CC BY
9
Машиностроение и машиноведение
МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ В МЕТАЛЛОРЕЖУЩЕМ
ИНСТРУМЕНТЕ Верещагин Владислав Юрьевич, доцент (E-mail:[email protected]) Новосибирский государственный педагогический университет,
г.Новосибирск, Россия Верещагина Александра Сергеевна, к.т.н., доцент (E-mail: [email protected]) Новосибирский государственный технический университет,
г. Новосибирск, Россия
Доля инструментальных затрат в структуре себестоимости изготавливаемого изделия растёт и для авиационных труднообрабатываемых материалов может составлять до десяти процентов. Необходимы меры по их снижению. Например, необходимо выбирать такой металлорежущий инструмент, период работоспособности которого кратен или равен требуемому.
Ключевые слова: моделирование, инструмент
Избыточный период работоспособности инструмента, как правило, востребовать не удаётся, т.е. он полностью не используется, но он вошёл в стоимость инструмента. Недостаточный период работоспособности режущего инструмента ведёт к ещё большим затратам. Проектирование инструмента с требуемым периодом работоспособности под заданные условия его эксплуатации затруднительно по ряду ограничений. Слишком много параметров влияет на работоспособность режущего инструмента. С нашей точки зрения, одним из таких параметров, может быть величина и характер распределения внутренних напряжений в режущем клине металлорежущего инструмента. Это совокупный параметр, не имеет прямой связи с периодом работоспособности, но наша методология построена на известной концепции: при равных условиях меньшей величине напряжений соответствует больший период работоспособности. При таком подходе в качестве управляющего фактора для обеспечения требуемого периода работоспособности инструмента может быть применено покрытие той или иной архитектуры (конструкция покрытия, его общая толщина и толщина каждого из слоёв, структура и состав слоёв и т.д.) на твёрдосплавном инструменте. Многообразие существующих архитектур (конструкция, состав, толщина общая и толщина каждого из слоёв и т.д.) покрытий затрудняет выбор рационального из них. Их перебор при экспериментальной апробации длителен и дорог. Возникла потребность в компьютерном моделировании.
Методика исследования
Для моделирования использован пакет программ АКБУБ [1]. Методика моделирования распределения напряжений в режущем клине металлорежущего инструмента без покрытия и с несколькими различными покрытиями была рассмотрена в работах [2, 3]. Напряжения в режущем клине инструмента рассматривали в главной секущей плоскости (рисунок 1) [4].
Рисунок 1 - Режущая часть резца из твердого сплава ВК8 (а) и сечение в главной секущей плоскости А - А: а - главный задний угол;
Y - передний угол [4, 5]
Использован следующий методологический подход (концепция):
1. Работоспособность (например, период износостойкости) металлорежущего инструмента тем выше, чем меньше сила резания.
2. Сила резания прямо пропорционально связана с напряжениями, возникающими в режущем инструменте.
3. Если обеспечить в режущем инструменте напряжения меньшей величины, то следует ожидать большую его работоспособность. При обеспечении в режущем инструменте напряжений меньшей величины ожидается его большая работоспособность.
4. Управлять величиной напряжений можно за счёт применения тех или иных покрытий на субстрате инструментального материала, т.е. за счёт ар-хитектурирования [4] покрытия под заданные условия его эксплуатации.
5. Проведение компьютерного моделирования инструментального материала (субстрат + покрытие) на этапе его разработки. В основе такого моделирования может лежать стремление обеспечить минимальный уровень напряжений, что должно привести к соответствующему приросту работоспособности инструмента.
Зависимость между силой резания и максимальными напряжениями в режущем клине инструмента получена С. И. Петрушиным [6, 7]. Она описана выражением, с прямо пропорциональной зависимостью максимальных напряжений от силы резания (omax ~ P):
Ру ■ [cos у • sin (у + ©) - sin a ■ cos(a - ©) + fí ■ cos ©] + Pz ■ [sin a ■ sin (a - ©) -
^max 2 Г/ . 2 2 ^ ~r>2
r ■ |^sin a - cos у)-р +
cos у ■ cos(y + © - P ■ sin ©) _ + (sin a- cos a- sin у ■ cos у)2 ]
где Py, - радиальная составляющая силы резания;
Pz - главная составляющая сила резания;
а - главный задний угол;
у - передний угол;
т,& - полярные координаты.
