РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ СМЕННЫХ РЕЖУЩИХ ПЛАСТИН ПРИ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКЕ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ СМЕННЫХ РЕЖУЩИХ ПЛАСТИН ПРИ

ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКЕ

1 2

Нгуен Мань Ха , До Ман Тунг Email: Нгуен[email protected]

1Нгуен Мань Ха - магистрант;

2До Мань Тунг - кандидат технических наук, заведующий лабораторией, заместитель заведующего кафедрой, кафедра технологии машиностроения, Вьетнамский государственный технический университет им. Ле Куй Дона, г. Ханой, Социалистическая Республика Вьетнам

Аннотация: токарные резцы работают в условиях высоких нагрузок и температур, что влияет на точность и эффективность процесса обработки. В данной статье представлены математическое моделирование и экспериментальные методы для определения внешней нагрузки, действующей на режущий инструмент в процессе токарной обработки, также построен метод оценки прочности режущих инструментов и расчет на прочность сменных режущих пластин при токарной обработке стали 40X и титановых сплавов с использованием комбинации программ ANSYS. Полученные результаты расчетов являются важными исходными данными для расчета и проектирования резцов с целью повышения точности и эффективности процесса обработки, а также используются для анализа прочности других видов режущих инструментов.

Ключевые слова: комбинация программ ANSYS, резание металлов, режущие инструменты, точение, прочность режущих инструментов, сменная режущая пластина, сталь 40x, титановые сплавы.

CALCULATION OF THE STRENGTH OF CUTTING INSERTS DURING

TURNING Nguyen Manh Ha1, Do Manh Tung2

1Nguyen Manh Ha - Undergraduate;

2Do Manh Tung - PhD of Technical Sciences, Head of the Laboratory, Deputy Head of the Department, DEPARTMENT OF ENGINEERING TECHNOLOGY, LE QUYDON TECHNICAL UNIVERSITY, HANOI, SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM

Abstract: turning tools operate under high loads and temperatures, which affects the accuracy and efficiency of the machining process. This article presents mathematical modeling and experimental methods for determining the external load acting on the cutting tool during turning, also built a method for assessing the strength of cutting tools and calculation of the strength of cutting inserts when turning steel 40X and titanium alloys using ANSYS software. The obtained calculation results are important initial data for the calculation and design of cutters in order to increase the accuracy and efficiency of the machining process, and are also used to analyze the strength of other types of cutting tools

Keywords: ANSYS software, cutting metal, cutting tools, turning, strength of cutting tools, Cutting inserts, Steel 40X, Titanium alloys.

УДК 608.1:608.2

1. Введение

Титановые сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью, механическими свойствами и при этом имеет сравнительно небольшую массу, что используются не только в области авиакосмической промышленности и производства вооружения, но ив области гражданского производства.

Однако, титановые сплавы имеют низкую теплопроводность и обладают высокой эластичностью. При механической обработке, они часто проявляют большие усилия резания и нагревание, действующие на резец, что возникает химическая реакция между титановыми сплавами с резцом, вызывает износ режущего инструмента.

Для повышения точности и эффективности при токарной обработке деталей из титанового сплава необходимо рассчитать прочность сменных режущих пластин. В данной статье проводится построение математической модели для анализа прочности сменной режущей пластины на основе метода конечных элементов (МКЭ), результат которого позволяет улучшить конструкцию и надежность резцов с наименьшими затратами.

Кроме этого, проведение анализа прочности резца в процессе работы позволяет находить места, подверженные самым экстремальным нагрузкам, для оптимизации их конструкции и формы.

