,0 9 19 47 64 63 32 16 0,9

т„, мин 129 145 139 111 84 61 43

50 54 66 77 76 73 53 41 14

5„, мкм 455 197 184 166 184 230 251

344 325 266 188 144 • 140 188 237 404

5„, мкм 45 303 316 - 334 316 270 249 -

156 175 234 312 356 360 312 263 96

Уоиз, мкм/мин 3,79 2,27 2,29 2,69 3,79 5,88 8,77

8,77 7,94" 5,88 4,03 3,57 3,68 5,88 8,77" 33,3

К|„з, мкм/мин 151 2,61 2,29 2,2 3,79 9,58 17,8

49,3 35,75 13,84 4,03 2,27 2,22 5,88 15,3 433

К2„„ мкм/мин 4,14 2,1 2,29 3,0 3,79 4,39 5,75

3,11 3,22 3,52 4,03 4,69 4,97 5,86 6,27 7,16

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шелег, В. К. Анализ и выбор рациональных режимов резания твердосплавным инструментом при точении валов / В. К. Шелег, Д. Г. Шатуров, Г. Ф. Шатуров // Наука и техника. - 2018. - Т. 17, № 1. -С. 14-20.

2. Шатуров, Д. Г. Ресурс работы лезвийного инструмента при обработке / Д. Г. Шатуров, Г. Ф. Шатуров // Вестн. Белорус.-Рос. ун-та. - 2016. - № 4. - С. 90-98.

3. Шатуров, Д. Г. Исследование режущей способности твердосплавного лезвийного инструмента при средних скоростях резания / Д. Г. Шатуров // Вестн. Белорус.-Рос. ун-та. - 2019. - № 3. - С. 112-120.

4. Шатуров, Д. Г. Технологические особенности чистовой токарной обработки валов / Д. Г. Ша-туров, Г. Ф. Шатуров, А. А. Жолобов. - Могилев : Белорус.-Рос. ун-т, 2015. - 192 с.

5. Бобров, В. Ф. Основы теории резания металлов / В. Ф. Бобров. - Москва: Машиностроение, 1958. - 357 с.

6. Справочник технолога-машиностроителя: в 2 т. / Под ред. А. Г. Косиловой, Р. К. Мещерякова. -Москва: Машиностроение, 1985. - Т. 2. - 495 с.

7. Кожевников, Д. В. Резание металлов: учебник для вузов / Д. В. Кожевников. - 2-е изд., доп. -Москва: Машиностроение, 2012. - 304 с.

8. Шатуров, Д. Г. Технологические возможности управления режущей способностью лезвийного инструмента / Д. Г. Шатуров, Г. Ф. Шатуров // Вестн. Белорус.-Рос. ун-та. - 2016. - № 2. - С. 112-119.

Статья сдана в редакцию 30 марта 2020 года

Денис Геннадьевич Шатуров, канд. техн. наук, ст. преподаватель, Белорусско-Российский университет. Тел.: +375-297-46-19-67.

Валерий Константинович Шелег, д-р техн. наук, проф., чл.-кор. НАН Беларуси, Белорусский национальный технический университет. E-mail: Sheleh [email protected].

Denis Gennadyevich Shaturov, PhD (Engineering), senior lecturer, Belarusian-Russian University. Tel.: +375-297-46-19-67.

Valery Konstantinovich Sheleg, DSc (Engineering), Prof., Corresponding Member of the National Academy of Sciences of Belarus, Belarusian National Technical University. E-mail: [email protected].