При изучении распределения напряжений в режущем клине инструмента рассчитывали контактные напряжения oz и oy, действующие в направлении, соответственно параллельном передней поверхности и перпендикулярном к ней.
Рассматривали следующие инструментальные материалы: субстрат -твёрдый сплав марки ВК8; однослойное покрытие из нитрида титана TiN толщиной 5 мкм; однослойное композиционное покрытие (TiAl)N; трёхслойное покрытие Ti+TiN+(TiAlCr)N.
Примеры полей (картин распределения) напряжений для таких инструментальных материалов показан на рис. 2. Числа на полях напряжений показывают линию напряжений в МПа
в)
Рисунок 2 - Поля напряжений о2 в режущем клине твердосплавного инструмента марки 004230: а - без покрытия; б - с покрытием (Т1А1)К; в - с трёхслойным покрытием Т1+Т1К+(Т1А10г)К.
Экспериментально установлены наиболее рациональные инструментальные материалы по периоду их износостойкости. Они сопоставлены с моделированными напряжениями при аналогичных условиях эксплуатации. Установлено, что меньшие величины напряжений соответствуют большим периодам износостойкости инструмента.
Осуждаемые результаты
При изготовлении ряда деталей, выполненных из труднообрабатываемых авиационных материалов, до 80% объёма материала удаляется твёр-досплавными концевыми фрезами. Для таких случаев чрезвычайно важно без ущерба производительности и качеству обработки правильно спроектировать инструментальный материал (субстрат + покрытие), обеспечивающий требуемый период его работоспособности.
Рассмотрен случай обработки твёрдосплавными (марка ВК8) концевыми фрезами диаметром 16 мм заготовок деталей, выполненных из нержавеющей стали 12Х18Н10Т Параметры режима резания выбирали по справочным рекомендациям [8, 9, 10] с варьированием в пределах: подача на зуб 0,05 - 0,2 мм/зуб; глубина резания 0,25 - 1,0 мм; ширина встречного фрезерования 12 мм; скорость резания 50 - 250 м/мин.
Имелась техническая возможность [5, 11, 12] осуществить нанесение покрытий: (Т1Л1)К и Т1+Т1К+(Т1Л1Сг)К. Поэтому для исследования фрез выбраны именно они. Проведено экспериментальное исследование их периода износостойкости при выбранных параметрах режимов резания. Полученные результаты показаны на рис. 3. Для этих же инструментальных материалов (субстрат + покрытие) с использованием пакета программ ЛКБУБ компьютерным моделированием определены картины распределения внутренних напряжений в режущем клине инструмента, по ним выбраны максимальные значения напряжений, с их использованием рассчитаны эквивалентные напряжения, которые иллюстрированы на рисунке 3.
70 60
к
& 50 §
« 40 о
£ 30
о
§ 20
3 «
о к
Л и
С
10 0
3,4
3,35
3,3
3,25
3,2
3,15
л X
н
ей
К м
¡а С
и «
К К
И X
и 8
т %
й «
X Л
я 5
^ Й
к в
ч
и
т
|-1Величина эквивалентных напряжений, ГПа
♦ Период износостойкости, мин
Рисунок 3 - Тенденций изменения периода износостойкости Т фрез и максимальных эквивалентных напряжений (оэкв) в режущем клине при различном исполнении (субстрат + покрытие) инструментального материала
для обработки материала12Х18Н10Т 1 - ВК8 (без покрытия); 2 - (Т1ЛВД 3 - Т1+™+(Т1Л1Сг)К
Анализом результатов экспериментального исследования периода износостойкости и полученных эквивалентных напряжений установлена тенденция: более высокий период износостойкости отмечается у того инструментального материала, для которого характерна меньшая величина эквивалентных напряжений. Эта тенденция характерна хоть для обработки титанового сплава, хоть для обработки нержавеющей стали.
Выводы
1. Установлена обратная тенденция соотношения максимальных эквивалентных напряжений и периода износостойкости независимо от обрабатываемого материала, а именно, чем ниже напряжения, тем выше период износостойкости.
2. Прирост периода износостойкости выше снижения напряжений.
