CC BY
66
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014
%
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
УДК 62195 Е. В. АРТАМОНОВ
М. О. ЧЕРНЫШОВ
Тюменский государственный нефтегазовый университет
МОДЕЛЬ
РАЗРУШЕНИЯ И ПРОЧНОСТИ РЕЖУЩИХ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СБОРНЫХ СВЕРЛ__________________________
Представлена модель разрушения режущих элементов из твердых сплавов сборных сверл с учетом их состояния во всем температурном диапазоне резания металлов: хрупкое разрушение, хрупко-пластическое, пластическое, критическая текучесть кобальтовой связки.
Ключевые слова: разрушение, прочность, расчет напряжений, сборные сверла, режущие твердосплавные элементы.
Анализ статистики видов разрушения сменных режущих головок сборных сверл, в производственных условиях, по материалам ООО «Тюменьсталь-мост» показал, что на долю отказов в результате скалывания, выкрашивания и поломок твердосплавных режущих головок приходится 80 % (рис. 1).
Причинами отказов режущих инструментов являются высокие напряжения на поверхностях контактной зоны лезвия, вызывающие контактные пластические деформации, значительные силы и температуры резания. Предрасположенность режущего инструмента к тому или иному виду отказов в первую очередь зависит от характеристик инструментального и обрабатываемого материалов и условий реза-
ния (прерывистое/непрерывное резание, черновая/ чистовая обработка и др.) [1].
Отказ сборного режущего инструмента может произойти из-за повреждений режущей части или деталей механического крепления режущих элементов.
В работе [2] была высказана и доказана гипотеза
о применимости критерия прочности Писаренко — Лебедева для решения задач прочности твердосплавных сменных режущих пластин сборных токарных резцов и торцовых фрез, которые имеют сложный характер разрушения: хрупкий, хрупко-пластический и пластический.
Однако сменные режущие элементы сборных сверл из твердых сплавов работают в своих особых
Рис. 1. Доли отказов режущих элементов сборных сверл (по материалам ООО «Тюменьстальмост»)
условиях. Режущая головка сборного сверла, как правило, имеет четыре режущих кромки: две главные и две вспомогательные (ленточки). Главные режущее кромки работают при постоянном статическом нагружении, в условиях высоких скоростей и температур резания, особенно на периферийной части режущей головки, где скорость сверления имеет максимальное значение. При этом, как правило, сборные режущие сверла, оснащенные сменными режущими головками из инструментальных твердых сплавов, работают при высоких скоростях резания, обусловливающих возникновение вибраций и биение инструмента. Поэтому вспомогательные режущие кромки (ленточки) работают в условиях циклического нагружения, что приводит к скалываниям и хрупкому разрушению периферийной части режущей головки.
На основании изложенного выше применимость критерия Писаренко — Лебедева для режущих твердосплавных элементов сборных сверл требует специального прочностного анализа и экспериментального доказательства.
Анализ отказов при работе сборных сверл показал, что их разрушение имеет хрупкий характер.
В соответствии с теорией Г. С. Писаренко и А. А. Лебедева процесс разрушения хрупких материалов состоит из двух стадий: первая — возникновение трещин; вторая — развитие и распространение трещин [3].
Теория прочности Писаренко—Лебедева основана на предположении о том, что наступление предельного состояния обусловлено способностью материала оказывать сопротивление как касательным, так и нормальным напряжениям. Критерий прочности предлагается искать в виде инвариантных к напряженному состоянию функций касательных напряжений, например октаэдрических касательных напряжений и максимального нормального напряжения.
Для материалов, обладающих существенной структурной неоднородностью (отдельные виды металлокерамики, графиты, пенопласты, каменное литье и т.п.), предложено условие прочности через эквивалентные напряжения [3]:
: cs + (1 - x^-A1 1 < s
1 =
Si + So + So
X = •
(i)
(2)
(3)
где 1 — параметр напряженного состояния; A — параметр структуры материала. Величина A для сплавов WC-Co равна 0,8; для сплавов WC-TiC-Co равна 0,7. Пределы прочности на растяжение ав, сжатие а_в, а следовательно, и параметр % зависят от температуры резания.
На рис. 2 в относительных координатах -^-,
sp sр
представлены кривые |io = const. Константа A во всех случаях принята равной 0,75. Из рисунков видны следующие общие закономерности изменения предельных поверхностей в зависимости от значений пара-
в
S
в
1 ч ' N \ \ a a, III
3 ^ - N л 4 \\ X ~ 0.25 i \ \ 4
— : —"С 3 х 0.5 ' ivJ \ !
X = 0-75 . / 2 ^ /п' ч 2 1VJ ' \ ■\Y
/> ff Oft CT*
-3 -2 -1 0 1-1 0 1-1 0 1
ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ КРИТЕРИЯ ПРОЧНОСТИ
1-/уст=+1; 2-^=0; 3-//а = -1.
Рис. 2. Геометрическая интерпретация критерия прочности Писаренко-Лебедева
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
45
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014
Рис. З. Разрушенные режущие головки сборного сверла после эксплуатации
метра X: по мере перехода к более хрупким материалам (меньшие значения х) влияние шарового тензора и вида девиатора увеличивается. Так, если при X=0,75 предельные поверхности незначительно отличаются от поверхности вращения, то при х = 0,25 девиатор-ные сечения имеют явно выраженную форму криволинейных треугольников.
Анализ разрушенных режущих головок сборного сверла STAW фирмы Mitsubishi после эксплуатации показал, что имеет место хрупкий, хрупко-пластический и пластический характер их разрушения (рис. 3), а поверхности разрушения режущих элементов из твердых сплавов ограничиваются траекториями, которые хорошо описываются геометрической моделью критерия прочности Писаренко— Лебедева (рис. 2) выявлено:
I зона — хрупкое разрушение при х = 0,25-0,5;
II зона — хрупко-пластическое разрушение при X = 0,5-0,75;
III зона — хрупко-пластическое разрушение при
х®1;
IV зона — критическая текучесть кобальтовой связки X =1.
Таким образом, на основании изложенного выше материала можно сделать вывод, что геометрическая модель критерия прочности Писаренко — Лебедева
хорошо описывает сложный характер разрушения режущих твердосплавных элементов сборных сверл и может быть применима для решения этих задач.
Библиографический список
1. Григорьев, С. Н. Методы повышения стойкости режущего инструмента / С. Н. Григорьев. — М. : Машиностроение, 2011. - 368 с.
2. Механика разрушения и прочность сменных режущих пластин из твердых сплавов / Е. В. Артамонов [и др.]. — Тюмень : ТюмГНГУ, 2013. — 148 с.
3. Писаренко, Г. С. Деформирование и прочность при сложном напряженном состоянии / Г. С. Писаренко, А. А. Лебедев. — Киев : Наукова думка, 1976. — 416 с.
АРТАМОНОВ Евгений Владимирович, доктор технических наук, профессор (Россия), заслуженный работник высшей школы РФ, заведующий кафедрой «Станки и инструменты».
ЧЕРНЫШОВ Михаил Олегович, аспирант, ассистент кафедры «Станки и инструменты».
Адрес для переписки: gegrbt@rambler.ru
Статья поступила в редакцию 13.01.2014 г.
© Е. В. Артамонов, М. О. Чернышов