2. Математические модели определения прочности сменных режущих пластин в процессе токарной обработки

2.1. Оценка прочности режущего инструмента

В этой статье используется критерий для оценки прочности режущего инструмента с помощью эквивалентных напряжений, возникающим в режущем инструменте в процессе обработки, по сравнению с пределом напряжения в качестве режущего инструмента (предел

прочности на растяжение - §к , предел прочности на сжатие - 8' ). Оценивается прочность

режущих инструментов по следующим критериям:

a. Критерий 1: Критерий предельного состояния описывается с помощью следующего выражения [4, 5, 7, 9]:

< = Х<1 + (1 - Х)<1-Р < < (1)

Где: Х = ак / ап - константа материала при заданных условиях работы; < -интенсивность напряжения в рассматриваемой точке:

< = -1 -<2)2 + (<2 -<3)2 + (<3 -<)2 ; <, а2, <г3 - основные напряжения в >/2

режущем инструменте; р = Л1-'; Л - константа материала, отражающая дефекты в материале; ] = (<1 + <г2 + ст3) / < - параметры напряженного состояния.

b. Критерий 2: Критерий предельного состояния для сплавов группы WC-Co, когда температура менее 870°К [4, 5, 7, 9]:

^ 8 +82 +83

8л= 0,24.8+ 0,76.81.0,8 81 <8к (2)

Запас прочности инструментального материала определяется по формуле:

п = < < (3)

2.2. Модель внешней нагрузки, действующей на режущую пластину во процессе токарной обработки

Чтобы оценить прочность режущего инструмента, необходимо определить величину и распределение контактной нагрузки на поверхности режущего инструмента. Внешняя нагрузка, действующая на режущую пластину, моделируется путем приложения контактной нагрузки в следующих трех формах:

а. Сосредоточенная нагрузка: Внешняя нагрузка приложена в центре силы спереди и сзади, примерно на 0,3С от основного лезвия, где С - длина контакта стружки с передней частью (Рис. 1). Чтобы удалить концентрацию напряжений в центре силы, заменяется сосредоточенная сила силами, равномерно распределенными по длине от 0,2С до 0,4С (Рис. 2) [3, 9].

Рис. 1. Сосредоточенная нагрузка действует на передней и задней части

Ь. Равномерная распределенная нагрузка: Действует равномерное распределение нормальных и касательных напряжений на всей длине контакта стружки с передней поверхностью и на фаске задней поверхности, моделирующей износ (Рис. 3). Суммарные силы на передней и задней поверхностях такие же, что и при действии сосредоточенных нагрузках [3, 9].

в! (*_р1мО_Ь|)_Й«1

6; Э™с1иг*1

(Г/иг««! а» сн

Ир пк* Я Гкс4 ^цррвП

Рис. 2. Равномерная распределенная нагрузка действует на передней и задней части

с. Нагрузка, распределенная по установленному закону: Для приложения реальных внешних напряжений, действующих на передней поверхности, разбивается участок длины контакта стружки с передней поверхностью на равные участки, например, на 15 участков [3,9].

Распределение к^лкшых нагруюк [нормапь1+ое нкаслелынос напряжен не > на лередней поаерлносш

Р« СТИР!* О" ООКЛИЛА

Рис. 3. Нагрузка, распределенная по установленному закону

2.3. Построение модели и генерация сетки КЭ модели режущей пластины

Сменная режущая пластина в процессе токарной обработки моделируется, как показано на рис. 4, включая следующие основные параметры: Ь - ширина режущей пластины; h - толщина модели резца; р - радиус округления режущей пластины; а -

задний угол; у - передний угол; С - длина контакта стружки с передней поверхностью; L - длина модели резца [9].

Рис. 4. Модель сменной режущей пластины токарного резца

Сетка для расчетной области строится из элементов тетраэдра с помощью инструмента Mesh в программе Ansys. Кроме того, используются инструменты Egde sizing, Inflation и методы построения сетки, опубликованные в [1, 24], для генерации сетки сложных граней и линий на гранях режущей пластины. КЭ модель режущей пластины представлен на рис. 5, включая: 115268 узлов; 26660 элементов.

