CC BY
136
УДК 621.9.1.011 А.А. Ласуков
ВЛИЯНИЕ ОСНОВНЫХ ФАКТОРОВ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ НА СТРУЖКООБРАЗОВАНИЕ ПРИ ТОЧЕНИИ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ
Рассмотрены основные характеристики процесса резания и их влияние на параметры стружки при обработке материалов со специальными физикомеханическими свойствами. Выявлены основные закономерности образования элементной стружки.
Ключевые слова: стружкообразование, гомологическая температура, сплошность стружки, элементная стружка, кинематический относительный сдвиг.
1ТЛ ак известно, тип стружки определяется режимами реза-.ж\ ния, геометрией инструмента, физико-механи-ческими свойствами обрабатываемого материала.
Образование элементной стружки можно представить следующим образом. При образовании элемента главная составляющая Р2 все время растет и к моменту конечного скола элемента достигает своего максимального значения. Как только начинается сдвиг, сила резко падает. По такой же зависимости, но по абсолютной величине значительно меньше, изменяется и вертикальная составляющая РY [1]. Изменение толщины среза от нуля до заданной величины в процессе образования элемента приводит к росту площади пластического контакта на передней грани инструмента. Когда на передней грани площадь контакта достигает максимальной величины, то на задней грани контакт минимальный. Максимальной величине главной составляющей Р2 и площадке контакта по передней грани соответствует момент максимальной деформации элемента и упругой деформации системы. Максимальная величина составляющей РY соответствует моменту восстановления упругой деформации системы и с этого момента начинается увеличение контакта по задней грани. Описанный процесс может быть перенесен на обработку жаропрочных сплавов.
Указанная закономерность изменения силы резания и условий контакта инструмента с заготовкой должны определять
Рис. 1 Изменение угла скола элементов: титановые сплавы у=+10°, а=10°, ф=45° ◊-ВТ3-1 S=0,265 мм/об; • - ВТ6 S=0,265 мм/об; О - ВТ1 S=0,265 мм/об; сплав ЭИ698 у=+7°, а=10°, ф=75° Д - S=0,36 мм/об; ■ - S=0,26 мм/об; ♦ - S=0,1 мм/об
характер напряженно-деформированного состояния на всех этапах образования элемента.
По мере образования элемента нормальная сила на передней грани инструмента увеличивается. Наблюдается и рост силы трения. На каждом из этапов деформации элемента соотношение этих сил таково, что их равнодействующая увеличивается по своей абсолютной величине и поворачивается по часовой стрелке. Но максимальное значение равнодействующей сил на передней грани не совпадает с минимальным значением угла действия - ю. Таким образом, в зоне резания создаются условия, которые ведут к непрерывно изменяющейся схеме напряженного состояния деформируемого объема элемента. Первоначальные условия способствуют сжатию, затем следует сдвиги со сжатием.
Пока материал образующего элемента имеет запас пластичности, разрушение не происходит и перед инструментом образуется все увеличивающаяся область деформированного металла. По мере того, как напряжения приближаются к пределу прочности обрабатываемого материала, интенсивность роста равнодействующей замедляется, а угол становится минимальным. В том случае, когда совместное влияние концентраторов напряжений и деформаций
превышает способность упрочненного материала элемента к дальнейшей пластической деформации - наступает разрушение. Скол элемента происходит по поверхности, которая, является поверхностью максимальных касательных напряжений [2, 13]. Эту поверхность с некоторым приближением можно принять за плоскость, наклоненную под углом - рь к направлению скорости резания.
Элементное стружкообразование характеризуется большим числом угловых и линейных параметров, к которым относятся: угол наклона плоскости сдвига (скола) элемента - рь толщина стружки или высота элемента - а^ высота сплошного участка стружи - а2, толщина элемента - Ьь шаг элементов - т. Кроме этого в зависимости от величины основных параметров находятся и другие характеристики, отражающие особенности элементных стружек. Например, отношение а2/а1 характеризует сплошность стружки. Эти характеристики легко фиксируются на стружке и отражают конечную стадию деформации элементов.
Рассмотрим зависимости угла сдвига р1, шага элементов - т и отношения а2/а1 от внешних факторов: толщины среза, переднего угла, свойств обрабатываемого материала и скорости резания.
При образовании элементной стружки надежно фиксируется угол сдвига р1 в момент конечного скола элемента и является одной из важных характеристик стружкообразования. «Можно сказать, что почти все характеристики процесса резания и его практические результаты зависят от процесса стружкообразования. Поэтому большое значение имеет установление основных закономерностей этого процесса, а угол сдвига р1 целесообразно использовать как основной параметр процесса стружкообразования» [4].
