CC BY
84
УДК 658.562.012.7;658.563
УЧЕТ СВОЙСТВ НАДЕЖНОСТИ ПРИ ОЦЕНКЕ КАЧЕСТВА СБОРНЫХ ТОКАРНЫХ РЕЗЦОВ
М.С. Остапенко, Д.С. Василега
Тюменский государственный нефтегазовый университет E-mail: [email protected]
Обоснована необходимость введения в номенклатуру показателей качества сборных токарных резцов показателей надежности: коэффициента температурной совместимости и коэффициента напряженности. Приведены способы расчета введенных коэффициентов.
Ключевые слова:
Управление качеством, квалиметрия, металлорежущий инструмент, температура резания, надежность. Key words:
Quality management, qualimetry, metal-cutting tool, cutting temperature, reliability.
На сегодняшний день существует номенклатура показателей качества инструмента металло- и дереворежущего лезвийного (ГОСТ 4.442-86), в которой показатели надежности учитываются как средний период стойкости (безотказность) и установленный период стойкости (безотказность). Но надежность изделия - это комплексное свойство, которое в зависимости от назначения и условий эксплуатации может включать: безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость, устойчивость работы, режимную управляемость, живучесть и тому подобное. Поэтому рассматривать надежность как единичный показатель качества мы не можем.
Наиболее распространенный в практической квалиметрии способ учета свойств надежности заключается в том, что надежность учитывается на тех же условиях, что и другие показатели, совокупность которых составляет качество. Однако, как показывают исследования многих ученых в области квалиметрии [1-3], такой подход принципиально неприемлем по ряду причин.
Не всегда удается включить в расчет все свойства, определяющие надежность и, что самое главное, надежность не нужна сама по себе. Это не цель, а средство обеспечения проявления (реализации, существования) тех свойств, ради которых продукция (или услуга) и создавалась, то есть свойств функциональности.
По указанным выше причинам, надежность должна учитываться в виде коэффициента надежности. Этот коэффициент изменяется от 0 до 1 и должен умножаться на ту функцию свертки, с помощью которой, учитываются остальные свойства. Для металлорежущего инструмента можно выделить основные показатели надежности, такие как путь резания (долговечность) и безотказность.
В работах А.М. Розенберга и А.Н. Еремина [5], С.С. Силина [6], А.Д. Макарова [7], И.С. Правед-никова, Е.В. Артамонова, В.П. Астахова [8] показано, что определяющим в процессе резания является температурный фактор. Это объясняется тем, что физико-механические характеристики обрабатываемых и инструментальных материалов суще-
ственно изменяются в зависимости от температуры. У инструментальных твердых сплавов изменения коэффициента интенсивности напряжений К1С и ударной вязкости КСУв зависимости от температуры носят экстремальный характер. То же самое справедливо и для обрабатываемых материалов, например, для таких параметров, как относительное удлинение; относительное сужение; коэффициент температурного (линейного) расширения; удельная теплоемкость материала; коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала) [4].
В результате проведенных нами исследований показано, что каждый обрабатываемый материал имеет свою температуру максимальной обрабатываемости 0м.о., при которой наблюдаются минимальные нагрузки на инструмент и минимальная шероховатость обработанной поверхности. Данную температуру можно определять по изменениям физико-механических характеристик материалов в зависимости от температуры. В свою очередь, каждый инструментальный материал имеет свою температуру максимальной работоспособности ©м.р., при которой повышается его способность противостоять нагрузкам, соответственно уменьшается износ и повышается надежность. На основании этого можно сделать вывод о том, что при обработке материалов резанием идеальным будет вариант совпадения этих температур.
Этого можно добиться выбором соответствующего инструментального материала и поддержанием необходимой температуры в зоне резания (назначением соответствующих режимов). Для того, чтобы учесть проблему правильного выбора инструментального твердого сплава при оценке качества сборных токарных резцов, от которого существенно зависят показатели надежности - стойкость (путь резания) и безотказность, предложено ввести коэффициент температурной совместимости К.с. обрабатываемого материала и инструментального твердого сплава.
Коэффициент температурной совместимости
(
=
V ®м . о . J
Известия Томского политехнического университета. 2011. Т. 318. № 2
где 0м.р. и 0м.о. - температура максимальной работоспособности твердого сплава и обрабатываемости материала; п=3 при 0мр<0мо, п=-3 при
@м.о.<@м,,
Подробно методика нахождения 0м.р. и 0м.о. рассмотрена в работе [4]. Так же, на показатели надежности существенно влияют геометрические характеристики и схемы базирования и крепления, их предлагается учесть при оценке качества сборных токарных резцов с помощью коэффициента напряженности Кн.
Показатель «коэффициент напряженности» введен в номенклатуру единичных показателей качества для получения обобщенной оценки надежности конструкции инструмента с точки зрения интенсивности напряжений, возникающих в режущей пластине.
Установлены факторы, влияющие на интенсивность напряжений в режущей пластине:
1. Наличие прижима в угловой паз.
2. Наличие прижима по опорной поверхности (первые два пункта зависят от схемы базирования и крепления пластины).
3. Угол в плане р.
4. Угол при вершине е.
5. Толщина пластины.
6. Наличие твердосплавной подложки и ее толщина.
Соответственно, коэффициент напряженности можно представить в следующем виде: Кн=кщкткркекшктш, где кщ - коэффициент поджима в угловой паз (зависит от схемы базирования и крепления пластины).
