Ресурс работы лезвийного инструмента при обработке Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.97

Д. Г. Шатуров, Г. Ф. Шатуров

РЕСУРС РАБОТЫ ЛЕЗВИЙНОГО ИНСТРУМЕНТА ПРИ ОБРАБОТКЕ

UDC 621.97

D. G. Shaturov, G. F. Shaturov

SERVICE LIFE OF BLADE TOOLS DURING MACHINING

Аннотация

Предложена методика расчета и получена зависимость для определения ресурса работы лезвийного инструмента - призматического резца, учитывающая режимы обработки и характер изменения стойкости от скорости резания. Показано влияние глубины, подачи и скорости резания на величину максимальной стойкости инструмента и интенсивность его изнашивания.

Ключевые слова:

резец, интенсивность изнашивания, стойкость, обработка, скорость резания, ресурс работы инструмента.

Abstract

The paper offers the method of calculation and gives the dependence for determining service life of a blade tool - a prismatic tool, which takes into account modes of machining and the cutting speed. It shows the impact of cutting depth, feed and cutting rate on the value of maximum tool life and the intensity of its wear.

Key words:

cutter, wear intensity, longevity, machining, cutting speed, tool service life.

Ресурс работы инструмента при выбранных режимах резания зависит главным образом от его стойкости. Период стойкости инструмента при токарной обработке определяется преимущественно по износу его задней поверхности, который не должен превышать величины оптимального износа. Текущий износ задней поверхности резца кз, мкм, может быть определен по следующей зависимости [1, 2]:

h -А т

ГТ1Пй

1о

т

(1)

где 50 - оптимальная величина износа задней поверхности резца, мкм; т - время резания, мин; Т0 - период

стойкости инструмента, мин; п0 - пока-

затель степени интенсивности изнашивания задней поверхности резца,

ToVuo

iooo^0 Kp

1,67

(2)

Kp - коэффициент перевода линейного

износа задней поверхности в размерный,

K _ sin ф + sin ф! ;

Kp -Тtga3; (3)

Sin (ф + ф1)

V - скорость резания, м/мин; ф, ф1 - главный и вспомогательный углы в плане резца, град; аз - угол заточки задней поверхности резца, град; u0 - величина относительного размерно-

| Шатуров Д. Г., Шатуров Г. Ф., 2oi6

го износа лезвия резца (и0 = 5...7 мкм/км

при обработке стали резцом Т15К6) [3].

Износ задней поверхности резца (далее - износ лезвия) происходит с текущей скоростью изнашивания ¥из, мкм/мин, задней поверхности резца

инструмента [4]

V = 3о

грП0

П0Т

.По -1

(4)

и средними скоростями изнашивания за каждый период работы инструмента [4, 8]

к =

1из т ,

Т п

о "о

V = ¿0 п 0,6

у 2 из т п0 Т0

V = ¿0

у 0из '

Т '

0

(5)

(6) (7)

где ^1из , V2из Лиз - средние скорости изнашивания лезвия за периоды приработки, установившегося износа и стойкости инструмента соответственно, мкм/мин.

В соответствии с зависимостями (5) и (6) при п0 < 1,0 средняя скорость изнашивания V1из за период приработки больше средней скорости изнашивания V2из за период установившегося

износа т. е. > У2т [4].

При п0 > 1,0, наобоPот, < Уи ,

при П0 = 1,0 У\из = У2 из = У0 из [8].

Отметим, что при п0 > 1,0 отсутствует период приработки. Сразу начинается период установившегося износа лезвия со скоростью изнашивания У1из.

По окончании этого периода начинается период ускоренного износа лезвия со скоростью изнашивания У2из.

Тогда средняя арифметическая скорость изнашивания за период стойкости

1 ¿0

ус =-(У + У2 ) = - ^

2 Т0

■ + п

К п0

. (8)

Кривая зависимости средней арифметической скорости изнашивания Ус от показателя степени п0 имеет экстремум. Для определения п0 в экстремальной точке берем производную Ус / ^п0 и полученную функцию приравниваем к нулю:

1 (

2 Тп У

■пг

. - 2

+ 0, 6п00,4 )= 0,

откуда получаем оптимальное значение степени п0"т = 1,376, при котором имеет место минимальная средняя скорость изнашивания лезвия резца.

Очевидно, что стойкость инструмента значительно повысится при равенстве скоростей изнашивания за период приработки и период установившегося износа. Это имеет место в точке В перегиба кривой Т0 = /(V) , когда

п0 = 1,0. Затем период приработки и период установившегося износа лезвия меняются местами [8].