На рис. 1 представлены результаты измерения угла р1, из которых видно, что с ростом подачи и увеличением скорости резания угол увеличивается. При увеличении пластичности сплава степень деформации элемента увеличивается и угол р1 становится меньше. Угол сдвига элемента р1 отражает существующую сложную зависимость явлений в процессе резания и характеризует только конечную стадию деформации.
На рис. 2 показано влияние переднего угла инструмента на изменение сплошности стружки. С уменьшением переднего
а2/а1 0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0 10 20 30 40 50 V, м/мин
Рис. 2. Изменение сплошности стружки от скорости резания: обрабатываемый материал ЭИ698, S=0,26 мм/об ♦-у=+18°; ■ -у=+7°; А-у=-6°
угла инструмента стружка приобретает все более элементный характер. Изменение переднего угла оказывает большее влияние в положительном диапазоне его значений. При переходе значений угла от +18° до +7° вызывает заметное изменение вида образующейся стружки (для скорости 20 м/мин изменение переднего угла на 11° приводит к изменению коэффициента сплошности в 1,35 раза). При дальнейшем изменении переднего угла до значения -6° сплошность стружки меняется незначительно (для скорости 20 м/мин изменение переднего угла на 13° приводит к изменению коэффициента сплошности в 1,2 раза).
Вид образующейся стружки зависит от свойств обрабатываемого материала. На рис. 3 представлен график изменения сплошности стружки в зависимости от обрабатываемого материала. По механическим и теплофизическим свойствам сплав ЭИ698 занимает промежуточное положение между титановыми сплавами ВТ1 и ВТ3-1 точно также как кривые по сплошности. Это можно объяснить различием теплофизических свойств данных сплавов.
Скорость резания на шаг элементов (рис. 4) оказывает незначительное влияние. Передний угол инструмента практически не влияет на зависимость шага элементов от скорости резания в широком диапазоне свойств исследуемых материалов
а2/а1 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1
0 10 20 30 40 50 60 70 80 V, м/мин
Рис. 3. Изменение коэффициента сплошности: сплав ВТ1(у=+10°, ф=70°, а=10о) ^=0,265 мм/об; 0-8=0,37 об/мин; 0-8=0,47 мм/об; сплав ЭИ698 (у=+7°, ф=75°,а=10°) •-8=0.26 мм/об; сплав ВТ3-1 (у=+10°, ф=45°, а=10°) х-8=0,145 мм/об; а-8=0,265 мм/об; +-8=0,37 мм/об; о - 8=0,47 мм/об
[14], что подтверждает экспериментальные данные, полученные в данной работе. Этот показатель в значительной мере зависит от подачи, с которой происходит обработка, и от свойств обрабатываемого материала. С увеличением подачи шаг элементов растет, но еще больше он растет с увеличением механических свойств обрабатываемого материала - элементность проявляется во все большей мере. Передний угол инструмента при обработке жаропрочного сплава на шаг элементов оказывает заметное влияние лишь в области малых подач (8=0,1 мм/об), где с уменьшением переднего угла инструмента наблюдается незначительное увеличение шага элемента. С увеличением подачи влияние переднего угла становится практически не ощутимым. Это можно объяснить тем, что стружка не обладает явно выраженными элементными свойствами при обработке с малыми подачами, и поэтому трудно с достаточной точностью определить шаг элементов.
С целью раскрытия физического смысла основных параметров элементных стружек необходимо рассмотреть влияние на них основных факторов процесса резания и механических свойств различных сплавов.
т, мм
Рис. 4. Изменение шага элементов стружки (ВК8): сплав ВТ1 у=+10°, ф=70°, а=10° □ - S=0,265 мм/об, ◊ - S=0,37 мм/об; сплав ЭИ698 у=+7°, ф=45°, а=10° • -S=0,26 мм/об, а - S=0,36 мм/об; сплав ВТ3-1 у=+10°, ф=70°, а=10° + - S=0,2 мм/об, а - S=0,37 мм/об
Толщина среза оказывает довольно сложное влияние на процесс стружкообразования.
С увеличением толщины среза связано увеличение зоны стружкообразования: увеличивается длина условной плоскости сдвига, увеличивается площадь контакта по передней грани. Это приводит к росту угла наклона плоскости сдвига Рь увеличивается шаг элементов т за счет увеличения объема деформируемого металла. При этом уменьшается отношение а^а1 , что указывает на переход к элементным стружкам с увеличением толщины среза. Влияние толщины среза на указанные параметры стружкообразования при резании различных сплавов показано на рис. 1-4.
