КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

2.1 Внешняя картина износа режущего клина и его основные

причины

 

Процесс резания сопровождается износом режущего лезвия. Количественно износ лезвий может быть объёмным износом, износом по площади, линейным износом. При оценке объёмного износа и износа по площади рассчитываются объём или площадь изношенной

части резца по результатам замера видимых признаков износа.

Наиболее распространённой является оценка линейного износа [1].

Внешняя картина износа лезвий (рис.1).Износ по передней поверхности (лункообразный износ) преобладает при обработке вязких материалах без СОЖ при скоростях резания V=80-210 м/мин и подачах S>0,5 мм/об. Характеризуется глубиной лунки , шириной лунки и расстоянием - полкой (рис. 1, а). Как правило, величина износа по передней поверхности оценивается глубиной .

Износ по задней поверхности преобладает при чистовой обработке хрупких материалов, вязких аустенитных сталей с малыми подачами (S<0,1 мм/об). Обычно характеризуется максимальной шириной изношенной поверхности (рис. 1, б).

Радиальный износ инструмента характеризуется смещением вершины инструмента в радиальном направлении в результате изнашивания и приводит к изменению размера получаемой детали (рис. 1, в).

 

Рис.1 – Внешняя картина износа лезвия

 

В большинстве случаев оценка изношенности инструмента проводится по величине износа задней поверхности . Зависимость износа от времени резания (рис. 2) имеет три участка. Участок ОА – участок приработки, когда изнашиванию подвергается поверхностный слой инструмента, получивший структурные превращения при заточке. Участок АВ – участок установившегося изнашивания, когда возрастание износа от времени происходит примерно по линейному закону. Участок выше т. В – участок катастрофического изнашивания, когда возрастание износа связано с увеличением работы сил трения и перераспределением тепловых потоков между инструментом и заготовкой.

Виды (механизмы) изнашивания. Механическое изнашивание связано с наличием на поверхностях и лезвиях инструмента мельчайших сколов, прижогов, микротрещин, играющих роль концентраторов напряжений. Возрастание механических нагрузок при резании приводит к отрыву отдельных частиц инструментального материала от основной массы, что внешне проявляется в виде округления и выкрашивания режущих лезвий.

Рис.2 – Зависимость «Износ – время»

 

Абразивное изнашивание связано с абразивным, царапающим воздействием удаляемых твёрдых частиц

обрабатываемого материала на инструмент. Абразивное воздействие связано с наличием частиц цементита, карбида кремния, интерметаллидов, а также частицами срывающегося нароста.

Окислительное изнашивание, как частный случай химического изнашивания, возникает у инструментов из температуростойких материалов и представляет собой окисление частиц режущего клина (кобальта, карбидов, титана и вольфрама) при температуре С (твёрдые сплавы). Поэтому окислительное изнашивание инструментальных и быстрорежущих сталей можно не учитывать.

Адгезионно - диффузионное изнашивание. Адгезия – слипание (схватывание) в результате действия фрикционных сил между разнородными металлами. Когезия – слипание внутри металла. Первоначальный акт схватывания между стружкой, поверхностями резания с одной стороны и поверхностями режущего лезвия с другой (адгезия) не является прочным, но в результате диффузии между контактируемыми телами прочность схватывания возрастает. Разрушение происходит, когда силы адгезии превосходят силы когезии и с поверхностей инструмента вырываются частицы износа.

В процессе выполнения работы студенты анализируют внешнюю картину износа по передней и задним поверхностям предварительно изношенных многогранных неперетачиваемых пластин, выполняют зарисовки в журналах-отчётах и измеряют основные параметры износа. Для этой цели используется инструментальный микроскоп БМИ-1. Порядок измерения износа на микроскопе следующий (на примере износа задней поверхности ).

2.1.1 Установить изношенную пластину на стол микроскопа.

2.1.2 Перемещая стол микроскопа в продольном и поперечном направлениях, совместить горизонтальную линию перекрестия с режущей кромкой (вне участка ее износа) и зафиксировать значение на барабане микрометрического винта.

2.1.3 Переместить стол микроскопа в поперечном направлении так, чтобы горизонтальная линия перекрестия совпала с границей площадки износа и зафиксировать новые показания микрометрического винта.

2.1.4 Разность между показаниями микрометрического винта будет равна величине износа .