Из зависимости (2) при равенстве скоростей У1из и У2из для случая п0 = 1,0 получим

1000£0 Кр

Т =_0 р

п ТЛ

Упи0

(9)

где Тп - период стойкости резца, мин; Уп - скорость резания, соответствующая значению показателя степени п0 = 1,0 в точке В перегиба кривой Т0 = /(V) (рис. 1), м/мин.

С другой стороны, период стойкости Тп определяется из формулы [3]

Т =

' сл5

К

V п У

при этом

с

СуКУ

гх8у

(10)

(11)

где £ - подача, мм/об; ^ - глубина резания, мм; Су, Ку , х, у - коэффициенты и показатели степени, определяемые из [ъ].

С помощью выражений (9) и (10), из равенства периодов стойкости в точ-

ке В перегиба кривой Т0 = /(У) определяется скорость резания:

( Л0,25

У, = с1'25

и

к 1000^0 кр у

(12)

Зависимость Т0 = / (У) периода

стойкости от скорости резания представляет собой плавную кривую, имеющую как минимум две точки перегиба В(У„, Тп) и В; (Уя1, Тп) (см. рис. 1) [5].

а)

Т0

ОР

Т

п

0П

0Г2

К "мрК

б)

V V

п1 1

V ^Р V К1

Рис. 1. Изменение периода стойкости Т0 резца (а) и показателя степени п0 (б) от скорости резания У

Период стойкости Т0 для правой части кривой, лежащей правее точки В, при V > Vn определяется из следующих равнозначных зависимостей [2, 3]:

T =

T = T

10 n

C

кУу

'Vl v V у

(13)

(14)

Период стойкости для части кривой, расположенной левее точки В (V, Тп), при Vn1 < V < Vn определяется из зависимости

T = 10

Tje

1 [ 5V-4

21 V„

(15)

Адекватность зависимостей (14) и (15) доказана в [10].

Значение скорости У0, соответствующей максимальному периоду

T'max

стойкости резца T0 , можно определить, если взять производную dT0 / dV

от выражения (15) и полученную функцию приравнять к нулю. Тогда

V, = 5 V = 0,8V„, (16)

где V0 - скорость резания, соответствующая максимальному периоду стойкости, м/мин.

Подставив значение V0 в (15), имеем (см. рис. 1)

ТТ = Тп4~е = 1,65Тп, (17)

7-гшах

0 - максимальный период стойкости резца, мин.

Учитывая симметричность расположения кривой Т0 = /(V) в пределах изменения скорости резания от Vn1

до Vn (см. рис. 1) и скорость V0 (16), определим скорость резания для второй точки В1 перегиба кривой:

Vnl = Vо - (V - Vо) = 2^0 - Vn = 0,6Vn. (18)

Таким образом, вторая точка перегиба кривой Т0 = /(V) имеет координаты В1 (Vnl, Тп) (см. рис. 1).

Разница величин скоростей резания между точками В и А и между А

и Я

составляет

AV = Vn - V0 =

^г г п г о

= V0 - Vn1 = 0,2Vn. Предполагая, что изменение периода стойкости от скорости резания [9, с. 30] имеет периодический характер, можно продолжить график зависимости Т0 = /(V) . На рис. 1 зависимость показана пунктиром, что согласуется с [6, с. 173]. Тогда Vм = 0,4^, а

V 2 = 0,2^.

Под мерой количественной оценки ресурса работы инструмента чаще всего понимается максимальная длина рабочего пути резания (ресурс работы инструмента) Ь, м, за период его стойкости, подсчитываемая по зависимости [5, с. 152]

L = VT0.

(19)

Подставив значение T0 из (15) в (19), получим

L = V-

tM

Ц V-4

2l V„

(20)

Полагая, что зависимость (20) имеет максимум (см. рис. 1), для определения скорости резания, соответствующей этому максимуму, возьмем производную ёЬ / dV и полученную функцию приравняем к нулю:

e

^ =_4~еТе-I 'И х

Л' п

г

1 - У

Л

5 У - 4

У У

V п у " п

= 0.

Откуда

1 - У

5 — - 4

У ,,

V п У п

У,

0

или

2 4 1 2

У2 — У У—У = 0.

5 п 25 п

Решая, получим

(

У =

мр

0,4 +

1

Л

'4/5.

У.п = 0.847У;, (21)

где Умр - скорость резания, соответствующая максимальному ресурсу работы инструмента, м/мин.

Подставив значение скорости резания Умр из (21) в (15), определим величину периода стойкости:

Т р = 1,б03Тп

(22)

Период стойкости соответствует максимальному ресурсу работы инструмента

и

У Т

у мр10 р

1,36УпТп

136050Кр /и0.