Вопрос о влиянии толщины среза на процесс стружкообразования обсуждался многими исследователями. Существует несколько гипотез, объясняющих это влияние, но единого мнения до сих пор нет.
ку скалывания с увеличени-шьтат снижения пластичнобанный изменением напря-зования» [4]. Аналогичных [ант [13].
ем то
сти с
женн
взгля
Г
напряжений в пластической шжения, разработанной для что гидростатическое на-1тия у свободной поверхно-
зоне
упрон
пряж|
сти до растягивающих напряжений у вершины резца [12]. Чем больше толщина стружки, тем выше напряжения растяжения вблизи вершины инструмента. Это говорит о том, что возможность образования стружки скалывания зависит от величины напряжений растяжения в зоне режущей кромки, последнее способствует образованию трещины. К подобному выводу приходит М.Г. Гольдшмидт [2], исследуя влияние толщины среза и переднего угла инструмента на напряженное состояние зоны стружкообразования при свободном резании на микроскорости латуни ЛС59-1.
Изменение толщины среза оказывает влияние на процесс стружкообразования через напряженное состояние в зоне контакта стружки с передней поверхностью инструмента. Увеличение толщины среза приводит к росту нормальной силы и силы трения на передней грани инструмента. При этом рост нормальной составляющей опережает рост силы трения. Поскольку с увеличением толщины среза площадь контакта на передней грани растет не пропорционально толщине среза, то среднее контактное давление несколько увеличивается, а среднее касательное напряжение остается практически постоянным. Такая закономерность обнаружена при точении ряда обычных и термообработанных сталей [4, 11] и титановых сплавов [1]. В результате средний коэффициент трения уменьшается.
Увеличение нормальных напряжений в контактной области способствует росту напряжений сжатия у свободной поверхности и растягивающих напряжений у вершины резца.
В общем случае увеличение толщины среза приводит к уменьшению напряженности процесса пластической деформации, о чем свидетельствует рост угла Рь уменьшение среднего коэффициента трения, уменьшение поперечной усадки стружки.
а) б)
Рис. 5. Шлиф стружек сплава ЭИ698 резец ВК8, S=0,26 мм/об: а) у=-6°, V=48,5 м/мин; б) у=+7°, V=30 м/мин
Передний угол инструмента двояко влияет на процесс струж-кообразования: непосредственно и через угол действия - ю. По динамическим опытам с разными передними углами можно судить о комплексном влиянии переднего угла на процесс стружкообразо-вания.
Обработка шлифов стружек показывает уменьшение угла скола элемента - Р1 с уменьшением переднего угла инструмента. Также изменяется и вид элемента стружки. Элемент от трапецеидальной формы при положительных передних углах изменяется до формы, близкой к треугольной при отрицательных.
При уменьшении переднего угла, угол Р1 уменьшается не пропорционально, а с отставанием. Подобное воздействие переднего угла приводит к изменению шага стружки и её сплошности при обработке титановых сплавов [1]. Как показано в наших исследованиях передний угол при обработке жаропрочного сплава на шаг элементов влияния практически не оказывает. Переход же к отрицательным передним углам инструмента будет способствовать уменьшению отношения а^а1 .
Изменение механических свойств сплавов заметно сказывается на процессе стружкообразования. Как и в предыдущих случаях здесь проявляется непосредственное и косвенное влияние механических свойств.
Непосредственное влияние свойств обрабатываемого сплава сказывается через изменение сопротивления пластической деформации. Известно, что увеличение прочности материала приводит к снижению его пластичности. Понижение пластичности резко со-
кращает размеры пластически деформируемой области как вдоль передней поверхности инструмента, так и за условной плоскостью сдвига.
Повышение прочностных свойств сплавов уменьшает длину пластического контакта стружки с передней гранью инструмента и тем самым увеличивает контактные напряжения. По абсолютной величине нормальные напряжения на передней грани всегда выше, чем касательные. Рост контактных напряжений приводит к дополнительной деформации прирезцового слоя стружки. Таким образом, повышение механических свойств сплавов приводит к увеличению угла наклона условной плоскости сдвига Рь увеличению шага стружки и уменьшению её сплошности, а эти вместе взятые показатели говорят о снижении степени деформации в объеме элемента стружки.
Все предыдущие рассуждения справедливы для постоянной скорости резания. Изменение скорости резания сильно сказывается на процессе стружкообразования. Механизм влияния скорости резания довольно сложен. При исследовании процесса резания жаропрочных сплавов выяснить экспериментально непосредственное влияние скорости резания очень трудно. Эти трудности обуславливаются воздействием на процесс резания таких параметров, как температура, контактные явления на гранях инструмента и износ, проявление которых в значительной степени связано с ростом скорости резания.