 

2.2 Период стойкости и критерии затупления инструмента

 

При эксплуатации инструмента по мере его изнашивания наступает такой момент, когда дальнейшая эксплуатация инструмента должна быть прекращена, а инструмент отправлен в переточку. Время работы инструмента до затупления определяет период стойкости, который обозначается и определяется либо в минутах времени резания (см. рис. 2), либо в минутах машинной работы и т.п. При оценке стойкости момент затупления инструмента устанавливают с помощью критериев затупления.

Под критерием затупления инструмента понимают признак, при достижении которого инструмент считается затупленным. Этим признаком может быть полная потеря инструментом режущих свойств, разрушение, сильный разогрев, выход за допускаемые значения точности и шероховатости обработанных поверхностей и др. Чаще всего различают два критерия затупления: оптимальный – при котором суммарное время работы инструмента с учетом переточек окажется максимальным, и технологический – при достижении которого технологические параметры (точность, шероховатость обработанной поверхности) выходят за допускаемые значения. Оптимальный критерий затупления используется при черновых и получистовых операциях. При обработке на станках, настроенных на размер, технологический критерий затупления определяется моментом выхода размеров детали за пределы допуска. В этом случае стойкость инструмента получила название размерной стойкости.

Исходя из определения оптимального критерия затупления инструмента, суммарная стойкость должна быть максимальной [2]:

, (1)

где - количество переточек, допускаемые резцом.

Величина снимаемого слоя инструментального режущего материала при каждой переточке по задней поверхности (рис. 3)

, (2)

где - дополнительная величина снимаемого слоя для удаления дефектов при заточке; =0,1-0,2 мм.

Если обозначить через - величину допустимого стачивания резцов, то можно записать:

(3)

Подставим (3) в (1), возьмем производную от по и приравняем ее нулю. После преобразования получим:

 

(4)

 

 

Рис.3 – Схема к определению оптимального износа с учетом переточек

 

Из соотношения (4) следует условие определения оптимального износа . Из начала координат по отрицательной оси ординат откладывается отрезок (рис. 4). Из конца отложенного отрезка проводится прямая, касательная к кривой . Координаты точки касания в масштабе координатных осей определяют оптимальный износ и соответствующую ему стойкость инструмента

Для группы инструментов определяется критерий равного износа как горизонтальная линия, соответствующая точке перегиба кривой износа для самой малой скорости резания (скорость для рис.4).

Из элементов режима резания наиболее сильное влияние на износ и стойкость инструментов оказывает скорость резания, затем подача и глубина резания. В общем случае зависимость стойкости инструмента от скорости резания является немонотонной (рис. 5,а). Рациональное использование режущего инструмента при одноинструментальной обработке достигается при скоростях, соответствующих диапазону CD. В логарифмических координатах зависимость от в диапазоне CD выражается прямой линией (рис. 5,б). Эмпирические зависимости стойкости и оптимального критерия затупления от скорости резания для участка CD имеют следующий вид:

, ,

где и - постоянные коэффициенты, зависящие от свойств обрабатываемого и инструментального материала, геометрия инструмента; и - постоянные, характеризующие степень влияния скорости резания, соответственно, на стойкость и оптимальный критерий затупления.

 

Рис.4

С учетом влияния подачи и глубины резания на стойкость ее зависимость от всех элементов режима резания при точении записывается следующим образом:

. (6)

Численные значения , и . Обычно зависимость (6) строится при критерии равного износа (рис. 4) .

Задача этой части работы сводится к определению коэффициентов зависимостей (5) и оценке количества переточек инструмента, исходя из величины допустимого стачивания.

 

 

Рис.5

 

Порядок выполнения этой части работы следующий.

В качестве исходных данных принимаются результаты изнашивания перетачиваемых пластин, доведенных до различных значений износа по задней поверхности с фиксированием времени резания при различных скоростях . Величины износа измеряются студентами на микроскопе, значения времени резания и скоростей задаются преподавателем.

Для каждой скорости резания строятся зависимости . Определяются оптимальные критерии затупления и соответствующие им стойкости для каждой скорости согласно рис.4. Находятся постоянные коэффициенты, входящие в уравнения (5), следующим образом. Прологарифмировав уравнения (5), получаем:

В двойной логарифмической системе координат коэффициенты и будут численно равны тангенсам углов наклона прямых, проведенных через экспериментальные точки с положительным направлением оси абсцисс (см. рис.5, а). После этого, подставляя найденные значения и в уравнения (5), для известных значений и определяются коэффициенты и .