Из сравнения скоростей У0 (16) и Умр (21) видно, что скорость Умр, соответствующая максимальному ресурсу работы инструмента Т0 р (22), больше скорости У0 , соответствующей максимальному периоду его стойкости Т0тах (17). Однако период стойкости Т0тах больше периода стойкости Т0 . Разница скоростей (Умр - У0) и периодов стойкости (Т0тах - Т0р ) почти одинаковая и составляет 4,7 % от соответствующих величин Уп и Тп (табл. 1). Максимум Т0 от скорости резания смещен вправо относи-

7^тах гр т-^тах

0 , а Т0 < Т0 . Однако ресурс работы резца при У = Умр больше ресурса работы резца при У = У0 (см. табл. 1).

Табл. 1. Изменение ресурса работы инструмента Ь / Ьп и показателя степени п0 интенсивности изнашивания лезвия от скорости резания

У, м/мин У* У У, Умр Уп У У 2 Ум У„2

У 0,6 0,7 0,8 0,847 1,0 1,2 1,4 0,4 0,2

Т Т„ 1,0 1,455 1,65 1,603 1,0 0,4 0,186 0,35 1,0

Ь = УТ0 Ь„ у„Т„ 0,6 1,02 1,32 1,358 1,0 0,48 0,26 0,14 0,2

п0 0,43 1,0 1,59 1,67 1,0 0,294 0,106 0,174 0,068

Подставив значение скорости резания и соответствующее ей значение стойкости в выражение (2), получим величину показателя п0 интенсивности изнашива-

ния лезвия (см. табл. 1). Изменение показателя степени п0, зависящее от скорости резания, идентично изменению ресурса работы инструмента (см. рис. 1, б).

Согласно табл. 1, максимальный ресурс работы лезвийного инструмента при скорости резания Vmp (21), превышает на 2,9 % ресурс работы инструмента, соответствующий скорости резания V = V0.

При увеличении скорости резания от Vn1 до Vn показатель степени п0 увеличивается от п0 = 0, 43 в точке В1 кривой Т0 = /(V) до п0 = 1,67 (до максимального значения) в точке А0 (см. рис. 1, б), а затем уменьшается до п0 < 1,0, выравниваясь до единицы при

скоростях резания V = V1 и V = Vn. Величина скорости V находится между скоростями Vn1 и V0 и ориентировочно

равна среднему арифметическому значению этих скоростей:

у=2 (+У )=

= 1 ( + 0,8^ ) = 0,7¥П. (23)

Точное решение для скорости V можно получить из (2) при условии

по = 1,0.

только два члена разложения, имеем

Тогда из (2) и (9) имеем

УТ0

10004 К

0 р

Т У . (24)

п п ^ '

и

С учетом (15) и (19) можно записать

V-

1 [V-4

21 V,

• = ТпУп

или

V Г

—уе = в V.

1 5-У- -4

21 V

(25)

Разложив правую часть выражения (25) в ряд и приняв во внимание

V2 -— V (20 + л/в)У +18У2= 0. (26) 25 "V ' 25 п

Решив уравнение (26), найдем значение скорости: У1 = 0,693Уп « 0,7Уп.

Подставив значение скорости У1 в

выражение (15), получим

Т = 1 455Т

(27)

Согласно зависимости (2), при п0 = 1,0 для точек В и (см. рис. 1)

имеем ТпУп = Т01У1. Влияние глубины

резания ^ и подачи £ на стойкость и ресурс работы инструмента связано с величиной параметра С (11), который при изменении глубины резания, например, от 0,2 до 3 мм, уменьшается на 33 %, а с увеличением подачи, например, от 0,2 до 1 мм/об, уменьшается на 41 % (табл. 2).

Это приводит при изменении глубины резания в указанных пределах к уменьшению величины скорости резания Уп от 257 до 154 м/мин, т. е. на 40 %, и к увеличению периода стойкости Тп от 52 до 88 мин, т. е. в 1,7 раза

(рис. 2). При изменении подачи в указанных пределах это приводит к уменьшению скорости резания Уп от 275 до 141 м/мин, т. е. на 49 %, и к увеличению периода стойкости Тп от 49 до 96 мин, т. е. примерно в 2 раза (см. рис. 2).

Скорость резания У0 (16) и период

стойкости Т0тах (17), связанные со значением скорости Уп и периодом стойкости Тп, от глубины резания I и подачи £ изменяются аналогично скорости Уп и периоду Тп (рис. 3). Так, при увеличении глубины резания I от 0,2 мм до 3 м расчетная величина скорости резания У0

уменьшается от 205 до 123 м/мин, т. е. на 40 %.