В общем случае, увеличение скорости резания при обработке жаропрочных сплавов способствует образованию элементных стружек, что в значительной мере отличает процесс резания этих сплавов от процесса резания конструкционных сталей и многих цветных металлов и сплавов.
С увеличением скорости резания угол скола элементов Р1 увеличивается, сплошность стружки уменьшается. Зависимость шага элементов от скорости резания отражает более сложную картину происходящих процессов в зоне стружкообразования и на контактных поверхностях. Шаг элемента стружки первоначально увеличивается, но с дальнейшим увеличением скорости начинает уменьшаться (наблюдается максимум на графиках). Чем пластичнее сплав, тем выше уровень скоростей при которых начинается уменьшение шага стружки.
Одной из причин такого своеобразия процесса резания является, возможно, повышенная чувствительность сплавов к скорости деформации. Скорость резания является основным параметром, определяющим скорость деформации материала срезаемого слоя.
Помимо непосредственного влияния скорости резания процесс стружкообразования сильно зависит от ряда вторичных явлений, важными из которых являются температура, физико-химические превращения и контактные явления.
Основным фактором, определяющим протекание явлений в процессе резания, является температура на передней грани резца и в зоне образования стружки [7]. Высокая температура, возникающая в процессе резания, оказывает существенное влияние на процесс стружкообразование и контактные явления на передней грани инструмента. Температура является одним из факторов, определяющих износ и стойкость инструмента. Температура на передней грани определяет величину коэффициента трения между резцом и стружкой. В свою очередь коэффициент трения определяет направление равнодействующей силы на передней грани инструмента. Направление равнодействующей силы определяет расположение плоскости скалывания, как плоскости максимальных касательных напряжений. Исходя из вышесказанного, определение температуры резания имеет большое теоретическое и практическое значение.
Температурное поле внутри элементов стружки отличается большими градиентами вблизи условной плоскости сдвига [6]. Это приводит к так называемому адиабатическому сдвигу, что вызывает при высоких скоростях резания появление стружки локального сдвига (циклической стружки). Это еще раз подчеркивает главенствующую роль температуры на процесс стружкообразования.
При прочих равных условиях влияние температурно-скоростного фактора будет тем больше, чем больше скорость деформации, меньше теплопроводность и меньше теплоемкость.
Измерение температуры при резании жаропрочных сплавов методом естественной термопары, проведенный в данной работе (рис. 6), а также по результатам других авторов [3, 10] позволяют утверждать, что в зоне стружкообразования при резании на высоких скоростях температура резания достаточно высокая.
0 10 20 30 40 V, м/мин
а)
б)
Рис. 6. Влияние скорости резания, подачи и переднего угла на температуру резания жаропрочного сплава ЭИ698: а) у=+7°, ♦ - S=0,1 мм/об, ■ - S=0,26 мм/об, • - S=0,36 мм/об; б) S=0,26 мм/об, ▲ - у=+18°, • - у=+7°, ♦ - у=-6°
Причем с увеличением подачи и уменьшением переднего угла инструмента температура резания повышается. Рост температуры резания с увеличением скорости резания происходит неравномерно. В зоне малых скоростей резания температура растет более интенсивно. Разогрев металла стружки до температур 800° г 1000°С должен привести к увеличению пластичности жаропрочных сплавов и, как следствие, к уменьшению шага стружки и угла сдвига и увеличению ее сплошности, но экспериментальные данные показывают обратное.
о 0,2 0,4 0,6 9рез./911л.
Рис. 7. Зависимость коэффициента сплошности от гомологической температуры для титановых и жаропрочных сплавов
0 200 400 600 800 0,°С
Рис. 8. Зависимость кинематического относительного сдвига от температуры: чугун серый 8=0,6 мм/об ■ - у=-10°, ▲ - у=0°; ♦ - ЭИ 698 8=0,26 мм/об, у=-6°
Полетика М.Ф. показал, что для материалов одного химического состава при обработке резанием сплошность реализуется через изменение средней температуры контакта, для материалов разного химического состава - через изменение гомологического эквивалента [5]. Поэтому, чтобы исключить непосредственное влияние теплофизических свойств материалов на рис. 7 графики изме-
нения сплошности стружки в зависимости от гомологической температуры (отношение температуры резания к температуре плавления) [3]. Из графика видно (сплавы ВТ1, ВТЗ-1, ХН73МБТЮ при подачах 0,1-0,47 мм/об и различных передних углах инструмента), что все экспериментальные данные ложатся на одну кривую, что полностью подтверждает температурную природу элементного стружкообразо-вания.