Кроме графического метода определения коэффициентов и , произвести вычисление этих же коэффициентов на ЭВМ, используя метод наименьших квадратов. Оценить погрешность графического метода определения этих значений.

Для каждой скорости резания, используя уравнения (1-3), оценить количество переточек инструмента и суммарную стойкость инструмента, приняв величину допустимого стачивания .

 

2.3 Определение модели кинетики износа

 

Исходя из того, что зависимости для различных скоростей похожи друг на друга, их можно привести к одной эталонной зависимости (модели кинетики износа) путем изменения масштаба как по оси абсцисс, так и по оси ординат.

Принимаем параметры эталонной зависимости: эталонная стойкость ; оптимальный критерий затупления .

Порядок выполнения этой части работы.

Используются данные, полученные в разделе 2.2, определяются масштабные коэффициенты для каждой скорости резания: по оси времени ; по оси износа , где i – номер соответствующей скорости резания. Производится пересчет экспериментальных значений величин износа и времени резания в эталонные значения:

, .

Строится эталонная зависимость по всем рассчитанным значениям.

С помощью метода наименьших квадратов на ЭВМ определяются постоянные зависимости вида:

. (7)

На график эталонной зависимости, построенный по экспериментальным точкам, наносятся расчетные точки по зависимости (5). Делается вывод о степени соответствия экспериментальных и расчетных значений эталонной зависимости.

 

2.4 Определение стойкостной зависимости методом сокращенных испытаний

 

Определение стойкостной зависимости методом полных испытаний требует значительных затрат времени и инструментального материала вследствие того, что инструмент на каждом режиме работы изнашивается до полного затупления, после чего должен быть переточен и использован для затупления на следующем режиме резания и т.д.

Метод сокращенных испытаний позволяет ускорить получение стойкостных зависимостей, так как инструмент за период стойкости последовательно испытывается на нескольких режимах резания, на основании чего производится оценка сразу нескольких значений стойкости, хотя точность определения стойкости по сравнению с методом полных снижается. Иллюстрация сокращенного метода приведена на рис.6. Изменяется только один элемент режима резания – скорость (вначале обработка проводится на скорости ). За время работы износ инструмента достигает величины , после чего обработка происходит на скорости в течении времени и износ возрастает до .

 

 

Рис.6

 

В дальнейшем обработка проводится на скоростях и . В результате износ инструмента достигает величины . Зная приращение времени резания и износ инструмента, для каждой можно спрогнозировать значение стойкости , если известна эталонная зависимость от и величина критерия затупления .

Критерий равного износа приводится в справочно-нормативных материалах по режимам резания.

Прогнозирование стойкости в работе осуществляется как вручную, так и с помощью ЭВМ. Исходные данные: критерий равного износа (задается), модель кинетики износа (получена в п.2.3), результаты изнашивания перетачиваемых пластин, доведенных до различных значений износа с фиксированием времени при различных скоростях (не менее 3-х). Величины измеряются на микроскопе.

Строится приведенная к эталонная зависимость путем умножения всех ее точек на масштабный коэффициент (рис.6). Для каждой в соответствии с приращением износа , полученным на ней, определяется приращение времени по приведенной эталонной зависимости:

Определяется масштабный коэффициент и оценивается стойкость . Строится стойкостная зависимость (5) (см. п.2.2).

Расчет стойкости на ЭВМ.

Решение уравнения (7) дает возможность определить отношение

как функцию .

Если экспериментально при постоянных условиях резания получен участок неизвестной зависимости от , то для него можно записать:

,

отсюда

.

Используя уравнения (7,8) на ЭВМ для каждой скорости оценивается период стойкости и с помощью метода наименьших квадратов определяются постоянные стойкостной зависимости (5).

 

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Розенберг, Ю.А. Резание материалов: Учебник / Ю.А.Розенберг: Курганский гос. ун-т; Тюменский гос. нефтегазовый ун-т. – Курган: Зауралье, 2007.

2. Трембач, Е.Н. Резание материалов: Учебник / Е.Н.Трембач и др. – 2-е изд., перераб. и доп. - Старый Оскол: ООО «ТНТ», 2007.