Износ лезвийного инструмента при высокоскоростной обработке с дополнительным тепловым воздействием Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.91.01

Т.Г. Насад ИЗНОС ЛЕЗВИЙНОГО ИНСТРУМЕНТА ПРИ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ОБРАБОТКЕ С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ ТЕПЛОВЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ

Проведены исследования процесса изнашивания режущего инструмента из твердого сплава при обработке труднообрабатываемых материалов в условиях процесса высокоскоростной обработки с тепловым воздействием. Модель учитывает влияние температур на свойства обрабатываемого материала и позволяет повысить стойкость режущего инструмента, не снижая производительности обработки.

T.G. Nasad CUTTING TOOL WEAR AT HIGH-SPEED CUTTING WISH HEAT INFLUENCE

The article demonstrates the researches of the process of being worn out of a cutting tool from hard alloy during procedure of treating of hard materials within the conditions of the process of high speed processing with heat influence.

The model takes into consideration the influence of temperature on the characteristics of materials processing and allows increasing firmness of cutting tool.

Повышение эффективности высокоскоростной обработки (ВСО) с дополнительным тепловым воздействием в зоне резания связано с анализом процесса изнашивания режущего инструмента (РИ), так как стойкость относится к определяющим параметрам, влияющим как на производительность, так и на качество обрабатываемой поверхности.

Изнашивание инструмента предопределяет потерю его работоспособности, то есть необходимость замены либо правки. Частая смена РИ влечет за собой потерю производительности обработки и снижает надежность работы оборудования. При работе затупившимся резцом интенсифицируются тепловые процессы, а соответственно и механизмы адгезионного, диффузионного, окислительного и других видов износа.

Подавляющее большинство режущих инструментов из твердого сплава не способно работать в условиях высокоскоростного непрерывного резания и частично используется при высокоскоростной прерывистой обработке: строгании, торцевом и концевом фрезеровании. Причина такого использования твердого сплава заключается в его низкой теплостойкости 850-900°С, в то время как ВСО требует от инструмента более высокой теплостойкости при температурах 1000-1300°С.

Столь высокие требования по теплостойкости инструментального материала могут быть снижены, если ВСО осуществлять в условиях предварительного нагрева обрабатываемой поверхности. При нагреве механические свойства материала заготовки снижаются в несколько раз, что приводит к существенному уменьшению сил резания и температурного гра-

диента в детали и инструменте. Для оценки влияния теплового эффекта на изнашивание РИ при ВСО с тепловым воздействием, приняты следующие допущения:

1) Нагрев инструмента производится плоским неподвижным источником теплоты, действующим в течение времени тр лезвийного резания [2]:

П 1 Ь ^ У

0(хАу) = Iйхи I /, ч2и, ч2, (1)

20 и-ь 7(Х-Х^"+(У-У^2

где п - интенсивность тепловыделения; х, г - координаты исследуемой точки; хи, ги -координаты действующего источника; X - коэффициент теплопроводности; Ь - ширина источника; I - длина источника.

2) Общая мощность тепловыделения при ВСО определится выражением [3]:

№ = Рг V , (2)

где Рг - главная составляющая силы резания при ВСО, Н; V- скорость резания, м/с.

3) В процессе контакта резца с заготовкой часть теплоты (итоговый теплопоток) поступает в режущий инструмент, как в наименее нагретое тело.

Нагрев заготовки до заданной температуры 0п вызывает снижение механических свойств обрабатываемого материала и облегчает процесс резания. Зависимость механических свойств материалов от температуры нагрева приведена в справочной литературе и может быть аппроксимирована выражением:

г = о ехр

(3)

где ов0 - предел прочности на разрыв при температуре окружающей среды (20°С); ов, - предел прочности материала на растяжение при заданной температуре ; 0, - температура нагрева заготовки; 0о - средняя температура окружающей среды; к - коэффициент, учитывающий степень изменения механических свойств материала в зависимости от температуры нагрева; р - показатель степени.

Расчеты по формуле (3) показывают, что нагрев заготовки из стали 40Х до 500°С вызывает снижение ее прочности при резании в 2-2,5 раза.

Выполненные ранее исследования [1] позволили установить зависимость силы при ВСО от температуры предварительного нагрева:

Рг = ^-а Бв ау В •0еп , (4)

где 0п - температура предварительного нагрева металла до начала ВСО.

Расчеты показывают, что обработка нагретого металла обеспечивает значительное снижение тепловыделения при ВСО и меньшую температуру нагрева режущего инструмента в сравнении с резанием «холодного» металла.

Графики изменения температуры нагрева режущего инструмента от скорости резания с учетом теплового воздействия показаны на рисунке. Анализ полученной зависимости показал, что суммарная температура от фрикционного и лезвийного резания со скоростью 2025 м/с оказывается примерно такой же, как и при резании холодного металла со скоростями 120-150 м/мин.