Рис. 5. КЭ модель режущей пластины

3. Построение экспериментальной модели для определения внешней нагрузки, действующей на режущий инструмент в процессе токарной обработки 3.1. Экспериментальная модель

Усилие резания при точении измеряется датчиком усилия Kistler 9129АА (Рис. 6) [6, 8].

Рис. 6. Датчик силы Kistler 9129AA

Kistler 9129АА - это многокомпонентный динамометр, используемый для измерения трех компонентов вектора силы и трех компонентов вектора крутящего момента со следующими характеристиками: Размер 107 х 150 х 32 мм; Диапазон измерения: -10 ^ 10 кН. Общая схема подключения динамометра Kistler 9129АА с токарным станком и устройством индикации усилия представлена на рисунках 7 и 8 [6, 8].

Рис. 7. Общая схема подключения динамометра Kistler

Рис. 8. Экспериментальное измерение силы резания при точении с помощью динамометра Kitsler 3.2. Измерение силы резания

Результаты экспериментов по измерению силы резания с помощью динамометра Kistler 9129АА на токарном станке с ЧПУ СшаппаШ Fanuc 2Н-Т при токарной обработке стали 40Х резцом Т15К6 и при токарной обработке титанового сплава ВТ3-1 резцом ВК8 с режущей пластиной ССМА16-04-04 ^=16,1 мм; d=4,2 мм; S=4,76 мм; г=0,4 мм; у=0°, а=7°, hз=0,9 мм, аЬ=0°) и с режимом резания t=2 мм; s=0,43 мм/оборот; v=60 м/мин представлены на рисунке 9 и в таблицах 1 и 2.

Рис. 9. Диаграмма составляющих сил резания при обработке стали 40Х

Износ на задней поверхности hз (мм) Сила резания во время стабилизации (Н)

Px Py Pz P A xv

0,9 412 466,1 575 622

Таблица 2. Сила резания при обработке титанового сплава ВТ3-1 резцом ВК8

Износ на задней поверхности h (мм) Сила резания во время стабилизации (Н)

Px Py Pz P A xv

0,9 1582,2 2373,3 2744,5 2848

Нормальная сила Nt и Ns, действующая на переднюю и заднюю часть режущей пластины, определяется по формуле [3, 4]:

-[P - f BC os а + B. Sin а]

N =-^^--- (4)

- f. Sin у + A.Sina- Cos а - A. f. Cos а

-(f. Cos у + Sin y).N + P

N = —----y- (5)

* C osa + f .Sin a

Тангенциальная сила Ft и Fs, действующая на переднюю и заднюю часть режущей пластины, определяется по формуле [3, 4]:

F = fNs; F= fN (6)

- f.Cos у + Sin у B Py

„ A =- ; B =-; f : коэффициент трения.

Где: C osa + f .Cosa C osa + f .Cosa

4. Результаты анализа прочности сменной режущей пластины в процессе токарной обработки

В этой статье рассчитается прочность режущей пластины CCMA16-04-04 со следующими геометрическими параметрами: L=16,1 мм; диаметр отверстия d=4,2 мм; толщина S=4,76 мм; г=0,4мм; у=0°, a=7°, h3=0,9 мм, ah=0° (Рис. 10) при токарной обработке стали 40Х и титанового сплава ВТ3-1 с режимом резания: t=2 мм; s=0,43 мм/оборот; v=60 м/мин.

Рис. 10. Режущая пластина ССМА16-04-04 Резец для обработки стали 40Х изготавливается из стали Т15К6 с прочностью на изгиб Си = 1176 МПа. Резец для обработки титанового сплава изготавливается из твердого сплава

ВК8 с размером частиц от 1^2 мкм, критическое напряжение при растяжении: ск = 780 МПа, а при сжатии: Сп = 4200 МПа.

Результаты анализа напряженно-деформированного состояния режущей пластины при токарной обработке стали 40Х и титанового сплава с помощью программного обеспечения Ansys представлены на рисунках 11 ^ 16.