Таблица 1. Значения коэффициента поджима в угловой паз кпу
1. Значения коэффициента поджима в угловой паз кпу для различных схем базирования и крепления экспертным методом приведены в табл. 1.
2. кпо - коэффициент прижима по опорной поверхности (зависит от схемы базирования и крепления пластины).
От действия на режущую пластину силовых нагрузок, возникающих при резании, происходит деформация опорной зоны корпуса инструмента. С прижимом пластины по опорной поверхности снижается уровень напряжений, а следовательно, и деформаций на задней грани державки.
Значения коэффициента прижима по опорной поверхности кпо для различных схем базирования и крепления экспертным методом приведены в табл. 2.
3. к(р - коэффициент угла в плане р.
Наиболее часто применяемые углы в плане (
45°, 60°, 75°, 90°. Для круглых пластин этот угол равен 0°.
На основании анализа работ по исследованию влияния угла в плане на напряженно-деформированное состояние СМП экспертным методом были установлены следующие коэффициенты:
Таблица 3. Значения коэффициента угла в плане кр
р 0° 45° 60° 75° 90°
к 1 0,53 0,21 0,13 0,06
4. ке - коэффициент угла при вершине е. Наиболее существенное влияние на напряженно-деформированное состояние сменной пластины
Схема базирования и крепления пластины
Система крепления по 150
М
Нет
0,56
1,00
1,00
1,00
0,56
Таблица 2. Значения коэффициента прижима по опорной поверхности кпо
Схема базирования и крепления пластины
Система крепления по 150
1,00
0,25
,00
М
1,00
Нет
0,25
С
Р
5
к
у
С
Р
5
к
1С
оказывает угол при вершине е. На основании анализа исследований влияния угла при вершине е на напряженно-деформированное состояние сменной пластины были установлены коэффициенты угла при вершине е (табл. 4).
Таблица 4. Значения коэффициента угла при вершине резца kE
k 0,18 0,20 0,28 0,29 0,30 0,60 0,64 0,68 1,0
Е 55° 60° 80° 85° 90° 108° 110° 120° 180°
5. Толщина пластины.
Толщина пластины существенно влияет на распределение напряжений по задней грани. В тонких пластинах напряжения, возникающие в опорной зоне от контакта режущей пластины с державкой резца, оказывают заметное влияние на распределение напряжений на передней и задней гранях.
Согласно работе [9], толщина пластины связана с подачей резания соотношением /=(8...12)5. Увеличение толщины пластины выше этого значения не приводит к возрастанию ее прочности. Существующие исследования по определению влияния толщины СМП на их напряженное состояние хорошо согласуются с выводами в указанных работах.
Таким образом, при толщине пластины =(8...12)5 коэффициент принимается равным 1, при /<(8.12)5 принимается 0,5.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Азгальдов Г.Г., Зорин В.А., Павлов А.П. Квалиметрия для инженеров-механиков. - М.: МАДИ, 2006. - 220 с.
2. Гличев А.В., Погожев И.Б., Шор Я.Б., Азгальдов Г.Г. Квалиметрия (ее содержание, задачи и методы // Стандарты и качество. - 1970. - №11. - С. 30-34.
3. Федюкин В.К. Квалиметрия. Измерение качества промышленной продукции. - М.: КноРус, 2009. - 320 с.
4. Артамонов Е.В., Василега Д.С., Остапенко М.С., Шрай-нер В.А. Работоспособность инструментов и физико-механические характеристики инструментальных твердых сплавов и обрабатываемых материалов / под общей ред. М.Х. Утеше-ва. - Тюмень: Изд-во «Вектор Бук», 2008. - 160 с.
5. Розенберг А.М., Еремин А.Н. Элементы теории процесса резания металлов. - М.: Машгиз, 1956. - 319 с.
6. Наличие твердосплавной подложки и ее толщина.
Как известно, выход из строя режущих пластин возникает за счет деформаций опорной зоны корпуса, которая теряет плоскостность под нагрузкой. Режущие пластины из твердого сплава, характеризуемого высокой твердостью и хрупкостью, плохо работают на изгиб и не способны принять форму деформированной опорной поверхности корпуса инструмента. При l/t=1 деформации и напряжения в державке минимальны. Поэтому для уменьшения деформаций опорной зоны корпуса инструмента необходимо под сменную пластину ставить опорную пластину толщиной t1=(0,8.1,1)t из твердого сплава или закаленных сталей.
Таким образом, при толщине опорной пластины t1=(0,8.1,1)t коэффициент принимается равным 1, при t<(0,8...1,1)t или отсутствии подложки принимается 0,5.
Выводы
Обоснована необходимость расширения номенклатуры показателей качества сборных токарных резцов, в частности, дополнения ее такими составляющими показателя надежности, как коэффициент температурной совместимости и коэффициент напряженности. Приведены способы расчета вводимых коэффициентов.
6. Силин С.С. Метод подобия при резании металлов. - М.: Машиностроение, 1979. - 152 с.
7. Макаров А.Д. Оптимизация процессов резания. 2-е изд. - М.: Машиностроение, 1976. - 278 с.
8. Astakhov V.P. Experimental investigation of the effect of cutting depth, tool rake angle and workpiece material type on the main cutting force during a turning process. 2006. URL: http://www. astvik.com/publications/ (дата обращения 12.08.2009).
9. Режимы резания труднообрабатываемых материалов: Справочник / Я.Л. Гуревич, М.В. Горохов, В.И. Захаров и др. - М.: Машиностроение, 1986. - 240 с.
Поступила 05.07.2010г.