в

Табл. 2. Значение параметра С для соответствующих режимов обработки [3]

Подача £, мм/об Глубина резания мм

0,2 0,3 0,5 0,8 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

0,2 738 694 643 600 579 545 522 505 491

0,3 680 640 593 553 534 503 482 466 453

0,5 568 534 495 461 446 420 402 389 378

0,8 479 450 417 389 376 354 338 328 319

1,0 433 407 377 352 340 320 306 296 288

Примечание - СУ = 420; 350; 340; у = 0,2; 0,35; 0,45; х = 0,15; КУ = 1,0

а)

t

б)

5 —

Рис. 2. Изменение скорости Уп (1) и периода стойкости Тп (2) от глубины резания ^ (а) и подачи £ (б): а - £ = 0,5 мм; б - I = 0,8 мм

а)

V,

150

мин

г:

б)

V,

мин

Рис. 3. Изменение скорости У0 (1) и периода стойкости Т (2) от глубины резания t (а) и подачи £ (б): а - £ = 0,5 мм; б - t = 0,8 мм

Период стойкости Т0тах при этом

увеличивается от 87 до 145 мин, т. е. в 1,67 раза. При увеличении подачи £ от 0,2 до 1,0 мм/об скорость резания У0 уменьшается от 220 до 113 м/мин, т. е. на 49 %. При этом период стойкости Т0тах увеличивается от 81 до 158 мин,

т. е. в 1,95 раз (см. рис. 3). Это связано с уменьшением скорости резания и удельного расхода энергии на снятие

срезаемого слоя большей площади сечения [7, с. 50].

Таким образом, величину глубины резания и величину подачи необходимо назначать максимально возможными, чтобы уменьшить скорость резания Уп в точке В перегиба кривой

Т0 = /(V) и тем самым увеличить период стойкости Тп и, соответственно, ресурс работы инструмента. Скорость

резания должна назначаться равной струмента, что обеспечит большую

скорости резания Умр, соответствующей производительность.

максимальному ресурсу работы ин-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шатуров, Г. Ф. Исследование процесса изнашивания токарного инструмента / Г. Ф. Шатуров, В. А. Лукашенко, Д. Г. Шатуров // Вестн. Белорус.-Рос. ун-та. - 2006. - № 3. - С. 113-118.

2. Шатуров, Г. Ф. Исследование закономерностей изнашивания токарных резцов / Г. Ф. Шатуров, Д. Г. Шатуров // Науч. тр. Могилевского филиала БИП. - 2006. - Вып. 1. - С. 121-126.

3. Справочник технолога-машиностроителя / Под ред. А. Г. Косиловой, Р. К. Мещерякова. - М. : Машиностроение, 1985. - Т. 1-2.

4. Шатуров, Д. Г. Оценка стойкости лезвийного инструмента / Д. Г. Шатуров // Материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии : материалы Междунар. науч.-техн. конф., Могилев, 24-25 апр. 2014 г. - Могилев : Белорус.-Рос. ун-т, 2014. - С. 55.

5. Грановский, Г. И. Резание металлов / Г. И. Грановский, В. Г. Грановский. - М. : Выш. шк., 1990. -

512 с.

6. Кожевников, Д. В. Резание материалов: учебник для вузов / Д. В. Кожевников, С. В. Кирсанов ; под общ. ред. С. В. Кирсанова. - 2-е изд., доп. - М. : Машиностроение, 2012. - 304 с.

7. Подураев, В. Н. Автоматически регулируемые и комбинированные процессы резания / В. Н. Подураев. - М. : Машиностроение, 1977. - 304 с.

8. Шатуров, Д. Г. Обеспечение геометрических характеристик поверхностей валов на основе прогнозирования износа резцов и жесткости технологической системы : автореф. дис. ... канд. техн. наук / Д. Г. Шатуров. - Могилев, 2015. - 32 с.

9. Аваков, А. А. Физические основы теории стойкости режущих инструментов / А. А. Аваков. - М. : Машгиз, 1960. - 308 с.

10. 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 15 сентября 2016 года

Денис Геннадьевич Шатуров, канд. техн. наук, Белорусско-Российский университет. Тел.: +3l5-222-25-6l-98. Геннадий Филиппович Шатуров, д-р техн. наук, проф., Белорусско-Российский университет. Тел.: +3l5-222-25-6l-98.

Denis Gennadyevich Shaturov, PhD (Engineering), Belarusian-Russian University. Phone: +3l5-222-25-6l-98. Gennady Filippovich Shaturov, DSc (Engineering), Prof., Belarusian-Russian University. Phone: +3l5-222-25-6l-98.