Рис. 11. Эквивалентное напряжение режущей пластины Т15К6 при обработке стали 40Х: Максимальное эквивалентное напряжение а,Мса=385,74 МПа

ув

Рис. 12. Нормальное напряжение режущей пластины Т15К6 при обработке стали 40Х: Максимальное

нормальное напряжение аМаа=200,65МПа

Рис. 13. Касательное напряжение режущей пластины Т15К6 при обработке стали 40Х: Максимальное касательное напряжение гМах=163,61 МПа

Рис. 14. Эквивалентное напряжение режущей пластины ВК8 при обработке титанового сплава: Максимальное эквивалентное напряжение а,Мах=3206,9 МПа

Рис. 15. Нормальное напряжение режущей пластины ВК8 при обработке титанового сплава: Максимальное нормальное напряжение иМса=3759,1 МПа

Рис. 16. Касательное напряжение режущей пластины ВК8 при обработке титанового сплава: Максимальное касательное напряжение гМах=859,45 МПа

5. Выводы

Обрабатываемый материал влияет на напряженно-деформированное состояние режущего инструмента: при обработке титанового сплава ВТ3-1 эквивалентное напряжение в 8 раз выше, чем при обработке стали 40Х (3206,9 МПа по сравнению с 385,74 МПа; нормальное напряжение в 18 раз выше (3759,1 МПа по сравнению с 200,65 МПа); касательное напряжение в 5 раз выше (859,45 МПа против 163,61 МПа).

При обработке титанового сплава ВТ3-1 эквивалентное напряжение режущей пластины резца ВК8 достаточно высокое (стЙМах=3206,9 МПа), приближаясь к критическому

напряжению при сжатии СГп = 4200 МПа. При обработке стали 40Х в тех же условиях

эквивалентные напряжения режущей пластины резца Т15К6 значительно ниже.

При обработке титанового сплава ВТ3-1 с помощью режущей пластины резца ВК8 с геометрией режущей пластины и режимом резания, как указано выше, режущая пластина

резца BK8 обеспечивает прочное состояние и имеет коэффициент безопасности режущей

пластины n = & / ~ 1,31.

n taMax >

Список литературы /References

1. Басов К.А. ANSYS в примерах и задачах/ К. А. Басов. М.: КомпьютерПресс, 2002. 224 с.

2. Каплун А.Б. ANSYS в руках инженера: практ. руководство/ А.Б. Каплун, Е.М. Морозов, М.А. Олферьева. М.: Едиториал УРСС, 2003. 272 с.

3. Лоладзе Т.Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента. М.:Машиностроение, 1982. 320 с.

4. Новиков Г.В., Снисаренко И.Н. Повышение прочности и износостойкости режущего инструмента / Г.В. Новиков, И.Н. Снисаренко // Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации. Ч. 1 : Материалы 6 Международной научно-технической конференции. Курск, 2008. С. 218-224.

5. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов: учеб. для вузов / В.И. Феодосьев. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999. 592 с.

6. Пономарев Б.Б. Выбор динамометра для измерения силы резания при концевом фрезеровании / Б.Б. Пономарев, Ш.Х. Нгуен // Вестник Брянского государственного технического университета, 2019. № 5. С. 15-24.

7. Титов В.Б., Ревин Н.Н., Зубарев Ю.М. Моделирование напряженно-деформированного состояния и оценка хрупкой прочности режущего инструмента / В.Б. Титов, Н.Н. Ревин, Ю.М. Зубарев // Инструм. и технол., 2004 № 17-18. С. 227-233.

8. Утенков В.М. Возможности использования динамометра Kistler для испытания металлорежущих станков / В.М. Утенков, П.А. Быков // Инженерный Вестник, 2012. № 10. 9.

9. Shi B., Attia H. Modeling the thermal and tribological processes at the tool-chip interface in machining / B. Shi, H. Attia // Mach. Sci. and Technol., 2009. Т. 13; № 2. С. 210-226.