Отсюда следует, что разогрев всей толщины стружки не успевает происходить. Возможно температура из-за низкой теплопроводности, теплоемкости этих сплавов и высокой ско-рости резания, как и деформация, локализуется в очень узкой зоне сдвига и в микрообъемах поверхностных неровностей приконтактного слоя, что облегчает сдвиговые деформации только в указанных зонах. Так практика обработки труднообрабатываемых материалов с предварительным подогревом заготовок показывает уменьшение сопротивления обрабатываемого материала пластическим деформациям в сравнении с резанием без подогрева на тех же режимах [9].
В подтверждение температурной природы стружкообразова-ния Розенберг Ю.А. [8] предлагает пользоваться для элементных стружек кинематической величиной относительного сдвига (возможная степень деформации, если бы металл мог ее выдержать не разрушаясь) для оценки степени деформации. Если рассчитать величину относительного сдвига по формуле:
8 = + tgO0- у)
с использованием угла конечного сдвига элемента, то величина врасч будет больше предельной величины степени деформации для данного материала. Результаты расчетов показаны на рис.8. Как видно из графика, при обработке разных материалов получаются идентичные кривые по форме. Исходя из полученных результатов, можно сказать, что температура резания является универсальным фактором, определяющим влияние режимов резания на процесс стружкообразования.
Рассмотренное влияние различных факторов на процесс стружкообразования при резании жаропрочных сплавов отражает лишь часть тех сложных зависимостей, которые существуют реально и действуют одновременно.
Проведенный анализ экспериментальных данных отражает в основном качественную картину процесса пластической деформа-
ции при резании труднообрабатываемых материалов на разных режимах.
---------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Афонасов А.И. Контактные явления и износ инструмента при резании титановых сплавов: Дисс. ... канд. техн. наук. Томск, 1969 г. - 300 с.
2. Гольдшмидт М.Г. Исследование напряженно-деформирован-ного состояния в зоне резания: Дисс. ... канд. техн. наук. Томск, 1966.- 171 с.
3. Даниелян A.M., Бобрик П.И. Особенности тепловых явлений при резании жаропрочных сплавов// Станки и инструмент, 1961, № 12.
4. Зорев Н.Н. Вопросы механики процесса резания металлов. М.: Машгиз, 1956.- 368 с.
5. ПолетикаМ.Ф. Влияние свойств обрабатываемого материала на процесс стружкообразования// Вестник машиностроения. 2001. № 7. С.45-48.
6. Проскуряков С.Л. Повышение эффективности обработки деталей из жаропрочных сплавов путем оптимизации режима резания из СТМ: Автореферат к.т.н., Горький, 1989. - 19с.
7. Розенберг А.М., Зимин Ю.П. Динамика скоростного резания// Станки и инструмент, 1951. №9. - с.11-13
8. Розенберг Ю.А. Механика процесса резания: Учебное пособие. Курган: Изд-во Курганского гос. университета, 2005. - 193с.
9. Созинов А.Л. Некоторые особенности теории и практики обработки титановых сплавов с нагревом// Опыт обработки резанием титановых сплавов. Свердловский обл. дом техники НТО, 1969.
10. Урывский Ф.П., Коротин Б.С. Исследование обрабатываемости титанового сплава ВТ3 - 1 и жаропрочной стали ЭИ787// Обрабатываемость жаропрочных и титановых сплавов. Труды всесоюзной межвузовской конференции, Куйбышев, 1962.
11. Ховах Н.И. Расчет сил резания при точении закаленной и упрочненной стали и влияние твердости на закономерности этого процесса: Дисс. . канд. техн. наук. Томск. - 1966. - 211с.
12. Enahoro H.E., Welch M.I. The relevance of the mechanics of metal cutting to machinability. Machinability. London, Iron and Steel Inst? 1967.
13. Field M. and Merchant M.E.. Mechanic of Formation of the Discontinuous chip in Metal Cutting. Trans. ASME, vol.41, 1949.
14. Noboru Ueda, Tetsuo Matsuo A Study of Sawtoothed Chip Formation, 1st Roport, Analysis of the Pitch of Shear Zones and the Distance of slips. J. Jap., Soc., Precis. Eng, 1978, 44. №9. - 1085-1091. ШИЭ
— Коротко об авторе ----------------------------------------------
Ласуков А.А. - канд. техн. наук, доцент, Юргинский технологический институт (филиал) Томского политехнического университета, г. Юрга, E-mail: [email protected]