ГО

ГО

го

ф

с

Скорость резания, м/с

Зависимость температуры лезвийного резания при обработке холодного и нагретого металла

1-без нагрева

2-300 град

3-400 град

4-500 град

5-850 град

Условия реализации схемы ВСО прерывистого резания, при которых обеспечивается необходимая теплостойкость твердого сплава, зависят от следующих факторов:

- времени контакта с заготовкой и структуры цикла нагрев-охлаждение;

- механических и теплофизических характеристик обрабатываемого и инструментального материалов.

При повышении скорости резания возрастает и тепловая напряженность процесса.

Экспериментально установлена связь температуры нагрева поверхности заготовки с режимами высокоскоростного резания:

0 = СУ-а Бв а1В , (5)

где С - эмпирический коэффициент; У, Б, а - режимы резания; В - ширина заготовки; а, в, у - показатели степени (<1). На основании вышесказанного следует ожидать замедления роста температуры с возрастанием скорости резания У.

Структура цикла нагрев-охлаждение является важнейшим условием реализации схемы ВСО с предварительным нагревом. Длительность цикла зависит от ширины обрабатываемой заготовки и скорости резания. Если интенсивность стока за период охлаждения постоянна, то закон охлаждения резца выражается зависимостью:

( т Л

® л

- 4-^ Ат I

V н У

(6)

где 0н - температура предварительного нагрева,°С; Ат - период охлаждения.

Следовательно, подбирая соотношения периода обработки и холостого пробега, учитывая физико-механические свойства контактирующей пары РИ - деталь и используя теплофизические исследования, можно подобрать такие режимы резания, которые обеспечивают оптимальное тепловое воздействие и соответственно минимизируют износ РИ.

Экспериментальные исследования проводились для определения численного значения периода стойкости лезвийного режущего инструмента в зависимости от температурных условий. Увеличение температуры в зоне деформации влечет за собой активизацию адгезион-

ных, диффузионных, окислительных и других процессов, поэтому важно обеспечить условия, при которых стойкость РИ имеет максимальное значение.

В качестве критерия при исследовании принята величина линейного износа резца по задней грани.

Эксперименты проводились при следующих режимах обработки: Р=5...30 м/с; £„=30.. .120 мм/мин; а=1,0...0,3 мм; а1=0,2...1,0 мм. Исследовались образцы из следующих материалов: сталь 45, сталь Х18Н9Т, сталь 40Х, сталь У8А, чугун СЧ-15.

В качестве входных параметров принимались температура предварительного нагрева ©н и величина износа по задней поверхности Дм. Эксперименты проводились с использованием двухуровневого дробного факторного эксперимента ДФЭ 25-2. Обработка экспериментальных данных производилась по известной методике [3], что позволило получить формулу вида:

Дм = 0,5 V-°’6 Б0,2 а0,6 Ьол . (7)

Значения коэффициентов и показателей степени в формуле (7) для различных обрабатываемых материалов представлены в таблице.

Значения коэффициентов и показателей степени в формуле (7)

Материал заготовки С2 а2 Р2 У2

Сталь 40Х 0,52 0,57 0,63 0,11

Сталь У8А 0,55 0,54 0,61 0,12

Сталь Х18Н9Т 0,54 0,52 0,59 0,11

СЧ-15 0,46 0,50 0,58 0,09

Используя зависимость (7), можно рассчитать значения режимов ВСО с фрикционным нагревом, обеспечивающих допустимую величину износа и соответственно требуемую шероховатость поверхности Я2. С учетом температуры предварительного нагрева зависимость (7) может быть приведена к виду:

Ди = ©Н’3 V021Б°,12 а°,61?л . (8)

Температура предварительного нагрева определялась режимами фрикционного резания. Из графика видно, что увеличение температуры нагрева с 250 до 400°С для стали 45 вызывает снижение износа резца в среднем в 2 раза. Подобное явление будет иметь место в зоне деформации в течение периода, пока температура не достигнет оптимальных значений, после чего износ снова будет нарастать вследствие активизации диффузионных процессов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Насад Т.Г. Определение силовых зависимостей при высокоскоростной обработке с дополнительным тепловым воздействием // СТИН. 2001. № 6. С. 26-28.

2. Резников А.Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов. М.: Машиностроение, 1981. 279 с.

3. Резников А.Н., Резников Л. А. Тепловые процессы в технологических системах. М.: Машиностроение, 1990. 288 с.

4. Грачев Ю.П. Математические методы планирования эксперимента. М.: Машиностроение, 1970. 278 с.

Насад Татьяна Геннадиевна -

кандидат технических наук, доцент,

докторант кафедры «Автоматизация и управление технологическими процессами» Саратовского государственного технического университета