Реферат: Зменшення зношування твердосплавних різців шляхом зниження температурних навантажень в зоні різання

Крок 4. Визначаємо початкове наближення за методом Рітца

, (24) де , (25)

Крок 5. На k -й ітерації, якщо - наближення відомо, виконуємо такі дії:

5.1), (26)

де , , , , , ;

5.2) , (27)

де , , , , , ;

5.3) , ; (28)

5.4) ; (29)

5.5) , . (30)

Оцінка міцності ріжучої частини інструменту проводилась за критеріальними напругами Писаренко-Лєбєдєва σ_η .

2. Дослідження термопружної міцності твердосплавних різців при їх нестаціонарному тепловому та силовому навантаженні

Силові навантаження визначались об’ємними контактними навантаженнями діючих на передній та задній гранях згідно з розробленим енергетичним методом. Теплові навантаження визначаються розподілом температури в ріжучій частині інструменту. Об’ємні розподіли температури визначались за допомогою раніше описаних методик на основі МСЕ, як при стаціонарному точінні так і при його врізанні та охолодженні.

Аналіз параметрів процесу різання показав, що як характер їх взаємодії так і їх величини залежать від виду оброблюваного матеріалу, режимів різання, геометрії ріжучого інструменту, виду покриття та цілого ряду інших умов точіння. Тому необхідно розраховувати для кожного конкретного випадку обробки та при кожній зміні хоча б одного з параметрів процесу різання.

В першу чергу була оцінена роль силового та теплового напруження ріжучого інструменту, а також їх сумарної взаємодії.

Під дією лише контактних навантажень максимальна величина σ_η знаходиться на задній грані трохи нижче кромки і досягає величини 1140МПа, зменшивши свою величину майже в 2 рази на ріжучій кромці. Термонапруження, що визначаються лише температурним полем, мають дві зони своїх максимальних значень. Перша зона створює максимальні термонапруження на ріжучій кромці σ_η = 660МПа, а друга зона знаходиться під передньою гранню в зоні контакту взаємодії стружки з різцем. Величина σ_η в цій зоні в двоє менша ніж на ріжучій кромці σ_η =320МПа. Як бачимо окремий розгляд теплових і силових навантажень не дають правильної картини розподілу σ_η , що не відповідає експериментам і практиці руйнування ріжучої частини інструменту. В цьому випадку зона максимальних критеріальних напружень σ_η починається на ріжучій кромці та розповсюджується вздовж задньої грані, досягаючи величини σ_η =1320МПа. Точіння титанового сплаву ВТ1-0 твердосплавним різцем ВК8 (V=2.1м/с, S=0.15мм/с, t=0.5мм) дає іншу картину розподілу критеріальних напруг визначаючи, що їх гранична величина виникає не лише на задній грані, але й на передній в зоні контакту зі стружкою утворюючи лунку. Характер розміщення σ_η при комбінованій дії силових та теплових навантажень повністю відповідає характеру руйнування ріжучої кромки. В даному випадку зона, де запас міцності менший одиниці, розповсюджується безпосередньо від ріжучої кромки вздовж задньої грані, та довжина її досягає 0.17 мм. Вимір довжини фаски зносу, утвореної на задній грані був 0.16 мм, що практично співпадає з розмірами зони, де критеріальні напруження, перевищують кордон міцності твердого сплаву ВК8. При охолодженні ріжучого інструменту максимальна величина критеріальних напруг утворюється під передньою гранню різця, що призводить до появи тріщин на ній.

Зміна параметрів процесу різання при точінні сплаву 30ХГСА твердосплавним різцем Т5К10. (Рz,Рy,Рx- сили різання, ln- довжина контакту стружки, h3- знос різца, qf- середні контактні навантаження тертя, σ - крітеріальні навантаження ріжучої кромки, Т_oc ^max , Т_kp ^max - максимальні температури різання і ріжучої кромки. V=1,2 м/с, S=0,1 мм/об, t=0,5мм.)