3. Порядок расположения инструментальных материалов по периоду износостойкости и по напряжениям одинаков для всех рассмотренных обрабатываемых материалов.
4. Выполненные исследования показали справедливость принятой концепции управления работоспособностью инструмента за счёт моделирования величин напряжений при варьировании инструментальным материалом, а именно архитектурой покрытий.
5. В ходе выполненных работ создана методика снижения инструментальных затрат путём управления выбором инструментального материала по результатам компьютерного моделирования напряжений в режущем клине.
Список литературы
1. Верещагин В.Ю. Составные твердосплавные концевые фрезы как альтернатива цельным и сборным твердосплавным концевым фрезам / Б.Я Мокрицкий, В.Ю. Верещагин, Е.Б. Мокрицкая, С.А. Пячин, С.В. Белых, А.С. Верещагина // СТИН - №6. -2016. - С .7 - 10
2. Верещагин В.Ю. Прогнозное моделирование архитектуры покрытия на металлорежущем инструменте В.Ю. Верещагин, Б.Я. Мокрицкий, А.С. Верещагина // Упрочняющие технологии и покрытия. 2018. Т. 14. № 4 (160). С. 147-156
3. Верещагин В.Ю. Концепция проектирования эффективного покрытия путем моделирования рациональных напряжений в режущем инструменте под заданные условия его эксплуатации / В.Ю. Верещагин, Б.Я. Мокрицкий, А.С. Верещагина // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2018. Т. 22. № 9 (140). С. 20-27.
4. Табаков, В. П. Функциональные параметры процесса резания режущим инструментом с износостойкими покрытиями : учебное пособие / В. П. Табаков, А. С. Ве-рещака, С. Н. Григорьев. - Ульяновск : УлГТУ, 2012. - 172 с. ISBN 978-5-9795-1000-0
5. Табаков В.П. Формирование износостойких ионно-плазменных покрытий режущего инструмента // Монография. - М.: Машиностроение, 2008, - 310 с.
6. Петрушин С. И. Теоретические основы оптимизации режущей части лезвийных инструментов: дис. ... д-ра техн. наук. - М., 1995. - 307 с.
7. Петрушин С. И., Бобрович И. М., Корчуганова М. А. Оптимальное проектирование формы режущей части лезвийных инструментов: учебное пособие. - Томск: Изд. ТПУ, 1999. - 91 с.
8. Марков А.М., Счигёл Норберт. Обеспечение качества изготовления деталей из композита. VIII International scientific and practical conference «Innovations in mechanical engineering». 2005, с. 219 - 225.
9. Мешкас А.Е., Макаров В.Ф., Ширинкин В.В. Технологии, позволяющие повысить эффективность обработки композиционных материалов методом фрезерования // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. № 8-2. С. 291 - 299
10. Болотеин А.Н. Анализ напряженно-деформированного состояния деталей после механической обработки средствами компьютерного моделирования. // Вестник Рыбинской государственной авиационной технологической академии им. П. А. Соловьева. 2014. № 1 (28). С. 54-60.
11. Инструментальное обеспечение современных машиностроительных производств : моногр. / Б. Я. Мокрицкий, П. А. Саблин, А.А. Верещака. - Комсомольск-на-Амуре : ФГБОУ ВО «КнАГТУ», 2017. - 200 с.
12. Верещака А. А., Верещака А.С., Зинченко Г.В., Козлов А. А., Устинов А.А. Инновационные функциональные покрытия для режущего инструмента: статья // М.: ИКТИ РАН, МГТУ «СТАНКИН», МГТУ «МАМИ», 2012. - 12 с.
Vereshchagin Vladislav, associate Professor (E-mail:[email protected])
Novosibirsk state pedagogical University, Novosibirsk, Russia Vereshchagina Alexandra Sergeevna, Ph. D., associate Professor (E-mail: [email protected]) Novosibirsk state technical University, Novosibirsk, Russia STRESS MODELING IN A METAL-CUTTING TOOL
The share of tool costs in the cost structure of the manufactured product is growing and for aircraft materials that are difficult to process can be up to ten percent. Measures are needed to reduce them. For example, you need to choose a metal-cutting tool that has a multiple or equal working life. Keywords: modeling, tool