3. Аналіз отриманих результатів

Одним із головних показників ефективності роботи ріжучого інструменту являється стійкість. Найбільша температура і контактні навантаження в різці виникають на передній грані, із-за цього з точки зору теорії тертя передня грань повинна зношуватись набагато інтенсивніше ніж задня. Практика показала, що зношування ріжучого інструменту виникає в основному по задній грані. Очевидно, що одну із вирішальних ролей в інтенсифікації зношення визначають термопружні навантаження, які саме на задній грані досягають своєї максимальної величини і сприяють руйнуванню її поверхні. Так при точінні сталі 30ХГСА твердосплавним різцем Т5К10 зона розподілення критеріальних навантажень перевищує межу міцності через 18с досягаючи величини 0.13мм, а зношення 0.12мм.

При точінні титанового сплаву ВТ1-0 та сталі 20Х різцем ВК-8 зона небезпечних критеріальних навантажень досягає величини 0.21 мм, та відповідно знос дорівнює 0.20. Таким чином чітко спостерігається ріст зношення з ростом критеріальних навантажень, а величина і форма зношення відповідають розподілу критичних критеріальних навантажень.

Така взаємодія зношення та міцності різця дозволяє визначити найбільш ефективні його покриття для заданих умов обробки.

Так при точінні твердосплавним різцем ВК-8 сталі 20Х, найбільшу міцність різцю як і стійкість забезпечує азотування, при точінні титанового сплаву ВК1-0-молібденове покриття.

Аналогічні результати були отримані і при застосуванні покриттів для твердосплавних різців Т5К10 та Т15К6 при точінні сталі 30ХГС. В якості оцінки напруженого стану ріжучої частини приймається критеріальне напруження σ_η , яке комплексно включає величини і інтенсивності головних напруг. Аналізуючи динаміку зміни термонапруг в ріжучому інструменті було виявлено, що їх найбільш небезпечні величини виникають при врізанні різців. Тому щоб зменшити їх вплив на руйнування інструменту було запропоновано поступове збільшення швидкості різання при врізанні різців. Застосування цього методу була приведена при точінні сталі 20Х твердосплавним ріжучим інструментом ВК ХОМ (γ=0, α=8˚, φ=φ₁ =45˚). Врізання інструменту проводиться з S=0.15мм/с, t=0.5мм з початковою швидкістю різання 1.5 м/с з наступним її збільшенням на протязі 15с до 2.5 м/с.

Порівняння зношення різця після 180 с при цьому методі врізання та при звичайному врізанні одразу з заданою швидкістю показує, що запропонований метод врізання з наступним збільшенням швидкості різання (за 10-15 с) практично не відображається на виробництві процесу точіння, але зменшує зношення інструменту в 5-6 разів.

Таким чином, визначення термопружних напружень може не лише прогнозувати найбільш оптимальні геометричні параметри та види покриття ріжучого інструменту, а й значно зменшити його зношення нарощуванням швидкості різання при врізанні.

Висновки

1. В роботі на основі об’ємного моделювання термоміцності твердосплавних різців вирішена проблема підвищення ефективності цього виду інструменту.

2. Вперше створена динамічна 3-х мірна модель для визначення термопружних напруг, які виникають в ріжучій частині інструмента при спільній дії на неї теплових та силових навантажень. Модель основана на МСЕ, що дозволяє вести розрахунки для будь-яких геометричних параметрів ріжучої частини інструмента в широкому діапазоні зміни умов його застосування від врізання до охолодження.

3. Вперше розроблена об’ємна модель розрахунку нестаціонарних температурних полів, які виникають як при стаціонарному, так і при перервному різанні. Створена на базі МСЕ модель, враховує нелінійність теплофізичних параметрів як при нагріванні інструмента в процесі різання, так і при охолодженні після закінчення процесу різання. Модель враховує нерівномірність розподілу теплових джерел на передній та задній гранях інструмента, а також різноманітну тепловіддачу в навколишнє середовище в залежності від виду охолодження в кожній частині ріжучої пластини. Експериментальні данні підтвердили високу достовірність розрахункових даних, які враховують майже всі основні параметри процесу різання.